Právě před rokem dostali Peter Higgs a François Engler Nobelovu cenu za práci na subatomárních částicích. Může se to zdát směšné, ale vědci své objevy učinili před půl stoletím, ale až dosud jim nebyl přikládán žádný velký význam.
V roce 1964 přišli se svou inovativní teorií také dva další talentovaní fyzici. Zpočátku také nevzbudila téměř žádnou pozornost. To je zvláštní, protože popsala strukturu hadronů, bez kterých není možná žádná silná meziatomová interakce. Byla to kvarková teorie.
Co je to?
Mimochodem, co je to kvark? To je jedna z nejdůležitějších součástí hadronu. Důležité! Tato částice má "poloviční" rotaci, ve skutečnosti je to fermion. V závislosti na barvě (více níže) může být náboj kvarku roven jedné třetině nebo dvěma třetinám náboje protonu. Co se týče barev, je jich šest (generace kvarků). Jsou potřeba, aby nebyl porušen Pauliho princip.
Základnípodrobnosti
Ve složení hadronů jsou tyto částice umístěny ve vzdálenosti nepřesahující hodnotu zadržení. To se vysvětluje jednoduše: vyměňují si vektory kalibračního pole, tedy gluony. Proč je kvark tak důležitý? Gluonové plazma (nasycené kvarky) je stav hmoty, ve kterém se nacházel celý vesmír bezprostředně po velkém třesku. Existence kvarků a gluonů je tedy přímým potvrzením toho, že skutečně byl.
Mají také svou vlastní barvu, a proto během pohybu vytvářejí své virtuální kopie. V souladu s tím, jak se vzdálenost mezi kvarky zvětšuje, síla interakce mezi nimi výrazně roste. Jak asi tušíte, na minimální vzdálenost interakce prakticky zmizí (asymptotická svoboda).
Jakákoli silná interakce v hadronech se tedy vysvětluje přechodem gluonů mezi kvarky. Pokud mluvíme o interakcích mezi hadrony, pak se vysvětlují přenosem rezonance pi-mezonu. Jednoduše řečeno, nepřímo vše opět spočívá ve výměně gluonů.
Kolik kvarků je v nukleonech?
Každý neutron se skládá z páru d-kvarků a dokonce z jednoho u-kvarku. Každý proton je naopak tvořen jedním d-kvarkem a párem u-kvarků. Mimochodem, písmena se přiřazují v závislosti na kvantových číslech.
Pojďme to vysvětlit. Například beta rozpad se vysvětluje právě přeměnou jednoho stejného typu kvarků ve složení nukleonu na jiný. Aby to bylo jasnější, lze tento proces zapsat jako vzorec takto: d=u + w (toto je rozpad neutronů). resp.proton se zapisuje trochu jiným vzorcem: u=d + w.
Mimochodem, právě ten druhý proces vysvětluje neustálý tok neutrin a pozitronů z velkých hvězdokup. Takže v měřítku vesmíru je jen málo částic tak důležitých jako kvark: gluonové plazma, jak jsme již řekli, potvrzuje skutečnost velkého třesku a studie těchto částic vědcům umožňují lépe pochopit samotnou podstatu svět, ve kterém žijeme.
Co je menší než kvark?
Mimochodem, z čeho se kvarky skládají? Jejich základní částice jsou preony. Tyto částice jsou velmi malé a špatně srozumitelné, takže ani dnes se o nich moc neví. To je to, co je menší než kvark.
Odkud se vzali?
Dosud nejběžnější dvě hypotézy vzniku preonů: teorie strun a Bilson-Thompsonova teorie. V prvním případě se vzhled těchto částic vysvětluje kmitáním strun. Druhá hypotéza naznačuje, že jejich vzhled je způsoben vzrušeným stavem prostoru a času.
Zajímavé je, že ve druhém případě lze jev plně popsat pomocí matice paralelního přenosu podél křivek spinové sítě. Vlastnosti právě této matrice předurčují ty pro preon. Z toho se skládají kvarky.
