Vetëm një vit më parë, Peter Higgs dhe François Engler morën çmimin Nobel për punën e tyre mbi grimcat nënatomike. Mund të duket qesharake, por shkencëtarët i kanë bërë zbulimet e tyre gjysmë shekulli më parë, por deri më tani atyre nuk u është kushtuar ndonjë rëndësi e madhe.
Në vitin 1964, dy fizikanë të tjerë të talentuar dolën gjithashtu me teorinë e tyre novatore. Në fillim, ajo gjithashtu nuk tërhoqi pothuajse asnjë vëmendje. Kjo është e çuditshme, pasi ajo përshkroi strukturën e hadroneve, pa të cilat asnjë ndërveprim i fortë ndëratomik nuk është i mundur. Ishte teoria e kuarkut.
Çfarë është kjo?
Meqë ra fjala, çfarë është një kuark? Ky është një nga komponentët më të rëndësishëm të hadronit. E rëndësishme! Kjo grimcë ka një rrotullim "gjysmë", në fakt duke qenë një fermion. Në varësi të ngjyrës (më shumë për atë më poshtë), ngarkesa e një kuarku mund të jetë e barabartë me një të tretën ose dy të tretat e asaj të një protoni. Sa i përket ngjyrave, ka gjashtë prej tyre (gjenerata kuarkesh). Ato nevojiten që të mos shkelet parimi i Paulit.
Bazëdetaje
Në përbërjen e hadroneve, këto grimca ndodhen në një distancë që nuk e kalon vlerën e izolimit. Kjo shpjegohet thjesht: ata shkëmbejnë vektorët e fushës së matësit, domethënë gluonet. Pse është kaq i rëndësishëm kuarku? Plazma e gluonit (e ngopur me kuarkë) është gjendja e materies në të cilën ndodhej i gjithë universi menjëherë pas shpërthimit të madh. Prandaj, ekzistenca e kuarkeve dhe gluoneve është një konfirmim i drejtpërdrejtë se ai ishte me të vërtetë.
Ata kanë edhe ngjyrën e tyre, prandaj gjatë lëvizjes krijojnë kopjet e tyre virtuale. Prandaj, me rritjen e distancës midis kuarkeve, forca e ndërveprimit midis tyre rritet ndjeshëm. Siç mund ta merrni me mend, në një distancë minimale, ndërveprimi praktikisht zhduket (liria asimptotike).
Kështu, çdo ndërveprim i fortë në hadrone shpjegohet me kalimin e gluoneve midis kuarkeve. Nëse flasim për ndërveprimet midis hadroneve, atëherë ato shpjegohen me transferimin e rezonancës pi-mezon. E thënë thjesht, në mënyrë indirekte, gjithçka përsëri zbret në shkëmbimin e gluoneve.
Sa kuarke janë në nukleone?
Çdo neutron përbëhet nga një palë d-kuarke, madje edhe nga një u-kuark i vetëm. Çdo proton, përkundrazi, përbëhet nga një d-kuark i vetëm dhe një palë u-kuarke. Meqë ra fjala, shkronjat caktohen në varësi të numrave kuantikë.
Le të shpjegojmë. Për shembull, zbërthimi beta shpjegohet pikërisht nga shndërrimi i një prej të njëjtit lloj kuarkesh në përbërjen e nukleonit në një tjetër. Për ta bërë më të qartë, ky proces mund të shkruhet si një formulë si kjo: d=u + w (ky është zbërthimi i neutronit). Përkatësisht,protoni shkruhet me një formulë paksa të ndryshme: u=d + w.
Meqë ra fjala, është procesi i fundit që shpjegon rrjedhën e vazhdueshme të neutrinos dhe pozitroneve nga grupimet e mëdha yjore. Pra, në shkallën e universit, ka pak grimca aq të rëndësishme sa kuarku: plazma gluon, siç e kemi thënë tashmë, konfirmon faktin e shpërthimit të madh, dhe studimet e këtyre grimcave i lejojnë shkencëtarët të kuptojnë më mirë thelbin e bota në të cilën jetojmë.
Çfarë është më i vogël se një kuark?
