Solo un anno fa, Peter Higgs e François Engler hanno ricevuto il premio Nobel per il loro lavoro sulle particelle subatomiche. Può sembrare ridicolo, ma gli scienziati hanno fatto le loro scoperte mezzo secolo fa, ma finora non è stata data loro grande importanza.
Nel 1964, anche altri due fisici di talento si fecero avanti con la loro teoria innovativa. All'inizio, anche lei non ha attirato quasi nessuna attenzione. Questo è strano, dal momento che ha descritto la struttura degli adroni, senza i quali non è possibile una forte interazione interatomica. Era la teoria dei quark.
Cos'è questo?
A proposito, cos'è un quark? Questo è uno dei componenti più importanti dell'adrone. Importante! Questa particella ha uno spin "mezzo", essendo di fatto un fermione. A seconda del colore (più su quello sotto), la carica di un quark può essere uguale a un terzo o due terzi di quella di un protone. Per quanto riguarda i colori, ce ne sono sei (generazioni di quark). Sono necessari affinché il principio di Pauli non venga violato.
Basedettagli
Nella composizione degli adroni, queste particelle si trovano a una distanza non superiore al valore di confinamento. Questo si spiega semplicemente: si scambiano i vettori del campo di gauge, cioè i gluoni. Perché il quark è così importante? Il plasma di gluone (saturo di quark) è lo stato della materia in cui si trovava l'intero universo subito dopo il big bang. Di conseguenza, l'esistenza di quark e gluoni è una conferma diretta che lo fosse davvero.
Hanno anche il loro colore, e quindi, durante il movimento, creano le loro copie virtuali. Di conseguenza, all'aumentare della distanza tra i quark, la forza di interazione tra di loro aumenta in modo significativo. Come si può intuire, ad una distanza minima, l'interazione praticamente scompare (libertà asintotica).
Quindi, ogni forte interazione negli adroni è spiegata dalla transizione dei gluoni tra i quark. Se parliamo di interazioni tra adroni, allora sono spiegate dal trasferimento della risonanza del mesone pi. In poche parole, indirettamente, tutto si riduce di nuovo allo scambio di gluoni.
Quanti quark ci sono nei nucleoni?
Ogni neutrone è costituito da una coppia di quark d e persino da un singolo quark u. Ogni protone, al contrario, è formato da un singolo quark d e da una coppia di quark u. A proposito, le lettere vengono assegnate in base ai numeri quantici.
Spieghiamo. Ad esempio, il decadimento beta è spiegato proprio dalla trasformazione di uno dello stesso tipo di quark nella composizione del nucleone in un altro. Per renderlo più chiaro, questo processo può essere scritto come una formula come questa: d=u + w (questo è il decadimento dei neutroni). Rispettivamente,protone è scritto con una formula leggermente diversa: u=d + w.
A proposito, è quest'ultimo processo che spiega il flusso costante di neutrini e positroni dai grandi ammassi stellari. Quindi, sulla scala dell'universo, ci sono poche particelle importanti quanto il quark: il plasma di gluoni, come abbiamo già detto, conferma il fatto del big bang, e gli studi su queste particelle consentono agli scienziati di comprendere meglio l'essenza stessa della il mondo in cui viviamo.
Cos'è più piccolo di un quark?
A proposito, in cosa consistono i quark? Le loro particelle costituenti sono preoni. Queste particelle sono molto piccole e poco conosciute, tanto che ancora oggi non si sa molto su di esse. Questo è ciò che è più piccolo di un quark.
Da dove vengono?
Ad oggi, le due ipotesi più comuni sulla formazione dei preoni: la teoria delle stringhe e la teoria di Bilson-Thompson. Nel primo caso, l'aspetto di queste particelle è spiegato dalle oscillazioni delle corde. La seconda ipotesi suggerisce che il loro aspetto sia causato da uno stato eccitato dello spazio e del tempo.
È interessante notare che nel secondo caso il fenomeno può essere completamente descritto utilizzando la matrice del trasferimento parallelo lungo le curve della rete di spin. Le proprietà di questa stessa matrice predeterminano quelle per il preone. Di questo sono fatti i quark.
