Erst vor einem Jahr erhielten Peter Higgs und François Engler den Nobelpreis für ihre Arbeiten zu subatomaren Teilchen. Es mag lächerlich erscheinen, aber Wissenschaftler haben ihre Entdeckungen vor einem halben Jahrhundert gemacht, aber bis heute wurde ihnen keine große Bedeutung beigemessen.
Im Jahr 1964 stellten zwei weitere talentierte Physiker ihre innovative Theorie vor. Anfangs erregte sie auch fast keine Aufmerksamkeit. Das ist seltsam, da sie die Struktur von Hadronen beschrieb, ohne die keine starke interatomare Wechselwirkung möglich ist. Es war die Quark-Theorie.
Was ist das?
Übrigens, was ist ein Quark? Dies ist einer der wichtigsten Bestandteile des Hadrons. Wichtig! Dieses Teilchen hat einen „halben“Spin, ist also tatsächlich ein Fermion. Je nach Farbe (mehr dazu weiter unten) kann die Ladung eines Quarks ein Drittel oder zwei Drittel der eines Protons betragen. Was die Farben betrifft, so gibt es sechs davon (Generationen von Quarks). Sie werden benötigt, damit das Pauli-Prinzip nicht verletzt wird.
EinfachDetails
In der Zusammensetzung von Hadronen befinden sich diese Teilchen in einer Entfernung, die den Einschlusswert nicht überschreitet. Das ist einfach erklärt: Sie tauschen Vektoren des Eichfelds aus, also Gluonen. Warum ist der Quark so wichtig? Gluonenplasma (gesättigt mit Quarks) ist der Zustand der Materie, in dem sich das gesamte Universum unmittelbar nach dem Urknall befand. Dementsprechend ist die Existenz von Quarks und Gluonen eine direkte Bestätigung dafür, dass er es wirklich war.
Sie haben auch ihre eigene Farbe und erstellen daher während der Bewegung ihre virtuellen Kopien. Dementsprechend nimmt mit zunehmendem Abstand zwischen Quarks die Wechselwirkungskraft zwischen ihnen signifikant zu. Wie Sie sich vorstellen können, verschwindet die Wechselwirkung bei einem minimalen Abstand praktisch (asymptotische Freiheit).
Daher wird jede starke Wechselwirkung in Hadronen durch den Übergang von Gluonen zwischen Quarks erklärt. Wenn wir über Wechselwirkungen zwischen Hadronen sprechen, dann werden sie durch die Übertragung von Pi-Meson-Resonanz erklärt. Einfach gesagt, indirekt läuft alles wieder auf den Austausch von Gluonen hinaus.
Wie viele Quarks gibt es in Nukleonen?
Jedes Neutron besteht aus einem Paar d-Quarks und sogar einem einzelnen u-Quark. Im Gegensatz dazu besteht jedes Proton aus einem einzelnen d-Quark und einem Paar u-Quarks. Buchstaben werden übrigens nach Quantenzahlen zugeordnet.
Lass es uns erklären. Beispielsweise erklärt sich der Beta-Zerfall genau durch die Umwandlung eines gleichartigen Quarks in der Zusammensetzung des Nukleons in ein anderes. Um es klarer zu machen, kann dieser Prozess als Formel wie folgt geschrieben werden: d=u + w (das ist der Neutronenzerfall). Bzw,Proton wird mit einer etwas anderen Formel geschrieben: u=d + w.
Übrigens ist es letzterer Prozess, der den ständigen Fluss von Neutrinos und Positronen aus großen Sternhaufen erklärt. Auf der Skala des Universums gibt es also nur wenige Teilchen, die so wichtig sind wie das Quark: Gluonenplasma bestätigt, wie wir bereits gesagt haben, die Tatsache des Urknalls, und Studien dieser Teilchen ermöglichen es Wissenschaftlern, die Essenz des Urknalls besser zu verstehen die Welt, in der wir leben.
Was ist kleiner als ein Quark?
Übrigens, woraus bestehen Quarks? Ihre Bestandteile sind Präons. Diese Partikel sind sehr klein und kaum erforscht, sodass auch heute noch nicht viel über sie bekannt ist. Das ist kleiner als ein Quark.