Meqë ra fjala, nga çfarë përbëhen kuarket? Grimcat e tyre përbërëse janë preonët. Këto grimca janë shumë të vogla dhe pak të kuptuara, kështu që edhe sot nuk dihet shumë për to. Kjo është ajo që është më e vogël se një kuark.
Nga erdhën?
Deri më sot, dy hipotezat më të zakonshme të formimit të preonëve: teoria e fijeve dhe teoria Bilson-Thompson. Në rastin e parë, shfaqja e këtyre grimcave shpjegohet me lëkundjet e vargut. Hipoteza e dytë sugjeron se pamja e tyre shkaktohet nga një gjendje e ngacmuar e hapësirës dhe kohës.
Interesante, në rastin e dytë, fenomeni mund të përshkruhet plotësisht duke përdorur matricën e transferimit paralel përgjatë kthesave të rrjetit spin. Vetitë e kësaj matrice paracaktojnë ato për preon. Nga kjo janë krijuar kuarket.
Duke përmbledhur disa rezultate, mund të themi se kuarkët janë një lloj "kuante" në përbërjen e hadroneve. Të impresionuar? Dhe tani do të flasim se si u zbulua kuarku në përgjithësi. Kjo është një histori shumë interesante, e cila, përveç kësaj, zbulon plotësisht disa nga nuancat e përshkruara më sipër.
Grimca të çuditshme
Menjëherë pas përfundimit të Luftës së Dytë Botërore, shkencëtarët filluan të eksplorojnë në mënyrë aktive botën e grimcave nënatomike, e cila deri atëherë dukej primitive e thjeshtë (sipas atyre ideve). Protonet, neutronet (nukleonet) dhe elektronet formojnë një atom. Në vitin 1947, u zbuluan pionët (dhe ekzistenca e tyre u parashikua në vitin 1935), të cilat ishin përgjegjëse për tërheqjen e ndërsjellë të nukleoneve në bërthamën e atomeve. Më shumë se një ekspozitë shkencore iu kushtua kësaj ngjarje në të njëjtën kohë. Kuarkët nuk ishin zbuluar ende, por momenti i sulmit në "gjurmën" e tyre po afrohej.
Neutrinot nuk ishin zbuluar ende në atë kohë. Por rëndësia e tyre e dukshme në shpjegimin e zbërthimit beta të atomeve ishte aq e madhe sa shkencëtarët kishin pak dyshime për ekzistencën e tyre. Përveç kësaj, disa antigrimca tashmë janë zbuluar ose parashikuar. E vetmja gjë që mbeti e paqartë ishte situata me muonet, të cilat u formuan gjatë kalbjes së pioneve dhe më pas kaluan në gjendjen e një neutrine, elektroni ose pozitroni. Fizikanët nuk e kuptuan fare se për çfarë shërbente ky stacion i ndërmjetëm.
Mjerisht, një model kaq i thjeshtë dhe jo modest nuk i mbijetoi për shumë kohë momentit të zbulimit të bozhureve. Në vitin 1947, dy fizikantë anglezë, George Rochester dhe Clifford Butler, botuan një artikull interesant në revistën shkencore Nature. Materiali për të ishte studimi i tyre i rrezeve kozmike me anë të një dhome reje, gjatë së cilës ata morën informacione kurioze. Në njërën nga fotografitë e bëra gjatë vëzhgimit, dukej qartë një palë pista me një fillim të përbashkët. Meqenëse mospërputhja i ngjante latinishtes V, u bë menjëherë e qartë– ngarkesa e këtyre grimcave është padyshim e ndryshme.
Shkencëtarët supozuan menjëherë se këto gjurmë tregojnë faktin e kalbjes së një grimce të panjohur, e cila nuk la gjurmë të tjera. Llogaritjet kanë treguar se masa e tij është rreth 500 MeV, që është shumë më e madhe se kjo vlerë për një elektron. Sigurisht, studiuesit e quajtën zbulimin e tyre grimca V. Megjithatë, nuk ishte ende një kuark. Kjo grimcë ishte ende duke pritur në krahë.
Sapo ka filluar
Gjithçka filloi me këtë zbulim. Në vitin 1949, në të njëjtat kushte, u zbulua një gjurmë e një grimce, nga e cila u krijuan tre pione njëherësh. Shumë shpejt u bë e qartë se ajo, si dhe grimca V, janë përfaqësues krejtësisht të ndryshëm të një familjeje të përbërë nga katër grimca. Më pas, ata u quajtën K-meson (kaone).
