Քվարկներ: Ի՞նչ են դրանք: | Տիեզերք
Քվարկները տեսանելի նյութի վերջնական կառուցվածքային բլոկներն են տիեզերք.
Եթե մենք կարողանայինք մեծացնել a ատոմ ձեր մարմնում մենք կտեսնենք, որ այն բաղկացած է էլեկտրոններ հորդառատ շուրջ ուղեծրերում պրոտոնների և նեյտրոնների միջուկ։ Եվ եթե մենք կարողանայինք մեծացնել այդ պրոտոններից կամ նեյտրոններից որևէ մեկը, ապա մենք կհայտնաբերեինք, որ նրանք իրենք կազմված են մի եռյակ մասնիկներից, որոնք այնքան փոքր են, որ դրանք գրեթե բոլորովին չափ չունեն և մի փոքր ավելին են, քան կետերը: Այս կետանման մասնիկները քվարկներն են:
Քվարկները տարրական մասնիկներ են։ Ինչպես էլեկտրոնը, նրանք չեն կազմված որևէ այլ մասնիկից։ Կարելի է ասել, որ դրանք գտնվում են շենքի առաջին հարկում Ստանդարտ մոդել մասնիկների ֆիզիկայի.
Առնչվող: Տարօրինակ քվարկ աստղը կարող է գոյանալ հաջողակ տիեզերական միաձուլման արդյունքում
Քիթ Կուպեր
Քեյթ Կուպերը անկախ գիտական լրագրող և խմբագիր է Միացյալ Թագավորությունում և ունի ֆիզիկայի և աստղաֆիզիկայի աստիճան Մանչեսթերի համալսարանից:
Քվարկների հայտնաբերում
Քվարկների գոյության մասին առաջին անգամ տեսականացվել է 1964 թվականին երկու ֆիզիկոսների աշխատության մեջ. Մյուրեյ Գել-Ման (բացվում է նոր ներդիրում) և Ջորջ Ցվեյգը, ովքեր երկուսն էլ եղել են Կալիֆորնիայի տեխնոլոգիական ինստիտուտում (CalTech), բայց եկել են այն եզրակացության, որ քվարկները գոյություն ունեն միմյանցից անկախ: Հակառակ նրան, թե ինչպես է գիտությունը հաճախ պատկերվում լրատվամիջոցներում, Գել-Մանի և Ցվեյգի եզրակացությունները «ա-հա» չէին: պահը, բայց փոխարենը կառուցվել են մասնիկների ֆիզիկայի համայնքի երկար տարիների քրտնաջան աշխատանքի և մանրակրկիտ հայտնագործությունների հիման վրա:
1950-ականներին ֆիզիկոսները կառուցում էին հայտնի մասնիկների գրադարան: Դա մի փոքր նման էր բուսաբանությանը, որը ցուցակագրում էր տարբեր տեսակներն ու դրանց հատկությունները, բայց այն, ինչ բացակայում էր, դրանց գոյության հիմքում ընկած տեսությունն էր: Այս տեսությունը, ի վերջո, հայտնի դարձավ որպես Ստանդարտ մոդել, բայց այնտեղ հասնելու համար անհրաժեշտ էր մի քանի կենսական բացահայտումներ անել, այդ թվում՝ քվարկների:
Առավել տարակուսելի էր հիպերոն կոչվող մասնիկների առկայությունը, որոնք անկայուն էին և շատ արագ քայքայվում էին, բայց ոչ այն մասնիկների մեջ, որոնցից ակնկալվում էր, որ քայքայվեն: Գել-Մենը հասկացավ, որ պետք է գործի անհայտ քվանտային հատկություն, որը նա անվանեց «տարօրինակություն»՝ այդ ամենի անսպասելիության պատճառով։