Woher kamen sie?
Bis heute die häufigsten zwei Hypothesen zur Bildung von Preonen: String-Theorie und Bilson-Thompson-Theorie. Im ersten Fall wird das Auftreten dieser Teilchen durch Saitenschwingungen erklärt. Die zweite Hypothese legt nahe, dass ihr Erscheinen durch einen angeregten Zustand von Raum und Zeit verursacht wird.
Interessanterweise kann das Phänomen im zweiten Fall vollständig beschrieben werden, indem die Matrix der parallelen Übertragung entlang der Kurven des Spinnetzwerks verwendet wird. Die Eigenschaften dieser sehr Matrix bestimmen die für das Präon. Daraus bestehen Quarks.
Einige Ergebnisse zusammenfassend können wir sagen, dass Quarks eine Art "Quanten" in der Zusammensetzung von Hadronen sind. Beeindruckt? Und jetzt werden wir darüber sprechen, wie das Quark im Allgemeinen entdeckt wurde. Dies ist eine sehr interessante Geschichte, die außerdem einige der oben beschriebenen Nuancen vollständig offenbart.
Seltsame Partikel
Unmittelbar nach dem Ende des Zweiten Weltkriegs begannen Wissenschaftler, die Welt der subatomaren Teilchen aktiv zu erforschen, die bis dahin (nach diesen Vorstellungen) primitiv einfach aussah. Protonen, Neutronen (Nukleonen) und Elektronen bilden ein Atom. 1947 wurden Pionen entdeckt (und ihre Existenz bereits 1935 vorhergesagt), die für die gegenseitige Anziehung von Nukleonen im Atomkern verantwortlich waren. Dieser Veranst altung wurde gleichzeitig mehr als eine wissenschaftliche Ausstellung gewidmet. Quarks waren noch nicht entdeckt worden, aber der Moment des Angriffs auf ihre "Spur" rückte näher.
Neutrinos waren zu diesem Zeitpunkt noch nicht entdeckt worden. Aber ihre offensichtliche Bedeutung für die Erklärung des Beta-Zerfalls von Atomen war so groß, dass Wissenschaftler kaum Zweifel an ihrer Existenz hatten. Außerdem wurden bereits einige Antiteilchen nachgewiesen oder vorhergesagt. Unklar blieb lediglich die Situation bei Myonen, die beim Zerfall von Pionen entstanden und anschließend in den Zustand eines Neutrinos, Elektrons oder Positrons übergingen. Die Physiker haben überhaupt nicht verstanden, wozu diese Zwischenstation da war.
Leider hat ein so einfaches und unprätentiöses Modell den Moment der Entdeckung der Pfingstrosen nicht lange überlebt. 1947 veröffentlichten zwei englische Physiker, George Rochester und Clifford Butler, einen interessanten Artikel in der wissenschaftlichen Zeitschrift Nature. Das Material dafür war ihre Untersuchung der kosmischen Strahlung mit Hilfe einer Nebelkammer, bei der sie kuriose Informationen erhielten. Auf einem der während der Beobachtung aufgenommenen Fotos war ein Spurenpaar mit einem gemeinsamen Anfang deutlich zu erkennen. Da die Diskrepanz dem lateinischen V ähnelte, wurde es sofort deutlich– die Ladung dieser Teilchen ist definitiv anders.
Wissenschaftler nahmen sofort an, dass diese Spuren auf die Tatsache des Zerfalls eines unbekannten Teilchens hindeuten, das keine anderen Spuren hinterließ. Berechnungen haben gezeigt, dass seine Masse etwa 500 MeV beträgt, was viel größer ist als dieser Wert für ein Elektron. Natürlich nannten die Forscher ihre Entdeckung das V-Teilchen. Allerdings war es noch kein Quark. Dieses Teilchen wartete noch in den Startlöchern.
Es fängt gerade erst an
Mit dieser Entdeckung fing alles an. 1949 wurde unter den gleichen Bedingungen eine Spur eines Teilchens entdeckt, das gleichzeitig drei Pionen entstehen ließ. Schnell wurde klar, dass sie, wie auch das V-Teilchen, völlig unterschiedliche Vertreter einer aus vier Teilchen bestehenden Familie sind. Später wurden sie K-Mesonen (Kaonen) genannt.
