Prije samo godinu dana, Peter Higgs i François Engler dobili su Nobelovu nagradu za svoj rad na subatomskim česticama. Možda se čini smiješnim, ali znanstvenici su svoja otkrića došli prije pola stoljeća, ali do sada im se nije pridavala neka velika važnost.
Godine 1964. dva talentirana fizičara također su se javila sa svojom inovativnom teorijom. Isprva također nije privlačila gotovo nikakvu pozornost. To je čudno, budući da je opisala strukturu hadrona, bez kojih nije moguća jaka međuatomska interakcija. Bila je to teorija kvarkova.
Što je ovo?
Usput, što je kvark? Ovo je jedna od najvažnijih komponenti hadrona. Važno! Ova čestica ima "pola" spin, zapravo je fermion. Ovisno o boji (više o tome u nastavku), naboj kvarka može biti jednak jednoj trećini ili dvije trećine naboja protona. Što se tiče boja, ima ih šest (generacije kvarkova). Potrebni su kako se Paulijev princip ne bi prekršio.
Osnovnidetalji
U sastavu hadrona, te se čestice nalaze na udaljenosti koja ne prelazi vrijednost ograničenja. To se jednostavno objašnjava: izmjenjuju vektore mjernog polja, odnosno gluone. Zašto je kvark toliko važan? Gluonska plazma (zasićena kvarkovima) je stanje materije u kojem se nalazio cijeli svemir neposredno nakon velikog praska. Sukladno tome, postojanje kvarkova i gluona izravna je potvrda da je to stvarno bio.
Imaju i svoju boju, te stoga tijekom kretanja stvaraju svoje virtualne kopije. Sukladno tome, kako se udaljenost između kvarkova povećava, sila interakcije između njih značajno raste. Kao što možete pretpostaviti, na minimalnoj udaljenosti interakcija praktički nestaje (asimptotska sloboda).
Dakle, svaka jaka interakcija u hadronima se objašnjava prijelazom gluona između kvarkova. Ako govorimo o interakcijama između hadrona, onda se one objašnjavaju prijenosom pi-mezonske rezonancije. Jednostavno rečeno, posredno, sve se opet svodi na razmjenu gluona.
Koliko je kvarkova u nukleonima?
Svaki neutron se sastoji od para d-kvarkova, pa čak i od jednog u-kvarka. Svaki proton, naprotiv, sastoji se od jednog d-kvarka i para u-kvarka. Usput, slova se dodjeljuju ovisno o kvantnim brojevima.
Objasnimo. Na primjer, beta raspad se objašnjava upravo transformacijom jednog istog tipa kvarkova u sastavu nukleona u drugi. Da bi bilo jasnije, ovaj proces se može zapisati kao formula ovako: d=u + w (ovo je neutronski raspad). Odnosno,proton je zapisan malo drugačijom formulom: u=d + w.
Usput, potonji proces objašnjava stalan protok neutrina i pozitrona iz velikih zvjezdanih jata. Dakle, na ljestvici svemira malo je čestica tako važnih kao kvark: gluonska plazma, kao što smo već rekli, potvrđuje činjenicu velikog praska, a proučavanje ovih čestica omogućuje znanstvenicima da bolje razumiju samu bit svijet u kojem živimo.
Što je manje od kvarka?
Usput, od čega se sastoje kvarkovi? Njihove sastavne čestice su preoni. Te su čestice vrlo male i slabo razumljive, tako da se ni danas o njima ne zna puno. To je ono što je manje od kvarka.
Odakle su došli?
Do danas, najčešće su dvije hipoteze nastanka preona: teorija struna i Bilson-Thompsonova teorija. U prvom slučaju, pojava ovih čestica objašnjava se oscilacijama struna. Druga hipoteza sugerira da je njihov izgled uzrokovan uzbuđenim stanjem prostora i vremena.
Zanimljivo je da se u drugom slučaju fenomen može u potpunosti opisati pomoću matrice paralelnog prijenosa duž krivulja spin mreže. Svojstva upravo ove matrice predodređuju ona za preon. To je ono od čega su kvarkovi napravljeni.