Riassumendo alcuni risultati, possiamo dire che i quark sono una specie di "quanta" nella composizione degli adroni. Impressionato? E ora parleremo di come è stato scoperto il quark in generale. Questa è una storia molto interessante, che, inoltre, rivela pienamente alcune delle sfumature sopra descritte.
Particelle strane
Subito dopo la fine della seconda guerra mondiale, gli scienziati iniziarono a esplorare attivamente il mondo delle particelle subatomiche, che fino ad allora sembrava primitivamente semplice (secondo quelle idee). Protoni, neutroni (nucleoni) ed elettroni formano un atomo. Nel 1947 furono scoperti i pioni (e la loro esistenza era prevista nel 1935), che erano responsabili dell'attrazione reciproca dei nucleoni nel nucleo degli atomi. A questo evento è stata dedicata più di una mostra scientifica contemporaneamente. I quark non erano ancora stati scoperti, ma il momento dell'attacco alla loro "traccia" si stava avvicinando.
Neutrini non erano ancora stati scoperti a quel tempo. Ma la loro apparente importanza nello spiegare il decadimento beta degli atomi era così grande che gli scienziati avevano pochi dubbi sulla loro esistenza. Inoltre, alcune antiparticelle sono già state rilevate o previste. L'unica cosa che è rimasta poco chiara è stata la situazione con i muoni, che si sono formati durante il decadimento dei pioni e successivamente sono passati allo stato di neutrino, elettrone o positrone. I fisici non capivano affatto a cosa servisse questa stazione intermedia.
Purtroppo, un modello così semplice e senza pretese non è sopravvissuto a lungo al momento della scoperta delle peonie. Nel 1947 due fisici inglesi, George Rochester e Clifford Butler, pubblicarono un interessante articolo sulla rivista scientifica Nature. Il materiale per questo era il loro studio dei raggi cosmici per mezzo di una camera a nebbia, durante il quale ottennero informazioni curiose. Su una delle fotografie scattate durante l'osservazione, era ben visibile una coppia di tracce con un inizio comune. Poiché la discrepanza assomigliava alla V latina, divenne subito evidente– la carica di queste particelle è decisamente diversa.
Gli scienziati hanno subito supposto che queste tracce indicassero il fatto del decadimento di qualche particella sconosciuta, che non ha lasciato altre tracce. I calcoli hanno mostrato che la sua massa è di circa 500 MeV, che è molto più grande di questo valore per un elettrone. Naturalmente, i ricercatori hanno chiamato la loro scoperta la particella V. Tuttavia, non era ancora un quark. Questa particella stava ancora aspettando dietro le quinte.
È appena iniziato
Tutto è iniziato con questa scoperta. Nel 1949, nelle stesse condizioni, fu scoperta la traccia di una particella, che diede origine a tre pioni contemporaneamente. Ben presto divenne chiaro che lei, così come la particella V, sono rappresentanti completamente diversi di una famiglia composta da quattro particelle. Successivamente furono chiamati K-mesoni (kaons).
Una coppia di kaoni carichi ha una massa di 494 MeV e, nel caso di una carica neutra, - 498 MeV. A proposito, nel 1947, gli scienziati hanno avuto la fortuna di catturare lo stesso caso molto raro del decadimento di un kaon positivo, ma a quel tempo semplicemente non potevano interpretare correttamente l'immagine. Tuttavia, per essere del tutto corretti, infatti, la prima osservazione del kaon risale al 1943, ma le informazioni al riguardo andarono quasi perse sullo sfondo di numerose pubblicazioni scientifiche del dopoguerra.
Nuova stranezza
E poi altre scoperte attendevano gli scienziati. Nel 1950 e nel 1951, i ricercatori dell'Università di Manchester e Melnburg riuscirono a trovare particelle molto più pesanti di protoni e neutroni. Di nuovo non aveva carica, ma decadde in un protone e un pione. Quest'ultimo, come si può capire,carica negativa. La nuova particella è stata denominata Λ (lambda).
Più tempo passava, più domande facevano gli scienziati. Il problema era che nuove particelle nascevano esclusivamente da forti interazioni atomiche, decadendo rapidamente nei protoni e nei neutroni conosciuti. Inoltre, sono sempre apparsi in coppia, non ci sono mai state manifestazioni singole. Questo è il motivo per cui un gruppo di fisici degli Stati Uniti e del Giappone ha suggerito di utilizzare un nuovo numero quantico - la stranezza - nella loro descrizione. Secondo la loro definizione, la stranezza di tutte le altre particelle conosciute era zero.
