Az erős magerő, ahogy azt már sejteni lehetett, valóban nagyon erős erő. Olyan erős, hogy az univerzum legkisebb részecskéit is képes nagyon hosszú időre, talán örökké együtt tartani. Az erős erő által kötött részecskék alkotják mindennapi világunk építőköveit: a protonokat és a neutronokat. De ha felvágnánk egy protont vagy neutront, nem a szubatomi részecskék szép, egyszerű elrendezését találnánk. Ehelyett a világegyetem talán egyik legbonyolultabb erőforrásának undorító belsejét látnánk.
Nem a protonok és a neutronok az egyetlenek, amiket az erős erő képes létrehozni, de a többi összetettebb és egzotikusabb elrendeződést nem igazán értjük. Mi több, még a megfigyeléseink és kísérleteink is nagyon vázlatosak önmagukban. De a fizikusok keményen dolgoznak, hogy megpróbálják összerakni a természet ezen alapvető erejével kapcsolatos meglátásokat.
Kapcsolódó: The Biggest Unsolved Mysteries in Physics
Elég erős és bonyolult
Az erős erő leírásához a legjobb, ha szembeállítjuk sokkal híresebb unokatestvérével, az elektromágneses erővel. Az elektromágneses erővel a dolgok egyszerűek, könnyűek és egyértelműek; olyannyira, hogy az 1900-as években a tudósok többnyire meg tudták fejteni. Az elektromágneses erő esetében bármely részecske csatlakozhat a bulihoz, amennyiben rendelkezik egy elektromos töltésnek nevezett tulajdonsággal. Ha rendelkezik ezzel a töltéssel, akkor érezheti és reagálhat az elektromágneses erőre. És mindenféle csíkos és ízlésű részecske hordoz elektromos töltést, mint például a kerti elektron.
Egy másik részecske, a fényrészecske (más néven foton) végzi az elektromágneses erő átvitelét egyik töltött részecskéről a másikra. Magának a fotonnak nincs saját elektromos töltése, és tömeg nélküli. Fénysebességgel utazik, ide-oda pattog az univerzumban, és az elektromágnesességet valósítja meg.
Elektromos töltés. Az elektromágneses erő egyetlen hordozója. Egyszerű, egyszerű.
Ezzel szemben az erős magerő hat részecske. Csoportként kvarkoknak nevezik őket, és kellően furcsa nevük van, mint például up, down, top, bottom, strange és charm. Ahhoz, hogy érezzék és reagáljanak az erős magerőre, ezek a kvarkok saját töltéssel rendelkeznek. Ez nem elektromos töltés (bár nekik is van elektromos töltésük, és az elektromágneses erőt is érzik), de különböző okok miatt, amelyek nagyon zavarossá teszik a dolgokat, a fizikusok ezt az erős magerőhöz kapcsolódó különleges töltést színtöltésnek nevezik.
A kvarkok három szín közül egyet vehetnek fel, amelyeket vörösnek, zöldnek és kéknek neveznek. Csak hogy tisztázzuk, ezek nem valódi színek, hanem csak címkék, amelyeket ennek a furcsa, töltésszerű tulajdonságnak adunk.
A kvarkok tehát érzik az erős erőt, de azt egy egész sor más részecske hordozza – pontosabban nyolc. Ezeket gluonoknak hívják, és nagyon jó munkát végeznek abban, hogy… várjunk csak… összeragasszák a kvarkokat. A gluonoknak történetesen megvan az a képességük és vágyuk is, hogy saját színtöltést hordozzanak. És tömegük is van.
Hat kvark, nyolc gluon. A kvarkok képesek megváltoztatni a színtöltésüket, és a gluonok is, mert miért is ne.
Mindez azt jelenti, hogy az erős magerő sokkal összetettebb és bonyolultabb, mint elektromágneses rokona.
Furcsán erős
Oké, hazudtam. A fizikusok nem csak azért nevezték a kvarkoknak és gluonoknak ezt a tulajdonságát “színtöltésnek”, mert úgy érezték, hanem mert hasznos analógiaként szolgál. A gluonok és kvarkok össze tudnak kötődni nagyobb részecskékké, amíg az összes szín összeadódik fehérnek, ahogy a vörös, kék és zöld fény összeadódik fehér fénynek. . A leggyakoribb kombináció három kvark, egy-egy vörös, zöld és kék kvark. De az analógia itt egy kicsit bonyolulttá válik, mert minden egyes kvarkhoz bármelyik színt hozzárendelhetik bármelyik pillanatban; ami számít, az a kvarkok száma a megfelelő kombinációk eléréséhez. Tehát három kvarkból álló csoportok alkotják a jól ismert protonokat és neutronokat. Az is lehetséges, hogy egy kvark összekapcsolódik az antikvarkjával, ahol a szín kioltja önmagát (például a zöld párosul az antizölddel, és nem, ezt nem most találtam ki), hogy egyfajta részecskét hozzunk létre, amit mezonnak nevezünk.