Sažimajući neke rezultate, možemo reći da su kvarkovi svojevrsni "kvant" u sastavu hadrona. Impresionirani? A sada ćemo govoriti o tome kako je kvark uopće otkriven. Ovo je vrlo zanimljiva priča, koja, osim toga, u potpunosti otkriva neke od gore opisanih nijansi.
Čudne čestice
Neposredno nakon završetka Drugog svjetskog rata, znanstvenici su počeli aktivno istraživati svijet subatomskih čestica, koji je do tada izgledao primitivno jednostavno (prema tim idejama). Protoni, neutroni (nukleoni) i elektroni tvore atom. Godine 1947. otkriveni su pioni (a njihovo postojanje je predviđeno još 1935.) koji su bili odgovorni za međusobno privlačenje nukleona u jezgri atoma. Više od jedne znanstvene izložbe bilo je posvećeno ovom događaju odjednom. Kvarkovi još nisu bili otkriveni, ali trenutak napada na njihov "trag" bio je sve bliži.
Neutrini do tada još nisu bili otkriveni. Ali njihova očita važnost u objašnjavanju beta raspada atoma bila je toliko velika da znanstvenici nisu sumnjali u njihovo postojanje. Osim toga, neke su antičestice već otkrivene ili predviđene. Jedino što je ostalo nejasno je situacija s mionima, koji su nastali tijekom raspadanja piona i nakon toga prešli u stanje neutrina, elektrona ili pozitrona. Fizičari uopće nisu razumjeli čemu služi ova međustanica.
Jao, tako jednostavan i nepretenciozan model nije dugo preživio trenutak otkrića božura. Godine 1947. dvojica engleskih fizičara, George Rochester i Clifford Butler, objavili su zanimljiv članak u znanstvenom časopisu Nature. Materijal za to bilo je njihovo proučavanje kozmičkih zraka pomoću oblačne komore, tijekom kojeg su dobili znatiželjne informacije. Na jednoj od fotografija snimljenih tijekom promatranja jasno se vidio par tragova sa zajedničkim početkom. Budući da je neslaganje nalikovalo latinskom V, odmah je postalo jasno– naboj ovih čestica je definitivno drugačiji.
Znanstvenici su odmah pretpostavili da ti tragovi ukazuju na činjenicu raspada neke nepoznate čestice, koja nije ostavila nikakve druge tragove. Proračuni su pokazali da je njegova masa oko 500 MeV, što je puno veće od ove vrijednosti za elektron. Naravno, istraživači su svoje otkriće nazvali V-čestica. Međutim, to još nije bio kvark. Ova je čestica još uvijek čekala u krilima.
Upravo je počelo
Sve je počelo ovim otkrićem. Godine 1949., pod istim uvjetima, otkriven je trag čestice, koja je dala nastanak tri piona odjednom. Ubrzo je postalo jasno da su ona, kao i V-čestica, potpuno različite predstavnice obitelji koja se sastoji od četiri čestice. Kasnije su nazvani K-mezoni (kaoni).
Par nabijenih kaona ima masu od 494 MeV, au slučaju neutralnog naboja - 498 MeV. Inače, 1947. godine znanstvenici su imali sreću uhvatiti upravo isti vrlo rijedak slučaj raspada pozitivnog kaona, ali u to vrijeme jednostavno nisu mogli ispravno protumačiti sliku. Međutim, da budemo potpuno pošteni, zapravo je prvo promatranje kaona napravljeno davne 1943. godine, ali su podaci o tome gotovo izgubljeni u pozadini brojnih poslijeratnih znanstvenih publikacija.
Nova čudnost
A onda je znanstvenike čekalo još otkrića. 1950. i 1951. istraživači sa Sveučilišta Manchester i Melnburg uspjeli su pronaći čestice puno teže od protona i neutrona. Opet nije imao naboj, već se raspao na proton i pion. Potonji, kako se može razumjeti,negativni naboj. Nova čestica nazvana je Λ (lambda).
Što je više vremena prolazilo, znanstvenici su imali više pitanja. Problem je bio u tome što su nove čestice nastale isključivo iz jakih atomskih interakcija, brzo se raspadajući u poznate protone i neutrone. Osim toga, uvijek su se pojavljivali u parovima, nikada nije bilo pojedinačnih manifestacija. Zbog toga je skupina fizičara iz SAD-a i Japana predložila korištenje novog kvantnog broja - neobičnosti - u svom opisu. Prema njihovoj definiciji, neobičnost svih ostalih poznatih čestica bila je nula.