Ulteriori ricerche
La svolta nella ricerca è avvenuta solo dopo l'emergere di una nuova sistematizzazione degli adroni. La figura più importante in questo è stato l'israeliano Yuval Neaman, che ha cambiato la carriera di un militare eccezionale in un percorso altrettanto brillante di scienziato.
Ha notato che i mesoni ei barioni scoperti in quel momento decadono, formando un ammasso di particelle correlate, multipletti. I membri di ciascuna di queste associazioni hanno esattamente la stessa stranezza, ma cariche elettriche opposte. Poiché le interazioni nucleari veramente forti non dipendono affatto dalle cariche elettriche, sotto tutti gli altri aspetti le particelle del multipletto sembrano gemelle perfette.
Gli scienziati hanno suggerito che una certa simmetria naturale è responsabile della comparsa di tali formazioni e presto sono riusciti a trovarla. Si è rivelata una semplice generalizzazione del gruppo di spin SU(2), che scienziati di tutto il mondo usavano per descrivere i numeri quantici. Quisolo a quel punto erano già noti 23 adroni e i loro spin erano pari a 0, ½ o un'unità intera, e quindi non era possibile utilizzare tale classificazione.
Di conseguenza, per la classificazione è stato necessario utilizzare due numeri quantici contemporaneamente, per cui la classificazione è stata notevolmente ampliata. Nasce così il gruppo SU(3), creato all'inizio del secolo dal matematico francese Elie Cartan. Per determinare la posizione sistematica di ciascuna particella al suo interno, gli scienziati hanno sviluppato un programma di ricerca. Il quark è successivamente entrato facilmente nella serie sistematica, che ha confermato l'assoluta correttezza degli esperti.
Nuovi numeri quantici
Così gli scienziati hanno avuto l'idea di usare numeri quantici astratti, che sono diventati ipercarica e spin isotopico. Tuttavia, la stranezza e la carica elettrica possono essere prese con lo stesso successo. Questo schema era convenzionalmente chiamato l'Ottuplice Sentiero. Questo cattura l'analogia con il buddismo, dove prima di raggiungere il nirvana, devi anche passare attraverso otto livelli. Tuttavia, tutto questo è un testo.
Neeman e il suo collega, Gell-Mann, pubblicarono il loro lavoro nel 1961 e il numero di mesoni conosciuti allora non superava i sette. Ma nel loro lavoro, i ricercatori non hanno avuto paura di menzionare l' alta probabilità dell'esistenza dell'ottavo mesone. Nello stesso 1961, la loro teoria fu brillantemente confermata. La particella trovata è stata chiamata eta meson (lettera greca η).
Ulteriori scoperte ed esperimenti con la luminosità hanno confermato l'assoluta correttezza della classificazione SU(3). Questa circostanza è diventata potenteun incentivo per i ricercatori che hanno scoperto di essere sulla strada giusta. Persino lo stesso Gell-Mann non dubitava più dell'esistenza dei quark in natura. Le recensioni sulla sua teoria non erano troppo positive, ma lo scienziato era sicuro che avesse ragione.
Ecco i quark
Presto è stato pubblicato l'articolo "Modello schematico di barioni e mesoni". In esso, gli scienziati sono stati in grado di sviluppare ulteriormente l'idea di sistematizzazione, che si è rivelata così utile. Hanno scoperto che SU(3) permette l'esistenza di intere triplette di fermioni, la cui carica elettrica varia da 2/3 a 1/3 e -1/3, e nella tripletta una particella ha sempre una stranezza diversa da zero. Gell-Mann, a noi già ben noto, le chiamava “particelle elementari di quark”.
Secondo le accuse, le designò come u, de s (dalle parole inglesi up, down e strange). Secondo il nuovo schema, ogni barione è formato da tre quark contemporaneamente. I mesoni sono molto più semplici. Includono un quark (questa regola è incrollabile) e un antiquark. Solo in seguito la comunità scientifica è venuta a conoscenza dell'esistenza di queste particelle, a cui è dedicato il nostro articolo.
