Sadece bir yıl önce, Peter Higgs ve François Engler atom altı parçacıklar üzerindeki çalışmaları nedeniyle Nobel Ödülü'nü aldı. Saçma gelebilir, ancak bilim adamları keşiflerini yarım yüzyıl önce yaptı, ancak şimdiye kadar onlara büyük bir önem verilmedi.
1964'te iki yetenekli fizikçi daha yenilikçi teorileriyle öne çıktı. İlk başta, o da neredeyse hiç dikkat çekmedi. Bu gariptir, çünkü onsuz güçlü bir atomlar arası etkileşimin mümkün olmadığı hadronların yapısını tanımlamıştır. Kuark teorisiydi.
Bu nedir?
Bu arada, kuark nedir? Bu, hadronun en önemli bileşenlerinden biridir. Önemli! Bu parçacık, aslında bir fermiyon olan "yarım" bir dönüşe sahiptir. Renge bağlı olarak (aşağıda daha fazlası), bir kuarkın yükü bir protonunkinin üçte birine veya üçte ikisine eşit olabilir. Renklere gelince, bunlardan altı tane var (kuark nesilleri). Pauli ilkesinin ihlal edilmemesi için bunlara ihtiyaç vardır.
Temelayrıntılar
Hadronların bileşiminde, bu parçacıklar hapsolma değerini aşmayan bir mesafede bulunur. Bu basitçe açıklanır: ayar alanının vektörlerini, yani gluonları değiştirirler. Kuark neden bu kadar önemli? Gluon plazması (kuarklarla doymuş), büyük patlamadan hemen sonra tüm evrenin içinde bulunduğu maddenin durumudur. Buna göre, kuarkların ve gluonların varlığı, onun gerçekten öyle olduğunun doğrudan bir teyididir.
Ayrıca kendi renkleri vardır ve bu nedenle hareket sırasında sanal kopyalarını oluştururlar. Buna göre, kuarklar arasındaki mesafe arttıkça, aralarındaki etkileşim kuvveti önemli ölçüde artar. Tahmin edebileceğiniz gibi, minimum mesafede etkileşim pratik olarak ortadan kalkar (asimptotik özgürlük).
Böylece hadronlardaki herhangi bir güçlü etkileşim, gluonların kuarklar arasındaki geçişi ile açıklanır. Hadronlar arasındaki etkileşimlerden bahsedersek, bunlar pi-mezon rezonansının transferi ile açıklanır. Basitçe söylemek gerekirse, dolaylı olarak, her şey yine gluonların değiş tokuşuna bağlıdır.
Nükleonlarda kaç tane kuark var?
Her nötron bir çift d-kuarktan ve hatta tek bir u-kuarktan oluşur. Her proton, aksine, tek bir d-kuarktan ve bir çift u-kuarktan oluşur. Bu arada harfler kuantum sayılarına göre atanır.
Açıklayalım. Örneğin, beta bozunması tam olarak nükleonun bileşimindeki aynı tip kuarklardan birinin diğerine dönüşmesiyle açıklanır. Daha açık hale getirmek için, bu süreç şu şekilde yazılabilir: d=u + w (bu nötron bozunmasıdır). Sırasıyla,proton biraz farklı bir formülle yazılır: u=d + w.
Bu arada, nötrinoların ve pozitronların büyük yıldız kümelerinden sürekli akışını açıklayan ikinci süreçtir. Dolayısıyla, evren ölçeğinde, kuark kadar önemli çok az parçacık vardır: Daha önce de söylediğimiz gibi, gluon plazması büyük patlama gerçeğini doğrular ve bu parçacıklar üzerine yapılan çalışmalar bilim adamlarının evrenin özünü daha iyi anlamalarını sağlar. yaşadığımız dünya.
Kuarktan daha küçük olan nedir?
Bu arada, kuarklar nelerden oluşur? Kurucu parçacıkları preonlardır. Bu parçacıklar çok küçüktür ve yeterince anlaşılmamıştır, dolayısıyla bugün bile onlar hakkında pek bir şey bilinmemektedir. Bir kuarktan daha küçük olan budur.