Քվանտային թվերը, ինչպես տարօրինակությունը, լիցքը և սպինը, պետք է պահպանվեն: Եթե որոշակի քվանտային թվով մասնիկը քայքայվում է, ապա դրա կողմնակի արտադրանքները պետք է գումարվեն այն քվանտային թվերին, որոնք ունեցել են քայքայված մասնիկը: Ավելին, տվյալ մասնիկի քվանտային թվերն ունեն «ազատության աստիճաններ»՝ հիմնականում այն արժեքների միջակայքը, որ կարող են ունենալ այդ թվերը: Ազատության այս աստիճանները կոչվում են բազմակի, և այն օրինաչափությունը, որով այդ բազմապատիկները կարող էին դասավորվել տարբեր մասնիկների միջև, ստիպեց Գել-Մանին և Ցվայգին ենթադրել, որ մասնիկները և դրանց բազմապատիկները կարող են բացատրվել, եթե յուրաքանչյուր մասնիկ ձևավորվի երկու կամ երեք փոքր մասնիկներից:
Ցվեյգը այս փոքրիկ տարրական մասնիկներին անվանել է «թիզ», բայց անունը չի բռնել։ Գել-Մենը, ով երբևէ եղել է թխվածքաբլիթների և հիշարժան անուններով, դրանք անվանել է քվարկներ, որոնք բխում են Ջեյմս Ջոյսի փորձարարական վեպի «Ֆինեգանի արթնացումից» տողից. Վեպում քվարկները վերաբերում են գլխավոր հերոսի՝ պարոն Մարկի երեք երեխաներին։
Այս քվարկները կոչվում էին «վերև», «ներքև» և «տարօրինակ» քվարկներ: Վերևն ու ներքևը իրականում ոչ մի բանի չեն վերաբերում, մինչդեռ տարօրինակ քվարկն ուներ –1 տարօրինակության քվանտային թիվ, հետևաբար այն կոչվում է «տարօրինակ», մինչդեռ վեր ու վար քվարկներն ունեն տարօրինակություն 0:
Քվարկները քվանտային ֆիզիկայում
(բացվում է նոր ներդիրում)
Թեև տեսությունը խելացի էր, այն անմիջապես չհայտնվեց, քանի որ քվարկների համար փորձնական ապացույցներ չկային: Դա տեղի ունեցավ չորս տարի անց՝ 1968 թ Սթենֆորդի գծային արագացուցիչ կենտրոն (բացվում է նոր ներդիրում) (SLAC) Կալիֆորնիայում: Փորձարարները էլեկտրոններ, իսկ հետո մյուոններ արձակեցին պրոտոնների վրա և գտան ապացույցներ, որ էլեկտրոններն ու մյուոնները ցրում են պրոտոններում պարունակվող երեք փոքր մասնիկներ, որոնցից յուրաքանչյուրն ունի իր էլեկտրական լիցքը: Այս մասնիկները քվարկներն են։
Պարզվում է, որ իրականում գոյություն ունի քվարկների վեց տեսակ կամ համային տեսականի: Բացի վեր, վար և տարօրինակ քվարկներից, կան նաև «հմայքը», «վերև» և «ներքևի» քվարկները։ Նրանցից յուրաքանչյուրն ունի քվանտային թվերի իր հավաքածուն, և դրանց զանգվածները շատ տարբեր են, ընդ որում վեր ու վար քվարկներն ամենաքիչ զանգվածն են, և վերին քվարկը ամենածանրն է 61000 անգամ ավելի զանգվածով, քան վերին քվարկը: Թե ինչու է այն այդքան զանգվածային, լիովին հասկանալի չէ, բայց այն արագորեն քայքայվում է ավելի քիչ զանգվածային քվարկների: Միակ պատճառը, որ գիտնականները գիտեն, որ գոյություն ունեն վերին և ստորին քվարկների նմանները, այն է, որ մասնիկների արագացուցիչները, ինչպիսիք են. Մեծ հադրոնային կոլայդեր կարողանում են դրանք համառոտ արտադրել։
Քվարկների ուսումնասիրման դժվարություններին ավելանում է այն փաստը, որ նորմալ պայմաններում դրանք միայնակ գոյություն չունեն: Նրանք միշտ կապված են միմյանց հետ հզոր միջուկային ուժ, որը թույլ է տալիս նրանց ձևավորել հադրոններ կոչվող բաղադրյալ մասնիկներ։ Երկու քվարկներից կազմված մասնիկները կոչվում են մեզոններ, իսկ երեք քվարկներից կազմված մասնիկները կոչվում են բարիոններ, որոնք ներառում են պրոտոններ (երկուսը վերևում և մեկ ներքև քվարկ) և նեյտրոնները (մեկը վեր և երկու ներքև քվարկներ): Կան մասնիկներ, որոնք կոչվում են տետրակարկներ որոնք կազմված են չորս քվարկներից և պենտակվարկեր որոնք ունեն հինգ քվարկ, և դրանցից մի քանիսը կան գրեթե կայուն (բացվում է նոր ներդիրում)բայց ի վերջո քայքայվել:
Տեղավորվելու համար քվանտային ֆիզիկա տեսությունը, քվարկների վարքագիծը կառավարվում է մոդելով, որը կոչվում է քվանտային քրոմոդինամիկա (բացվում է նոր ներդիրում), կամ կարճ QCD: Անվան մեջ «քրոմը» վերաբերում է «գույնին»՝ ոչ թե կարմիրի, կանաչի կամ կապույտի, այլ քվարկների տիրապետող որոշակի քվանտային թվի անվանումը: Մտածեք, որ գույնը նույն դերն է խաղում ուժեղ ուժի մեջ, ինչ էլեկտրական լիցքը էլեկտրամագնիսական ուժի մեջ: Այսպիսով, ինչպես գույները վանում են և ի տարբերություն գույների (այսինքն՝ գույնը և դրա հակագույնը) գրավում են՝ ձևավորելով քվարկների կայուն զույգեր, և ինչպես մյուս քվանտային թվերը, այն նույնպես պետք է պահպանվի։
Մեծ պայթյունը և քվարկ–գլյուոնային պլազման
(բացվում է նոր ներդիրում)
Հադրոնների ներսում քվարկներին կապող ուժեղ ուժը կրում է մեկ այլ տեսակի փոքրիկ տարրական մասնիկ, որը կոչվում է գլյուոններ, որոնք փոխանակվում են քվարկների միջև: Առանձին քվարկների առանձնացման համար պահանջվում է հսկայական էներգիա (դա առանց պատճառի չի կոչվում ուժեղ ուժ): Հում էներգիայի այս քանակությունը բնության մեջ գոյություն է ունեցել միայն վայրկյանի 10 միլիարդերորդից մինչև միլիոներորդական վայրկյան հետո: Մեծ պայթյուներբ ջերմաստիճանը մոտավորապես 3,6 տրիլիոն աստիճան Ֆարենհայթ էր (2 տրիլիոն աստիճան Ցելսիուս (բացվում է նոր ներդիրում)) Այս կարճ, վաղ շրջանի ընթացքում մանկական տիեզերքը լցված էր նյութի ձևով, որը հայտնի է որպես քվարկ-գլյուոնային պլազմա՝ ազատ լողացող քվարկների և գլյուոնների մասնիկներով ապուր: Քանի որ ջերմաստիճանը և ճնշումը արագորեն իջնում էին, երբ մանկական տիեզերքն ընդարձակվում էր, քվարկները կապվում էին միմյանց հետ՝ ձևավորելով հադրոններ, որոնք, ի վերջո, ձևավորեցին ամբողջ տեսանելի նյութի հիմքը, որը մենք տեսնում ենք այսօր տիեզերքում, սկսած։ աստղեր և գալակտիկաներ դեպի մոլորակներ և մարդիկ։
Թեև քվարկ-գլյուոնային պլազման գոյություն է ունեցել միայն 13,8 միլիարդ տարի առաջ՝ Մեծ պայթյունից անմիջապես հետո, գիտնականները հաջողությամբ վերստեղծել են այն մասնիկների արագացուցիչի փորձարկումներում՝ երկու ծանր միջուկներ, ինչպիսին կապարի միջուկն է, ջարդուփշուր անելով միմյանց մեջ, մոտակայքում: լույսի արագություն. Առաջին անգամ դա հաջողվեց CERN-ում Super Proton Synchrotron (բացվում է նոր ներդիրում) 2000 թվականին։
Որպես այդպիսին, մասնիկների արագացուցիչի փորձարկումներում քվարկ-գլյուոնային պլազմայի ուսումնասիրությունը տիեզերքի պայմաններն ավելի լավ հասկանալու կարևոր միջոց է: Մեծ պայթյունից հետո (բացվում է նոր ներդիրում).