Shrneme-li některé výsledky, můžeme říci, že kvarky jsou jakási „kvanta“ve složení hadronů. dojem? A nyní si povíme, jak byl kvark objeven obecně. Jedná se o velmi zajímavý příběh, který navíc plně odhaluje některé výše popsané nuance.
Podivné částice
Hned po skončení druhé světové války začali vědci aktivně zkoumat svět subatomárních částic, který do té doby vypadal primitivně jednoduše (podle těch představ). Protony, neutrony (nukleony) a elektrony tvoří atom. V roce 1947 byly objeveny piony (a jejich existence byla předpovězena již v roce 1935), které byly zodpovědné za vzájemnou přitažlivost nukleonů v jádru atomů. Této události byla najednou věnována více než jedna vědecká výstava. Kvarky ještě nebyly objeveny, ale okamžik útoku na jejich „stopu“se blížil.
Neutrina do té doby ještě nebyla objevena. Ale jejich zjevný význam pro vysvětlení beta rozpadu atomů byl tak velký, že vědci o jejich existenci téměř nepochybovali. Navíc některé antičástice již byly detekovány nebo předpovězeny. Jediné, co zůstalo nejasné, byla situace s miony, které vznikly při rozpadu pionů a následně přešly do stavu neutrina, elektronu nebo pozitronu. Fyzikové vůbec nechápali, k čemu tato mezistanice slouží.
Bohužel, tak jednoduchý a nenáročný model okamžik objevení pivoněk dlouho nepřežil. V roce 1947 dva angličtí fyzici, George Rochester a Clifford Butler, publikovali zajímavý článek ve vědeckém časopise Nature. Materiálem pro ni bylo jejich studium kosmického záření pomocí oblačné komory, při kterém získávali kuriózní informace. Na jedné z fotografií pořízených při pozorování byla dobře vidět dvojice stop se společným začátkem. Vzhledem k tomu, že rozpor připomínal latinské V, bylo okamžitě jasné– náboj těchto částic je rozhodně jiný.
Vědci okamžitě předpokládali, že tyto stopy naznačují fakt rozpadu nějaké neznámé částice, která nezanechala žádné další stopy. Výpočty ukázaly, že jeho hmotnost je asi 500 MeV, což je mnohem větší než tato hodnota pro elektron. Vědci svůj objev samozřejmě nazvali V-částice. To však ještě nebyl kvark. Tato částice stále čekala v křídlech.
Právě to začíná
Všechno to začalo tímto objevem. V roce 1949 byla za stejných podmínek objevena stopa částice, která dala vzniknout třem pionům najednou. Brzy se ukázalo, že ona, stejně jako V-částice, jsou zcela odlišnými zástupci rodiny sestávající ze čtyř částic. Následně se jim říkalo K-mezony (kaony).
Pár nabitých kaonů má hmotnost 494 MeV a v případě neutrálního náboje - 498 MeV. Mimochodem, v roce 1947 měli vědci to štěstí, že zachytili právě ten samý velmi vzácný případ rozpadu pozitivního kaonu, ale tehdy prostě nedokázali snímek správně interpretovat. Abychom však byli zcela spravedliví, ve skutečnosti bylo první pozorování kaonu provedeno již v roce 1943, ale informace o tom byly téměř ztraceny na pozadí mnoha poválečných vědeckých publikací.
Nová podivnost
A pak na vědce čekaly další objevy. V letech 1950 a 1951 se vědcům z University of Manchester a Melnburg podařilo najít částice mnohem těžší než protony a neutrony. Opět neměl žádný náboj, ale rozpadl se na proton a pion. To druhé, jak lze pochopit,záporný náboj. Nová částice byla pojmenována Λ (lambda).
Čím více času uplynulo, tím více otázek měli vědci. Problém byl v tom, že nové částice vznikaly výhradně ze silných atomových interakcí a rychle se rozkládaly na známé protony a neutrony. Navíc se vždy objevovali v páru, nikdy nedocházelo k jednotlivým projevům. Proto skupina fyziků z USA a Japonska navrhla při popisu použít nové kvantové číslo – podivnost. Podle jejich definice byla podivnost všech ostatních známých částic nulová.