Një palë kaonësh të ngarkuar kanë një masë prej 494 MeV, dhe në rastin e një ngarkese neutrale - 498 MeV. Nga rruga, në vitin 1947, shkencëtarët patën fatin të kapnin të njëjtin rast shumë të rrallë të prishjes së një kaoni pozitiv, por në atë kohë ata thjesht nuk mund ta interpretonin saktë imazhin. Megjithatë, për të qenë plotësisht i drejtë, në fakt, vëzhgimi i parë i kaonit u bë në vitin 1943, por informacioni për këtë pothuajse humbi në sfondin e botimeve të shumta shkencore të pasluftës.
çudi e re
Dhe më pas më shumë zbulime prisnin shkencëtarët. Në vitet 1950 dhe 1951, studiuesit nga Universiteti i Mançesterit dhe Melnburgut arritën të gjenin grimca shumë më të rënda se protonet dhe neutronet. Ai përsëri nuk kishte asnjë ngarkesë, por u zbërthye në një proton dhe një pion. Kjo e fundit, siç mund të kuptohet,ngarkesë negative. Grimca e re u quajt Λ (lambda).
Sa më shumë kohë kalonte, aq më shumë pyetje kishin shkencëtarët. Problemi ishte se grimcat e reja lindën ekskluzivisht nga ndërveprimet e forta atomike, duke u zbërthyer shpejt në protone dhe neutrone të njohura. Për më tepër, ata gjithmonë shfaqeshin në çifte, nuk kishte kurrë manifestime të vetme. Kjo është arsyeja pse një grup fizikantësh nga SHBA dhe Japonia sugjeruan përdorimin e një numri të ri kuantik - çuditshmërinë - në përshkrimin e tyre. Sipas përkufizimit të tyre, çuditshmëria e të gjitha grimcave të tjera të njohura ishte zero.
Kërkim i mëtejshëm
Përparimi në kërkime ndodhi vetëm pas shfaqjes së një sistematizimi të ri të hadroneve. Figura më e shquar në këtë ishte izraeliti Yuval Neaman, i cili e ndryshoi karrierën e një ushtaraku të shquar në një rrugë po aq të shkëlqyer të një shkencëtari.
Ai vuri re se mezonet dhe barionet e zbuluar deri në atë kohë kalben, duke formuar një grup grimcash të lidhura, të shumëfishta. Anëtarët e secilës shoqatë të tillë kanë saktësisht të njëjtën çuditshmëri, por ngarkesa elektrike të kundërta. Meqenëse ndërveprimet bërthamore vërtet të forta nuk varen fare nga ngarkesat elektrike, në të gjitha aspektet e tjera grimcat nga multipleti duken si binjakë të përsosur.
Shkencëtarët sugjeruan se disa simetri natyrore është përgjegjëse për shfaqjen e formacioneve të tilla, dhe së shpejti ata arritën ta gjenin atë. Doli të ishte një përgjithësim i thjeshtë i grupit të rrotullimit SU(2), të cilin shkencëtarët në mbarë botën e përdorën për të përshkruar numrat kuantikë. Këtuvetëm në atë kohë njiheshin tashmë 23 hadrone dhe rrotullimet e tyre ishin të barabarta me 0, ½ ose një njësi të plotë, dhe për këtë arsye nuk ishte e mundur të përdorej një klasifikim i tillë.
Si rezultat, dy numra kuantikë duhej të përdoreshin për klasifikim njëherësh, për shkak të së cilës klasifikimi u zgjerua ndjeshëm. Kështu u shfaq grupi SU(3), i cili u krijua në fillim të shekullit nga matematikani francez Elie Cartan. Për të përcaktuar pozicionin sistematik të secilës grimcë në të, shkencëtarët kanë zhvilluar një program kërkimor. Kuarku më pas hyri lehtësisht në serinë sistematike, gjë që konfirmoi korrektësinë absolute të ekspertëve.
