Az erős nukleáris erő, amint talán már kitalálta, valóban nagyon erős erő. Olyan hatalmas, hogy képes nagyon hosszú ideig, valószínűleg örökre, az univerzum apróbb részecskéit összehúzni. Az erős erő által megkötött részecskék alkotják mindennapi világunk építőelemeit: protonok és neutronok. De ha egy protont vagy neutront kinyitnának, akkor nem találná a szubatomi részecskék szép, egyszerű elrendezését. Ehelyett látnád az univerzum talán egyik legösszetettebb erejének undorító bennfenteket.
Nem csak a protonok és a neutronok képesek az erős erőkre, de a többi bonyolultabb és egzotikusabb elrendezést nem igazán értjük. Sőt, még megfigyeléseink és kísérleteink is nagyon vázlatosak. A fizikusok azonban keményen dolgoznak, hogy megpróbálják összegyűjteni a természet ezen alapvető erőinek betekintését.
Erős és összetett
Az erős erő leírására a legjobb ellentétben állni sokkal híresebb unokatestvéreivel, az elektromágneses erővel. Az elektromágneses erő hatására a dolgok egyszerűek, könnyűek és érthetőek; annyira, hogy az 1900-as évek tudósai többnyire képesek voltak kitalálni. Az elektromágneses erő hatására bármely részecske bekapcsolódhat a pártba, feltéve, hogy rendelkezik elektromos töltésnek nevezett tulajdonsággal. Ha megvan ez a töltés, akkor meg kell éreznie és reagálnia kell az elektromágneses erőre. És mindenféle csík és íz minden részecske elektromos töltést hordoz, mint például a kerti fajta elektronja.
Egy másik részecske, a fényszemcsék (fotonnak is nevezik) elvégzi az elektromágneses erő átvitelét egyik töltött részecskéből a másikba. Maga a fotonnak nincs saját elektromos töltése, és tömeges. A fény sebességével halad, előre-hátra vibrál az egész világegyetemben, így az elektromágnesesség megtörténik.
Elektromos töltés. Az elektromágneses erő egyetlen hordozója. Egyszerű, egyértelmű.
Ezzel szemben hat részecske van kitéve az erős nukleáris erőnek. Csoportként őket kvarkoknak nevezik, és elég furcsa nevekkel rendelkeznek, például fel, le, felül, alul, furcsa és bájjal. Ahhoz, hogy érezzék és reagáljanak az erős nukleáris erőkre, ezek a kvarkok saját felelősséggel bírnak. Ez nem egy elektromos töltés (bár vannak elektromos töltésük, és ugyanúgy érzik az elektromágneses erőt), de különféle okok miatt, amelyek valóban zavarba ejtik a dolgokat, a fizikusok ezt az erőteljes nukleáris erővel társított különleges töltést színes töltésnek nevezik.
A kvarkok három szín közül választhatnak, amelyeket vörösnek, zöldnek és kéknek hívnak. A tisztázás kedvéért nem valódi színek, hanem csak címkék, amelyeket adunk erre a furcsa, töltöttségi tulajdonságra.
Tehát a kvarkok érzékelik az erős erőt, de egy egész sor más részecskével - nyolc pontossággal - hordozza azt. Gluonoknak hívják őket, és nagyon nagy munkát végeznek… várnak rá… és kvarkokat ragasztnak össze. A gluonoknak is megvan az a képessége és vágya, hogy saját színű töltésüket viseljék. És tömege van.
Hat kvark, nyolc gluon. A kvarkok megváltoztathatják szín-töltésüket, és a gluonok is, mert miért nem?
Mindez azt jelenti, hogy az erős nukleáris erő sokkal összetettebb és bonyolultabb, mint az elektromágneses unokatestvére.
Furcsaan erős
Oké, hazudtam. A fizikusok a kvarkok és gluonok ezt a tulajdonságát nem csak "színes töltésnek" nevezték, mert úgy érezték, hanem azért is, mert hasznos analógiát szolgálnak. A glikonok és kvarkok összekapcsolódhatnak és nagyobb részecskéket képezhetnek, mindaddig, amíg az összes szín fehérré teszi fel, ugyanúgy, mint a piros, a kék és a zöld fény hozzáadja a fehér fényt. A leggyakoribb kombináció három kvark, mindegyik piros, zöld, és kék. De az analógia itt kissé trükkössé válik, mivel minden egyes kvarchoz bármikor megadható a hozzá rendelt szín, bármikor; számít a kvarkok száma, hogy megkapjuk a megfelelő kombinációkat. Tehát három kvarkból álló csoportjai lehetnek az ismert protonok és neutronok előállításához. Van egy kvark is, amely kötődik anti-kvarcjával, ahol a szín önmagával eltűnik (mint ahogy a zöld párok anti-zöld színűek, és nem, nem csak ezt készítem, amikor megyek), egy fajta részecske, amelyet mezonnak nevezünk.
