Silná jaderná síla je, jak už asi tušíte, opravdu velmi silná síla. Je tak mocná, že dokáže přitáhnout k sobě některé z nejmenších částic ve vesmíru na velmi dlouhou dobu, možná i navždy. Částice spojené silnou silou tvoří stavební kameny našeho každodenního světa: protony a neutrony. Kdybyste však proton nebo neutron rozřízli, nenašli byste pěkné, jednoduché uspořádání subatomárních částic. Místo toho byste spatřili nechutné vnitřnosti možná jedné z nejsložitějších sil ve vesmíru.
Protony a neutrony nejsou jediné, co silná síla dokáže vytvořit, ale ostatním složitějším a exotičtějším uspořádáním příliš nerozumíme. Ba co víc, i naše pozorování a experimenty jsou samy o sobě velmi povrchní. Fyzici se však usilovně snaží dát dohromady poznatky o této základní přírodní síle.
Související: Největší nevyřešené záhady ve fyzice
Silná a složitá
Pro popis silné síly je nejlepší dát ji do kontrastu s její mnohem slavnější příbuznou, elektromagnetickou silou. U elektromagnetické síly je vše jednoduché, snadné a přímočaré; natolik, že ji vědci v roce 1900 dokázali většinou rozluštit. U elektromagnetické síly se může do party zapojit jakákoli částice, pokud má vlastnost zvanou elektrický náboj. Pokud tento náboj má, pak může cítit elektromagnetickou sílu a reagovat na ni. A nejrůznější částice všech druhů a příchutí nesou elektrický náboj, jako například váš zahradní druh elektronu.
Další částice, částice světla (známá také jako foton), vykonává práci přenosu elektromagnetické síly z jedné nabité částice na druhou. Foton sám o sobě nemá vlastní elektrický náboj a je bez hmotnosti. Pohybuje se rychlostí světla, kmitá sem a tam napříč vesmírem a uskutečňuje elektromagnetismus.
Elektrický náboj. Jediný nositel elektromagnetické síly. Jednoduché, přímočaré.
Naproti tomu existuje šest částic, které podléhají silné jaderné síle. Jako skupina se nazývají kvarky a mají dostatečně bizarní názvy jako nahoru, dolů, nahoru, dolů, podivný a kouzelný. Aby tyto kvarky cítily silnou jadernou sílu a reagovaly na ni, mají svůj vlastní náboj. Není to elektrický náboj (i když mají také elektrický náboj a cítí také elektromagnetickou sílu), ale z různých důvodů, které dělají věci opravdu nepřehlednými, nazývají fyzikové tento zvláštní náboj spojený se silnou jadernou silou barevným nábojem.
Kvarky mohou mít jednu ze tří barev, které se nazývají červená, zelená a modrá. Jen pro upřesnění, nejsou to skutečné barvy, ale jen označení, která dáváme této zvláštní vlastnosti podobné náboji.
Kvarky tedy silnou sílu cítí, ale přenáší ji celá řada dalších částic – přesněji osm. Říká se jim gluony a odvádějí opravdu skvělou práci při… počkejte si na to… lepení kvarků dohromady. Gluony mají také schopnost a touhu nést svůj vlastní barevný náboj. A mají hmotnost.
Šest kvarků, osm gluonů. Kvarky mohou měnit svůj barevný náboj a gluony také, protože proč ne.
To vše znamená, že silná jaderná síla je mnohem složitější a komplikovanější než její elektromagnetická sestřenice.
Podivně silná
Dobře, lhal jsem. Fyzikové nenazvali tuto vlastnost kvarků a gluonů „barevným nábojem“ jen proto, že se jim to hodilo, ale protože to slouží jako užitečná analogie. Gluony a kvarky se mohou spojovat do větších částic, pokud se všechny barvy sčítají do bílé, stejně jako se červené, modré a zelené světlo sčítají do bílého světla. . Nejběžnější kombinací jsou tři kvarky, každý červený, zelený a modrý. Zde se však analogie trochu zamotává, protože každý jednotlivý kvark může mít v každém okamžiku přiřazenu kteroukoli z barev; záleží na počtu kvarků, aby vznikly správné kombinace. Takže můžete mít skupiny tří kvarků, abyste vytvořili známé protony a neutrony. Můžete také nechat kvark spojit se svým antikvarkem, kde se barva ruší sama se sebou (jako v případě zeleného páru s antizeleným, a ne, nevymýšlím si to jen tak), a vytvořit tak druh částice známé jako mezon.