Numra të rinj kuantikë
Kështu shkencëtarët dolën me idenë e përdorimit të numrave kuantikë abstraktë, të cilët u bënë hiperngarkesë dhe spin izotopike. Megjithatë, çuditshmëria dhe ngarkesa elektrike mund të merren me të njëjtin sukses. Kjo skemë u quajt në mënyrë konvencionale Rruga e Tetëfishtë. Kjo kap analogjinë me budizmin, ku para se të arrini në nirvana, duhet të kaloni edhe tetë nivele. Megjithatë, e gjithë kjo është tekst.
Neeman dhe kolegu i tij, Gell-Mann, botuan veprën e tyre në vitin 1961, dhe numri i mesonëve të njohur atëherë nuk i kalonte shtatë. Por në punën e tyre, studiuesit nuk kishin frikë të përmendnin probabilitetin e lartë të ekzistencës së mesonit të tetë. Në të njëjtin 1961, teoria e tyre u konfirmua shkëlqyeshëm. Grimca e gjetur u emërua eta meson (gërma greke η).
Gjetjet dhe eksperimentet e mëtejshme me ndriçimin konfirmuan korrektësinë absolute të klasifikimit SU(3). Kjo rrethanë është bërë e fuqishmenjë nxitje për studiuesit që kanë gjetur se janë në rrugën e duhur. Edhe vetë Gell-Mann nuk dyshonte më se kuarkët ekzistojnë në natyrë. Shqyrtimet rreth teorisë së tij nuk ishin shumë pozitive, por shkencëtari ishte i sigurt se kishte të drejtë.
Këtu janë kuarkët
Së shpejti u publikua artikulli "Modeli skematik i barioneve dhe mezoneve". Në të, shkencëtarët ishin në gjendje të zhvillonin më tej idenë e sistematizimit, e cila doli të ishte kaq e dobishme. Ata zbuluan se SU(3) lejon mjaft ekzistencën e trinjakëve të tëra fermionesh, ngarkesa elektrike e të cilave varion nga 2/3 në 1/3 dhe -1/3, dhe në treshe një grimcë ka gjithmonë çuditshmëri jo zero. Gell-Mann, tashmë i njohur për ne, i quajti ato "grimca elementare kuarke".
Sipas akuzave, ai i caktoi si u, d dhe s (nga fjalët angleze lart, poshtë dhe e çuditshme). Në përputhje me skemën e re, çdo barion formohet nga tre kuarkë njëherësh. Mesonët janë shumë më të thjeshtë. Ato përfshijnë një kuark (ky rregull është i palëkundshëm) dhe një antikuark. Vetëm pas kësaj komuniteti shkencor u bë i vetëdijshëm për ekzistencën e këtyre grimcave, të cilave u kushtohet artikulli ynë.
Pak më shumë sfond
Ky artikull, i cili kryesisht paracaktoi zhvillimin e fizikës për vitet në vijim, ka një sfond mjaft kurioz. Gell-Mann mendoi për ekzistencën e këtij lloji të trenjakëve shumë përpara publikimit të tij, por nuk i diskutoi supozimet e tij me askënd. Fakti është se supozimet e tij për ekzistencën e grimcave me një ngarkesë të pjesshme dukeshin si të pakuptimta. Megjithatë, pasi bisedoi me fizikantin e shquar teorik Robert Serber, ai mësoi se kolegu i tijnxorri saktësisht të njëjtat përfundime.
Përveç kësaj, shkencëtari nxori përfundimin e vetëm të saktë: ekzistenca e grimcave të tilla është e mundur vetëm nëse ato nuk janë fermione të lira, por janë pjesë e hadroneve. Në të vërtetë, në këtë rast, akuzat e tyre përbëjnë një tërësi të vetme! Fillimisht, Gell-Mann i quajti kuarkë dhe madje i përmendi në MTI, por reagimi i studentëve dhe mësuesve ishte shumë i përmbajtur. Kjo është arsyeja pse shkencëtari mendoi për një kohë shumë të gjatë nëse ai duhet t'i paraqesë kërkimet e tij publikut.