Daljnje istraživanje
Proboj u istraživanju dogodio se tek nakon pojave nove sistematizacije adrona. Najistaknutija ličnost u tome bio je Izraelac Yuval Neaman, koji je promijenio karijeru izvanrednog vojnog čovjeka u jednako briljantan put znanstvenika.
Primijetio je da se mezoni i barioni otkriveni u to vrijeme raspadaju, tvoreći klaster srodnih čestica, multipleta. Članovi svake takve udruge imaju potpuno istu neobičnost, ali suprotne električne naboje. Budući da stvarno jake nuklearne interakcije uopće ne ovise o električnim nabojima, u svim ostalim aspektima čestice iz multipleta izgledaju kao savršeni blizanci.
Znanstvenici su sugerirali da je za pojavu takvih formacija zaslužna neka prirodna simetrija i ubrzo su je uspjeli pronaći. Pokazalo se da je to jednostavna generalizacija SU(2) spin grupe, koju su znanstvenici diljem svijeta koristili za opisivanje kvantnih brojeva. Ovdjesamo do tada su već bila poznata 23 hadrona, a njihovi spinovi bili su jednaki 0, ½ ili cijelobrojnoj jedinici, te stoga nije bilo moguće koristiti takvu klasifikaciju.
Kao rezultat toga, za klasifikaciju su se morala koristiti dva kvantna broja odjednom, zbog čega je klasifikacija značajno proširena. Tako je nastala grupa SU(3) koju je početkom stoljeća stvorio francuski matematičar Elie Cartan. Kako bi odredili sustavni položaj svake čestice u njemu, znanstvenici su razvili istraživački program. Kvark je naknadno lako ušao u sustavni niz, što je potvrdilo apsolutnu ispravnost stručnjaka.
Novi kvantni brojevi
Tako su znanstvenici došli na ideju korištenja apstraktnih kvantnih brojeva, koji su postali hipernaboj i izotopski spin. Međutim, neobičnost i električni naboj mogu se uzeti s istim uspjehom. Ova shema je konvencionalno nazvana Osmostruki put. Ovo bilježi analogiju s budizmom, gdje prije nego što dosegnete nirvanu, također morate proći kroz osam razina. Međutim, sve su ovo stihovi.
Neeman i njegov kolega Gell-Mann objavili su svoj rad 1961. godine, a broj poznatih mezona nije premašio sedam. No, u svom radu istraživači se nisu bojali spomenuti veliku vjerojatnost postojanja osmog mezona. Iste 1961. njihova je teorija sjajno potvrđena. Pronađena čestica nazvana je eta meson (grčko slovo η).
Daljnji nalazi i eksperimenti sa svjetlinom potvrdili su apsolutnu ispravnost SU(3) klasifikacije. Ova je okolnost postala snažnapoticaj za istraživače koji su otkrili da su na pravom putu. Čak ni sam Gell-Mann više nije sumnjao da kvarkovi postoje u prirodi. Recenzije o njegovoj teoriji nisu bile previše pozitivne, ali je znanstvenik bio siguran da je bio u pravu.
Evo kvarkova
Ubrzo je objavljen članak "Shematski model bariona i mezona". U njemu su znanstvenici mogli dalje razviti ideju sistematizacije, koja se pokazala toliko korisnom. Otkrili su da SU(3) sasvim dopušta postojanje cijelih trojki fermiona, čiji se električni naboj kreće od 2/3 do 1/3 i -1/3, a u tripletu jedna čestica uvijek ima nenultu čudnost. Gell-Mann, nama već dobro poznat, nazvao ih je "kvark elementarnim česticama".
Prema optužbama, označio ih je kao u, d i s (od engleskih riječi gore, dolje i čudno). U skladu s novom shemom, svaki barion tvore tri kvarka odjednom. Mezoni su puno jednostavniji. Oni uključuju jedan kvark (ovo pravilo je nepokolebljivo) i antikvark. Tek nakon toga znanstvena zajednica je postala svjesna postojanja ovih čestica, čemu je i posvećen naš članak.
