Vlad Krasen
0 
1637
304
Silna siła jądrowa jest, jak można się domyślić, rzeczywiście bardzo silną siłą. Jest tak potężny, że jest w stanie łączyć ze sobą niektóre z najmniejszych cząstek we wszechświecie przez bardzo długi czas, prawdopodobnie na zawsze. Cząsteczki związane silną siłą tworzą bloki budulcowe naszego codziennego świata: protony i neutrony. Ale gdybyś rozciął proton lub neutron, nie znalazłbyś ładnego, prostego układu cząstek subatomowych. Zamiast tego zobaczylibyście obrzydliwe wnętrzności być może jednej z najbardziej złożonych sił we wszechświecie.
Protony i neutrony to nie jedyne rzeczy, które silna siła jest w stanie wytworzyć, ale tak naprawdę nie rozumiemy innych, bardziej złożonych i egzotycznych układów. Co więcej, nawet nasze obserwacje i eksperymenty są same w sobie bardzo szkicowe. Ale fizycy ciężko pracują, próbując zebrać w całość wgląd w tę fundamentalną siłę natury.
Związane z: Największe nierozwiązane tajemnice fizyki
Mocne i złożone
Aby opisać silną siłę, najlepiej porównać ją z jej znacznie bardziej znanym kuzynem, siłą elektromagnetyczną. Z siłą elektromagnetyczną wszystko jest proste, łatwe i nieskomplikowane; tak bardzo, że naukowcy w 1900 roku byli w stanie w większości to rozgryźć. Dzięki sile elektromagnetycznej każda cząstka może dołączyć do drużyny, o ile ma właściwość zwaną ładunkiem elektrycznym. Jeśli masz ten ładunek, poczujesz i zareagujesz na siłę elektromagnetyczną. A wszelkiego rodzaju cząsteczki wszystkich pasków i smaków niosą ładunek elektryczny, jak elektron z odmiany ogrodowej.
Inna cząstka, cząstka światła (znana również jako foton), przenosi siłę elektromagnetyczną z jednej naładowanej cząstki na drugą. Sam foton nie ma własnego ładunku elektrycznego i jest bezmasowy. Porusza się z prędkością światła, poruszając się po całym wszechświecie tam iz powrotem, powodując elektromagnetyzm.
Ładunek elektryczny. Pojedynczy nośnik siły elektromagnetycznej. Proste, nieskomplikowane.
W przeciwieństwie do tego istnieje sześć cząstek, na które działa silna siła jądrowa. Jako grupa są one znane jako kwarki i mają wystarczająco dziwaczne nazwy, takie jak góra, dół, góra, dół, dziwne i urokliwe. Aby poczuć i zareagować na silną siłę jądrową, kwarki te mają swój własny ładunek. Nie jest to ładunek elektryczny (chociaż mają one również ładunek elektryczny, a także odczuwają siłę elektromagnetyczną), ale z różnych powodów, które sprawiają, że rzeczy są naprawdę zagmatwane, fizycy nazywają ten specjalny ładunek związany z silną siłą jądrową ładunkiem kolorowym.
Kwarki mogą mieć jeden z trzech kolorów, zwanych czerwonym, zielonym i niebieskim. Dla wyjaśnienia, nie są to rzeczywiste kolory, ale tylko etykiety, które nadajemy tej dziwnej, podobnej do ładunku właściwości.
Zatem kwarki odczuwają silną siłę, ale jest ona przenoszona przez całą masę innych cząstek - dokładnie osiem. Nazywa się je gluonami i wykonują naprawdę świetną robotę… czekajcie… sklejając kwarki. Tak się składa, że gluony mają również zdolność i chęć przenoszenia własnego ładunku koloru. I mają masę.
Sześć kwarków, osiem gluonów. Kwarki mogą zmieniać swój ładunek koloru, a gluony też, bo czemu nie.
Wszystko to oznacza, że silna siła jądrowa jest znacznie bardziej złożona i skomplikowana niż jej elektromagnetyczny kuzyn.
Dziwnie silny
Okej, skłamałem. Fizycy nazywali tę właściwość kwarków i gluonów „ładunkiem koloru” nie tylko dlatego, że mieli na to ochotę, ale dlatego, że służy ona jako użyteczna analogia. Gluony i kwarki mogą łączyć się ze sobą, tworząc większe cząstki, o ile wszystkie kolory sumują się do bieli, tak jak światło czerwone, niebieskie i zielone składa się na światło białe… Najczęstszą kombinacją są trzy kwarki, po jednym czerwonym, zielonym, i niebieski. Ale analogia jest tutaj trochę skomplikowana, ponieważ każdy pojedynczy kwark może mieć przypisany dowolny kolor w dowolnym momencie; liczy się liczba kwarków, aby uzyskać odpowiednie kombinacje. Więc możesz mieć grupy trzech kwarków, aby stworzyć znane protony i neutrony. Możesz również związać kwark z jego antykwarkiem, gdzie kolor anuluje się sam ze sobą (jak w, zielone pary z anty-zielonym, i nie, nie zmyślam tego po prostu), aby stworzyć rodzaj cząstki zwanej mezonem.
