Vahva ydinvoima on, kuten olet saattanut arvata, erittäin vahva voima. Se on niin voimakas, että se pystyy vetämään yhteen joitakin maailmankaikkeuden pienimpiä hiukkasia hyvin pitkiksi ajoiksi, mahdollisesti ikuisiksi ajoiksi. Vahvan voiman sitomat hiukkaset muodostavat jokapäiväisen maailmamme rakennuspalikat: protonit ja neutronit. Mutta jos leikkaisit protonin tai neutronin auki, et löytäisi siistiä, yksinkertaista subatomisten hiukkasten järjestystä. Sen sijaan näkisit ehkä yhden maailmankaikkeuden monimutkaisimman voiman ällöttävät sisuskalut.
Protonit ja neutronit eivät ole ainoita asioita, joita vahva voima pystyy tekemään, mutta emme oikein ymmärrä muita monimutkaisempia ja eksoottisempia järjestelyjä. Kaiken lisäksi jopa havaintomme ja kokeilumme ovat itsessään hyvin summittaisia. Fyysikot yrittävät kuitenkin ahkerasti koota yhteen oivalluksia tästä luonnon perusvoimasta.
Seuraavaa: The Biggest Unsolved Mysteries in Physics
Vahva ja monimutkainen
Vahvan voiman kuvaamiseksi on parasta asettaa se vastakkain sen paljon tunnetumman serkun, sähkömagneettisen voiman kanssa. Sähkömagneettisen voiman kohdalla asiat ovat yksinkertaisia, helppoja ja suoraviivaisia; niin paljon, että 1900-luvun tiedemiehet pystyivät enimmäkseen selvittämään sen. Sähkömagneettisessa voimassa mikä tahansa hiukkanen voi osallistua juhliin, kunhan sillä on ominaisuus, jota kutsutaan sähkövaraukseksi. Jos sinulla on tämä varaus, voit tuntea sähkömagneettisen voiman ja reagoida siihen. Ja kaikenlaisilla hiukkasilla, kaikenlaisilla raidoilla ja mauilla, on sähkövaraus, kuten tavallisella elektronilla.
Toinen hiukkanen, valohiukkanen (joka tunnetaan myös nimellä fotoni), hoitaa sähkömagneettisen voiman välittämisen varatulta hiukkaselta toiselle. Fotonilla itsellään ei ole omaa sähkövarausta, ja se on massaton. Se kulkee valon nopeudella, välähtelee edestakaisin maailmankaikkeudessa ja saa aikaan sähkömagnetismin.
Sähkövaraus. Sähkömagneettisen voiman yksittäinen kantaja. Yksinkertainen, suoraviivainen.
Vahvan ydinvoiman alaisia hiukkasia on sen sijaan kuusi. Ryhmänä ne tunnetaan kvarkkeina ja niillä on riittävän omituisia nimiä kuten up, down, top, bottom, strange ja charm. Jotta nämä kvarkit tuntisivat vahvan ydinvoiman ja vastaisivat siihen, niillä on oma varauksensa. Se ei ole sähkövaraus (vaikka niillä on myös sähkövaraus ja ne tuntevat myös sähkömagneettisen voiman), mutta erinäisistä syistä, jotka tekevät asioista todella hämmentäviä, fyysikot kutsuvat tätä vahvaan ydinvoimaan liittyvää erikoisvarausta värivaraukseksi.
Kvarkit voivat saada yhden kolmesta väristä, joita kutsutaan punaiseksi, vihreäksi ja siniseksi. Selvennykseksi sanottakoon, että ne eivät ole todellisia värejä, vaan vain nimityksiä, jotka annamme tälle oudolle, varauksen kaltaiselle ominaisuudelle.
Kvarkit siis tuntevat vahvan voiman, mutta sitä kantavat lukuisat muut hiukkaset – tarkalleen ottaen kahdeksan. Niitä kutsutaan gluoneiksi, ja ne tekevät todella hyvää työtä… odottakaa… liimaten kvarkkeja yhteen. Gluoneilla sattuu myös olemaan kyky ja halu kantaa omaa värivaraustaan. Ja niillä on massa.
Kuusi kvarkkia, kahdeksan gluonia. Kvarkit voivat vaihtaa värivaraustaan, ja gluonit voivat myös, koska miksipä ei.
Kaikki tämä tarkoittaa, että vahva ydinvoima on paljon monimutkaisempi ja monimutkaisempi kuin sen sähkömagneettinen serkku.
Kummallisen vahva
Okei, valehtelin. Fyysikot eivät kutsuneet tätä kvarkkien ja gluonien ominaisuutta ”värivaraukseksi” vain siksi, että heistä tuntui siltä, vaan koska se toimii hyödyllisenä analogiana. Gluonit ja kvarkit voivat sitoutua toisiinsa muodostaen isompia hiukkasia, kunhan kaikki värit summautuvat valkoiseksi, aivan kuten punainen, sininen ja vihreä valo summautuvat valkoiseksi valoksi . Yleisin yhdistelmä on kolme kvarkkia, yksi punainen, vihreä ja sininen. Vertaus on kuitenkin hieman hankala, koska jokaiselle yksittäiselle kvarkille voidaan milloin tahansa määrittää mikä tahansa väri; tärkeintä on kvarkkien määrä oikeiden yhdistelmien aikaansaamiseksi. Kolmen kvarkin ryhmät voivat siis muodostaa tutut protonit ja neutronit. Kvarkki voi myös sitoutua antikvarkkiinsa, jolloin väri kumoutuu itsensä kanssa (kuten vihreän pari anti-vihreän kanssa, enkä todellakaan ole keksimässä tätä), jolloin saadaan eräänlainen hiukkanen, joka tunnetaan nimellä mesoni.