Nereden geldiler?
Bugüne kadar, preonların oluşumuyla ilgili en yaygın iki hipotez: sicim teorisi ve Bilson-Thompson teorisi. İlk durumda, bu parçacıkların görünümü sicim salınımları ile açıklanır. İkinci hipotez, görünümlerinin uyarılmış bir uzay ve zaman durumundan kaynaklandığını öne sürüyor.
İlginç bir şekilde, ikinci durumda, fenomen, spin ağının eğrileri boyunca paralel transfer matrisi kullanılarak tam olarak tanımlanabilir. Bu matrisin özellikleri, preon için olanları önceden belirler. Kuarkların yapıldığı şey budur.
Bazı sonuçları özetlersek, kuarkların hadronların bileşiminde bir tür "kuanta" olduğunu söyleyebiliriz. Etkilenmiş? Şimdi de genel olarak kuarkın nasıl keşfedildiğinden bahsedeceğiz. Bu, ayrıca yukarıda açıklanan bazı nüansları tamamen ortaya çıkaran çok ilginç bir hikaye.
Garip parçacıklar
İkinci Dünya Savaşı'nın sona ermesinden hemen sonra, bilim adamları, o zamana kadar ilkel olarak basit görünen atom altı parçacıkların dünyasını aktif olarak keşfetmeye başladılar (bu fikirlere göre). Protonlar, nötronlar (nükleonlar) ve elektronlar bir atom oluşturur. 1947'de, atom çekirdeğindeki nükleonların karşılıklı çekiminden sorumlu olan pionlar keşfedildi (ve varlıkları 1935'te tahmin edildi). Bu etkinliğe aynı anda birden fazla bilimsel sergi ayrıldı. Kuarklar henüz keşfedilmemişti ama onların "izlerine" saldırı anı yaklaşıyordu.
Nötrinolar o zamana kadar henüz keşfedilmemişti. Ancak atomların beta bozunmasını açıklamadaki görünür önemleri o kadar büyüktü ki bilim adamlarının varlıklarından çok az şüpheleri vardı. Ek olarak, bazı antipartiküller zaten tespit edilmiş veya tahmin edilmiştir. Belirsiz kalan tek şey, pionların bozunması sırasında oluşan ve daha sonra bir nötrino, elektron veya pozitron durumuna geçen müonlarla ilgili durumdu. Fizikçiler bu ara istasyonun ne işe yaradığını hiç anlamadılar.
Ne yazık ki, bu kadar basit ve gösterişsiz bir model, şakayıkların keşfedildiği andan uzun süre hayatta kalamadı. 1947'de iki İngiliz fizikçi George Rochester ve Clifford Butler, Nature dergisinde ilginç bir makale yayınladılar. Bunun için materyal, bir bulut odası aracılığıyla kozmik ışınları incelemeleriydi ve bu sırada ilginç bilgiler elde ettiler. Gözlem sırasında çekilen fotoğraflardan birinde, ortak bir başlangıcı olan bir çift iz açıkça görülüyordu. Tutarsızlık Latin V'ye benzediğinden, hemen netleşti.– bu parçacıkların yükü kesinlikle farklıdır.
Bilim adamları hemen bu izlerin başka hiçbir iz bırakmayan bilinmeyen bir parçacığın bozunması gerçeğini gösterdiğini varsaydılar. Hesaplamalar, kütlesinin bir elektron için bu değerden çok daha büyük olan yaklaşık 500 MeV olduğunu göstermiştir. Elbette araştırmacılar keşiflerine V-parçacığı adını verdiler. Ancak, henüz bir kuark değildi. Bu parçacık hala kanatlarda bekliyordu.
Daha yeni başlıyor
Her şey bu keşifle başladı. 1949'da, aynı koşullar altında, aynı anda üç pion oluşturan bir parçacık izi keşfedildi. Kısa süre sonra, V-parçacığının yanı sıra, dört parçacıktan oluşan bir ailenin tamamen farklı temsilcileri olduğu anlaşıldı. Daha sonraları K-mezonlar (kaons) olarak adlandırıldılar.