Un po' più di sfondo
Questo articolo, che ha ampiamente predeterminato lo sviluppo della fisica negli anni a venire, ha un background piuttosto curioso. Gell-Mann ha pensato all'esistenza di questo tipo di triplette molto prima della sua pubblicazione, ma non ha discusso le sue ipotesi con nessuno. Il fatto è che le sue ipotesi sull'esistenza di particelle con una carica frazionaria sembravano una sciocchezza. Tuttavia, dopo aver parlato con l'eminente fisico teorico Robert Serber, ha appreso che il suo collegatratto esattamente le stesse conclusioni.
Inoltre, lo scienziato ha fatto l'unica conclusione corretta: l'esistenza di tali particelle è possibile solo se non sono fermioni liberi, ma fanno parte di adroni. Infatti, in questo caso, le loro cariche formano un tutto unico! All'inizio Gell-Mann li chiamò quark e li menzionò persino all'MTI, ma la reazione di studenti e insegnanti fu molto contenuta. Ecco perché lo scienziato ha riflettuto a lungo sull'opportunità di presentare la sua ricerca al pubblico.
La stessa parola "quark" (un suono che ricorda il grido delle anatre) è stata presa dal lavoro di James Joyce. Stranamente, ma lo scienziato americano ha inviato il suo articolo alla prestigiosa rivista scientifica europea Physics Letters, temendo seriamente che i redattori dell'edizione americana di Physical Review Letters, simili per livello, non lo avrebbero accettato per la pubblicazione. A proposito, se vuoi dare un'occhiata almeno a una copia di quell'articolo, hai una strada diretta per lo stesso Museo di Berlino. Non ci sono quark nella sua esposizione, ma c'è una storia completa della loro scoperta (più precisamente, prove documentali).
Inizio della rivoluzione dei quark
Per essere onesti, va notato che quasi contemporaneamente, uno scienziato del CERN, George Zweig, ha avuto un'idea simile. In primo luogo, lo stesso Gell-Mann era il suo mentore, e poi Richard Feynman. Zweig ha anche determinato la re altà dell'esistenza di fermioni che avevano cariche frazionarie, chiamandoli solo assi. Inoltre, il talentuoso fisico considerava anche i barioni come un trio di quark e i mesoni come una combinazione di quark.e antiquark.
In parole povere, lo studente ha ripetuto completamente le conclusioni del suo insegnante e si è completamente separato da lui. Il suo lavoro è apparso anche un paio di settimane prima della pubblicazione di Mann, ma solo come un lavoro "fatto in casa" dell'istituto. Tuttavia, fu la presenza di due opere indipendenti, le cui conclusioni erano quasi identiche, a convincere immediatamente alcuni scienziati della correttezza della teoria proposta.
Dal rifiuto alla fiducia
Ma molti ricercatori hanno accettato questa teoria tutt' altro che immediatamente. Sì, giornalisti e teorici se ne innamorarono rapidamente per la sua chiarezza e semplicità, ma i fisici seri lo accettarono solo dopo 12 anni. Non biasimarli per essere troppo conservatori. Il fatto è che inizialmente la teoria dei quark contraddiceva nettamente il principio di Pauli, che abbiamo menzionato proprio all'inizio dell'articolo. Se assumiamo che un protone contenga una coppia di u-quark e un singolo d-quark, allora il primo deve essere rigorosamente nello stesso stato quantistico. Secondo Pauli, questo è impossibile.
Fu allora che apparve un numero quantico aggiuntivo, espresso come un colore (che abbiamo anche menzionato sopra). Inoltre, era del tutto incomprensibile come le particelle elementari dei quark interagiscono tra loro in generale, perché le loro varietà libere non si verificano. Tutti questi segreti sono stati molto aiutati a svelare dalla Teoria dei campi di misura, che è stata "riportata in mente" solo a metà degli anni '70. Più o meno nello stesso periodo, la teoria degli adroni dei quark vi fu inclusa organicamente.