Vetë fjala "kuark" (një tingull që të kujton britmën e rosave) është marrë nga vepra e James Joyce. Mjaft e çuditshme, por shkencëtari amerikan e dërgoi artikullin e tij në revistën shkencore prestigjioze evropiane Physics Letters, pasi kishte frikë seriozisht se redaktorët e edicionit amerikan të Physical Review Letters, të ngjashëm për nga niveli, nuk do ta pranonin për botim. Meqë ra fjala, nëse doni të shikoni të paktën një kopje të atij artikulli, ju keni një rrugë të drejtpërdrejtë për në të njëjtin Muze të Berlinit. Nuk ka kuarke në ekspozitën e tij, por ekziston një histori e plotë e zbulimit të tyre (më saktë, prova dokumentare).
Fillimi i Revolucionit Kuark
Për të qenë të drejtë, duhet theksuar se pothuajse në të njëjtën kohë, një shkencëtar nga CERN, George Cweig, erdhi në një ide të ngjashme. Së pari, vetë Gell-Mann ishte mentori i tij, dhe më pas Richard Feynman. Cvajgu përcaktoi gjithashtu realitetin e ekzistencës së fermioneve që kishin ngarkesa fraksionale, i quajti vetëm ace. Për më tepër, fizikani i talentuar gjithashtu i konsideroi barionet si një treshe kuarkesh dhe mesonet si një kombinim kuarkesh.dhe antikuark.
Thënë thjesht, studenti përsëriti plotësisht përfundimet e mësuesit të tij dhe krejtësisht i ndarë nga ai. Puna e tij u shfaq edhe disa javë para botimit të Mann, por vetëm si një vepër "shtëpi" e institutit. Megjithatë, ishte prania e dy veprave të pavarura, përfundimet e të cilave ishin pothuajse identike, ajo që i bindi menjëherë disa shkencëtarë për korrektësinë e teorisë së propozuar.
Nga refuzimi në besim
Por shumë studiues e pranuan këtë teori jo menjëherë. Po, gazetarët dhe teoricienët u dashuruan shpejt me të për qartësinë dhe thjeshtësinë e tij, por fizikantët seriozë e pranuan atë vetëm pas 12 vjetësh. Mos i fajësoni se janë shumë konservatorë. Fakti është se fillimisht teoria e kuarkeve kundërshtoi ashpër parimin Pauli, të cilin e përmendëm në fillim të artikullit. Nëse supozojmë se një proton përmban një palë u-kuarke dhe një d-kuark të vetëm, atëherë i pari duhet të jetë rreptësisht në të njëjtën gjendje kuantike. Sipas Paulit, kjo është e pamundur.
Atëherë u shfaq një numër kuantik shtesë, i shprehur si një ngjyrë (të cilën e përmendëm edhe më lart). Për më tepër, ishte plotësisht e pakuptueshme se si grimcat elementare të kuarkeve ndërveprojnë me njëra-tjetrën në përgjithësi, pse varietetet e tyre të lira nuk ndodhin. Të gjitha këto sekrete u ndihmuan shumë për t'u zbardhur nga Teoria e Fushave të Matës, e cila "u soll në mendje" vetëm në mesin e viteve '70. Në të njëjtën kohë, teoria e kuarkut të hadroneve u përfshi organikisht në të.
Por mbi të gjitha, zhvillimi i teorisë u pengua nga mungesa e plotë e të paktën disa eksperimenteve eksperimentale,gjë që do të konfirmonte si vetë ekzistencën ashtu edhe ndërveprimin e kuarkeve me njëri-tjetrin dhe me grimcat e tjera. Dhe ato gradualisht filluan të shfaqen vetëm nga fundi i viteve '60, kur zhvillimi i shpejtë i teknologjisë bëri të mundur kryerjen e një eksperimenti me "transmetimin" e protoneve nga rrymat e elektroneve. Ishin këto eksperimente që bënë të mundur të vërtetohej se disa grimca vërtet "fshiheshin" brenda protoneve, të cilat fillimisht quheshin partone. Më pas, megjithatë, ata ishin të bindur se ky nuk ishte asgjë më shumë se një kuark i vërtetë, por kjo ndodhi vetëm në fund të vitit 1972.
Konfirmim eksperimental
Sigurisht, nevojiteshin shumë më tepër të dhëna eksperimentale për të bindur përfundimisht komunitetin shkencor. Në vitin 1964, James Bjorken dhe Sheldon Glashow (meqë ra fjala, fituesi i ardhshëm i çmimit Nobel) sugjeruan se mund të kishte edhe një lloj të katërt kuark, të cilin ata e quajtën të magjepsur.
