det tjugonde århundradet började med bekräftelsen att materien inte var kontinuerlig utan gjord av små atomer och molekyler. Det slutade med bekräftelsen att Materia delvis görs av ännu mindre föremål som kallas kvarkar.
atomer består av kärnor och elektroner, och kärnor består av neutroner och protoner. Men 1950 ansågs protonen och neutronen vara de slutliga elementära beståndsdelarna i materia. Pionen var bäraren av den starka kraften som lockade protoner och neutroner för att bilda kärnor, precis som fotonen var bäraren av den elektromagnetiska kraften som bundet elektroner och kärnor till atomer. Men 1962 hade många nya oväntade partiklar upptäckts. De grupperades först i familjer som kallades multipletter och beskrivs på åttafaldigt sätt. År 1966 blev det klart att ingen av de nya partiklarna kunde vara riktigt elementära. Neutronen, protonen och pionen var inte kvalitativt olika som elektronen och fotonen; de och alla de nya starkt interagerande partiklarna som kallas baryoner och mesoner byggdes av samma ännu mindre byggstenar som nu kallas kvarkar.
den åttafaldiga vägen själv hade varit förbryllande eftersom det inte gav någon anledning till varför några speciella multipletter skulle hittas. Liksom Mendeleev-tabellen över de kemiska elementen gav det ett sätt att klassificera de så kallade ”elementära beståndsdelarna i materia”, men deras mycket antal föreslog att de inte alla kunde vara elementära.
1963 påpekade Hayim Goldberg och Yuval Ne ’ eman att alla kända partiklar kunde konstrueras matematiskt från samma tre byggstenar, nu kallade upp (u ), ner (d) och konstiga (s ) kvarkar, tillsammans med deras antipartiklar, nu kallade antikvarkar.
1964 vågade Murray Gell-Mann och George Zweig föreslå att dessa verkligen var materiens grundläggande byggstenar. Men en allvarlig svårighet uppstod. Elektronen, neutronen, protonen och pionen upptäcktes alla experimentellt som isolerade partiklar som kunde detekteras och skapas individuellt och vars vägar genom rymden kunde bestämmas. Men med nuvarande teknik kan forskare fortfarande inte skapa eller studera enskilda kvarkar. Men forskare trodde redan att Materia bestod av atomer och molekyler långt innan någon hade skapat eller upptäckt dem individuellt. Kanske framtida upptäckter kommer att göra skapandet och upptäckten av kvarkar möjliga.
det finns inga enkla svar på frågorna som upptäckte atomen, som upptäckte Kvarken och hur verkligheten hos atomer och kvarkar etablerades. Ett möjligt svar visas i boken av Ed Hirsch Jr.skolorna vi behöver och varför vi inte har dem: ”det vetenskapliga samfundet når slutsatser genom ett mönster av oberoende konvergens (en slags intellektuell triangulering), som är tillsammans med exakt förutsägelse, ett av de mest kraftfulla förtroendeskapande mönstren i vetenskaplig forskning. Det finns få eller inga exempel i vetenskapens historia när samma resultat, uppnått med tre eller flera verkligt oberoende medel, har upphävts” (s.159). Hirsch citerar Abraham Pais biografi om Einstein för ett exempel på denna konvergens:
debatten om molekylär verklighet avgjordes en gång för alla på grund av det extraordinära avtalet i värdena på N erhållna med många olika metoder. Frågor avgjordes inte genom en bestämning av N utan genom en överbestämning av N. Från ämnen så olika som radioaktivitet, brunisk rörelse och det blå på himlen var det möjligt att 1909 konstatera att ett dussin oberoende sätt att mäta N gav resultat i anmärkningsvärt avtal med varandra.
1966 övertygade denna typ av omständigheter redan Richard Dalitz om att materia var gjord av kvarkar, när han gav sin inbjudna recension vid den årliga internationella konferensen om högenergifysik i Berkeley, Kalifornien. Detta bevis inkluderade förekomsten av experimentellt observerade regelbundenheter i egenskaperna hos partiklar skapade vid högenergiacceleratorer, det faktum att kollisioner mellan olika typer av partiklar helt enkelt var relaterade, det faktum att de elektromagnetiska egenskaperna hos olika mesoner och baryoner helt enkelt var relaterade, det observerade experimentella förhållandet mellan neutronens och protons magnetiska ögonblick och det faktum att förintelsen av en proton och en antiproton i vila nästan alltid producerade tre mesoner. Dessa var annars oförklarliga och konvergerade på samma slutsats: mesoner och baryoner byggdes från samma elementära byggstenar. Denna oberoende konvergens övertygade så småningom alla om att alla de många partiklar som beskrivs på åttafaldigt sätt inte var materiens grundläggande byggstenar, som man tidigare trodde, utan själva byggdes av ännu mindre byggstenar.
många partikelfysiker kunde inte förstå varför kvarkar inte allmänt accepterades förrän långt in på 1970-talet. ett problem var att värdena på Kvarkens elektriska laddningar var mindre än elektronens elektriska laddning. U-Kvarken har en positiv elektrisk laddning två tredjedelar av värdet på elektronens laddning, och d-och s-Kvarken har negativa laddningar en tredjedel av elektronens laddning. Hittills har alla kända partiklar värden på elektrisk laddning som är integrerade multiplar av laddningen av elektronen och dess antipartikel positronen. Varken fraktionellt laddade partiklar eller isolerade kvarkar har någonsin observerats.