Mutta se ei lopu tähän.
Teoreettisesti mikä tahansa kvarkkien ja gluonien yhdistelmä, jonka lopputulos on valkoinen, on teknisesti sallittu luonnossa.
Esimerkiksi kaksi mesonia – joissa kummassakin on kaksi kvarkkia sisällä – voi potentiaalisesti sitoutua yhteen joksikin, jota kutsutaan tetrakvarkiksi. Ja joissakin tapauksissa sekaan voidaan lisätä viides kvarkki, joka silti tasapainottaa kaikki värit ja jota kutsutaan (arvasitkin) pentakvarkiksi.
Tetrakvarkin ei edes tarvitse teknisesti sitoutua yhteen yhdeksi hiukkaseksi. Ne voivat yksinkertaisesti olla olemassa toistensa läheisyydessä muodostaen niin sanotun hydronisen molekyylin.
Ja kuinka hullua tämä onkaan: Gluonit itsessään eivät välttämättä edes tarvitse kvarkkia muodostaakseen hiukkasen. Maailmankaikkeudessa voi yksinkertaisesti roikkua pallo gluoneja, jotka ovat suhteellisen vakaita. Niitä kutsutaan gluupalloiksi. Kaikkien vahvassa ydinvoimassa sallittujen mahdollisten sidostilojen valikoimaa kutsutaan kvarkonispektriksi, eikä se ole sci-fi-sarjan käsikirjoittajan keksimä nimi. On olemassa kaikenlaisia hulluja mahdollisia kvarkkien ja gluonien yhdistelmiä, joita vain saattaa olla olemassa.
Onko niitä siis olemassa?
Kvarkkisateenkaari
Mahdollisesti.
Fyysikot ovat tehneet vahvan ydinvoiman kokeita jo muutaman vuosikymmenen ajan, kuten Baber Experiment ja muutama Large Hadron Colliderissa, rakentaen hitaasti vuosien mittaan korkeammille energiatasoille luodatakseen yhä syvemmälle ja syvemmälle kvarkoniumin spektriin (ja kyllä, teillä on minun lupani käyttää tuota lausetta missä tahansa lauseessa tai satunnaisessa keskustelussa haluatte, se on niin mahtava). Näissä kokeissa fyysikot ovat löytäneet monia eksoottisia kvarkkien ja gluonien kokoelmia. Kokeentekijät antavat niille omituisia nimiä, kuten χc2(3930).
Nämä eksoottiset potentiaaliset hiukkaset ovat olemassa vain ohimenevästi, mutta ovat monissa tapauksissa todistettavasti olemassa. Fyysikoiden on kuitenkin vaikea yhdistää näitä lyhytaikaisesti syntyneitä hiukkasia teoreettisiin hiukkasiin, joiden epäilemme olevan olemassa, kuten tetrakvarkkeihin ja glueballeihin.
Ongelmana yhteyden luomisessa on se, että matematiikka on todella vaikeaa. Toisin kuin sähkömagneettisen voiman kohdalla, on hyvin vaikeaa tehdä vankkoja ennusteita, jotka koskevat vahvaa ydinvoimaa. Se ei johdu vain kvarkkien ja gluonien monimutkaisista vuorovaikutuksista. Hyvin korkeissa energioissa vahvan ydinvoiman voimakkuus alkaa itse asiassa heikentyä, jolloin matematiikka yksinkertaistuu. Mutta pienemmillä energioilla, kuten energia, joka tarvitaan kvarkkien ja gluonien yhdistämiseen stabiileiksi hiukkasiksi, vahva ydinvoima on itse asiassa hyvin voimakas. Tämä lisääntynyt voimakkuus vaikeuttaa matematiikan selvittämistä.
Teoreettiset fyysikot ovat keksineet joukon tekniikoita tämän ongelman ratkaisemiseksi, mutta itse tekniikat ovat joko puutteellisia tai tehottomia. Vaikka tiedämme, että joitakin näistä eksoottisista tiloista kvarkoniumin spektrissä on olemassa, niiden ominaisuuksia ja kokeellisia merkkejä on hyvin vaikea ennustaa.
Fyysikot tekevät silti kovasti töitä, kuten aina. Hitaasti, ajan mittaan, kartutamme kokoelmaamme törmäyttimissä tuotetuista eksoottisista hiukkasista ja teemme yhä parempia ennusteita siitä, miltä teoreettisten kvarkoniumtilojen pitäisi näyttää. Why Do Particles Have Flavors? | Live Science
Originally published on Live Science.
