Quarcii, descoperirea

secolul al XX-lea a început cu confirmarea faptului că materia nu era continuă, ci făcută din atomi și molecule minuscule. S-a încheiat cu confirmarea faptului că materia este făcută, în parte, din obiecte chiar mai mici numite quarci.

atomii constau din nuclee și electroni, iar nucleele constau din neutroni și protoni. Cu toate acestea, în 1950, protonul și neutronul au fost considerați constituenții elementari finali ai materiei. Pionul a fost purtătorul forței puternice care a atras protonii și neutronii pentru a forma nuclee, la fel cum fotonul a fost purtătorul forței electromagnetice care lega electronii și nucleele în atomi. Dar până în 1962 au fost descoperite multe particule noi neașteptate. Acestea au fost grupate mai întâi în familii numite multiplete și descrise de calea de opt ori. Până în 1966 a devenit clar că niciuna dintre noile particule nu ar putea fi cu adevărat elementară. Neutronul, protonul și pionul nu erau calitativ diferite ca electronul și fotonul; ei și toate noile particule care interacționează puternic numite barioni și mezoni au fost construite din aceleași blocuri de construcție chiar mai mici numite acum quarci.

calea de opt ori în sine a fost încurcată, deoarece nu a dat niciun motiv pentru care ar trebui găsite anumite multiplete. La fel ca tabelul Mendeleev al elementelor chimice, acesta a oferit o modalitate de a clasifica așa-numiții „constituenți elementari ai materiei”, dar numărul lor a sugerat că nu pot fi toți elementari.

în 1963 Hayim Goldberg și Yuval ne ‘ Eman au subliniat că toate particulele cunoscute ar putea fi construite matematic din aceleași trei blocuri de construcție, numite acum quarcurile sus (u ), jos (D) și ciudate (s), împreună cu antiparticulele lor, numite acum antiquarks.

în 1964 Murray Gell-Mann și George Zweig au îndrăznit să propună că acestea erau într-adevăr elementele de bază ale materiei. Dar a apărut o dificultate serioasă. Electronul, neutronul, protonul și pionul au fost descoperite experimental ca particule izolate care ar putea fi detectate și create individual și ale căror căi prin spațiu ar putea fi determinate. Cu toate acestea, cu tehnologia actuală, oamenii de știință încă nu sunt capabili să creeze sau să studieze cuarci individuali. Dar oamenii de știință credeau deja că materia constă din atomi și molecule cu mult înainte ca cineva să le creeze sau să le detecteze individual. Poate că descoperirile viitoare vor face posibilă crearea și detectarea cuarcilor.

nu există răspunsuri simple la întrebările cine a descoperit atomul, cine a descoperit cuarcul și cum a fost stabilită realitatea atomilor și cuarcilor. Un posibil răspuns apare în Cartea lui E. D. Hirsch Jr.școlile de care avem nevoie și de ce nu le avem: „comunitatea științifică ajunge la concluzii printr-un model de convergență independentă (un fel de triangulare intelectuală), care este împreună cu predicția exactă, unul dintre cele mai puternice modele de consolidare a încrederii în cercetarea științifică. Există puține sau deloc exemple în istoria științei când același rezultat, atins prin trei sau mai multe mijloace cu adevărat independente, a fost răsturnat” (p.159). Hirsch citează biografia lui Einstein a lui Abraham Pais pentru un exemplu al acestei convergențe:

dezbaterea asupra realității moleculare a fost soluționată o dată pentru totdeauna datorită Acordului extraordinar în valorile lui N obținut prin multe metode diferite. Problemele au fost rezolvate nu printr-o determinare a lui N, ci printr-o supradeterminare a lui N. De la subiecte atât de diverse precum radioactivitatea, mișcarea browniană și albastrul de pe cer, a fost posibil să se afirme, până în 1909, că o duzină de moduri independente de măsurare a N au dat rezultate într-un acord remarcabil unul cu celălalt.