ännu fler indicier för existensen av kvarkar som byggstenar från vilka all materia är uppbyggd har ackumulerats sedan 1966. Alla partiklar som kontinuerligt upptäcks och som passar in i multipletterna definierade av åttafaldigt sätt beter sig som om de antingen är byggda från tre kvarkar eller från en enda kvark och en enda antipartikel av Kvarken som kallas en antikvark.
sökandet efter bevis för enskilda kvarkar
ända sedan det första kvarkförslaget 1964 har experimenter sökt efter partiklar med elektriska laddningar mindre än elektronens laddning. Men ingen har hittats. Alla överväldigande bevis för förekomsten av kvarkar kom från egenskaper hos mesonerna och baryonerna som indikerade att de byggdes från kvarkar.
på 1970-talet experiment som skjuter högenergielektroner vid ett protonmål gav bevis för att elektronerna slog och sprids av enstaka kvarkar. Här var bevisen fortfarande omständliga. Kvarken själv observerades aldrig. Men en elektron som sprids av ett punktliknande objekt med en elektrisk laddning ändrar sin rörelseriktning och ändrar sin energi på ett väldefinierat och välkänt sätt. Att studera riktnings – och energiförändringarna i elektronspridningsexperimenten indikerade att elektronerna var utspridda från punktliknande beståndsdelar i protonen med de fraktionerade elektriska laddningarna som förutspåddes av kvarkmodellen.
dessa experiment hjälpte till att bekräfta att de speciella kvarkarna verkligen existerade. Men de tog upp två nya frågor. Även om kvarkarna drabbades mycket hårt av elektronen, och de absorberade en mycket hög energi och fart, slogs de aldrig ut ur protonen. Isolerade fria kvarkar observerades aldrig. Detta indikerade att kvarkarna var bundna av mycket starka krafter inuti protonen som höll dem begränsade. Men elektronspridningsdata indikerade att föremålen som spridda elektronerna överförde energi och momentum som en fri partikel, utan bevis för att vara begränsad av några starka krafter. Dessa två pussel har klargjorts i den nya standardmodellen och fått namnen på inneslutning och asymptotisk frihet.
krafterna som binder kvarkar till mesoner och baryoner är så starka på stora avstånd att det kostar en enorm mängd energi att separera en kvark från sina grannar. När en kvark i en proton slås med en energi som är tillräcklig för att skapa nya partiklar skapas ett nytt kvark-antikvarkpar. Den skapade antikvarken kombineras sedan med den slagna Kvarken för att skapa en pion eller annan meson, och den skapade Kvarken återgår till de andra beståndsdelarna i den ursprungliga protonen. Den energi som produceras genom att slå en kvark i en proton driver inte Kvarken av sig själv ur protonen; Kvarken plockar upp en antikvark som har skapats av den stora energiöverföringen och sedan går ut som en meson. Således observeras isolerade kvarkar aldrig som produkter av högenergikollisioner; snarare hittar de alltid partners skapade i kollisionerna och kombineras med dem för att bilda mesoner och baryoner. De är således alltid begränsade genom att vara bundna till mesoner eller baryoner och observeras aldrig som isolerade fria kvarkar.
nyare experiment med högenergikollisioner visar hur en slagen kvark skapar kvark-antikvarkpar som rekombinerar på olika sätt för att skapa en kedja av mesoner och baryoner. Den slagna kvarkenkombinerar med en skapad antikvark för att bilda en meson, lämnar antikvarkens kvarkpartner för att söka en ny skapad antikvark, etc. Detta framträder i experimentets detektor som en ”stråle” av partiklar som går ut från den ursprungliga protonen till den slagna eller ledande Kvarken.
en analog till detta jetfenomen från vår vardagliga upplevelse är blixtnedslag. När den elektriska laddningen på ett moln blir tillräckligt stor blir den starka kraften på luftatomerna så stor att de bryts upp i positivt och negativt laddade joner. Om molnet är negativt laddat lockar det de positiva jonerna och lämnar de negativa jonerna för att söka efter nya partners och skapa en kedja eller ”jet” genom luften som man ser som blixtnedslag.
standardmodellen förklarar nu hur dessa starka krafter inte stör elektronspridningsexperimenten som ger information om Kvarkens elektriska laddningar. Fältteorin kallad kvantkromodynamik (QCD) säger att även om krafterna mellan kvarkar blir mycket starka på långa avstånd, blir de så svaga på korta avstånd att de är helt försumbara i högenergielektronspridning. Denna skillnad mellan kort-och långdistansbeteende kallas asymptotisk frihet.
de indicier som stöder Kvarkbilden
det finns mycket indicier som stöder Kvarkens existens: avtalet med de experimentella värdena för elektrisk laddning, spinn och magnetiska moment av partiklar med kvarkmodellprognoser har gett slående bevis.