Još malo pozadine
Ovaj članak, koji je uvelike predodredio razvoj fizike u godinama koje dolaze, ima prilično znatiželjnu pozadinu. Gell-Mann je razmišljao o postojanju ove vrste trojki mnogo prije objave, ali o svojim pretpostavkama nije razgovarao ni s kim. Činjenica je da su njegove pretpostavke o postojanju čestica s frakcijskim nabojem izgledale kao besmislica. No, nakon razgovora s uglednim teoretskim fizičarem Robertom Serberom, saznao je da je njegov koleganapravio potpuno iste zaključke.
Osim toga, znanstvenik je donio jedini ispravan zaključak: postojanje takvih čestica moguće je samo ako nisu slobodni fermioni, već su dio hadrona. Doista, u ovom slučaju, njihove optužbe čine jedinstvenu cjelinu! Isprva ih je Gell-Mann nazivao kvarkovima i čak ih je spominjao u MTI-u, no reakcija učenika i nastavnika bila je vrlo suzdržana. Zato je znanstvenik jako dugo razmišljao treba li svoje istraživanje iznijeti javnosti.
Sama riječ "kvark" (zvuk koji podsjeća na krik pataka) preuzeta je iz djela Jamesa Joycea. Čudno, ali američki je znanstvenik svoj članak poslao prestižnom europskom znanstvenom časopisu Physics Letters, jer se ozbiljno bojao da ga urednici američkog izdanja Physical Review Letters, sličnog po razini, neće prihvatiti za objavu. Usput, ako želite pogledati barem primjerak tog članka, imate izravnu cestu do istog tog Berlinskog muzeja. U njegovom izlaganju nema kvarkova, ali postoji potpuna povijest njihovog otkrića (točnije, dokumentarni dokazi).
Početak Revolucije kvarka
Da budemo pošteni, treba napomenuti da je gotovo u isto vrijeme na sličnu ideju došao znanstvenik iz CERN-a George Zweig. Prvo mu je mentor bio sam Gell-Mann, a potom Richard Feynman. Zweig je također utvrdio stvarnost postojanja fermiona koji su imali frakcijski naboj, samo ih je nazvao asovima. Štoviše, talentirani fizičar također je smatrao barione kao trio kvarkova, a mezone kao kombinaciju kvarkova.i antikvark.
Jednostavno rečeno, učenik je u potpunosti ponovio zaključke svog učitelja, i potpuno odvojen od njega. Njegov se rad pojavio čak nekoliko tjedana prije Mannove objave, ali samo kao "domaći" rad instituta. Međutim, upravo je prisutnost dva neovisna rada, čiji su zaključci bili gotovo identični, odmah uvjerila neke znanstvenike u ispravnost predložene teorije.
Od odbijanja do povjerenja
Ali mnogi istraživači su prihvatili ovu teoriju daleko od odmah. Da, novinari i teoretičari su ga brzo zavoljeli zbog njegove jasnoće i jednostavnosti, ali ozbiljni fizičari prihvatili su ga tek nakon 12 godina. Nemojte im zamjeriti što su previše konzervativni. Činjenica je da je u početku teorija kvarkova oštro proturječila Paulijevom principu, koji smo spomenuli na samom početku članka. Ako pretpostavimo da proton sadrži par u-kvarkova i jedan d-kvark, tada prvi mora biti striktno u istom kvantnom stanju. Prema Pauliju, to je nemoguće.
Tada se pojavio dodatni kvantni broj, izražen kao boja (koju smo također spomenuli gore). Osim toga, bilo je potpuno neshvatljivo kako elementarne čestice kvarkova međusobno djeluju općenito, zašto se njihove slobodne varijante ne pojavljuju. Sve te tajne uvelike je pomogla da se razotkriju Teorija mjernih polja, koja je "spomenuta" tek sredinom 70-ih. Otprilike u isto vrijeme, kvarkovska teorija hadrona bila je organski uključena u nju.