De azzal nem ér véget.
Elméletileg a kvarkok és a gluonok bármilyen kombinációja, amely fehérek fel, technikailag megengedhető a természetben.
Például két meson - mindegyikben két kvarc van benne - potenciálisan összekapcsolódhat egy olyan anyagban, amelyet tetrakvarnak hívnak. És bizonyos esetekben hozzáadhat egy ötödik kvarkot a keverékhez, még mindig kiegyensúlyozva az összes színt, amit (kitaláltál) ötszögletűnek nevezett.
A tetrakvart nem is kell technikailag összekapcsolni egyetlen részecskében. Egyszerűen létezhetnek egymás közelében, így hidronic molekulának nevezhetők.
És milyen őrült ez: Lehetséges, hogy maguknak a gluonoknak nem is szükséges kvarc a részecske előállításához. Egyszerűen lehet egy lógó gömbgömb, amely viszonylag stabil az univerzumban. Őket glueballsnak hívják. Az erőteljes nukleáris erő által megengedett összes kötött állapotot a quarkonium spektrumnak nevezzük, és ezt nem egy Sci-Fi TV műsoríró alkotta. Vannak mindenféle őrült potenciális kombináció a kvarkok és gluonok, amelyek csak létezhetnek.
Tehát?
Quark Rainbow
Talán.
A fizikusok már jó néhány évtizeden keresztül hajtanak végre erőteljes nukleáris erő kísérleteket, mint például a Baber-kísérlet és néhány a Nagy Hadron-ütközőnél, az évek során lassan felépítve a magasabb energiaszintet, hogy mélyebbre és mélyebbre tapadjanak a kvarkónium spektrumába (és igen engedélyem van arra, hogy ezt a kifejezést bármilyen mondatban vagy alkalmi beszélgetésben felhasználhassa, ez fantasztikus). Ezekben a kísérletekben a fizikusok számos egzotikus gyűjteményt találtak kvarkok és gluonok számára. A kísérletezők funky neveket adnak nekik, például likec2 (3930).
Ezek az egzotikus potenciális részecskék csak átmenetileg léteznek, de sok esetben meggyőzően léteznek. A fizikusoknak azonban nehezen tudják ezeket a rövid ideig előállított részecskéket összekapcsolni azokkal az elméleti részecskékkel, amelyekről azt gondoljuk, hogy létezniük kell, mint például a tetrakvarkok és a glueballs.
A kapcsolat létrehozásának problémája az, hogy a matematika nagyon nehéz. Az elektromágneses erővel ellentétben nagyon nehéz szilárd előrejelzéseket készíteni az erős nukleáris erővel kapcsolatban. Nem csak a kvarkok és a gluonok közötti bonyolult kölcsönhatások miatt. Nagyon magas energiák esetén az erős nukleáris erő erőssége valójában gyengülni kezd, lehetővé téve a matematika egyszerűsítését. De alacsonyabb energiák esetén, mint például a kvarkok és gluonok összekapcsolásához szükséges energia, hogy stabil részecskéket képezzenek, az erős nukleáris erő valójában, nos, nagyon erős. Ez a megnövekedett erő megnehezíti a matematika kitalálását.
Az elméleti fizikusok egy csomó technikát dolgoztak ki ennek a problémának a megoldására, ám maguk a technikák vagy hiányosak, vagy nem hatékonyak. Noha tudjuk, hogy a quarkonium spektrumában léteznek ezek az egzotikus állapotok, nagyon nehéz megjósolni azok tulajdonságait és a kísérleti aláírásokat.
Ennek ellenére a fizikusok keményen dolgoznak, mint mindig. Lassan, az idő múlásával felépítjük az ütközőkben termelt egzotikus részecskék gyűjteményét, és jobb és jobb előrejelzéseket készítünk arról, hogy az elméleti quarkonium állapotnak hogyan kell kinéznie. A mérkőzések lassan összejönnek, így teljesebb képet kapunk a világegyetem furcsa, de alapvető erejéről.
Paul M. Sutter asztrofizikus a Az Ohio Állami Egyetem, házigazda Kérdezz egy űrhajóstól és Space Radio, és a Helyed az univerzumban.
