Forța nucleară puternică este, după cum probabil ați ghicit, o forță foarte puternică. Este atât de puternică încât este capabilă să adune împreună unele dintre cele mai mici particule din univers pentru perioade foarte lungi, posibil pentru totdeauna. Particulele legate prin forța puternică formează elementele constitutive ale lumii noastre de zi cu zi: protoni și neutroni. Dar dacă ați tăia un proton sau un neutron, nu ați găsi un aranjament frumos și simplu de particule subatomice. În schimb, ați vedea măruntaiele dezgustătoare ale poate uneia dintre cele mai complexe forțe din univers.
Protonii și neutronii nu sunt singurele lucruri pe care forța puternică este capabilă să le creeze, dar nu înțelegem cu adevărat celelalte aranjamente mai complexe și mai exotice. Mai mult, chiar și observațiile și experimentele noastre sunt ele însele foarte sumare. Dar fizicienii lucrează din greu încercând să pună cap la cap informații despre această forță fundamentală a naturii.
Relaționat: Cele mai mari mistere nerezolvate din fizică
Forța puternică și complexă
Pentru a descrie forța puternică, cel mai bine este să o punem în contrast cu verișoara sa mult mai cunoscută, forța electromagnetică. Cu forța electromagnetică lucrurile sunt simple, ușoare și directe; atât de mult încât oamenii de știință din anii 1900 au reușit să o înțeleagă în mare parte. Cu forța electromagnetică, orice particulă se poate alătura petrecerii, atâta timp cât are o proprietate numită sarcină electrică. Dacă are această sarcină, atunci ajunge să simtă și să răspundă la forța electromagnetică. Și tot felul de particule de toate felurile și aromele poartă o sarcină electrică, cum ar fi electronul dumneavoastră de grădină.
O altă particulă, particula de lumină (cunoscută și sub numele de foton), face munca de transmitere a forței electromagnetice de la o particulă încărcată la alta. Fotonul în sine nu are sarcină electrică proprie și este lipsit de masă. Acesta se deplasează cu viteza luminii, zbătându-se înainte și înapoi prin univers, făcând ca electromagnetismul să aibă loc.
Carga electrică. Un singur purtător al forței electromagnetice. Simplu, direct.
În schimb, există șase particule care sunt supuse forței nucleare puternice. Ca grup, acestea sunt cunoscute sub numele de quarci și au nume suficient de ciudate precum sus, jos, sus, jos, sus, jos, ciudat și farmec. Pentru a simți și a răspunde la forța nucleară puternică, acești quarci au o sarcină proprie. Nu este o sarcină electrică (deși au și ei o sarcină electrică și simt de asemenea forța electromagnetică), dar din diverse motive care fac lucrurile foarte confuze, fizicienii numesc această sarcină specială asociată cu forța nucleară puternică sarcina de culoare.
Quarkii pot avea una dintre cele trei culori, numite roșu, verde și albastru. Ca să clarificăm, acestea nu sunt culori reale, ci doar etichete pe care le dăm acestei proprietăți ciudate, asemănătoare încărcăturii.
Atunci, quarcii simt forța puternică, dar aceasta este purtată de o serie întreagă de alte particule – opt, mai exact. Acestea se numesc gluoni și fac o treabă foarte bună în a…așteptați…lipi quarcii împreună. De asemenea, gluonii au capacitatea și dorința de a purta propria lor sarcină de culoare. Si au si masa.
Sase quarci, opt gluoni. Quarcurile își pot schimba încărcătura de culoare, iar gluonii pot face la fel, pentru că de ce nu.
Toate acestea înseamnă că forța nucleară puternică este mult mai complexă și mai complicată decât verișoara sa electromagnetică.
Forță ciudat de puternică
Ok, am mințit. Fizicienii nu au numit această proprietate a quarcilor și gluonilor „sarcina de culoare” doar pentru că așa au avut chef, ci pentru că servește ca o analogie utilă. Gluonii și quarcii se pot lega între ei pentru a forma particule mai mari, atâta timp cât toate culorile se adună până la alb, așa cum lumina roșie, albastră și verde se adună până la lumina albă. . Cea mai frecventă combinație este de trei quarci, câte unul roșu, verde și albastru. Dar analogia devine puțin mai complicată aici, deoarece fiecărui quarc individual i se poate atribui oricare dintre culori în orice moment; ceea ce contează este numărul de quarci pentru a obține combinațiile corecte. Astfel, puteți avea grupuri de trei quarci pentru a crea protonii și neutronii cunoscuți. De asemenea, puteți avea un quarc care se leagă cu anti-quarkul său, unde culoarea se anulează cu ea însăși (ca în cazul în care verdele se împerechează cu anti-verde, și nu, nu inventez asta pe parcurs), pentru a face un fel de particulă cunoscută sub numele de mezon.