Ale to nie koniec.
Teoretycznie każda kombinacja kwarków i gluonów, które składają się na biel, jest z natury technicznie dopuszczalna.
Na przykład dwa mezony - każdy z dwoma kwarkami w środku - mogą potencjalnie związać się w coś, co nazywa się tetrakwark. W niektórych przypadkach możesz dodać piąty kwark do mieszanki, nadal równoważąc wszystkie kolory, zwany (zgadłeś) pentakwark.
Czworokwark nie musi nawet być technicznie związany w jedną cząstkę. Mogą po prostu istnieć blisko siebie, tworząc coś, co nazywa się cząsteczką wodną.
A jakie to szalone: same gluony mogą nawet nie potrzebować kwarku do wytworzenia cząstki. Może po prostu zwisać kula gluonów, stosunkowo stabilna we wszechświecie. Nazywają się kulkami kleju. Zakres wszystkich możliwych stanów związanych, na które pozwala silna siła jądrowa, nazywa się widmem kwarkoniowym i nie jest to nazwa wymyślona przez scenarzystę serialu science fiction. Istnieje wiele szalonych potencjalnych kombinacji kwarków i gluonów, które po prostu mogą istnieć.
Oni też?
Quark Rainbow
Może.
Fizycy przeprowadzają eksperymenty z silnymi siłami jądrowymi już od kilku dziesięcioleci, takie jak eksperyment Babera i kilka w Wielkim Zderzaczu Hadronów, powoli przez lata gromadząc się do wyższych poziomów energii, aby sondować coraz głębiej w widmie kwarkoniowym (i tak masz moje pozwolenie na użycie tego wyrażenia w dowolnym zdaniu lub swobodnej rozmowie, to jest niesamowite). W tych eksperymentach fizycy odkryli wiele egzotycznych kolekcji kwarków i gluonów. Eksperymentaliści nadają im dziwaczne nazwy, na przykład χc2 (3930).
Te egzotyczne potencjalne cząstki istnieją tylko przelotnie, ale w wielu przypadkach istnieją ostatecznie. Ale fizykom trudno jest połączyć te krótko wytworzone cząstki z cząstkami teoretycznymi, które podejrzewamy, że powinny istnieć, jak tetrakwarki i kule klejowe.
Problem z nawiązaniem połączenia polega na tym, że matematyka jest naprawdę trudna. W przeciwieństwie do siły elektromagnetycznej bardzo trudno jest dokonać solidnych prognoz dotyczących silnej siły jądrowej. Nie chodzi tylko o skomplikowane interakcje między kwarkami i gluonami. Przy bardzo wysokich energiach siła silnej siły nuklearnej faktycznie zaczyna słabnąć, co pozwala uprościć matematykę. Ale przy niższych energiach, takich jak energia potrzebna do związania razem kwarków i gluonów w celu utworzenia stabilnych cząstek, silna siła jądrowa jest w rzeczywistości bardzo silna. Ta zwiększona siła utrudnia zrozumienie matematyki.
Fizycy teoretyczni wymyślili kilka technik rozwiązania tego problemu, ale same techniki są albo niekompletne, albo nieskuteczne. Chociaż wiemy, że niektóre z tych egzotycznych stanów w widmie kwarkoniowym istnieją, bardzo trudno jest przewidzieć ich właściwości i sygnatury eksperymentalne.
Mimo to fizycy ciężko pracują, jak zawsze. Powoli, z biegiem czasu, budujemy naszą kolekcję egzotycznych cząstek wytwarzanych w zderzaczach i robimy coraz lepsze prognozy, jak powinny wyglądać teoretyczne stany kwarkonium. Mecze powoli się zbliżają, dając nam pełniejszy obraz tej dziwnej, ale fundamentalnej siły w naszym wszechświecie.
Paul M. Sutter jest astrofizykiem w Uniwersytet Stanowy Ohio, gospodarzem Zapytaj kosmonautę i Space Radio, i autor Twoje miejsce we Wszechświecie.
- 18 razy cząstki kwantowe rozwiały nasze umysły |
- Wacky Physics: dlaczego cząsteczki mają smak? |
- Dziwne kwarki i miony, ojej! Najmniejsze cząsteczki natury
Pierwotnie opublikowano w dniu .