Silna siła jądrowa jest, jak można się domyślić, bardzo silną siłą. Jest tak potężna, że jest w stanie połączyć niektóre z najmniejszych cząstek we wszechświecie na bardzo długi czas, być może na zawsze. Cząstki związane przez silną siłę tworzą budulec naszego codziennego świata: protony i neutrony. Gdybyś jednak rozciął proton lub neutron, nie znalazłbyś ładnego, prostego układu cząstek subatomowych. Zamiast tego zobaczyłbyś obrzydliwe wnętrze prawdopodobnie jednej z najbardziej złożonych sił we wszechświecie.
Protony i neutrony nie są jedynymi rzeczami, które silna siła jest w stanie wytworzyć, ale tak naprawdę nie rozumiemy innych bardziej złożonych i egzotycznych układów. Co więcej, nawet nasze obserwacje i eksperymenty są same w sobie bardzo pobieżne. Ale fizycy są ciężko w pracy próbuje kawałki razem wgląd w tej podstawowej siły natury.
Related: The Biggest Unsolved Mysteries in Physics
Strong and complex
Aby opisać siłę silną, najlepiej skontrastować ją z jej dużo bardziej znanym kuzynem, siłą elektromagnetyczną. W przypadku siły elektromagnetycznej wszystko jest proste, łatwe i nieskomplikowane; do tego stopnia, że naukowcy w latach 1900-tnych byli w stanie w większości ją rozgryźć. Z siłą elektromagnetyczną, każda cząstka może dołączyć do partii tak długo, jak ma właściwość zwaną ładunek elektryczny. Jeśli ma ten ładunek, to może odczuwać siłę elektromagnetyczną i reagować na nią. I wszystkie rodzaje cząstek wszystkich pasków i smaków nosić ładunek elektryczny, jak twój ogród odmiany elektron.
Inna cząstka, cząstka światła (znany również jako foton), wykonuje pracę przekazywania siły elektromagnetycznej z jednej naładowanej cząstki do innego. Sam foton nie ma własnego ładunku elektrycznego i jest bezmasowy. Podróżuje z prędkością światła, mknąc tam i z powrotem przez wszechświat, dzięki czemu elektromagnetyzm się dzieje.
Ładunek elektryczny. Pojedynczy nośnik siły elektromagnetycznej. Prosty, nieskomplikowany.
W przeciwieństwie do niego, istnieje sześć cząstek, które podlegają silnej sile jądrowej. Jako grupa są one znane jako kwarki i mają wystarczająco dziwaczne nazwy, takie jak góra, dół, góra, dół, dziwny i urok. Aby odczuwać i reagować na działanie silnej siły jądrowej, kwarki posiadają własny ładunek. Nie jest to ładunek elektryczny (chociaż one również mają ładunek elektryczny i również odczuwają siłę elektromagnetyczną), ale z różnych powodów, które sprawiają, że rzeczy są naprawdę zagmatwane, fizycy nazywają ten specjalny ładunek związany z silną siłą jądrową ładunkiem koloru.
Kwarki mogą mieć jeden z trzech kolorów, zwanych czerwonym, zielonym i niebieskim. Dla wyjaśnienia, nie są to rzeczywiste kolory, a jedynie etykiety, które nadajemy tej dziwnej, podobnej do ładunku właściwości.
Więc kwarki odczuwają siłę silną, ale jest ona przenoszona przez cały szereg innych cząstek – dokładnie osiem. Nazywają się one gluonami i wykonują naprawdę świetną robotę… czekajcie na to… sklejając kwarki razem. Tak się składa, że gluony mają również zdolność i chęć do przenoszenia własnego ładunku kolorystycznego. I mają masę.
Sześć kwarków, osiem gluonów. Kwarki mogą zmieniać swój ładunek kolorystyczny, a gluony również, bo czemu nie.
Wszystko to oznacza, że silna siła jądrowa jest o wiele bardziej złożona i zawiła niż jej elektromagnetyczny kuzyn.
Dziwnie silna
Okay, skłamałem. Fizycy nie nazwali tej właściwości kwarków i gluonów „ładunkiem kolorowym” tylko dlatego, że mieli na to ochotę, ale dlatego, że służy to jako użyteczna analogia. Gluony i kwarki mogą łączyć się ze sobą, tworząc większe cząstki, o ile wszystkie kolory sumują się do białego, tak jak światło czerwone, niebieskie i zielone sumuje się do światła białego… Najczęstszą kombinacją są trzy kwarki, po jednym z czerwonego, zielonego i niebieskiego. Ale analogia staje się tu nieco skomplikowana, ponieważ każdy pojedynczy kwark może mieć przypisany dowolny kolor w dowolnym momencie; liczy się liczba kwarków, aby uzyskać odpowiednie kombinacje. Można więc mieć grupy po trzy kwarki, aby stworzyć znane nam protony i neutrony. Możesz również mieć kwarki łączące się z antykwarkiem, gdzie kolor znosi się sam ze sobą (np. zielony łączy się z antyzielonym, i nie, nie wymyślam tego na bieżąco), aby stworzyć rodzaj cząstki znanej jako mezon.