Քվարկ աստղեր
Բնության մեկ այլ վայր, որտեղ պայմանները կարող են այնքան ծայրահեղ լինել, որ քվարկները դառնում են անսահմանափակ, հիպոթետիկ օբյեկտում է, որը կոչվում է «քվարկ աստղ»:
Եթե դրանք գոյություն ունեն, ապա քվարկային աստղերը մի տեսակ ծայրահեղություն են նեյտրոնային աստղ, որոնք տիեզերքում հայտնի ամենակոմպակտ օբյեկտներն են, որոնք չեն փլուզվել գրավիտացիայի տակ՝ ստեղծելով սև խոռոչ: Ա–ում ծնվում է նեյտրոնային աստղ գերնոր աստղորը սաստիկ պայթյուն է, որն ազդարարում է ա զանգվածային աստղ. Մինչ աստղի արտաքին շերտերը փչում են, աստղի միջուկը փլվում է տակը ձգողականություն և այնտեղ ճնշումն այնքան մեծ է դառնում, որ պրոտոններն իրենց դրական էլեկտրական լիցքով միաձուլվում են բացասական լիցքավորված էլեկտրոնների հետ, որոնց լիցքերը չեղյալ են հայտարարվում՝ ձևավորելով չեզոք նեյտրոններ։ Նեյտրոնային աստղերը ունեն մոտ 6 մղոն (10 կիլոմետր) տրամագիծ, և մեկ գդալ նեյտրոնային աստղի նյութը կարող է ունենալ այնքան զանգված, որքան լեռը:
Այնուամենայնիվ, տեսականորեն հնարավոր է, որ մահացող աստղերի միջուկներն էլ ավելի կոմպակտ դառնան: Այս սցենարում նեյտրոնները կբաժանվեն՝ ազատության մեջ թողնելով իրենց քվարկները: Սա կլինի քվարկ աստղ:
Այնուամենայնիվ, առայժմ քվարկային աստղերը մնում են զուտ հիպոթետիկ. Աստղագետները վերջնականապես դեռևս չեն հայտնաբերել, թեև կան մի քանի թեկնածուներ, որոնք, ըստ երևույթին, ունեն մի փոքր տարբեր հատկություններ սովորական նեյտրոնային աստղերից, ինչպիսիք են ավելի փոքր տրամագիծը և ավելի մեծ զանգվածը:
Թեկնածուներից մեկն այն օբյեկտն է, որն իրականում ձևավորվել է ոչ թե գերնոր աստղի մեջ, այլ երկու նեյտրոնային աստղերի միաձուլումից, որոնք առաջացրել են գրավիտացիոն-ալիք իրադարձություն, որը հայտնի է որպես GW 190425 (բացվում է նոր ներդիրում)որը վերցվել է LISA-ի և Virgo-ի գրավիտացիոն ալիքների դետեկտորների միջոցով Երկիր 2019 թվականին Միաձուլված օբյեկտի զանգվածը 3,11-ից 3,54 արեգակնային զանգված է։ Սա չափազանց զանգված է նեյտրոնային աստղ լինելու համար (որը տեսականորեն չի կարող ավելի զանգված ունենալ, քան): մոտ 2,4 արեգակնային զանգված), բայց բավականաչափ զանգվածային չէ, որպեսզի լինի Սեւ անցք (որը պետք է լինի առնվազն հինգ արևի զանգված): Կարո՞ղ է դա լինել քվարկ աստղի փոխարեն:
Մեկ այլ հնարավորությունն այն է, որ որոշ նեյտրոնային աստղեր կարող են լինել հիբրիդային առարկաներ՝ սովորական նեյտրոնային աստղերի նյութով իրենց արտաքին շերտերում և քվարկային նյութը նրանց միջուկների խորքում (բացվում է նոր ներդիրում).