Další výzkum
Průlom ve výzkumu nastal až po vzniku nové systematizace hadronů. Nejvýraznější postavou v tomto byl Izraelec Yuval Neaman, který změnil kariéru vynikajícího vojáka na stejně brilantní cestu vědce.
Všiml si, že mezony a baryony objevené v té době se rozpadají a tvoří shluk příbuzných částic, multipletů. Členové každého takového sdružení mají úplně stejnou podivnost, ale opačné elektrické náboje. Protože skutečně silné jaderné interakce vůbec nezávisí na elektrických nábojích, ve všech ostatních ohledech vypadají částice z multipletu jako dokonalá dvojčata.
Vědci navrhli, že za vznik takových útvarů je zodpovědná nějaká přirozená symetrie, a brzy se jim ji podařilo najít. Ukázalo se, že jde o jednoduché zobecnění spinové grupy SU(2), kterou vědci z celého světa použili k popisu kvantových čísel. Tadypouze v té době již bylo známo 23 hadronů a jejich spiny se rovnaly 0, ½ nebo jednotce celého čísla, a proto nebylo možné použít takovou klasifikaci.
V důsledku toho bylo nutné pro klasifikaci použít dvě kvantová čísla najednou, díky čemuž byla klasifikace výrazně rozšířena. Tak se objevila skupina SU(3), kterou na počátku století vytvořil francouzský matematik Elie Cartan. K určení systematické polohy každé částice v něm vědci vyvinuli výzkumný program. Kvark následně snadno vstoupil do systematické řady, která potvrdila naprostou korektnost expertů.
Nová kvantová čísla
Vědci tedy přišli s myšlenkou použití abstraktních kvantových čísel, ze kterých se stal hypernáboj a izotopický spin. Se stejným úspěchem se však dají brát podivnosti a elektrický náboj. Toto schéma se běžně nazývalo Osmidílná stezka. To vystihuje analogii s buddhismem, kde před dosažením nirvány musíte také projít osmi úrovněmi. To vše jsou však texty.
Neeman a jeho kolega Gell-Mann publikovali svou práci v roce 1961 a počet tehdy známých mezonů nepřesáhl sedm. Vědci se ale ve své práci nebáli zmínit vysokou pravděpodobnost existence osmého mezonu. Ve stejném roce 1961 byla jejich teorie brilantně potvrzena. Nalezená částice byla pojmenována eta meson (řecké písmeno η).
Další poznatky a experimenty s jasností potvrdily absolutní správnost klasifikace SU(3). Tato okolnost se stala mocnoupobídka pro výzkumníky, kteří zjistili, že jsou na správné cestě. O tom, že kvarky v přírodě existují, už nepochyboval ani sám Gell-Mann. Recenze na jeho teorii nebyly příliš pozitivní, ale vědec si byl jistý, že měl pravdu.
Tady jsou kvarky
Brzy byl publikován článek „Schémický model baryonů a mezonů“. V něm byli vědci schopni dále rozvíjet myšlenku systematizace, která se ukázala být tak užitečná. Zjistili, že SU(3) zcela umožňuje existenci celých tripletů fermionů, jejichž elektrický náboj se pohybuje od 2/3 do 1/3 a -1/3 a v tripletu má jedna částice vždy nenulovou podivnost. Nám již dobře známý Gell-Mann je nazval „kvarkovými elementárními částicemi“.
Podle obvinění je označil jako u, d a s (z anglických slov up, down a strange). V souladu s novým schématem je každý baryon tvořen třemi kvarky najednou. Mezony jsou mnohem jednodušší. Patří mezi ně jeden kvark (toto pravidlo je neotřesitelné) a antikvark. Teprve poté se vědecká komunita dozvěděla o existenci těchto částic, kterým je věnován náš článek.