Ein Paar geladener Kaonen hat eine Masse von 494 MeV und im Falle einer neutralen Ladung - 498 MeV. Übrigens hatten Wissenschaftler 1947 das Glück, genau denselben sehr seltenen Fall des Zerfalls eines positiven Kaons festzuh alten, aber damals konnten sie das Bild einfach nicht richtig interpretieren. Allerdings, um ganz fair zu sein, die erste Beobachtung des Kaons wurde bereits 1943 gemacht, aber Informationen darüber gingen vor dem Hintergrund zahlreicher wissenschaftlicher Veröffentlichungen der Nachkriegszeit fast verloren.
Neue Verrücktheit
Und dann warteten weitere Entdeckungen auf die Wissenschaftler. In den Jahren 1950 und 1951 gelang es Forschern der Universitäten Manchester und Melnburg, Teilchen zu finden, die viel schwerer als Protonen und Neutronen sind. Es hatte wieder keine Ladung, sondern zerfiel in ein Proton und ein Pion. Letzteres ist verständlicherweisenegative Ladung. Das neue Teilchen wurde Λ (Lambda) genannt.
Je mehr Zeit verging, desto mehr Fragen hatten die Wissenschaftler. Das Problem war, dass neue Teilchen ausschließlich durch starke atomare Wechselwirkungen entstanden und schnell in die bekannten Protonen und Neutronen zerfielen. Außerdem traten sie immer paarweise auf, Einzelerscheinungen gab es nie. Deshalb schlug eine Gruppe von Physikern aus den USA und Japan vor, in ihrer Beschreibung eine neue Quantenzahl – Strangeness – zu verwenden. Gemäß ihrer Definition war die Seltsamkeit aller anderen bekannten Teilchen null.
Weitere Forschung
Der Durchbruch in der Forschung geschah erst nach dem Aufkommen einer neuen Systematisierung von Hadronen. Die prominenteste Figur dabei war der Israeli Yuval Neaman, der die Karriere eines herausragenden Militärs in einen ebenso brillanten Weg eines Wissenschaftlers verwandelte.
Er bemerkte, dass die damals entdeckten Mesonen und Baryonen zerfielen und eine Ansammlung verwandter Teilchen, Multipletts, bildeten. Die Mitglieder jeder dieser Vereinigungen haben genau die gleiche Fremdheit, aber entgegengesetzte elektrische Ladungen. Da wirklich starke nukleare Wechselwirkungen überhaupt nicht von elektrischen Ladungen abhängen, sehen die Teilchen aus dem Multiplett ansonsten wie perfekte Zwillinge aus.
Wissenschaftler vermuteten, dass eine natürliche Symmetrie für das Auftreten solcher Formationen verantwortlich ist, und bald gelang es ihnen, sie zu finden. Es stellte sich als einfache Verallgemeinerung der SU(2)-Spingruppe heraus, mit der Wissenschaftler auf der ganzen Welt Quantenzahlen beschreiben. Hiernur zu diesem Zeitpunkt waren bereits 23 Hadronen bekannt, und ihre Spins waren gleich 0, ½ oder einer ganzzahligen Einheit, und daher war es nicht möglich, eine solche Klassifizierung zu verwenden.
Infolgedessen mussten zwei Quantenzahlen gleichzeitig zur Klassifikation verwendet werden, wodurch die Klassifikation erheblich erweitert wurde. So entstand die Gruppe SU(3), die Anfang des Jahrhunderts von dem französischen Mathematiker Elie Cartan geschaffen wurde. Um die systematische Position jedes Partikels darin zu bestimmen, haben Wissenschaftler ein Forschungsprogramm entwickelt. Das Quark ging anschließend problemlos in die systematische Reihe ein, was die absolute Richtigkeit der Experten bestätigte.