în 1966, acest tip de dovezi circumstanțiale l-au convins deja pe Richard Dalitz că materia era făcută din quarci, când și-a dat recenzia invitată la conferința internațională anuală privind fizica energiei înalte din Berkeley, California. Aceste dovezi au inclus existența unor regularități observate experimental în proprietățile particulelor create la acceleratoarele de mare energie, faptul că coliziunile dintre diferite tipuri de particule au fost pur și simplu legate, faptul că proprietățile electromagnetice ale diferitelor mezoni și barioni au fost pur și simplu legate, raportul experimental observat al momentelor magnetice ale neutronului și protonului și faptul că anihilarea unui proton și a unui antiproton în repaus a produs aproape întotdeauna trei mezoni. Acestea erau altfel inexplicabile și convergeau la aceeași concluzie: mezonii și barionii au fost construiți din aceleași blocuri elementare. Această convergență independentă a convins în cele din urmă pe toată lumea că toate multele particule descrise de calea de opt ori nu erau elementele de bază ale materiei, așa cum se credea anterior, ci erau ele însele construite din blocuri de construcție și mai mici.

mulți fizicieni de particule nu au putut înțelege de ce cuarcii nu au fost acceptați în general până în anii 1970. o problemă a fost că valorile sarcinilor electrice ale cuarcilor erau mai mici decât sarcina electrică a electronului. Cuarcul u are o sarcină electrică pozitivă de două treimi din valoarea sarcinii electronului, iar cuarcii d și s au sarcini negative o treime din sarcina electronului. Până în prezent, toate particulele cunoscute au valori ale sarcinii electrice care sunt multipli integrali ai sarcinii electronului și antiparticulei sale pozitronul. Nici particule încărcate fracționat, nici cuarci izolați nu au fost observate vreodată.

cu toate acestea, din ce în ce mai multe dovezi circumstanțiale pentru existența quarcilor ca blocuri de construcție din care este construită toată materia s-au acumulat din 1966. Toate particulele care sunt descoperite continuu și care se încadrează în multipletele definite de modul opt se comportă ca și cum ar fi fie construite din trei quarci, fie dintr-un singur quark și o singură antiparticulă a quarkului numită antiquark.

căutarea dovezilor pentru cuarci individuali

încă de la prima propunere de quark în 1964, experimentatorii au căutat particule cu sarcini electrice mai mici decât sarcina electronului. Dar nici unul nu a fost găsit. Toate dovezile copleșitoare pentru existența cuarcilor provin din proprietățile mezonilor și barionilor care indicau că au fost construite din cuarci.

în anii 1970, experimentele de fotografiere a electronilor de mare energie la o țintă de protoni au produs dovezi că electronii loveau și erau împrăștiați de cuarci unici. Aici, din nou, dovezile erau încă circumstanțiale. Quark-ul în sine nu a fost niciodată observat. Dar un electron împrăștiat de un obiect asemănător unui punct cu o sarcină electrică își schimbă direcția de mișcare și își schimbă energia într-un mod bine definit și bine cunoscut. Studierea schimbărilor de direcție și energie în experimentele de împrăștiere a electronilor a indicat că electronii au fost împrăștiați din constituenții punctuali din proton cu sarcinile electrice fracționate prezise de modelul quark.

aceste experimente au ajutat la confirmarea faptului că quarcii ciudați au existat cu adevărat. Dar au ridicat două întrebări noi. Deși cuarcii au fost loviți foarte tare de electron și au absorbit o energie și un impuls foarte mari, nu au fost niciodată eliminați din proton. Quarcurile libere izolate nu au fost niciodată observate. Acest lucru a indicat faptul că quarcii erau legați de forțe foarte puternice din interiorul protonului care îi țineau închiși. Dar datele de împrăștiere a electronilor au indicat că obiectele care împrăștie electronii au transferat energie și impuls ca o particulă liberă, fără dovezi că ar fi constrânse de forțe puternice. Aceste două puzzle-uri au fost clarificate în noul Model Standard și au dat numele de închisoare și libertate asimptotică.

