Бір жыл бұрын Питер Хиггс пен Франсуа Энглер субатомдық бөлшектерге жасаған жұмыстары үшін Нобель сыйлығын алды. Бұл күлкілі болып көрінуі мүмкін, бірақ ғалымдар өз жаңалықтарын жарты ғасыр бұрын жасады, бірақ осы уақытқа дейін оларға үлкен мән берілмеді.
1964 жылы тағы екі талантты физиктер де өздерінің жаңашыл теориясымен шықты. Алғашында ол да назар аудармады. Бұл таңқаларлық, өйткені ол адрондардың құрылымын сипаттады, оларсыз күшті атомаралық өзара әрекеттесу мүмкін емес. Бұл кварк теориясы болды.
Бұл не?
Айтпақшы, кварк дегеніміз не? Бұл адронның ең маңызды компоненттерінің бірі. Маңызды! Бұл бөлшектің «жартылай» спині бар, шын мәнінде фермион. Түсіне байланысты (төменде көбірек) кварк заряды протонның үштен бір немесе үштен екісіне тең болуы мүмкін. Түстерге келетін болсақ, олардың алтауы бар (кварктардың ұрпақтары). Олар Паули принципі бұзылмауы үшін қажет.
Негізгімәліметтер
Адрондардың құрамында бұл бөлшектер шектелу мәнінен аспайтын қашықтықта орналасады. Бұл жай ғана түсіндіріледі: олар өлшеу өрісінің векторларын, яғни глюондарды алмасады. Неліктен кварк соншалықты маңызды? Глюон плазмасы (кварктармен қаныққан) - үлкен жарылыстан кейін бүкіл ғалам орналасқан материяның күйі. Тиісінше, кварктар мен глюондардың болуы оның шынымен болғанын тікелей растайды.
Олардың да өзіндік түсі бар, сондықтан қозғалыс кезінде олар өздерінің виртуалды көшірмелерін жасайды. Сәйкесінше, кварктар арасындағы қашықтық ұлғайған сайын олардың арасындағы әсерлесу күші айтарлықтай артады. Сіз болжағандай, ең аз қашықтықта өзара әрекеттесу іс жүзінде жоғалады (асимптотикалық еркіндік).
Осылайша, адрондардағы кез келген күшті әсерлесу глюондардың кварктардың арасында өтуімен түсіндіріледі. Адрондар арасындағы өзара әрекеттесу туралы айтатын болсақ, онда олар пи-мезон резонансының берілуімен түсіндіріледі. Қарапайым тілмен айтқанда, жанама түрде бәрі қайтадан глюондардың алмасуына байланысты.
Нуклондарда неше кварк бар?
Әр нейтрон жұп d-кварктан, тіпті бір u-кварктан тұрады. Әрбір протон, керісінше, бір d-кварк пен жұп u-кварктан тұрады. Айтпақшы, әріптер кванттық сандарға байланысты тағайындалады.
Түсіндірейік. Мысалы, бета-ыдырау дәл нуклон құрамындағы кварктардың бір типінің екіншісіне айналуымен түсіндіріледі. Түсінікті болу үшін бұл процесті келесідей формула түрінде жазуға болады: d=u + w (бұл нейтрондардың ыдырауы). Сәйкесінше,протон сәл басқа формуламен жазылады: u=d + w.
Айтпақшы, бұл үлкен жұлдыз шоғырларынан нейтрино мен позитрондардың тұрақты ағынын түсіндіретін соңғы процесс. Сонымен, ғалам масштабында кварк сияқты маңызды бөлшектер аз: глюон плазмасы, жоғарыда айтқанымыздай, үлкен жарылыс фактісін растайды және бұл бөлшектерді зерттеу ғалымдарға оның мәнін жақсырақ түсінуге мүмкіндік береді. біз өмір сүріп жатқан әлем.
Кварктан не кіші?
Айтпақшы, кварктар неден тұрады? Олардың құрамдас бөліктері преондар болып табылады. Бұл бөлшектер өте кішкентай және нашар түсінілген, сондықтан олар туралы бүгінгі күні де көп нәрсе белгілі емес. Бұл кварктан кіші.
