Science

Кварки: что это такое?

Кварки — это основные строительные блоки видимой материи во Вселенной.

Если бы мы могли увеличить атом в вашем теле, мы бы увидели, что он состоит из электронов, роящихся по орбитам вокруг ядра из протонов и нейтронов. И если бы мы могли увеличить масштаб одного из этих протонов или нейтронов, мы бы обнаружили, что они сами состоят из трех частиц, которые настолько малы, что почти не имеют размера и представляют собой немногим больше точек. Эти точечные частицы и есть кварки.

Кварки — элементарные частицы. Как и электрон, они не состоят из каких-либо других частиц. Можно сказать, что они находятся на первом этаже Стандартной модели физики элементарных частиц.

По теме: Странная кварковая звезда могла образоваться в результате удачного космического слияния

кит купер

Соавтор

Кит Купер — независимый научный журналист и редактор из Соединенного Королевства, имеет степень по физике и астрофизике Манчестерского университета.

Открытие кварков

Существование кварков было впервые теоретизировано в 1964 году в работе двух физиков Мюррея Гелл-Манна. (откроется в новой вкладке) и Джордж Цвейг, которые оба работали в Калифорнийском технологическом институте (CalTech), но пришли к выводу, что кварки существуют независимо друг от друга. Вопреки тому, как наука часто изображается в СМИ, выводы Гелл-Манна и Цвейга не были «ага!» момента, а вместо этого были построены на основе многолетней напряженной работы и тщательных открытий сообщества физиков элементарных частиц.

К 1950-м годам физики создавали библиотеку известных частиц. Это было немного похоже на ботанику, каталогизирующую различные типы и их свойства, но чего не хватало, так это теории, лежащей в основе их существования. Эта теория в конечном итоге стала известна как Стандартная модель, но для того, чтобы прийти к ней, нужно было сделать несколько жизненно важных открытий, в том числе открытие кварков.

Самым загадочным было существование частиц, называемых гиперонами, которые были нестабильны и очень быстро распадались, но не на частицы, на которые они должны были распасться. Гелл-Манн понял, что должно работать неизвестное квантовое свойство, которое он назвал «странностью» из-за неожиданности всего этого.

Квантовые числа, такие как странность, заряд и спин, должны быть сохранены. Если распадается частица с определенным квантовым числом, то ее побочные продукты должны составлять в сумме те квантовые числа, которые были у распавшейся частицы. Более того, квантовые числа данной частицы имеют «степени свободы» — в основном диапазон значений, которые могут иметь эти числа. Эти степени свободы называются мультиплетами, и схема, по которой эти мультиплеты могут располагаться между различными частицами, привела Гелл-Манна и Цвейга к мысли, что частицы и их мультиплеты можно объяснить, если каждая частица образовалась из двух или трех меньших частиц.

Цвейг называл эти крошечные элементарные частицы «тузами», но это название не прижилось. Гелл-Манн, который всегда был любителем запоминающихся имен, называл их кварками, производными от строки из экспериментального романа Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану»: «Три кварка для Мастера Марка!» В романе кварки относятся к трем детям главного героя, мистера Марка.

Эти кварки были названы «верхними», «нижними» и «странными» кварками. Верхний и нижний кварки на самом деле ни к чему не относятся, в то время как странный кварк имел квантовое число странности –1, поэтому его называют «странным», тогда как верхний и нижний кварки имеют странность 0.

Кварки в квантовой физике

Большой адронный коллайдер занимает круглый подземный туннель длиной почти 17 миль (27 километров). (Изображение предоставлено: xenotar через Getty Images) (откроется в новой вкладке)

Хотя теория была умной, она не сразу прижилась, потому что не было никаких экспериментальных доказательств существования кварков. Это произошло четыре года спустя, в 1968 году, в Стэнфордском центре линейных ускорителей. (откроется в новой вкладке) (SLAC) в Калифорнии. Экспериментаторы обстреливали протоны электронами, а затем мюонами и обнаружили доказательства того, что электроны и мюоны рассеиваются на трех меньших частицах, содержащихся внутри протонов, причем каждая из этих меньших частиц имеет собственный электрический заряд. Эти частицы — кварки.