forțele care leagă quarcii împreună în mezoni și barioni sunt atât de puternice la distanțe mari încât separarea unui quark de vecinii săi costă o cantitate imensă de energie. Când un quark dintr-un proton este lovit cu o energie suficientă pentru a crea noi particule, se creează o nouă pereche quark-antiquark. Antiquark-ul creat se combină apoi cu quark-ul lovit pentru a crea un pion sau alt Mezon, iar quark-ul creat revine la ceilalți constituenți ai protonului original. Energia produsă prin lovirea unui quark într-un proton nu conduce quark-ul singur din proton; quark-ul preia un antiquark care a fost creat de transferul mare de energie și apoi se stinge ca un Mezon. Astfel, quarcurile izolate nu sunt niciodată observate ca produse ale coliziunilor cu energie ridicată; mai degrabă găsesc întotdeauna parteneri creați în coliziuni și se combină cu ei pentru a forma mezoni și barioni. Astfel, ele sunt întotdeauna limitate prin a fi legate în mezoni sau barioni și nu sunt niciodată observate ca cuarci liberi izolați.

experimente mai recente cu coliziuni de mare energie arată cum un quark lovit creează perechi quark-anti-quark care se recombină în moduri diferite pentru a crea un lanț de mezoni și barioni. Quark-ul lovit se combină cu un antiquark creat pentru a forma un Mezon, lăsând partenerul quark al antiquark-ului să caute un nou antiquark creat etc. Acest lucru apare în detectorul experimentului ca un „jet” de particule care ies de la protonul inițial la quarkul lovit sau conducător.

un analog al acestui fenomen jet din experiența noastră de zi cu zi este fulgerul. Când sarcina electrică pe un nor devine suficient de mare, forța puternică asupra atomilor de aer devine atât de mare încât se descompun în ioni încărcați pozitiv și negativ. Dacă norul este încărcat negativ, acesta atrage ionii pozitivi, lăsând ionii negativi să caute noi parteneri și să creeze un lanț sau „jet” prin aer pe care îl vedem ca fulgere.

modelul standard explică acum modul în care aceste forțe puternice nu perturbă experimentele de împrăștiere a electronilor care oferă informații despre sarcinile electrice ale cuarcilor. Teoria câmpului numită Cromodinamică cuantică (QCD) afirmă că, deși forțele dintre quarci devin foarte puternice la distanțe mari, ele devin atât de slabe la distanțe scurte încât sunt complet neglijabile în împrăștierea electronilor cu energie mare. Această diferență între comportamentul la distanță scurtă și lungă se numește libertate asimptotică.

dovezile circumstanțiale care susțin imaginea Quarkului

există multe dovezi circumstanțiale care susțin existența quarkului: acordul cu valorile experimentale ale sarcinii electrice, spinului și momentelor magnetice ale particulelor cu predicțiile modelului quark au furnizat dovezi izbitoare.

sarcinile electrice ale barionilor formate din trei quarci cu valori de sarcină electrică +centixt și-centixt pot fi doar +2, +1, 0 și -1. Sarcinile electrice ale mezonilor făcuți dintr-un quark și antiquark-ul său conjugat de sarcină pot fi doar 1, 0 și -1. Multe sute de particule sunt acum cunoscute și până acum toate au doar aceste valori pentru încărcarea electrică.

mișcarea de filare a particulelor și afișarea comportamentului lor similar cu magneții minusculi au oferit indicii importante pentru structura lor. Un vârf încărcat electric se comportă ca un magnet. Puterea magnetului mic al electronului, numit momentul său magnetic, a fost descrisă cu succes de faimoasa teorie și ecuație a lui Paul Dirac.