Ali najviše od svega, razvoj teorije kočio je potpuni izostanak barem nekih eksperimentalnih eksperimenata,što bi potvrdilo i samo postojanje i interakciju kvarkova međusobno i s drugim česticama. I postupno su se počeli pojavljivati tek od kraja 60-ih, kada je brzi razvoj tehnologije omogućio provođenje eksperimenta s "prijenosom" protona strujama elektrona. Upravo su ti eksperimenti omogućili da se dokaže da su se neke čestice doista "skrile" unutar protona, koji su se izvorno zvali partoni. Kasnije su se ipak uvjerili da se radi o pravom kvarku, ali to se dogodilo tek krajem 1972.
Eksperimentalna potvrda
Naravno, bilo je potrebno mnogo više eksperimentalnih podataka da se konačno uvjeri znanstvena zajednica. Godine 1964. James Bjorken i Sheldon Glashow (usput rečeno budući dobitnik Nobelove nagrade) sugerirali su da bi mogla postojati i četvrta vrsta kvarka, koju su nazvali očaranim.
Upravo zahvaljujući ovoj hipotezi znanstvenici su već 1970. godine uspjeli objasniti mnoge neobičnosti koje su uočene tijekom raspada neutralno nabijenih kaona. Četiri godine kasnije, dvije neovisne skupine američkih fizičara odjednom su uspjele popraviti raspad mezona, koji je uključivao samo jedan "začarani" kvark, kao i njegov antikvark. Nije iznenađujuće da je ovaj događaj odmah nazvan Novembarskom revolucijom. Po prvi put, teorija kvarkova dobila je više ili manje "vizualne" potvrde.
O važnosti otkrića svjedoči činjenica da su voditelji projekta, Samuel Ting i Barton Richter, već prošliprimili su svoju Nobelovu nagradu na dvije godine: ovaj događaj se odražava u mnogim člancima. Neke od njih možete vidjeti u originalu ako posjetite New York Museum of Natural Science. Kvarkovi su, kao što smo već rekli, iznimno važno otkriće našeg vremena, pa im se stoga u znanstvenoj zajednici posvećuje velika pozornost.
Završni argument
Tek 1976. istraživači su pronašli jednu česticu s nenultim šarmom, neutralni D-mezon. Ovo je prilično složena kombinacija jednog šarmiranog kvarka i u-antikvarka. Ovdje su čak i okorjeli protivnici postojanja kvarkova bili prisiljeni priznati točnost teorije, prvi put izrečene prije više od dva desetljeća. Jedan od najpoznatijih teorijskih fizičara, John Ellis, nazvao je šarm "polugom koja je okrenula svijet."
Uskoro je popis novih otkrića uključivao par posebno masivnih kvarkova, gornji i donji, što bi se lako moglo povezati s SU(3) sistematizacijom već prihvaćenom u to vrijeme. Posljednjih godina znanstvenici govore o postojanju takozvanih tetrakvarkova, koje su neki znanstvenici već nazvali "molekulama hadrona".
Neki zaključci i zaključci
Morate razumjeti da se otkriće i znanstveno opravdanje postojanja kvarkova doista može sa sigurnošću smatrati znanstvenom revolucijom. Kao njezin početak može se smatrati 1947. godina (u principu 1943.), a njezin kraj pada na otkriće prvog "začaranog" mezona. Ispada da je trajanje posljednjeg otkrića ove razine do danas, ni manje ni više, čak 29 godina (ili čak 32 godine)! I sve ovovrijeme je potrošeno ne samo da bi se pronašao kvark! Kao primordijalni objekt u svemiru, gluonska plazma ubrzo je privukla mnogo više pozornosti znanstvenika.
Međutim, što područje proučavanja postaje složenije, to je više vremena potrebno za donošenje stvarno važnih otkrića. Što se tiče čestica o kojima raspravljamo, nitko ne može podcijeniti važnost takvog otkrića. Proučavajući strukturu kvarkova, osoba će moći prodrijeti dublje u tajne svemira. Moguće je da ćemo tek nakon njihovog potpunog proučavanja moći saznati kako se dogodio veliki prasak i po kojim se zakonima razvija naš Svemir. U svakom slučaju, upravo je njihovo otkriće omogućilo uvjeriti mnoge fizičare da je stvarnost koja nas okružuje mnogo kompliciranija od prijašnjih ideja.
Dakle, naučili ste što je kvark. Ova je čestica svojedobno napravila veliku buku u znanstvenom svijetu, a danas su istraživači puni nade da će konačno otkriti sve njezine tajne.