Neue Quantenzahlen
Also kamen Wissenschaftler auf die Idee, abstrakte Quantenzahlen zu verwenden, die zu Hyperladung und Isotopenspin wurden. Fremdheit und elektrische Ladung können jedoch mit dem gleichen Erfolg eingenommen werden. Dieses Schema wurde üblicherweise der Achtfache Pfad genannt. Dies fängt die Analogie zum Buddhismus ein, wo man vor dem Erreichen des Nirvana auch acht Ebenen durchlaufen muss. Allerdings sind das alles Texte.
Neeman und sein Kollege Gell-Mann veröffentlichten ihre Arbeit 1961, und die Zahl der damals bekannten Mesonen überstieg sieben nicht. Aber in ihrer Arbeit scheuten sich die Forscher nicht, die hohe Wahrscheinlichkeit der Existenz des achten Mesons zu erwähnen. Im selben Jahr 1961 wurde ihre Theorie glänzend bestätigt. Das gefundene Teilchen wurde eta meson (griechischer Buchstabe η) genannt.
Weitere Befunde und Helligkeitsexperimente bestätigten die absolute Richtigkeit der SU(3)-Klassifikation. Dieser Umstand ist mächtig gewordenein Ansporn für Forschende, die sich auf dem richtigen Weg befinden. Auch Gell-Mann selbst zweifelte nicht mehr an der Existenz von Quarks in der Natur. Die Kritiken zu seiner Theorie waren nicht allzu positiv, aber der Wissenschaftler war sich sicher, dass er Recht hatte.
Hier sind die Quarks
Demnächst erschien der Artikel "Schematisches Modell von Baryonen und Mesonen". Darin konnten Wissenschaftler die Idee der Systematisierung weiterentwickeln, die sich als so nützlich herausstellte. Sie fanden heraus, dass SU(3) durchaus die Existenz ganzer Tripletts von Fermionen zulässt, deren elektrische Ladung von 2/3 bis 1/3 und -1/3 reicht, und in dem Triplett ein Teilchen immer eine Fremdheit ungleich Null aufweist. Der uns bereits bekannte Gell-Mann nannte sie „Quark-Elementarteilchen“.
Laut der Anklage bezeichnete er sie als u, d und s (von den englischen Wörtern up, down und strange). Nach dem neuen Schema wird jedes Baryon gleichzeitig aus drei Quarks gebildet. Mesonen sind viel einfacher. Dazu gehören ein Quark (diese Regel ist unerschütterlich) und ein Antiquark. Erst danach wurde die wissenschaftliche Gemeinschaft auf die Existenz dieser Teilchen aufmerksam, denen unser Artikel gewidmet ist.
Ein bisschen mehr Hintergrund
Dieser Artikel, der die Entwicklung der Physik für die kommenden Jahre weitgehend vorbestimmt hat, hat einen ziemlich kuriosen Hintergrund. Gell-Mann dachte lange vor ihrer Veröffentlichung über die Existenz dieser Art von Drillingen nach, diskutierte seine Vermutungen jedoch mit niemandem. Tatsache ist, dass seine Annahmen über die Existenz von Teilchen mit einer Teilladung wie Unsinn aussahen. Nach einem Gespräch mit dem bedeutenden theoretischen Physiker Robert Serber erfuhr er jedoch, dass sein Kollegegenau die gleichen Schlussfolgerungen gezogen.
Außerdem hat der Wissenschaftler die einzig richtige Schlussfolgerung gezogen: Die Existenz solcher Teilchen ist nur möglich, wenn sie keine freien Fermionen sind, sondern Teil von Hadronen. Tatsächlich bilden ihre Ladungen in diesem Fall ein einziges Ganzes! Gell-Mann nannte sie zunächst Quarks und erwähnte sie sogar am MTI, doch die Reaktion von Schülern und Lehrern war sehr zurückh altend. Deshalb überlegte der Wissenschaftler sehr lange, ob er seine Forschung der Öffentlichkeit vorlegen sollte.