Trochu více pozadí
Tento článek, který do značné míry předurčil vývoj fyziky na další roky, má poměrně kuriózní pozadí. Gell-Mann uvažoval o existenci tohoto druhu trojčat dlouho před jeho zveřejněním, ale své domněnky s nikým neprobíral. Faktem je, že jeho domněnky o existenci částic s zlomkovým nábojem vypadaly jako nesmysl. Po rozhovoru s významným teoretickým fyzikem Robertem Serberem se však dozvěděl, že jeho kolegaudělal úplně stejné závěry.
Kromě toho vědec učinil jediný správný závěr: existence takových částic je možná pouze tehdy, pokud se nejedná o volné fermiony, ale jsou součástí hadronů. V tomto případě totiž jejich svěřenci tvoří jeden celek! Gell-Mann je zpočátku nazýval kvarky a dokonce je zmínil na MTI, ale reakce studentů a učitelů byla velmi zdrženlivá. Vědec proto velmi dlouho přemýšlel, zda by měl svůj výzkum předložit veřejnosti.
Samotné slovo „quark“(zvuk připomínající křik kachen) bylo převzato z díla Jamese Joyce. Kupodivu ale americký vědec poslal svůj článek do prestižního evropského vědeckého časopisu Physics Letters, protože se vážně obával, že redaktoři amerického vydání Physical Review Letters, co do úrovně podobné, jej nepřijmou k publikaci. Mimochodem, pokud se chcete podívat alespoň na kopii toho článku, máte přímou cestu do stejného Berlínského muzea. V jeho expozici nejsou žádné kvarky, ale existuje kompletní historie jejich objevu (přesněji listinné důkazy).
Začátek kvarkové revoluce
Abychom byli spravedliví, je třeba poznamenat, že téměř ve stejnou dobu přišel na podobnou myšlenku vědec z CERNu George Zweig. Nejprve byl jeho mentorem sám Gell-Mann a poté Richard Feynman. Zweig také určil realitu existence fermionů, které měly zlomkové náboje, nazývaly je pouze esa. Talentovaný fyzik navíc považoval baryony za trio kvarků a mezony za kombinaci kvarků.a antikvark.
Zjednodušeně řečeno, student zcela zopakoval závěry svého učitele a zcela se od něj oddělil. Jeho práce se objevila ještě pár týdnů před Mannovou publikací, ale pouze jako „domácí“práce ústavu. O správnosti navrhované teorie však některé vědce okamžitě přesvědčila přítomnost dvou nezávislých prací, jejichž závěry byly téměř totožné.
Od odmítnutí k důvěře
Mnozí výzkumníci však tuto teorii přijali zdaleka ne okamžitě. Ano, novináři a teoretici si ji rychle oblíbili pro její jasnost a jednoduchost, ale seriózní fyzikové ji přijali až po 12 letech. Nevyčítejte jim, že jsou příliš konzervativní. Faktem je, že zpočátku teorie kvarků ostře odporovala Pauliho principu, který jsme zmínili na samém začátku článku. Pokud předpokládáme, že proton obsahuje pár u-kvarků a jeden d-kvark, pak ten první musí být striktně ve stejném kvantovém stavu. Podle Pauliho je to nemožné.
V tu chvíli se objevilo další kvantové číslo, vyjádřené jako barva (což jsme také zmínili výše). Navíc bylo zcela nepochopitelné, jak na sebe elementární částice kvarků obecně působí, proč se nevyskytují jejich volné variety. Všechna tato tajemství velmi pomohla rozluštit Teorie měřicích polí, která byla „připomenuta“teprve v polovině 70. let. Přibližně ve stejné době do něj byla organicky zahrnuta kvarková teorie hadronů.