Оказывается, на самом деле существует шесть типов или ароматов кварков. Кроме верхних, нижних и странных кварков существуют также «очаровательные», «верхние» и «нижние» кварки. Каждый из них имеет свой собственный набор квантовых чисел, и их массы сильно различаются: верхний и нижний кварки являются наименее массивными, а топ-кварк — самым тяжелым, его масса более чем в 61 000 раз превышает массу верхнего кварка. Почему он должен быть таким массивным, до конца не понятно, но он быстро распадается на менее массивные кварки. Единственная причина, по которой ученые знают о существовании верхних и нижних кварков, заключается в том, что ускорители частиц, такие как Большой адронный коллайдер, способны производить их на короткое время.

К трудностям в изучении кварков добавляется тот факт, что в нормальных условиях они не существуют сами по себе. Они всегда связаны друг с другом сильным ядерным взаимодействием, которое позволяет им образовывать составные частицы, называемые адронами. Частицы, состоящие из двух кварков, называются мезонами, а частицы, состоящие из трех кварков, называются барионами, которые включают протоны (два верхних и один нижний кварк) и нейтроны (один верхний и два нижних кварка). Существуют частицы, называемые тетракварками, состоящие из четырех кварков, и пентакварки, состоящие из пяти кварков, причем некоторые из них почти стабильны. (откроется в новой вкладке)но в конце концов распадаются.

Чтобы соответствовать теории квантовой физики, поведение кварков регулируется моделью, называемой квантовой хромодинамикой. (откроется в новой вкладке), или КХД для краткости. «Хромо» в названии относится к «цвету» — не к красному, зеленому или синему, а к названию, данному конкретному квантовому числу, которым обладают кварки. Представьте, что цвет играет ту же роль в сильном взаимодействии, что и электрический заряд в электромагнитном взаимодействии. Итак, одинаковые цвета отталкиваются, а разные цвета (т.е. цвет и его антицвет) притягиваются, образуя устойчивые пары кварков, и, подобно другим квантовым числам, оно также должно сохраняться.

Большой взрыв и кварк-глюонная плазма

Вселенная возникла около 13,8 миллиардов лет назад. (Изображение предоставлено: АЛЬФРЕД ПАСЬЕКА / SCIENCE PHOTO LIBRARY через Getty Images) (откроется в новой вкладке)

Сильная сила, которая связывает кварки внутри адронов, переносится крошечными элементарными частицами другого типа, называемыми глюонами, которые обмениваются между кварками. Для разделения отдельных кварков требуется огромное количество энергии (не зря ее называют сильным взаимодействием). Такое количество сырой энергии существовало в природе только в период от 10 миллиардных долей секунды до миллионной доли секунды после Большого взрыва, когда температура составляла примерно 3,6 триллиона градусов по Фаренгейту (2 триллиона градусов по Цельсию). (откроется в новой вкладке)). В течение этого короткого раннего периода вселенная-младенец была заполнена формой материи, известной как кварк-глюонная плазма, супом частиц из свободно плавающих кварков и глюонов. По мере того как температура и давление быстро падали по мере расширения детской Вселенной, кварки связывались друг с другом, образуя адроны, которые в конечном итоге сформировали основу всей видимой материи, которую мы видим сегодня в космосе, от звезд и галактик до планет и людей.

Хотя кварк-глюонная плазма существовала всего 13,8 миллиарда лет назад, сразу после Большого взрыва, ученые успешно воссоздали ее в экспериментах на ускорителях частиц, столкнув два тяжелых ядра, например ядра свинца, друг с другом со скоростью, близкой к легкий. Впервые это было достигнуто на суперпротонном синхротроне ЦЕРН. (откроется в новой вкладке) в 2000 году.

Таким образом, изучение кварк-глюонной плазмы в экспериментах на ускорителях частиц является важным способом лучшего понимания условий во Вселенной после Большого взрыва. (откроется в новой вкладке).

Кварковые звезды

Еще одно место в природе, где условия могут быть настолько экстремальными, что кварки становятся неограниченными, находится в гипотетическом объекте, называемом «кварковая звезда».

Если они существуют, то кварковые звезды — это своего рода экстремальные нейтронные звезды, которые являются самыми компактными объектами, известными во Вселенной, которые не коллапсировали под действием гравитации, образуя черную дыру. Нейтронная звезда рождается в сверхновой, что является сильным взрывом, сигнализирующим о разрушении массивной звезды. В то время как внешние слои звезды сдуваются, ядро ​​звезды коллапсирует под действием гравитации, и давление там становится настолько большим, что протоны с их положительным электрическим зарядом сливаются с отрицательно заряженными электронами, их заряды компенсируются, образуя нейтральные нейтроны. Нейтронные звезды имеют диаметр около 6 миль (10 километров), а ложка материала нейтронной звезды может иметь массу, равную горе.