Dar nu se termină aici.
Teoretic, orice combinație de quarci și gluoni care se adună până la alb sunt permise din punct de vedere tehnic în natură.
De exemplu, doi mezoni – fiecare cu doi quarci în interiorul lor – se pot lega potențial împreună în ceva numit tetraquark. Și, în unele cazuri, puteți adăuga un al cincilea quarc la amestec, echilibrând în continuare toate culorile, numit (ați ghicit) un pentaquark.
Tetraquarkul nici măcar nu trebuie să fie legat tehnic împreună într-o singură particulă. Ei pot exista pur și simplu unul în apropierea celuilalt, formând ceea ce se numește o moleculă hidronică.
Și cât de nebunesc este acest lucru: Este posibil ca gluonii înșiși să nu aibă nevoie nici măcar de un quark pentru a face o particulă. Poate exista pur și simplu o minge de gluoni care atârnă, relativ stabilă în univers. Ele se numesc glueballs. Gama tuturor stărilor legate posibile permise de forța nucleară puternică se numește spectrul de quarkonium, iar acesta nu este un nume inventat de un scenarist de serial SF. Există tot felul de combinații potențiale nebunești de quarci și gluoni care ar putea exista.
Așa este?
Quark Rainbow
Poate.
Fizicienii fac experimente de forță nucleară puternică de câteva decenii, cum ar fi Experimentul Baber și câteva la Large Hadron Collider, construind încet, de-a lungul anilor, până la niveluri mai înalte de energie pentru a sonda din ce în ce mai adânc spectrul de quarkonium (și da, aveți permisiunea mea de a folosi această frază în orice propoziție sau conversație ocazională doriți, este atât de minunat). În cadrul acestor experimente, fizicienii au descoperit multe colecții exotice de quarcuri și gluoni. Experimentatorii le dau nume ciudate, cum ar fi χc2(3930).
Aceste particule potențiale exotice există doar în mod trecător, dar în multe cazuri există în mod concludent. Dar fizicienilor le este greu să facă legătura între aceste particule produse pentru scurt timp și cele teoretice despre care bănuim că ar trebui să existe, cum ar fi tetraquarcii și glueballs.
Problema cu realizarea conexiunii este că matematica este foarte dificilă. Spre deosebire de forța electromagnetică, este foarte dificil să faci predicții solide care să implice forța nucleară puternică. Nu este doar din cauza interacțiunilor complicate dintre quarci și gluoni. La energii foarte mari, puterea forței nucleare puternice începe de fapt să slăbească, ceea ce permite simplificarea matematicii. Dar la energii mai mici, cum ar fi energia necesară pentru a lega împreună quarcii și gluonii pentru a forma particule stabile, forța nucleară puternică este, de fapt, foarte puternică. Această forță crescută face ca matematica să fie mai greu de înțeles.
Fizicienii teoreticieni au venit cu o mulțime de tehnici pentru a aborda această problemă, dar tehnicile în sine sunt fie incomplete, fie ineficiente. Deși știm că unele dintre aceste stări exotice din spectrul quarkoniumului există, este foarte dificil să le prezicem proprietățile și semnăturile experimentale.
Cu toate acestea, fizicienii lucrează din greu, așa cum fac întotdeauna. Încet, în timp, construim colecția noastră de particule exotice produse în ciocnitori și facem predicții din ce în ce mai bune despre cum ar trebui să arate stările teoretice ale quarkoniumului. Potrivirile se adună încet-încet, oferindu-ne o imagine mai completă a acestei forțe ciudate, dar fundamentale în universul nostru.
Paul M. Sutter este astrofizician la Universitatea de Stat din Ohio, gazda emisiunilor Ask a Spaceman și Space Radio, și autorul cărții Your Place in the Universe.
- 18 Times Quantum Particles Blew Our Minds in | Live Science
- Wacky Physics: De ce particulele au arome? | Live Science
- Strange Quarks and Muons, Oh My! Nature’s Tiniest Particles
Publicat inițial pe Live Science.
Știri recente
.