Především však vývoj teorie zdržela úplná absence alespoň některých experimentálních experimentů,což by potvrdilo jak samotnou existenci, tak i interakci kvarků mezi sebou a s jinými částicemi. A postupně se začaly objevovat až od konce 60. let, kdy prudký rozvoj techniky umožnil provést experiment s „přenosem“protonů proudy elektronů. Právě tyto experimenty umožnily prokázat, že některé částice se skutečně „schovávaly“uvnitř protonů, které se původně nazývaly partony. Následně však byli přesvědčeni, že nejde o nic jiného než o pravý kvark, ale to se stalo až na konci roku 1972.
Experimentální potvrzení
Samozřejmě bylo zapotřebí mnohem více experimentálních dat, abychom vědeckou komunitu konečně přesvědčili. V roce 1964 James Bjorken a Sheldon Glashow (mimochodem budoucí nositel Nobelovy ceny) navrhli, že by také mohl existovat čtvrtý druh kvarku, který nazvali charmed.
Právě díky této hypotéze byli vědci již v roce 1970 schopni vysvětlit mnoho podivností, které byly pozorovány při rozpadu neutrálně nabitých kaonů. O čtyři roky později se dvěma nezávislým skupinám amerických fyziků najednou podařilo opravit rozpad mezonu, který zahrnoval pouze jeden „charmed“kvark a také jeho antikvark. Není divu, že tato událost byla okamžitě nazvána listopadovou revolucí. Poprvé se teorie kvarků dočkala víceméně „vizuálního“potvrzení.
O důležitosti objevu svědčí fakt, že vedoucí projektu Samuel Ting a Barton Richter již prošlipřevzali na dva roky Nobelovu cenu: tato událost se odráží v mnoha článcích. Některé z nich můžete vidět v originále, pokud navštívíte New York Museum of Natural Science. Kvarky, jak jsme již řekli, jsou nesmírně důležitým objevem naší doby, a proto je jim ve vědecké komunitě věnována velká pozornost.
Poslední argument
Až v roce 1976 výzkumníci našli jednu částici s nenulovým kouzlem, neutrální D-mezon. Toto je poměrně složitá kombinace jednoho charmed kvarku a u-antikvaru. Zde byli i zarytí odpůrci existence kvarků nuceni uznat správnost teorie, poprvé vyslovené před více než dvěma desetiletími. Jeden z nejslavnějších teoretických fyziků, John Ellis, nazval kouzlo „pákou, která otočila svět.“
Seznam nových objevů brzy zahrnoval dvojici obzvláště masivních kvarků, top a bottom, které mohly být snadno korelovány s již tehdy akceptovanou systemizací SU(3). V posledních letech vědci mluví o existenci takzvaných tetrakvarků, které někteří vědci již nazvali „hadronovými molekulami“.
Některé závěry a závěry
Musíte pochopit, že objev a vědecké zdůvodnění existence kvarků lze skutečně bezpečně považovat za vědeckou revoluci. Za jeho začátek lze považovat rok 1947 (v zásadě 1943) a jeho konec připadá na objevení prvního „začarovaného“mezonu. Ukazuje se, že trvání posledního dosavadního objevu této úrovně je neméně až 29 let (nebo dokonce 32 let)! A tohle všechnočas strávený nejen hledáním kvarku! Gluonové plazma jako prvotní objekt ve vesmíru brzy přitáhlo mnohem více pozornosti vědců.
Čím je však oblast studia složitější, tím více času zabere uskutečnění skutečně důležitých objevů. Pokud jde o částice, o kterých diskutujeme, nikdo nemůže podceňovat význam takového objevu. Studiem struktury kvarků bude člověk schopen proniknout hlouběji do tajemství vesmíru. Je možné, že až po jejich kompletním prostudování budeme schopni zjistit, jak k velkému třesku došlo a podle jakých zákonů se náš Vesmír vyvíjí. V každém případě to byl jejich objev, který umožnil přesvědčit mnoho fyziků, že realita kolem nás je mnohem komplikovanější než dřívější představy.
Takže jste se naučili, co je kvark. Tato částice svého času dělala ve vědeckém světě velký hluk a dnes jsou výzkumníci plni nadějí, že konečně odhalí všechna její tajemství.