Ishte falë kësaj hipoteze që tashmë në vitin 1970 shkencëtarët ishin në gjendje të shpjegonin shumë nga çuditë që u vunë re gjatë kalbjes së kaoneve me ngarkesë neutrale. Katër vjet më vonë, dy grupe të pavarura fizikanësh amerikanë arritën menjëherë të rregullojnë prishjen e mesonit, i cili përfshinte vetëm një kuark "magjepsur", si dhe antikuarkun e tij. Nuk është për t'u habitur që kjo ngjarje u quajt menjëherë Revolucioni i Nëntorit. Për herë të parë, teoria e kuarkeve mori konfirmim pak a shumë "vizual".
Rëndësia e zbulimit dëshmohet nga fakti se drejtuesit e projektit, Samuel Ting dhe Barton Richter, tashmë kanë kaluarpranuan çmimin Nobel për dy vjet: kjo ngjarje pasqyrohet në shumë artikuj. Disa prej tyre mund t'i shihni në origjinal nëse vizitoni Muzeun e Shkencave të Natyrës në Nju Jork. Kuarkët, siç e kemi thënë tashmë, janë një zbulim jashtëzakonisht i rëndësishëm i kohës sonë dhe për këtë arsye atyre u kushtohet shumë vëmendje në komunitetin shkencor.
Argumenti përfundimtar
Deri në vitin 1976 studiuesit gjetën një grimcë me hijeshi jo zero, D-mezonin neutral. Ky është një kombinim mjaft kompleks i një kuarku të magjepsur dhe një antikuarku u. Këtu, edhe kundërshtarët e ngurtësuar të ekzistencës së kuarkeve u detyruan të pranojnë korrektësinë e teorisë, të deklaruar për herë të parë më shumë se dy dekada më parë. Një nga fizikantët teorikë më të famshëm, John Ellis, e quajti sharmin "levën që ktheu botën".
Së shpejti, lista e zbulimeve të reja përfshinte një palë kuarke veçanërisht masive, lart dhe poshtë, të cilët mund të lidheshin lehtësisht me sistematizimin SU(3) të pranuar tashmë në atë kohë. Vitet e fundit, shkencëtarët kanë folur për ekzistencën e të ashtuquajturve tetrakuarkë, të cilët disa shkencëtarë i kanë quajtur tashmë "molekula të hadronit".
Disa përfundime dhe përfundime
Duhet të kuptoni se zbulimi dhe justifikimi shkencor për ekzistencën e kuarkeve mund të konsiderohet në mënyrë të sigurtë një revolucion shkencor. Si fillim mund të konsiderohet viti 1947 (në parim 1943) dhe fundi i tij bie në zbulimin e mesonit të parë "të magjepsur". Rezulton se kohëzgjatja e zbulimit të fundit të këtij niveli deri më sot është, jo më pak, sa 29 vjet (apo edhe 32 vjet)! Dhe e gjithë kjokoha u harxhua jo vetëm për të gjetur kuarkun! Si objekt primordial në univers, plazma gluon shpejt tërhoqi shumë më tepër vëmendje nga shkencëtarët.
Megjithatë, sa më komplekse të bëhet fusha e studimit, aq më shumë kohë duhet për të bërë zbulime vërtet të rëndësishme. Sa i përket grimcave që po diskutojmë, askush nuk mund ta nënvlerësojë rëndësinë e një zbulimi të tillë. Duke studiuar strukturën e kuarkeve, një person do të jetë në gjendje të depërtojë më thellë në sekretet e universit. Është e mundur që vetëm pas një studimi të plotë të tyre do të jemi në gjendje të zbulojmë se si ndodhi Big Bang-u dhe sipas çfarë ligjesh zhvillohet Universi ynë. Në çdo rast, ishte zbulimi i tyre që bëri të mundur të bindeshin shumë fizikanë se realiteti që na rrethon është shumë më i ndërlikuar se idetë e mëparshme.
Pra, ju keni mësuar se çfarë është kuarku. Kjo grimcë dikur bëri shumë zhurmë në botën shkencore dhe sot studiuesit janë plot shpresa për të zbuluar më në fund të gjitha sekretet e saj.