Ale tím to nekončí.
Teoreticky jsou v přírodě technicky přípustné jakékoli kombinace kvarků a gluonů, které se sčítají do bílé barvy.
Například dva mezony – každý s dvěma kvarky uvnitř – se mohou potenciálně spojit do něčeho, čemu se říká tetrakvark. A v některých případech lze do směsi přidat pátý kvark, který stále vyvažuje všechny barvy a nazývá se (hádáte správně) pentakvark.
Tetrakvark dokonce ani nemusí být technicky vázán v jedné částici. Mohou prostě existovat blízko sebe a tvořit takzvanou vodíkovou molekulu.
A jak bláznivé je tohle: Samotné gluony možná ani nepotřebují kvark, aby vytvořily částici. Může prostě existovat klubko gluonů, které se potlouká relativně stabilně ve vesmíru. Říká se jim gluebally. Rozsah všech možných vázaných stavů přípustných silnou jadernou silou se nazývá kvarkonové spektrum, a to není název vymyšlený scénáristou sci-fi seriálu. Existují nejrůznější šílené potenciální kombinace kvarků a gluonů, které prostě mohou existovat.
Takže existují?“
Kvarková duha
Možná.
Fyzikové už pěkných pár desítek let provozují experimenty se silnými jadernými silami, jako je Baberův experiment a několik experimentů na Velkém hadronovém urychlovači, a pomalu v průběhu let se dostávají na vyšší energetické úrovně, aby pronikali hlouběji a hlouběji do spektra kvarkónií (a ano, máte mé svolení použít tuto frázi v jakékoli větě nebo neformální konverzaci, je to tak úžasné). Při těchto experimentech fyzikové objevili mnoho exotických souborů kvarků a gluonů. Experimentátoři jim dávají legrační názvy, například χc2(3930).
Tyto exotické potenciální částice existují jen letmo, ale v mnoha případech přesvědčivě existují. Fyzikové však mají problém spojit tyto krátce vzniklé částice s teoretickými částicemi, o kterých předpokládáme, že by měly existovat, jako jsou tetrakvarky a gluebally.
Problém s navázáním spojení spočívá v tom, že matematika je opravdu těžká. Na rozdíl od elektromagnetické síly je velmi obtížné učinit solidní předpovědi zahrnující silnou jadernou sílu. Není to jen kvůli komplikovaným interakcím mezi kvarky a gluony. Při velmi vysokých energiích začíná síla silné jaderné síly ve skutečnosti slábnout, což umožňuje zjednodušení matematiky. Ale při nižších energiích, jako je energie potřebná k navázání kvarků a gluonů do stabilních částic, je silná jaderná síla ve skutečnosti velmi silná. Tato zvýšená síla ztěžuje matematiku.
Teoretičtí fyzikové přišli s řadou technik, jak tento problém řešit, ale samotné techniky jsou buď neúplné, nebo neúčinné. I když víme, že některé z těchto exotických stavů ve spektru kvarkonia existují, je velmi obtížné předpovědět jejich vlastnosti a experimentální signatury.
Přesto fyzikové jako vždy usilovně pracují. Pomalu, v průběhu času, budujeme naši sbírku exotických částic produkovaných v urychlovačích a vytváříme stále lepší a lepší předpovědi toho, jak by teoretické stavy kvarkonia měly vypadat. Shody se pomalu dávají dohromady a dávají nám ucelenější obraz o této podivné, ale základní síle v našem vesmíru.
Paul M. Sutter je astrofyzik na Ohio State University, moderátor pořadů Ask a Spaceman a Space Radio a autor knihy Your Place in the Universe.
- 18 Times Quantum Particles Blew Our Minds in | Live Science
- Bláznivá fyzika: Proč mají částice příchutě? | Live Science
- Podivné kvarky a miony, ach jo! Nejmenší částice přírody
Původně vyšlo na Live Science.