Bir çift yüklü kaonun kütlesi 494 MeV'dir ve nötr bir şarj durumunda - 498 MeV. Bu arada, 1947'de bilim adamları, pozitif bir kaonun bozulmasının aynı çok nadir vakasını yakalayacak kadar şanslıydılar, ancak o zaman görüntüyü doğru yorumlayamadılar. Bununla birlikte, tamamen adil olmak gerekirse, aslında, kaonun ilk gözlemi 1943'te yapıldı, ancak bununla ilgili bilgiler, savaş sonrası sayısız bilimsel yayının zemininde neredeyse kayboldu.
Yeni tuhaflık
Ve sonra bilim adamlarını bekleyen daha fazla keşif vardı. 1950 ve 1951'de Manchester ve Melnburg Üniversitesi'nden araştırmacılar proton ve nötronlardan çok daha ağır parçacıklar bulmayı başardılar. Yine yükü yoktu, ancak bir proton ve bir pion'a bozundu. İkincisi, anlaşılacağı gibi,negatif yük. Yeni parçacığın adı Λ (lambda).
Zaman geçtikçe bilim adamlarının kafasında daha fazla soru vardı. Sorun, yeni parçacıkların yalnızca güçlü atomik etkileşimlerden ortaya çıkması ve hızla bilinen proton ve nötronlara bozunmasıydı. Ayrıca, her zaman çiftler halinde ortaya çıktılar, asla tek bir tezahür olmadı. Bu nedenle ABD ve Japonya'dan bir grup fizikçi, açıklamalarında yeni bir kuantum sayısı - tuhaflık - kullanmayı önerdi. Tanımlarına göre, bilinen diğer tüm parçacıkların tuhaflığı sıfırdı.
İleri araştırma
Araştırmadaki atılım ancak yeni bir hadron sistematizasyonunun ortaya çıkmasından sonra gerçekleşti. Bu konudaki en belirgin figür, seçkin bir askeri adamın kariyerini aynı derecede parlak bir bilim adamı yoluna dönüştüren İsrailli Yuval Neaman'dı.
O zamana kadar keşfedilen mezonların ve baryonların bozunarak, ilgili parçacıklardan, çokluklardan oluşan bir küme oluşturduğunu fark etti. Bu tür derneklerin her birinin üyeleri tamamen aynı tuhaflığa, ancak zıt elektrik yüklerine sahiptir. Gerçekten güçlü nükleer etkileşimler hiçbir şekilde elektrik yüklerine bağlı olmadığı için, çokluktan gelen parçacıklar diğer tüm açılardan mükemmel ikizler gibi görünürler.
Bilim adamları, bu tür oluşumların ortaya çıkmasından bazı doğal simetrilerin sorumlu olduğunu öne sürdüler ve kısa sürede onu bulmayı başardılar. Dünyanın dört bir yanındaki bilim adamlarının kuantum sayılarını tanımlamak için kullandığı SU(2) spin grubunun basit bir genellemesi olduğu ortaya çıktı. Buradasadece o zamana kadar 23 hadron zaten biliniyordu ve dönüşleri 0, ½ veya bir tamsayı birimine eşitti ve bu nedenle böyle bir sınıflandırma kullanmak mümkün değildi.
Sonuç olarak, sınıflandırma önemli ölçüde genişletildiği için sınıflandırma için aynı anda iki kuantum sayısının kullanılması gerekiyordu. Yüzyılın başında Fransız matematikçi Elie Cartan tarafından oluşturulan SU(3) grubu bu şekilde ortaya çıktı. Her parçacığın içindeki sistematik konumunu belirlemek için bilim adamları bir araştırma programı geliştirdiler. Kuark daha sonra uzmanların mutlak doğruluğunu teyit eden sistematik seriye kolayca girdi.