Однако теоретически ядра умирающих звезд могут стать еще более компактными. В этом сценарии нейтроны распадутся, выпустив на свободу свои кварки. Это будет кварковая звезда.

Однако пока кварковые звезды остаются чисто гипотетическими; астрономы еще не открыли ее окончательно, хотя есть несколько кандидатов, которые, по-видимому, обладают немного отличными от обычных нейтронных звезд свойствами, такими как меньший диаметр и большая масса.

Одним из кандидатов является объект, который на самом деле образовался не в результате взрыва сверхновой, а в результате слияния двух нейтронных звезд, вызвавшего гравитационно-волновое событие, известное как GW 190425. (откроется в новой вкладке), который был обнаружен детекторами гравитационных волн LISA и Virgo здесь, на Земле, в 2019 году. Масса объединенного объекта составляет от 3,11 до 3,54 масс Солнца. Это слишком массивно, чтобы быть нейтронной звездой (масса которой теоретически не может превышать 2,4 массы Солнца), но недостаточно массивно, чтобы быть черной дырой (которая должна быть как минимум около пяти масс Солнца). Может быть, это кварковая звезда?

Еще одна возможность состоит в том, что некоторые нейтронные звезды могут быть гибридными объектами с обычным материалом нейтронных звезд во внешних слоях и кварковым веществом глубоко в их ядрах. (откроется в новой вкладке).

Подпишитесь на Кита Купера в Твиттере @21stCenturySETI. (откроется в новой вкладке) Следите за нами в Твиттере @Spacedotcom (откроется в новой вкладке) и на фейсбуке (откроется в новой вкладке).

Дополнительные ресурсы

Узнайте больше о кварках на этих ресурсах CERN. (откроется в новой вкладке). Узнайте больше об открытии кварков в ЦЕРН (откроется в новой вкладке) и изучить кварки и глюоны более подробно с Министерством энергетики (откроется в новой вкладке).

Библиография

Первые 3 минуты: современный взгляд на происхождение Вселенной Стивена Вайнберга (1977 г., исправленное издание 1993 г., Harper-Collins)

Физика частиц Брайана Р. Мартина (2011, One-World Publications)

Crease, PR (17 июня 2019 г.). Мюррей Гелл-Манн (1929–2019). Новости природы. Получено 1 ноября 2022 г. с https://www.nature.com/articles/d41586-019-01907-y. (откроется в новой вкладке)

Первое наблюдение кварк-глюонной плазмы? Американское физическое общество. (1998, июль). Получено 1 ноября 2022 г. с https://www.aps.org/publications/apsnews/199807/observation.cfm. (откроется в новой вкладке)

Фрич, Х. (27 сентября 2012 г.). История КХД. ЦЕРН Курьер. Получено 1 ноября 2022 г. с https://cerncourier.com/a/the-history-of-qcd/. (откроется в новой вкладке)

Лопес, А. (2 июня 2020 г.). Нейтронные звезды показывают свои ядра. ЦЕРН. Получено 1 ноября 2022 г. с https://home.cern/news/news/physics/neutron-stars-show-their-cores. (откроется в новой вкладке)

Рейнер, М. (29 июля 2021 г.). Новый тетракварк ускользнул от стабильности. ЦЕРН Курьер. Получено 1 ноября 2022 г. с https://cerncourier.com/a/new-tetraquark-a-whisker-away-from-stability/. (откроется в новой вкладке)

Воссоздание материи Большого взрыва на Земле. ЦЕРН. Получено 1 ноября 2022 г. с https://home.cern/news/series/lhc-physics-ten/recreating-big-bang-matter-earth. (откроется в новой вкладке)

Домашняя страница SLAC. Национальная ускорительная лаборатория SLAC. Получено 1 ноября 2022 г. с https://www6.slac.stanford.edu/. (откроется в новой вкладке)

Суперпротонный синхротрон. ЦЕРН. Получено 1 ноября 2022 г. с https://home.cern/science/accelerators/super-proton-synchrotron. (откроется в новой вкладке)

Back to top button

Adblock Detected

Please consider supporting us by disabling your ad blocker.