Олар қайдан келді?
Бүгінгі күнге дейін преондардың пайда болуының ең көп тараған екі гипотезасы: жолдар теориясы және Билсон-Томпсон теориясы. Бірінші жағдайда бұл бөлшектердің пайда болуы жіп тербелісімен түсіндіріледі. Екінші гипотеза олардың пайда болуы кеңістік пен уақыттың қозған күйінен туындағанын болжайды.
Бір қызығы, екінші жағдайда құбылысты айналдыру желісінің қисық сызықтары бойымен параллель тасымалдау матрицасы арқылы толық сипаттауға болады. Осы матрицаның қасиеттері преонға арналған қасиеттерді алдын ала анықтайды. Кварктар осыдан жасалған.
Кейбір нәтижелерді қорытындылай келе, кварктарды адрондар құрамындағы «кванттар» түрі деп айта аламыз. Әсер еттіңіз бе? Ал енді жалпы кварктың қалай ашылғаны туралы айтатын боламыз. Бұл жоғарыда сипатталған кейбір нюанстарды толығымен ашатын өте қызықты оқиға.
Біртүрлі бөлшектер
Екінші дүниежүзілік соғыс аяқталғаннан кейін ғалымдар сол кезге дейін қарапайым көрінетін субатомдық бөлшектер әлемін белсенді түрде зерттей бастады (сол идеяларға сәйкес). Протондар, нейтрондар (нуклондар) және электрондар атомды құрайды. 1947 жылы пиондар ашылды (және олардың болуы 1935 жылы болжалды), олар атомдар ядросындағы нуклондардың өзара тартылуына жауапты болды. Бұл оқиғаға бір уақытта бірнеше ғылыми көрмелер арналды. Кварктар әлі ашылған жоқ, бірақ олардың "ізіне" шабуыл жасау сәті жақындап қалды.
Ол уақытқа дейін нейтрино әлі ашылмаған болатын. Бірақ олардың атомдардың бета-ыдырауын түсіндірудегі маңыздылығы соншалық, ғалымдар олардың бар екеніне күмәнданбады. Сонымен қатар, кейбір антибөлшектер қазірдің өзінде анықталған немесе болжанған. Пиондардың ыдырауы кезінде пайда болған және кейіннен нейтрино, электрон немесе позитрон күйіне өткен мюондармен байланысты жағдай түсініксіз болып қалды. Физиктер бұл аралық станцияның не үшін екенін мүлде түсінбеді.
Өкінішке орай, мұндай қарапайым және қарапайым модель пиондарды ашу сәтінен ұзақ уақыт бойы аман қалды. 1947 жылы екі ағылшын физигі Джордж Рочестер мен Клиффорд Батлер Nature ғылыми журналында қызықты мақала жариялады. Оның материалы бұлт камерасы арқылы ғарыштық сәулелерді зерттеу болды, оның барысында олар қызықты ақпарат алды. Бақылау кезінде түсірілген фотосуреттердің бірінде ортақ басы бар жұп жолдар анық көрінді. Сәйкессіздік латын V-ге ұқсайтындықтан, ол бірден анық болды– бұл бөлшектердің заряды әртүрлі.
Ғалымдар бұл іздер басқа із қалдырмаған қандай да бір белгісіз бөлшектің ыдырау фактісін көрсетеді деп бірден болжаған. Есептеулер оның массасы шамамен 500 МэВ болатынын көрсетті, бұл электрон үшін бұл мәннен әлдеқайда үлкен. Әрине, зерттеушілер өздерінің ашылуын V-бөлшегі деп атады. Дегенмен, бұл әлі кварк емес еді. Бұл бөлшек әлі де қанатында күтіп тұрды.
Бұл енді ғана басталып жатыр
Бәрі осы жаңалықтан басталды. 1949 жылы дәл осындай жағдайда бөлшектің ізі табылып, бірден үш пион пайда болды. Көп ұзамай оның V-бөлшегі сияқты төрт бөлшектен тұратын отбасының мүлдем басқа өкілдері екені белгілі болды. Кейіннен олар К-мезондар (каондар) деп аталды.