Yeni kuantum sayıları
Böylece bilim adamları, hiper şarj ve izotopik dönüş haline gelen soyut kuantum sayıları kullanma fikrini buldular. Ancak tuhaflık ve elektrik yükü aynı başarı ile alınabilir. Bu şema geleneksel olarak Sekiz Katlı Yol olarak adlandırıldı. Bu, nirvana'ya ulaşmadan önce sekiz seviyeden geçmeniz gereken Budizm ile analojiyi yakalar. Ancak bunların hepsi şarkı sözleri.
Neeman ve meslektaşı Gell-Mann, çalışmalarını 1961'de yayınladılar ve o zamanlar bilinen mezonların sayısı yediyi geçmedi. Ancak çalışmalarında araştırmacılar, sekizinci mezon varlığının yüksek olasılığını belirtmekten korkmadılar. Aynı 1961'de teorileri parlak bir şekilde doğrulandı. Bulunan parçacık eta meson (Yunanca harf η) olarak adlandırıldı.
Parlaklıkla ilgili diğer bulgular ve deneyler, SU(3) sınıflandırmasının mutlak doğruluğunu onayladı. Bu durum güçlendidoğru yolda olduklarını bulan araştırmacılar için bir teşvik. Gell-Mann'ın kendisi bile artık doğada kuarkların var olduğundan şüphe duymuyordu. Teorisi hakkındaki yorumlar çok olumlu değildi, ancak bilim adamı onun haklı olduğundan emindi.
İşte kuarklar
Yakında "Baryon ve mezonların şematik modeli" makalesi yayınlandı. İçinde bilim adamları, çok faydalı olduğu ortaya çıkan sistemleştirme fikrini daha da geliştirebildiler. SU(3)'ün, elektrik yükü 2/3 ile 1/3 ve -1/3 arasında değişen fermiyon üçlülerinin varlığına oldukça izin verdiğini ve üçlüde bir parçacığın her zaman sıfırdan farklı tuhaflığa sahip olduğunu buldular. Bizim tarafımızdan zaten iyi bilinen Gell-Mann onlara "temel kuark parçacıkları" adını verdi.
Suçlamalara göre onları u, d ve s (İngilizce yukarı, aşağı ve garip kelimelerinden) olarak belirledi. Yeni şemaya göre, her baryon aynı anda üç kuarktan oluşuyor. Mezonlar çok daha basittir. Bir kuark (bu kural sarsılmazdır) ve bir antikuark içerirler. Ancak bundan sonra bilim dünyası, makalemizin adandığı bu parçacıkların varlığından haberdar oldu.
Biraz daha arka plan
Gelecek yıllarda fiziğin gelişimini büyük ölçüde önceden belirleyen bu makalenin oldukça merak uyandıran bir geçmişi var. Gell-Mann, bu tür üçüzlerin varlığını yayınlanmadan çok önce düşündü, ancak varsayımlarını kimseyle tartışmadı. Gerçek şu ki, kesirli bir yüke sahip parçacıkların varlığına ilişkin varsayımları saçmalık gibi görünüyordu. Ancak, ünlü teorik fizikçi Robert Serber ile konuştuktan sonra, meslektaşınıntamamen aynı sonuçlara vardı.
Ayrıca, bilim adamı tek doğru sonuca vardı: Bu tür parçacıkların varlığı, ancak serbest fermiyonlar değil, hadronların bir parçasıysa mümkündür. Gerçekten de, bu durumda, suçlamaları tek bir bütün oluşturuyor! İlk başta, Gell-Mann onları kuark olarak adlandırdı ve hatta MTI'da onlardan bahsetti, ancak öğrencilerin ve öğretmenlerin tepkisi çok sınırlıydı. Bu nedenle bilim adamı, araştırmasını halka sunup sunmaması gerektiğini çok uzun süre düşündü.
"Kuark" kelimesinin kendisi (ördeklerin çığlığını andıran bir ses) James Joyce'un çalışmasından alınmıştır. İşin garibi, ancak Amerikalı bilim adamı makalesini prestijli Avrupa bilimsel dergisi Physics Letters'a gönderdi, çünkü Fiziksel İnceleme Mektuplarının Amerikan baskısının editörlerinin seviye açısından benzer şekilde yayınlanmasını kabul etmeyeceklerinden ciddi şekilde korkuyordu. Bu arada, o makalenin en azından bir kopyasına bakmak isterseniz, aynı Berlin Müzesi'ne doğrudan bir yolunuz var. Açıklamasında kuark yok, ancak keşiflerinin tam bir tarihi var (daha doğrusu belgesel kanıt).