Հետևեք Քիթ Կուպերին Twitter-ում @21stCenturySETI. (բացվում է նոր ներդիրում) Հետեւեք մեզ Twitter-ում @Spacedotcom (բացվում է նոր ներդիրում) և շարունակ Ֆեյսբուք (բացվում է նոր ներդիրում).
Լրացուցիչ ռեսուրսներ
Կարդացեք ավելին դրանցով քվարկների մասին ռեսուրսներ CERN-ից (բացվում է նոր ներդիրում). Իմացեք ավելին քվարկների հայտնաբերման մասին CERN-ի հետ (բացվում է նոր ներդիրում) և ավելի մանրամասն ուսումնասիրեք քվարկներն ու գլյուոնները Էներգետիկայի վարչություն (բացվում է նոր ներդիրում).
Մատենագիտություն
Սթիվեն Վայնբերգի «Առաջին 3 րոպեները. Տիեզերքի ծագման ժամանակակից տեսակետը» (1977, վերանայված հրատարակություն 1993, Հարփեր-Քոլինզ)
Մասնիկների ֆիզիկա՝ Բրայան Ռ. Մարտինի (2011, One-World Publications)
Crease, RP (հունիսի 17, 2019): Մյուրեյ Գել-Մանն (1929–2019). Բնության նորություններ. Վերցված է 2022 թվականի նոյեմբերի 1-ին՝ ից https://www.nature.com/articles/d41586-019-01907-y (բացվում է նոր ներդիրում)
Քվարկ-գլյուոնային պլազմայի առաջին դիտարկումը: Ամերիկյան ֆիզիկական ընկերություն. (1998, հուլիս). Վերցված է 2022 թվականի նոյեմբերի 1-ին՝ ից https://www.aps.org/publications/apsnews/199807/observation.cfm (բացվում է նոր ներդիրում)
Fritzsch, H. (սեպտեմբերի 27, 2012): QCD-ի պատմությունը. CERN Courier. Վերցված է 2022 թվականի նոյեմբերի 1-ին՝ ից https://cerncourier.com/a/the-history-of-qcd/ (բացվում է նոր ներդիրում)
Lopes, A. (2 հունիսի, 2020 թ.): Նեյտրոնային աստղերը ցույց են տալիս իրենց միջուկները։ ՑԵՌՆ. Վերցված է 2022 թվականի նոյեմբերի 1-ին՝ ից https://home.cern/news/news/physics/neutron-stars-show-their-cores (բացվում է նոր ներդիրում)
Rayner, M. (հուլիսի 29, 2021): Նոր տետրակվարկ մի բեղ կայունությունից հեռու: CERN Courier. Վերցված է 2022 թվականի նոյեմբերի 1-ին՝ ից https://cerncourier.com/a/new-tetraquark-a-whisker-away-from-stability/ (բացվում է նոր ներդիրում)
Մեծ պայթյունի նյութի վերստեղծում Երկրի վրա. ՑԵՌՆ. Վերցված է 2022 թվականի նոյեմբերի 1-ին՝ ից https://home.cern/news/series/lhc-physics-ten/recreating-big-bang-matter-earth (բացվում է նոր ներդիրում)
SLAC Գլխավոր էջ. SLAC Ազգային արագացուցիչ լաբորատորիա. Վերցված է 2022 թվականի նոյեմբերի 1-ին՝ ից https://www6.slac.stanford.edu/ (բացվում է նոր ներդիրում)
Սուպեր պրոտոնային սինքրոտրոն: ՑԵՌՆ. Վերցված է 2022 թվականի նոյեմբերի 1-ին՝ ից https://home.cern/science/accelerators/super-proton-synchrotron (բացվում է նոր ներդիրում)
#Քվարկներ #Ինչ #են #դրանք #Տիեզերք