Зарядталған каондар жұбының массасы 494 МэВ, ал бейтарап заряд жағдайында - 498 МэВ. Айтпақшы, 1947 жылы ғалымдар оң каонның ыдырауының дәл осындай өте сирек жағдайын түсіру бақытына ие болды, бірақ ол кезде олар кескінді дұрыс түсіндіре алмады. Дегенмен, әділеттілік үшін, шын мәнінде, каон туралы алғашқы бақылау 1943 жылы жасалған, бірақ бұл туралы ақпарат соғыстан кейінгі көптеген ғылыми жарияланымдар фонында жоғалып кетті.
Жаңа оғаштық
Сосын ғалымдарды тағы да жаңалықтар күтіп тұрды. 1950 және 1951 жылдары Манчестер және Мельнбург университеттерінің зерттеушілері протондар мен нейтрондардан әлдеқайда ауыр бөлшектерді таба алды. Ол қайтадан зарядсыз, бірақ протон мен пионға ыдырайды. Соңғысы, түсінуге болатындай,теріс заряд. Жаңа бөлшек Λ (лямбда) деп аталды.
Уақыт өткен сайын ғалымдардың сұрақтары көбейе бастады. Мәселе жаңа бөлшектердің белгілі протондар мен нейтрондарға тез ыдырайтын күшті атомдық әрекеттесулерден пайда болғанында болды. Сонымен қатар, олар әрқашан жұпта пайда болды, ешқашан жалғыз көріністер болмады. Сондықтан АҚШ пен Жапонияның бір топ физиктері өз сипаттамасында жаңа кванттық санды – оғаштықты пайдалануды ұсынды. Олардың анықтамасы бойынша басқа барлық белгілі бөлшектердің оғаштығы нөлге тең болды.
Қосымша зерттеулер
Зерттеудегі серпіліс адрондардың жаңа жүйеленуі пайда болғаннан кейін ғана болды. Мұның ең көрнекті тұлғасы израильдік Ювал Неаман болды, ол көрнекті әскери адамның мансабын ғалымның бірдей тамаша жолына өзгертті.
Ол сол кезде ашылған мезондар мен бариондардың ыдырап, туыс бөлшектердің, мультиплеттердің шоғырын құрайтынын байқады. Әрбір мұндай қауымдастықтың мүшелерінің бірдей оғаштығы бар, бірақ қарама-қарсы электр зарядтары. Шынында да күшті ядролық өзара әрекеттесулер электр зарядтарына мүлдем тәуелді болмағандықтан, басқа барлық жағынан мультиплеттің бөлшектері тамаша егіздерге ұқсайды.
Галымдар мұндай түзілістердің пайда болуына қандай да бір табиғи симметрия жауап береді деп болжап, көп ұзамай олар оны таба алды. Бұл бүкіл әлем ғалымдары кванттық сандарды сипаттау үшін пайдаланған SU(2) спин тобының қарапайым жалпылауы болып шықты. Мұндатек сол кезде ғана 23 адрон белгілі болды және олардың спиндері 0, ½ немесе бүтін бірлікке тең болды, сондықтан мұндай классификацияны пайдалану мүмкін болмады.
Нәтижесінде жіктеу үшін бірден екі кванттық сандарды қолдануға тура келді, соның арқасында классификация айтарлықтай кеңейді. Ғасырдың басында француз математигі Эли Картан құрған СУ(3) тобы осылай пайда болды. Ондағы әрбір бөлшектің жүйелі орнын анықтау үшін ғалымдар зерттеу бағдарламасын жасады. Кейіннен кварк жүйелі қатарға оңай еніп, сарапшылардың абсолютті дұрыстығын растады.