momentele magnetice ale protonului și neutronului au dat primul indiciu că nu erau elementare, ci aveau o structură mai complicată. Neutronul nu are sarcină electrică, dar se comportă ca un magnet format din sarcină negativă care se rotește. Acest lucru sugerează că neutronul nu este un obiect elementar fără sarcină electrică, ci constă din blocuri de construcție mai mici, având atât sarcini pozitive, cât și negative, care se rotesc în direcții opuse. Momentul magnetic al protonului este mult mai mare decât cel descris de teoria lui Dirac.

unul dintre primele succese ale modelului quark a fost acela de a arăta cum valorile experimentale corecte ale spinilor particulelor și ale momentelor magnetice au fost obținute prin adăugarea contribuțiilor spinilor quark și ale momentelor magnetice din fiecare. Un Barion format din trei cuarci va avea un spin de trei ori mai mare decât spinul electronului sau protonului dacă rotirile sunt paralele și va avea un spin egal cu spinul electronilor dacă spinul unuia este opus spinului celorlalte două. Un Mezon format dintr-un quark și un antiquark va avea o rotire egală cu dublul rotirii electronilor dacă rotirile sunt paralele și rotire zero dacă sunt opuse și anulate. Rotirile tuturor particulelor măsurate se potrivesc acestei imagini.

pentru a obține valorile momentelor magnetice din proton și neutron, trebuie mai întâi să rețineți că protonul este format din doi quarci u cu rotiri paralele și un quark d cu rotire opusă. Quarcii u și d au semne opuse de sarcină electrică, magneții lor indică în aceeași direcție atunci când se rotesc în direcții opuse. Fiecare moment magnetic quark este proporțional cu sarcina sa electrică. Astfel, cei doi quarci u din proton cu sarcină +0XT contribuie fiecare + XTT Dirac unități de moment magnetic, în timp ce quarkul d cu sarcină-XTT se rotește în direcția opusă și contribuie-xttt unitate Dirac. Într-o aproximare brută se adaugă acestea pentru a obține momentul magnetic al protonului ca +5/3 unități Dirac. Neutronul are două cuarci d cu sarcină-unități de la-XTX și rotiri paralele fiecare contribuind-unități de la-XTX și un cuarci u cu sarcină-unități de la-XTX și spin opus contribuind-XTX pentru a da un moment magnetic neutronic de -4/3 unități Dirac. Aceasta dă -5 / 4 pentru raportul dintre momentele magnetice protonice și neutronice. Un calcul mai precis folosind adăugarea mecanică cuantică de rotiri dă-3/2, care este de acord remarcabil de bine cu valoarea experimentală de -1,46. Suma momentelor de neutroni și protoni este unitatea Dirac de un mie. O presupunere rezonabilă pentru valoarea unității Quark Dirac dă o valoare experimentală de 0,33.

acest lucru este tipic acumulării de dovezi circumstanțiale care susțin credința că quarcii sunt blocurile corecte ale materiei. În primul rând, sarcinile electrice ale neutronului și protonului și ale tuturor celorlalte particule ies corect. În al doilea rând, sunt explicate rotirile și valorile corecte foarte precise pentru momentele magnetice ale neutronului și protonului. Toate acestea confirmă imaginea că particulele se comportă „ca și cum ar fi făcute din cuarci.”Electricitatea, magnetismul și rotația lor ar fi foarte greu de înțeles dacă nu ar fi construite din aceste blocuri de construcție. Nu ar fi clar, de exemplu, de ce neutronul, care nu are sarcină electrică, are un moment magnetic similar cu protonul, care are sarcină electrică, sau de ce neutronul are și semnul opus și raportul corect cu momentul protonului prezis de modelul quark.

acesta este doar un exemplu de dovezi circumstanțiale care susțin concluzia că quarcii sunt elementele de bază ale întregii materii. Modelul Standard care ghidează toate investigațiile teoretice și experimentale din fizica particulelor începe cu aceste cunoștințe, chiar dacă cuarcii individuali izolați nu au fost niciodată observați.

Vezi și:Eightfold Way; model Standard; principii de simetrie