de elektriska laddningarna av baryoner gjorda av tre kvarkar med elektriska laddningsvärden + 2, + 1, 0 och-1. De elektriska laddningarna av mesoner gjorda av en kvark och dess laddningskonjugat antikvark kan bara vara 1, 0 och -1. Många hundratals partiklar är nu kända, och hittills har alla bara dessa värden för elektrisk laddning.
partiklarnas snurrande rörelse och deras visning av beteende som liknar små magneter gav viktiga ledtrådar till deras struktur. En snurrande elektriskt laddad topp beter sig som en magnet. Styrkan hos elektronens lilla magnet, kallad dess magnetiska ögonblick, beskrivs framgångsrikt av Paul Diracs berömda teori och ekvation.
protonens och neutronens magnetiska moment gav den första indikationen på att de inte var elementära men hade en mer komplicerad struktur. Neutronen har ingen elektrisk laddning men beter sig som en magnet gjord av snurrande negativ laddning. Detta antyder att neutronen inte är ett elementärt objekt utan elektrisk laddning utan består av mindre byggstenar med både positiva och negativa laddningar som snurrar i motsatta riktningar. Protonmagnetiska ögonblicket är mycket större än det som beskrivs av Diracs teori.
en av de första framgångarna med kvarkmodellen visade hur de rätta experimentella värdena för partikelspinn och magnetiska moment erhölls genom att lägga till bidrag från kvarkspinn och magnetiska moment I var och en. En baryon gjord av tre kvarkar kommer att ha en snurrning tre gånger elektronens eller protonens snurr om snurrarna är parallella och kommer att ha en snurrning lika med elektronspinnningen om snurrningen av en är motsatt snurrningen för de andra två. En meson gjord av en kvark och en antikvark kommer att ha en snurr lika med dubbelt elektronspinn om snurren är parallella och nollspinn om de är motsatta och avbryter. Spinnen av alla uppmätta partiklar passar den här bilden.
för att erhålla värdena för de magnetiska momenten i protonen och neutronen måste man först notera att protonen består av två U-kvarkar med parallella snurr och en d-kvark med motsatt snurrning. U-och d-kvarkarna har motsatta tecken på elektrisk laddning, deras magneter pekar i samma riktning när de snurrar i motsatta riktningar. Varje kvarkmagnetiskt ögonblick är proportionellt mot dess elektriska laddning. Således bidrar de två U-kvarkarna i protonen med laddning +https +Dirac-enheter av magnetiskt ögonblick, medan D-Kvarken med laddning-OSX spinner i motsatt riktning och bidrar till-Dirac-enheten. I en rå approximation lägger man till dessa för att få protonmagnetiska ögonblicket som +5/3 Dirac-enheter. Neutronen har två D-kvarkar med laddningsaggregat och parallella snurr varje bidragande-enheter i Xiaomi, och en u-kvark med laddningsaggregat och motsatt spinnbidragsaggregat för att ge ett neutronmagnetiskt ögonblick på -4/3 Dirac-enheter. Detta ger -5 / 4 för förhållandet mellan proton-och neutronmagnetiska moment. En mer exakt beräkning med hjälp av kvantmekanisk tillsats av snurr ger-3/2, vilket överensstämmer anmärkningsvärt bra med experimentvärdet -1,46. Summan av neutron-och protonmomenten är en Dirac-enhet av typen Dirac. Ett rimligt antagande för värdet av quark Dirac-enheten ger ett experimentellt värde på 0,33.
detta är typiskt för ackumulering av omständigheter som stöder tron att kvarkar är de korrekta byggstenarna i materien. Först kommer de elektriska laddningarna av neutronen och protonen och alla andra partiklar ut rätt. För det andra förklaras snurrarna och mycket exakta korrekta värden för neutronens och protons magnetiska ögonblick. Alla dessa bekräftar bilden att partiklar beter sig ” som om de var gjorda av kvarkar.”Deras elektricitet, magnetism och spinn skulle vara mycket svårt att förstå om de inte byggdes från dessa byggstenar. Det skulle till exempel inte vara klart varför neutronen, som inte har någon elektrisk laddning, har ett magnetiskt ögonblick som liknar protonen, som har elektrisk laddning, eller varför neutronen också har motsatt tecken och det korrekta förhållandet till protonmomentet som förutses av kvarkmodellen.
Detta är bara ett exempel på de omständigheter som stöder slutsatsen att kvarkar är de grundläggande byggstenarna i all materia. Standardmodellen som styr alla teoretiska och experimentella undersökningar inom partikelfysik börjar med denna kunskap, även om isolerade enskilda kvarkar aldrig har observerats.
Se även: åttafaldigt sätt; standardmodell; Symmetriprinciper
bibliografi
Hirsch, Ed, Jr.skolorna vi behöver och varför vi inte har dem (Doubleday, New York, 1996).
Pais, A. subtil är Herren: vetenskapen och Albert Einsteins liv (Oxford University Press, New York, 1982).
Lipkin, H. J. ” materiens struktur.”Nature406, 127 (2002).
Harry J. Lipkin