Жаңа кванттық сандар
Сонымен ғалымдар абстрактілі кванттық сандарды пайдалану идеясын ұсынды, олар гиперзаряд пен изотоптық спинге айналды. Дегенмен, біртүрлілік пен электр зарядын бірдей табыспен алуға болады. Бұл схема шартты түрде Сегіз жол деп аталды. Бұл нирванаға жетпес бұрын сегіз деңгейден өту керек болатын буддизмге ұқсастықты түсіреді. Дегенмен, мұның бәрі ән мәтіні.
Ниман және оның әріптесі Гелл-Манн 1961 жылы өз жұмыстарын жариялады және сол кезде белгілі мезондардың саны жетіден аспады. Бірақ өз жұмыстарында зерттеушілер сегізінші мезонның болуының жоғары ықтималдығын айтудан қорықпады. Сол 1961 жылы олардың теориясы керемет расталды. Табылған бөлшек эта мезон (грек әрпі η) деп аталды.
Жарықтыққа қатысты қосымша зерттеулер мен тәжірибелер SU(3) классификациясының абсолютті дұрыстығын растады. Бұл жағдай күшті болдыдұрыс жолда екендіктерін анықтаған зерттеушілер үшін ынталандыру. Тіпті Гелл-Манның өзі табиғатта кварктардың бар екеніне енді күмәнданбады. Оның теориясы туралы пікірлер тым оңды болмады, бірақ ғалым оның дұрыс екеніне сенімді болды.
Міне, кварктар
Көп ұзамай «Бариондар мен мезондардың схемалық моделі» мақаласы жарық көрді. Онда ғалымдар жүйелеу идеясын одан әрі дамыта алды, бұл өте пайдалы болды. Олар SU(3) электр заряды 2/3-тен 1/3 және -1/3-ке дейін болатын фермиондардың тұтас үштіктерінің болуына әбден мүмкіндік беретінін анықтады, ал триплетте бір бөлшек әрқашан нөлдік емес біртүрлілікке ие болады. Бізге бұрыннан белгілі Гелл-Манн оларды «кварктың элементар бөлшектері» деп атаған.
Айыптауларға сәйкес, ол оларды u, d және s (ағылшынша жоғары, төмен және біртүрлі сөздерінен) деп белгіледі. Жаңа схемаға сәйкес әрбір барион бірден үш кварктан құралады. Мезондар әлдеқайда қарапайым. Оларға бір кварк (бұл ереже мызғымас) және антикварк кіреді. Осыдан кейін ғана ғылыми қоғамдастық мақаламыз арналып отырған бұл бөлшектердің бар екенін білді.
Кішкене фон
Физиканың алдағы жылдардағы дамуын негізінен алдын ала анықтаған бұл мақалада өте қызықты мәліметтер бар. Гелл-Манн мұндай үшемдердің бар болуы туралы ол жарияланғанға дейін көп ойлаған, бірақ оның болжамдарын ешкіммен талқылаған жоқ. Оның бөлшек заряды бар бөлшектердің бар екендігі туралы болжамдары нонсенс сияқты көрінді. Алайда көрнекті физик-теоретик Роберт Сербермен сөйлескеннен кейін ол оның әріптесідәл осындай қорытынды жасады.
Сонымен қатар, ғалым бірден-бір дұрыс қорытынды жасады: мұндай бөлшектердің болуы олар бос фермиондар емес, адрондардың бөлігі болған жағдайда ғана мүмкін болады. Шынында да, бұл жағдайда олардың алымдары біртұтас тұтастықты құрайды! Бастапқыда Гелл-Манн оларды кварктар деп атады, тіпті MTI-де оларды атап өтті, бірақ студенттер мен мұғалімдердің реакциясы өте ұстамды болды. Сондықтан да ғалым өз зерттеулерін көпшілікке ұсыну керек пе деп ұзақ ойланды.