Schon das Wort "Quark" (ein Laut, der an den Schrei von Enten erinnert) stammt aus dem Werk von James Joyce. Seltsamerweise schickte der amerikanische Wissenschaftler seinen Artikel an die renommierte europäische Wissenschaftszeitschrift Physics Letters, da er ernsthaft befürchtete, dass die Herausgeber der amerikanischen Ausgabe von Physical Review Letters, die in Bezug auf das Niveau ähnlich sind, ihn nicht zur Veröffentlichung akzeptieren würden. Übrigens, wenn Sie sich zumindest eine Kopie dieses Artikels ansehen möchten, haben Sie einen direkten Weg zum selben Berliner Museum. Es gibt keine Quarks in seiner Darstellung, aber es gibt eine vollständige Geschichte ihrer Entdeckung (genauer gesagt, dokumentarische Beweise).
Beginn der Quark-Revolution
Man muss fairerweise anmerken, dass fast zur gleichen Zeit ein Wissenschaftler des CERN, George Zweig, auf eine ähnliche Idee kam. Zuerst war Gell-Mann selbst sein Mentor, dann Richard Feynman. Zweig bestimmte auch die Realität der Existenz von Fermionen mit Bruchladungen, die er nur als Asse bezeichnete. Darüber hinaus betrachtete der talentierte Physiker Baryonen auch als ein Trio von Quarks und Mesonen als eine Kombination von Quarks.und Antiquark.
Einfach ausgedrückt wiederholte der Schüler die Schlussfolgerungen seines Lehrers vollständig und trennte sich vollständig von ihm. Seine Arbeit erschien sogar einige Wochen vor Manns Veröffentlichung, aber nur als "hausgemachte" Arbeit des Instituts. Es war jedoch das Vorhandensein von zwei unabhängigen Arbeiten, deren Schlussfolgerungen fast identisch waren, was einige Wissenschaftler sofort von der Richtigkeit der vorgeschlagenen Theorie überzeugte.
Von Ablehnung zu Vertrauen
Aber viele Forscher akzeptierten diese Theorie längst nicht sofort. Ja, Journalisten und Theoretiker haben sich wegen seiner Klarheit und Einfachheit schnell in ihn verliebt, aber ernsthafte Physiker haben ihn erst nach 12 Jahren akzeptiert. Tadeln Sie sie nicht, weil sie zu konservativ sind. Tatsache ist, dass die Theorie der Quarks zunächst dem Pauli-Prinzip, das wir ganz am Anfang des Artikels erwähnt haben, scharf widersprach. Wenn wir davon ausgehen, dass ein Proton ein Paar u-Quarks und ein einzelnes d-Quark enthält, dann muss ersteres streng im selben Quantenzustand sein. Laut Pauli ist das unmöglich.
Dann erschien eine zusätzliche Quantenzahl, ausgedrückt als Farbe (die wir auch oben erwähnt haben). Außerdem war es völlig unverständlich, wie Elementarteilchen von Quarks überhaupt miteinander wechselwirken, warum ihre freien Varietäten nicht vorkommen. All diese Geheimnisse wurden durch die Theorie der Eichfelder, die erst Mitte der 70er Jahre „in Erinnerung gerufen“wurde, sehr gefördert. Etwa zur gleichen Zeit wurde die Quarktheorie der Hadronen organisch darin aufgenommen.
Aber vor allem wurde die Entwicklung der Theorie durch das völlige Fehlen zumindest einiger experimenteller Experimente gebremst,was sowohl die bloße Existenz als auch die Wechselwirkung von Quarks untereinander und mit anderen Teilchen bestätigen würde. Und sie tauchten allmählich erst ab Ende der 60er Jahre auf, als die rasante Entwicklung der Technologie es ermöglichte, ein Experiment mit der "Übertragung" von Protonen durch Elektronenströme durchzuführen. Diese Experimente ermöglichten den Nachweis, dass einige Teilchen wirklich in den Protonen „versteckt“waren, die ursprünglich Partonen genannt wurden. Später waren sie jedoch davon überzeugt, dass dies nichts anderes als ein echtes Quark sei, aber dies geschah erst Ende 1972.
Experimentelle Bestätigung
Natürlich waren noch viel mehr experimentelle Daten nötig, um die wissenschaftliche Gemeinschaft endgültig zu überzeugen. 1964 schlugen James Bjorken und Sheldon Glashow (übrigens der spätere Nobelpreisträger) vor, dass es auch eine vierte Quarkart geben könnte, die sie charmed nannten.