Ma soprattutto, lo sviluppo della teoria è stato frenato dalla completa assenza di almeno alcuni esperimenti sperimentali,il che confermerebbe sia l'esistenza stessa che l'interazione dei quark tra loro e con altre particelle. E gradualmente iniziarono ad apparire solo dalla fine degli anni '60, quando il rapido sviluppo della tecnologia permise di condurre un esperimento con la "trasmissione" di protoni da parte di flussi di elettroni. Sono stati questi esperimenti che hanno permesso di provare che alcune particelle si "nascondevano" davvero all'interno dei protoni, che originariamente erano chiamati partoni. Successivamente, tuttavia, furono convinti che non fosse altro che un vero quark, ma ciò avvenne solo alla fine del 1972.
Conferma sperimentale
Ovviamente, per convincere finalmente la comunità scientifica erano necessari molti più dati sperimentali. Nel 1964, James Bjorken e Sheldon Glashow (tra l' altro il futuro premio Nobel) suggerirono che potesse esistere anche un quarto tipo di quark, che chiamarono charmed.
Fu grazie a questa ipotesi che già nel 1970 gli scienziati furono in grado di spiegare molte delle stranezze osservate durante il decadimento dei kaoni a carica neutra. Quattro anni dopo, due gruppi indipendenti di fisici americani riuscirono subito a correggere il decadimento del mesone, che includeva un solo quark "affascinato", oltre al suo antiquark. Non sorprende che questo evento sia stato immediatamente soprannominato Rivoluzione di novembre. Per la prima volta, la teoria dei quark ricevette conferme più o meno "visive".
L'importanza della scoperta è dimostrata dal fatto che i leader del progetto, Samuel Ting e Barton Richter, hanno già finitohanno accettato il premio Nobel per due anni: questo evento si riflette in molti articoli. Puoi vederne alcuni nell'originale se visiti il Museo di scienze naturali di New York. I quark, come abbiamo già detto, sono una scoperta estremamente importante del nostro tempo, e per questo motivo viene prestata loro molta attenzione nella comunità scientifica.
Argomento finale
Fu solo nel 1976 che i ricercatori trovarono una particella con un fascino diverso da zero, il mesone D neutro. Questa è una combinazione abbastanza complessa di un quark charmed e un u-antiquark. Qui, anche gli accaniti oppositori dell'esistenza dei quark sono stati costretti ad ammettere la correttezza della teoria, affermata per la prima volta più di due decenni fa. Uno dei fisici teorici più famosi, John Ellis, definì charm "la leva che ha fatto girare il mondo".
Presto l'elenco delle nuove scoperte includeva una coppia di quark particolarmente massicci, top e bottom, che potevano essere facilmente correlati con la sistematizzazione SU(3) già accettata in quel momento. Negli ultimi anni, gli scienziati hanno parlato dell'esistenza dei cosiddetti tetraquark, che alcuni scienziati hanno già soprannominato "molecole di adroni".
Alcune conclusioni e conclusioni
Devi capire che la scoperta e la giustificazione scientifica dell'esistenza dei quark possono davvero essere tranquillamente considerate una rivoluzione scientifica. Può essere considerato l'anno 1947 (in linea di principio, 1943) come il suo inizio, e la sua fine cade con la scoperta del primo mesone "incantato". Si scopre che la durata dell'ultima scoperta di questo livello fino ad oggi non è inferiore a 29 anni (o addirittura 32 anni)! E tutto questoil tempo è stato speso non solo per trovare il quark! Essendo l'oggetto primordiale nell'universo, il plasma di gluoni ha presto attirato molta più attenzione da parte degli scienziati.
Tuttavia, più complessa diventa l'area di studio, più tempo ci vorrà per fare scoperte davvero importanti. Quanto alle particelle di cui stiamo parlando, nessuno può sottovalutare l'importanza di una tale scoperta. Studiando la struttura dei quark, una persona sarà in grado di penetrare più a fondo nei segreti dell'universo. È possibile che solo dopo uno studio completo di essi potremo scoprire come è avvenuto il big bang e secondo quali leggi si sviluppa il nostro Universo. In ogni caso, è stata la loro scoperta che ha permesso di convincere molti fisici che la re altà che ci circonda è molto più complicata delle idee precedenti.
Quindi hai imparato cos'è un quark. Questa particella un tempo ha fatto molto rumore nel mondo scientifico e oggi i ricercatori sono pieni di speranze per rivelare finalmente tutti i suoi segreti.