Kuark Devriminin Başlangıcı
Adil olmak gerekirse, hemen hemen aynı zamanda, CERN'den bir bilim adamı olan George Zweig'in de benzer bir fikre ulaştığı belirtilmelidir. İlk önce, Gell-Mann'ın kendisi akıl hocasıydı ve ardından Richard Feynman. Zweig ayrıca, kesirli yüklere sahip olan, yalnızca onlara as olarak adlandırılan fermiyonların varlığının gerçekliğini de belirledi. Ayrıca yetenekli fizikçi, baryonları bir kuark üçlüsü ve mezonları da kuarkların bir bileşimi olarak değerlendirdi.ve antikuark.
Basitçe söylemek gerekirse, öğrenci öğretmeninin sonuçlarını tamamen tekrarladı ve ondan tamamen ayrıldı. Çalışmaları Mann'in yayınlanmasından birkaç hafta önce bile ortaya çıktı, ancak yalnızca enstitünün "ev yapımı" bir çalışması olarak ortaya çıktı. Bununla birlikte, bazı bilim adamlarını önerilen teorinin doğruluğuna hemen ikna eden, sonuçları neredeyse aynı olan iki bağımsız çalışmanın varlığıydı.
Reddedilmekten güvenmeye
Fakat birçok araştırmacı bu teoriyi hemen kabul etmedi. Evet, gazeteciler ve teorisyenler, netliği ve basitliği nedeniyle ona çabucak aşık oldular, ancak ciddi fizikçiler bunu ancak 12 yıl sonra kabul ettiler. Çok muhafazakar oldukları için onları suçlamayın. Gerçek şu ki, başlangıçta kuarklar teorisi, makalenin en başında bahsettiğimiz Pauli ilkesiyle keskin bir şekilde çelişiyordu. Bir protonun bir çift u-kuark ve bir tek d-kuark içerdiğini varsayarsak, o zaman birincisi kesinlikle aynı kuantum durumunda olmalıdır. Pauli'ye göre bu imkansız.
İşte o zaman, renk olarak ifade edilen (yukarıda bahsettiğimiz) ek bir kuantum sayısı ortaya çıktı. Ayrıca, temel kuark parçacıklarının genel olarak birbirleriyle nasıl etkileşime girdiği, neden serbest çeşitlerinin oluşmadığı tamamen anlaşılmazdı. Tüm bu sırların çözülmesine, ancak 70'lerin ortalarında “akla getirilen” Ölçü Alanları Teorisi büyük ölçüde yardımcı oldu. Aynı zamanda, hadronların kuark teorisi de organik olarak buna dahil edildi.
Fakat hepsinden önemlisi, teorinin gelişimi, en azından bazı deneysel deneylerin tamamen yokluğu nedeniyle gecikti.bu, kuarkların hem kendi aralarında hem de diğer parçacıklarla hem varlığını hem de etkileşimini doğrular. Ve yavaş yavaş, yalnızca teknolojinin hızlı gelişmesi, protonların elektron akışları tarafından "iletilmesi" ile bir deney yapmayı mümkün kıldığı 60'ların sonundan itibaren ortaya çıkmaya başladılar. Başlangıçta parton olarak adlandırılan protonların içinde bazı parçacıkların gerçekten "gizli" olduğunu kanıtlamayı mümkün kılan bu deneylerdi. Daha sonra, yine de, bunun gerçek bir kuarktan başka bir şey olmadığına ikna oldular, ancak bu ancak 1972'nin sonunda oldu.
Deneysel doğrulama
Elbette, sonunda bilim camiasını ikna etmek için çok daha fazla deneysel veriye ihtiyaç vardı. 1964'te James Bjorken ve Sheldon Glashow (bu arada, geleceğin Nobel Ödülü sahibi), tılsımlı olarak adlandırdıkları dördüncü bir tür kuark olabileceğini öne sürdüler.