«Кварк» сөзінің өзі (үйректер айқайын еске түсіретін дыбыс) Джеймс Джойстың шығармасынан алынған. Бір қызығы, американдық ғалым өз мақаласын еуропалық беделді ғылыми журналға Physics Letters жіберді, өйткені ол деңгейі жағынан ұқсас американдық Physical Review Letters басылымының редакторлары оны баспаға қабылдамайды деп қатты қорықты. Айтпақшы, тым болмаса, сол мақаланың бір данасын қарап шыққыңыз келсе, сол Берлин мұражайына тура жол бар. Оның экспозициясында кварктар жоқ, бірақ олардың ашылуының толық тарихы бар (дәлірек айтқанда, құжаттық дәлелдер).
Кварк революциясының басталуы
Әділ болу үшін, дәл осы уақытта дерлік CERN ғалымы Джордж Цвейгтің осындай ойға келгенін айта кеткен жөн. Алдымен Гелл-Манның өзі оның тәлімгері болды, содан кейін Ричард Фейнман болды. Цвейг сонымен қатар бөлшек зарядтары бар фермиондардың бар екендігінің ақиқаттығын анықтады, оларды тек эйс деп атады. Оның үстіне дарынды физик бариондарды кварктардың триосы, ал мезондарды кварктардың қосындысы ретінде қарастырды.және антикварк.
Қарапайым тілмен айтқанда, оқушы ұстазының тұжырымын толығымен қайталап, одан мүлде бөлектенген. Оның жұмысы Маннның жариялануынан бірнеше апта бұрын пайда болды, бірақ институттың «үйде жасалған» жұмысы ретінде ғана пайда болды. Дегенмен, тұжырымдары бірдей дерлік екі тәуелсіз жұмыстың болуы кейбір ғалымдарды ұсынылған теорияның дұрыстығына бірден сендірді.
Қабылданбаудан сенімге
Бірақ көптеген зерттеушілер бұл теорияны бірден қабылдаған жоқ. Иә, журналистер мен теоретиктер оның анықтығы мен қарапайымдылығына тез ғашық болды, бірақ байсалды физиктер оны 12 жылдан кейін ғана қабылдады. Оларды тым консервативті деп айыптамаңыз. Өйткені, бастапқыда кварктар теориясы мақаланың басында біз айтқан Паули принципіне күрт қайшы келді. Егер протонда жұп u-кварк пен жалғыз d-кварк бар деп есептесек, онда біріншісі қатаң түрде бірдей кванттық күйде болуы керек. Паулидің айтуынша, бұл мүмкін емес.
Дәл сол кезде түс ретінде көрсетілген қосымша кванттық сан пайда болды (бұл туралы біз жоғарыда да айттық). Сонымен қатар, кварктардың элементар бөлшектері тұтастай алғанда бір-бірімен қалай әрекеттесетіні, олардың бос сорттары неге пайда болмайтыны мүлдем түсініксіз болды. Барлық осы құпияларды ашуға тек 70-ші жылдардың ортасында ғана «еске алынған» габариттік өрістер теориясы көп көмектесті. Шамамен сол уақытта адрондардың кварк теориясы оған органикалық түрде қосылды.
Бірақ ең бастысы, теорияның дамуы кем дегенде кейбір эксперименттік эксперименттердің толық болмауына байланысты болды,бұл кварктардың бір-бірімен және басқа бөлшектермен бар болуын да, әрекеттесуін де растайтын еді. Және олар бірте-бірте тек 60-жылдардың аяғынан бастап пайда бола бастады, технологияның қарқынды дамуы протондарды электронды ағындармен «беру» экспериментін жүргізуге мүмкіндік берді. Дәл осы эксперименттер кейбір бөлшектердің бастапқыда партондар деп аталатын протондардың ішінде шынымен «жасырын» екенін дәлелдеуге мүмкіндік берді. Кейіннен, соған қарамастан, олар мұның нағыз кварктан басқа ештеңе емес екеніне сенімді болды, бірақ бұл тек 1972 жылдың соңында болды.
Эксперименттік растау
Әрине, ғылыми қауымдастықты сендіру үшін көп тәжірибелік деректер қажет болды. 1964 жылы Джеймс Бьоркен мен Шелдон Глашоу (айтпақшы, болашақ Нобель сыйлығының иегері) кварктың төртінші түрі де болуы мүмкін деген болжам жасады, оны олар сүйкімді деп атады.
