Protony i neutrony, cząsteczki tworzące jądra atomów , mogą wydawać się naprawdę małe. Ale naukowcy twierdzą, że same te subatomowe cząstki składają się z czegoś jeszcze mniejszego - cząstek zwanych kwarkami .
„Cóż, myślę, że najprostszym sposobem stwierdzenia tego jest to, że kwarki są podstawowym składnikiem materii, całego otaczającego nas materiału” - wyjaśnia Geoffrey West . Jest fizykiem teoretykiem, który założył grupę fizyki wysokich energii w Los Alamos National Laboratory, a obecnie jest profesorem Shannan Distinguished w Instytucie Santa Fe . (Jest także autorem bestsellera „ Skala ” z 2017 roku , o tym, jak prawa matematyczne rządzące strukturą i rozwojem świata fizycznego mają zastosowanie do życia biologicznego i do społeczeństwa ludzkiego).
Podobnie jak elektrony i inne leptony , kwarki nie wydają się mieć żadnej struktury i wydają się być niepodzielne, jak wyjaśnił fizyk cząstek z University of Melbourne Takaski Kubota w The Conversation.
Kwarki są tak małe, że nawet próba wyrażenia ich szacunkowej wielkości jest oszałamiająca. Profesor fizyki z University College London, Jon Butterworth, wyjaśnił, że promień kwarku jest około 2000 razy mniejszy niż promień protonu, który z kolei jest 2,4 biliona razy mniejszy od ziarenka piasku.
Istnienie kwarków zaproponowane po raz pierwszy w 1964 r
Istnienie kwarków zostało po raz pierwszy zaproponowane w 1964 r. Przez Murraya Gell-Manna , fizyka teoretycznego z Kalifornijskiego Instytutu Technologii , jednego z kluczowych ludzi w rozwoju modelu standardowego fizyki cząstek elementarnych. Gell-Mann, zdobywca nagrody Nobla z fizyki w 1969 roku , doszedł do wniosku, że wyjaśnienie właściwości protonów i neutronów wymaga, aby były one zbudowane z mniejszych cząstek. W tym samym czasie inny fizyk CalTech, Georg Zweig , również niezależnie wpadł na ten pomysł.
Istnienie kwarków potwierdziły eksperymenty przeprowadzone w latach 1967–1973 w Stanford Linear Accelerator Center.
Jedną z dziwnych rzeczy związanych z kwarkami, jak wyjaśnia West, jest to, że można je zaobserwować, ale nie można ich wyizolować. „Jest subtelna różnica” - mówi. „Są jak elektrony w tym, że elektrony są fundamentalne, ale dzięki elektronom możemy je obserwować, a także izolować. Możesz wskazać na elektron. W przypadku kwarków nie możesz wyjąć jednego z jądra i położyć go na stole i zbadać to. "
Zamiast tego, używając gigantycznych akceleratorów cząstek, naukowcy przyspieszają elektrony i używają ich do badania głębokości jądra. Jeśli wejdą dostatecznie głęboko, elektrony rozproszą się od kwarków , co można zmierzyć za pomocą bardzo wyrafinowanych detektorów. „Rekonstruujemy to, co znajduje się w celu, z którego składają się protony i neutrony” - mówi West. „Widzisz te małe punktowe obiekty, które identyfikujemy jako kwarki”.
Istnieje sześć rodzajów kwarków
Kwarki mają ułamkowe ładunki w porównaniu z protonami, które tworzą. Istnieje sześć rodzajów kwarków opartych na masie, a cząstki mają również cechę zwaną kolorem, która jest sposobem opisania, w jaki sposób siła silna utrzymuje je razem. Kolor jest przenoszony przez gluony - rodzaj posłańca dla silnej siły, która spaja ze sobą kwarki. (Są analogiczne do fotonów .)
Zespół fizyków z University of Kansas planuje użyć urządzenia zainstalowanego w Wielkim Zderzaczu Hadronów , masywnym akceleratorze cząstek zlokalizowanym w 17-milowym (27-kilometrowym) tunelu między Francją a Szwajcarią, aby zbadać silne oddziaływanie między kwarkami i gluonami.
„Chodzi o to, aby lepiej zrozumieć strukturę protonu i ciężkich jonów - na przykład ołowiu - i zbadać nowe zjawisko zwane nasyceniem” - wyjaśnia Christophe Royon , profesor fizyki z University of Kansas, który kieruje badaniami. w e-mailu. „Kiedy dwa protony lub dwa jony zderzają się z bardzo dużą energią, jesteśmy wrażliwi na ich podstrukturę - kwarki i gluony - i możemy zbadać obszar, w którym gęstość gluonów staje się bardzo duża”.
„Analogią byłoby metro w Nowym Jorku w godzinach szczytu, kiedy metro jest całkowicie zatłoczone” - kontynuuje Royon. „W takim przypadku gluony nie zachowują się jak pojedyncze tożsamości, ale mogą wykazywać zachowania zbiorowe, tak samo jak zatłoczone metro, jeśli ktoś upadnie, wszyscy to poczują, ponieważ ludzie są tak blisko siebie. protony lub ciężkie jony mogą zachowywać się jak obiekt stały, jak szkło, zwany kolorowym kondensatem szklanym. To jest to, co chcemy zobaczyć w LHC, a także w przyszłym Zderzaczu elektronowo-jonowym w USA ”
Royon twierdzi, że znalezienie dowodu na istnienie tego gęstego materiału gluonowego pozwoliłoby odpowiedzieć na jedno z największych pytań dotyczących kwarków, na które nie ma odpowiedzi. „To nowy stan materii” - mówi. „Pewne wskazówki pojawiły się już w Relatywistycznym Zderzaczu Ciężkich Jonów lub Wielkim Zderzaczu Hadronów, ale nic nie jest jeszcze pewne. Byłoby to ważne odkrycie, a zarówno Wielki Zderzacz Hadronów, jak i Zderzacz Elektronowo-Jonowy są idealnymi maszynami, aby to zobaczyć.
Naukowcy zastanawiają się również, czy może istnieć coś jeszcze mniejszego niż kwark. „To nasuwa pytanie, czy jest jeszcze inny poziom?” - mówi Zachód. „Nie znamy odpowiedzi na to pytanie”.
Teraz to jest interesujące
Gell-Mann otrzymał nazwę cząstki z eksperymentalnej powieści Jamesa Joyce'a „ Finnegans Wake ” z 1939 r. , Która zawiera wiersz „Trzy kwarki dla Muster Mark!”.