Bu hipotez sayesinde bilim adamları, daha 1970'te, nötr yüklü kaonların bozunması sırasında gözlemlenen tuhaflıkların çoğunu açıklayabildiler. Dört yıl sonra, iki bağımsız Amerikan fizikçi grubu aynı anda sadece bir "büyülü" kuarkı ve onun antikuarkını içeren mezon bozunmasını düzeltmeyi başardı. Şaşırtıcı olmayan bir şekilde, bu olay hemen Kasım Devrimi olarak adlandırıldı. İlk kez, kuarklar teorisi az çok "görsel" onay aldı.
Keşfin önemi, proje liderleri Samuel Ting ve Barton Richter'in şimdidenNobel Ödülü'nü iki yıllığına aldılar: Bu olay birçok makaleye yansıdı. New York Doğa Bilimleri Müzesi'ni ziyaret ederseniz bazılarını orijinal halinde görebilirsiniz. Kuarklar, daha önce de söylediğimiz gibi, zamanımızın son derece önemli bir keşfidir ve bu nedenle bilim camiasında onlara çok dikkat edilir.
Son argüman
Araştırmacılar, sıfırdan farklı çekiciliğe sahip bir parçacık olan nötr D-mezonu 1976'ya kadar bulamadılar. Bu, bir tılsımlı kuark ve bir u-antikuarkın oldukça karmaşık bir birleşimidir. Burada, kuarkların varlığının sert muhalifleri bile, ilk kez yirmi yıldan fazla bir süre önce ifade edilen teorinin doğruluğunu kabul etmek zorunda kaldılar. En ünlü teorik fizikçilerden biri olan John Ellis, cazibeyi "dünyayı döndüren kaldıraç" olarak adlandırdı.
Yakında yeni keşifler listesi, o zamanlar zaten kabul edilmiş olan SU(3) sistematizasyonu ile kolayca ilişkilendirilebilecek, özellikle üstte ve altta bir çift özellikle masif kuark içeriyordu. Son yıllarda bilim adamları, bazı bilim adamlarının zaten "hadron molekülleri" olarak adlandırdıkları sözde tetrakuarkların varlığından bahsediyorlar.
Bazı sonuçlar ve sonuçlar
Kuarkların varlığının keşfinin ve bilimsel gerekçesinin gerçekten güvenli bir şekilde bilimsel bir devrim olarak kabul edilebileceğini anlamalısınız. Başlangıç olarak 1947 yılı (prensipte 1943) olarak kabul edilebilir ve bitişi ilk "büyülü" mezonun keşfiyle sona erer. Bu seviyenin bugüne kadarki son keşif süresinin 29 yıl (hatta 32 yıl) kadar az olmadığı ortaya çıktı! ve tüm bunlarzaman sadece kuarkı bulmak için harcanmadı! Evrendeki ilk nesne olan gluon plazması kısa sürede bilim adamlarının çok daha fazla ilgisini çekti.
Ancak, çalışma alanı ne kadar karmaşık hale gelirse, gerçekten önemli keşifler yapmak o kadar fazla zaman alır. Tartıştığımız parçacıklara gelince, hiç kimse böyle bir keşfin önemini küçümseyemez. Kuarkların yapısını inceleyen bir kişi, evrenin sırlarına daha derinden nüfuz edebilecektir. Büyük patlamanın nasıl olduğunu ve Evrenimizin hangi yasalara göre geliştiğini ancak onları tam olarak inceledikten sonra öğrenebiliriz. Her halükarda, birçok fizikçiyi bizi çevreleyen gerçekliğin önceki fikirlerden çok daha karmaşık olduğuna ikna etmeyi mümkün kılan keşifleriydi.
Demek kuarkın ne olduğunu öğrendiniz. Bu parçacık bir zamanlar bilim dünyasında çok ses getirdi ve bugün araştırmacılar sonunda tüm sırlarını ortaya çıkarma umutlarıyla dolu.