Ale na tym nie koniec.
Teoretycznie, wszelkie kombinacje kwarków i gluonów, które sumują się do bieli są technicznie dopuszczalne w przyrodzie.
Na przykład, dwa mezony – każdy z dwoma kwarkami wewnątrz nich – mogą potencjalnie związać się razem w coś zwanego tetrakwarkiem. A w niektórych przypadkach, można dodać piąty kwark do mieszanki, nadal równoważąc wszystkie kolory, zwany (zgadliście) penta-kwarkiem.
Tetrakwarki nie muszą nawet być technicznie związane razem w pojedynczej cząstce. Mogą one po prostu istnieć w pobliżu siebie, tworząc coś, co nazywa się cząsteczką hydroniową.
I jakie to jest szalone: Same gluony mogą nawet nie potrzebować kwarka, aby stworzyć cząstkę. Może po prostu istnieć kula gluonów wisząca, względnie stabilna we wszechświecie. Nazywa się je kulami kleju. Zakres wszystkich możliwych stanów związanych dopuszczalnych przez silne siły jądrowe nazywa się spektrum kwarkowym, i nie jest to nazwa wymyślona przez scenarzystę serialu science-fiction. Istnieją wszelkiego rodzaju szalone potencjalne kombinacje kwarków i gluonów, które po prostu mogą istnieć.
Czyżby?
Tęcza kwarków
Może.
Fizycy prowadzą eksperymenty związane z silnymi siłami jądrowymi już od kilku dekad, takie jak eksperyment Babera i kilka w Wielkim Zderzaczu Hadronów, powoli, przez lata, przechodząc na wyższe poziomy energetyczne, aby sondować coraz głębiej w widmo kwarkowe (i tak, masz moje pozwolenie na używanie tego wyrażenia w każdym zdaniu lub swobodnej rozmowie, jakie chcesz, jest tak niesamowite). W tych eksperymentach fizycy znaleźli wiele egzotycznych zbiorów kwarków i gluonów. Eksperymentatorzy nadają im zabawne nazwy, takie jak χc2(3930).
Te egzotyczne potencjalne cząstki istnieją tylko przelotnie, ale w wielu przypadkach istnieją w sposób pewny. Fizycy mają jednak problem z połączeniem tych krótko wytworzonych cząstek z teoretycznymi cząstkami, które podejrzewamy, że powinny istnieć, takimi jak tetrakwarki i kule kleju.
Problem z wykonaniem połączenia polega na tym, że matematyka jest naprawdę trudna. W przeciwieństwie do siły elektromagnetycznej, bardzo trudno jest dokonać solidnych przewidywań dotyczących silnej siły jądrowej. To nie tylko z powodu skomplikowanych oddziaływań pomiędzy kwarkami i gluonami. Przy bardzo wysokich energiach siła silnego oddziaływania jądrowego zaczyna słabnąć, co pozwala uprościć matematykę. Jednak przy niższych energiach, takich jak energia potrzebna do połączenia kwarków i gluonów w stabilne cząstki, silne siły jądrowe są rzeczywiście bardzo silne. Ta zwiększona siła sprawia, że matematyka staje się trudniejsza do rozgryzienia.
Fizycy teoretyczni wymyślili mnóstwo technik, aby poradzić sobie z tym problemem, ale same techniki są albo niekompletne, albo nieefektywne. Chociaż wiemy, że niektóre z tych egzotycznych stanów w spektrum kwarkowym istnieją, bardzo trudno jest przewidzieć ich właściwości i doświadczalne sygnatury.
Mimo to fizycy ciężko pracują, jak zawsze. Powoli, z biegiem czasu, rozbudowujemy naszą kolekcję egzotycznych cząstek produkowanych w zderzaczach i tworzymy coraz lepsze przewidywania, jak powinny wyglądać teoretyczne stany kwarkowe. Dopasowania powoli zbliżają się do siebie, dając nam pełniejszy obraz tej dziwnej, lecz fundamentalnej siły w naszym wszechświecie.
Paul M. Sutter jest astrofizykiem z The Ohio State University, gospodarzem Ask a Spaceman i Space Radio oraz autorem książki Your Place in the Universe.
- 18 Times Quantum Particles Blew Our Minds in | Live Science
- Wacky Physics: Dlaczego cząstki mają smaki? | Live Science
- Dziwne kwarki i miony, o mój Boże! Nature’s Tiniest Particles
Originally published on Live Science.
Recent news
.