De ezzel még nincs vége.
A természetben elméletileg a kvarkok és gluonok bármilyen kombinációja, amely fehéret ad össze, technikailag megengedett.
Előzetesen például két mezon – mindegyikben két kvarkkal – potenciálisan összekapcsolódhat egy tetraquarknak nevezett valamivé. És bizonyos esetekben egy ötödik kvarkot is hozzáadhatunk a keverékhez, még mindig kiegyensúlyozva az összes színt, amit (kitaláltad) pentakvarknak hívnak.
A tetraquarknak technikailag nem is kell egyetlen részecskében összekapcsolódnia. Egyszerűen csak egymás közelében létezhetnek, létrehozva az úgynevezett hidronmolekulát.
És milyen őrültség ez: Maguknak a gluonoknak talán nincs is szükségük kvarkra ahhoz, hogy részecskét alkossanak. Egyszerűen létezhet egy gluonokból álló gömb, ami viszonylag stabilan lóg a világegyetemben. Ezeket hívják gluógömböknek. Az erős magerő által megengedett összes lehetséges kötött állapot tartományát kvarkonium spektrumnak nevezik, és ezt a nevet nem egy sci-fi sorozat írója találta ki. A kvarkoknak és gluonoknak mindenféle őrült lehetséges kombinációi létezhetnek.
Szóval léteznek?
Kvarkszivárvány
Meglehet.
A fizikusok már jó néhány évtizede végeznek erős magerővel kapcsolatos kísérleteket, mint például a Baber-kísérlet és néhányat a Nagy Hadronütköztetőben, az évek során lassan magasabb energiaszintekre építkezve, hogy egyre mélyebbre és mélyebbre szondázzák a kvarkonium spektrumát (és igen, engedélyt kaptál arra, hogy ezt a kifejezést bármilyen mondatban vagy alkalmi beszélgetésben használd, annyira király). Ezekben a kísérletekben a fizikusok számos egzotikus kvark és gluon gyűjteményt találtak. A kísérletezők vicces neveket adtak nekik, mint például χc2(3930).
Ezek az egzotikus potenciális részecskék csak futólag léteznek, de sok esetben bizonyítottan léteznek. De a fizikusok nehezen kapcsolják össze ezeket a rövid időre keletkezett részecskéket azokkal az elméleti részecskékkel, amelyekről feltételezzük, hogy létezniük kellene, mint például a tetraquarkok és a glükógömbök.
A kapcsolat megteremtésével az a probléma, hogy a matematika nagyon nehéz. Az elektromágneses erővel ellentétben nagyon nehéz szilárd előrejelzéseket tenni az erős magerővel kapcsolatban. Nem csak a kvarkok és a gluonok közötti bonyolult kölcsönhatások miatt. Nagyon nagy energiáknál az erős magerő erőssége valójában gyengülni kezd, ami lehetővé teszi a matematika egyszerűsítését. De alacsonyabb energiáknál, mint például a kvarkok és gluonok stabil részecskékké való összekapcsolódásához szükséges energia, az erős magerő valójában, nos, nagyon erős. Ez a megnövekedett erő megnehezíti a matematika megfejtését.
Az elméleti fizikusok egy csomó technikát találtak ki ennek a problémának a megoldására, de maguk a technikák vagy hiányosak, vagy nem hatékonyak. Bár tudjuk, hogy néhány ilyen egzotikus állapot létezik a kvarkónium spektrumában, nagyon nehéz megjósolni a tulajdonságaikat és kísérleti jelzéseiket.
Mégis, a fizikusok keményen dolgoznak, mint mindig. Lassan, idővel gyarapítjuk az ütköztetőkben előállított egzotikus részecskék gyűjteményét, és egyre jobb és jobb előrejelzéseket készítünk arról, hogy az elméleti kvarkónium állapotoknak hogyan kellene kinézniük. A párosítások lassan összeállnak, így egyre teljesebb képet kapunk univerzumunk e különös, de alapvető erejéről.
Paul M. Sutter az Ohio Állami Egyetem asztrofizikusa, a Kérdezz egy űrhajóst és az Űrrrádió műsorvezetője, valamint a Your Place in the Universe című könyv szerzője.
- 18 Times Quantum Particles blew our Minds in | Live Science
- Wacky Physics: Miért van a részecskéknek ízük? | Live Science
- Furcsa kvarkok és múonok, jajj! Nature’s Tiniest Particles
Originally published on Live Science.