Dank dieser Hypothese konnten Wissenschaftler bereits 1970 viele der Merkwürdigkeiten erklären, die beim Zerfall neutral geladener Kaonen beobachtet wurden. Vier Jahre später gelang es zwei unabhängigen Gruppen amerikanischer Physiker sofort, den Zerfall des Mesons zu fixieren, das nur ein „bezaubertes“Quark sowie sein Antiquark enthielt. Es überrascht nicht, dass dieses Ereignis sofort als Novemberrevolution bezeichnet wurde. Zum ersten Mal erhielt die Theorie der Quarks eine mehr oder weniger "visuelle" Bestätigung.
Die Bedeutung der Entdeckung wird durch die Tatsache belegt, dass die Projektleiter, Samuel Ting und Barton Richter, bereits fertig sindnahmen ihren Nobelpreis für zwei Jahre entgegen: Dieses Ereignis spiegelt sich in vielen Artikeln wider. Einige davon können Sie im Original sehen, wenn Sie das New York Museum of Natural Science besuchen. Quarks sind, wie wir bereits gesagt haben, eine äußerst wichtige Entdeckung unserer Zeit, und daher wird ihnen in der wissenschaftlichen Gemeinschaft viel Aufmerksamkeit geschenkt.
Schlussargument
Erst 1976 fanden Forscher ein Teilchen mit einem Nicht-Null-Charme, das neutrale D-Meson. Dies ist eine ziemlich komplexe Kombination aus einem Charmed-Quark und einem u-Antiquark. Hier mussten selbst hartgesottene Gegner der Existenz von Quarks die Richtigkeit der vor mehr als zwei Jahrzehnten erstmals aufgestellten Theorie anerkennen. Einer der berühmtesten theoretischen Physiker, John Ellis, nannte Charme „den Hebel, der die Welt umdrehte.“
Bald enthielt die Liste der Neuentdeckungen ein Paar besonders massereicher Quarks, top und bottom, die leicht mit der damals bereits akzeptierten SU(3)-Systematisierung korreliert werden konnten. In den letzten Jahren haben Wissenschaftler über die Existenz sogenannter Tetraquarks gesprochen, die einige Wissenschaftler bereits als „Hadronmoleküle“bezeichnet haben.
Einige Schlussfolgerungen und Schlussfolgerungen
Sie müssen verstehen, dass die Entdeckung und wissenschaftliche Rechtfertigung der Existenz von Quarks tatsächlich als wissenschaftliche Revolution angesehen werden kann. Als Beginn kann das Jahr 1947 (im Prinzip 1943) betrachtet werden, und sein Ende fällt auf die Entdeckung des ersten „verzauberten“Mesons. Es stellt sich heraus, dass die Dauer der letzten Entdeckung dieser Ebene bis heute nicht weniger als 29 Jahre (oder sogar 32 Jahre) beträgt! Und das allesZeit wurde nicht nur darauf verwendet, den Quark zu finden! Als Urobjekt des Universums erregte Gluonenplasma bald viel mehr Aufmerksamkeit von Wissenschaftlern.
Je komplexer das Studiengebiet jedoch wird, desto länger dauert es, wirklich wichtige Entdeckungen zu machen. Was die Teilchen betrifft, über die wir sprechen, kann niemand die Bedeutung einer solchen Entdeckung unterschätzen. Durch das Studium der Struktur von Quarks kann eine Person tiefer in die Geheimnisse des Universums eindringen. Es ist möglich, dass wir erst nach ihrem vollständigen Studium herausfinden können, wie der Urknall passiert ist und nach welchen Gesetzen sich unser Universum entwickelt. Auf jeden Fall war es ihre Entdeckung, die es ermöglichte, viele Physiker davon zu überzeugen, dass die uns umgebende Realität viel komplizierter ist als frühere Vorstellungen.
Sie haben also gelernt, was ein Quark ist. Dieses Teilchen machte einst viel Lärm in der wissenschaftlichen Welt, und heute sind die Forscher voller Hoffnung, endlich alle seine Geheimnisse zu lüften.