Осы гипотезаның арқасында 1970 жылы ғалымдар бейтарап зарядталған каондардың ыдырауы кезінде байқалған көптеген оғаш құбылыстарды түсіндіре алды. Төрт жылдан кейін американдық физиктердің екі тәуелсіз тобы бірден мезонның ыдырауын түзете алды, оның құрамына бір ғана «сүйкімді» кварк, сонымен қатар оның антикварк кіреді. Бұл оқиға бірден қараша революциясы аталды. Алғаш рет кварктар теориясы азды-көпті "визуалды" растау алды.
Жаңалықтың маңыздылығы жоба жетекшілері Сэмюэл Тинг пен Бартон Рихтердің қазірдің өзінде аяқталғандығымен дәлелденді. Нобель сыйлығын екі жыл бойы қабылдады: бұл оқиға көптеген мақалаларда көрсетілген. Нью-Йорк жаратылыстану мұражайына барсаңыз, олардың кейбірін түпнұсқадан көре аласыз. Кварктар, жоғарыда айтқанымыздай, біздің заманымыздың аса маңызды жаңалығы, сондықтан оларға ғылыми ортада көп көңіл бөлінеді.
Қорытынды дәлел
Зерттеушілер 1976 жылға дейін нөлдік емес сүйкімді бір бөлшекті, бейтарап D-мезонды тапты. Бұл бір сүйкімді кварк пен u-антикварктың өте күрделі комбинациясы. Бұл жерде тіпті кварктардың бар екеніне қатты қарсы шыққандар да алғаш рет жиырма жылдан астам уақыт бұрын айтылған теорияның дұрыстығын мойындауға мәжбүр болды. Ең танымал теориялық физиктердің бірі Джон Эллис сүйкімділікті «әлемді айналдыратын тұтқа» деп атады.
Жақын арада жаңа ашылулар тізіміне сол кезде қабылданған SU(3) жүйелеуімен оңай корреляциялануы мүмкін жоғары және астыңғы ерекше массивтік кварктар қосылды. Соңғы жылдары ғалымдар тетракварктардың болуы туралы айтып жүр, кейбір ғалымдар оларды «адрон молекулалары» деп атаған
Кейбір тұжырымдар мен тұжырымдар
Кварктардың бар болуының ашылуы мен ғылыми негізделуін шынымен де ғылыми революция деп санауға болатынын түсінуіңіз керек. Оны 1947 жыл (негізі 1943 жыл) оның басы деп санауға болады, ал оның соңы алғашқы «сиқырланған» мезонның ашылуына келеді. Бұл деңгейдің соңғы ашылуының ұзақтығы бүгінгі күнге дейін кем емес, 29 жыл (тіпті 32 жыл) болып табылады! Және мұның бәріуақыт кваркты табу үшін ғана жұмсалған жоқ! Ғаламның бастапқы нысаны ретінде глюон плазмасы көп ұзамай ғалымдардың назарын көбірек аударды.
Алайда, зерттеу саласы неғұрлым күрделі болған сайын, шын мәнінде маңызды жаңалықтарды ашуға соғұрлым көп уақыт кетеді. Біз талқылап жатқан бөлшектерге келетін болсақ, мұндай жаңалықтың маңыздылығын ешкім бағаламайды. Кварктардың құрылымын зерттеу арқылы адам ғаламның құпиясына тереңірек ене алады. Оларды толық зерттегеннен кейін ғана біз үлкен жарылыс қалай болғанын және біздің Әлемнің қандай заңдарға сәйкес дамитынын білуіміз мүмкін. Қалай болғанда да, олардың ашылуы көптеген физиктерді бізді қоршаған шындық бұрынғы идеялардан әлдеқайда күрделірек екеніне сендіруге мүмкіндік берді.
Сонымен сіз кварктың не екенін білдіңіз. Бұл бөлшек бір кездері ғылыми әлемде үлкен шу шығарды және бүгінде зерттеушілер оның барлық құпияларын ақыры ашады деген үмітке толы.
