Протоны и нейтроны, частицы, образующие ядра атомов , могут показаться действительно крошечными. Но ученые говорят, что сами эти субатомные частицы состоят из чего-то еще меньшего - частиц, называемых кварками .
«Что ж, я думаю, что проще всего сказать, что кварки являются фундаментальной составляющей материи, всего того, что нас окружает», - объясняет Джеффри Уэст . Он физик-теоретик, который основал группу физики высоких энергий в Национальной лаборатории Лос-Аламоса, а теперь является заслуженным профессором Шаннана в Институте Санта-Фе . (Он также является автором бестселлера 2017 года « Масштаб » о том, как математические законы, управляющие структурой и ростом физического мира, применяются к биологической жизни и к человеческому обществу.)
Подобно электронам и другим лептонам , кварки, кажется, не имеют никакой структуры и кажутся неделимыми, как объяснил физик частиц из Мельбурнского университета Такаски Кубота в книге «Беседа».
Кварки настолько крошечные, что даже попытаться выразить их предполагаемый размер просто ошеломляет. Профессор физики Лондонского университетского колледжа Джон Баттерворт объяснил, что радиус кварка примерно в 2000 раз меньше, чем радиус протона, который, в свою очередь, в 2,4 триллиона раз меньше песчинки.
Существование кварков было впервые предложено в 1964 году
Существование кварков было впервые предложено в 1964 году физиком-теоретиком Калифорнийского технологического института Мюрреем Гелл-Манном , одной из ключевых фигур в разработке Стандартной модели физики элементарных частиц. Гелл-Манн, лауреат Нобелевской премии по физике 1969 года , выяснил, что для объяснения свойств протонов и нейтронов необходимо, чтобы они состояли из более мелких частиц. В то же время другой физик из Калифорнийского технологического института, Георг Цвейг , также независимо выступил с этой идеей.
Существование кварков было подтверждено экспериментами, проведенными с 1967 по 1973 год в Стэнфордском центре линейных ускорителей.
Одна из странностей кварков, как объясняет Уэст, заключается в том, что их можно наблюдать, но нельзя изолировать. «Есть тонкая разница», - говорит он. «Они похожи на электроны в том смысле, что электроны имеют фундаментальное значение, но с электронами мы можем наблюдать, а также изолировать их. Вы можете указать на электрон. С кварками вы не можете взять один из ядра и положить его на стол. исследуй это ".
Вместо этого, используя гигантские ускорители частиц, ученые ускоряют электроны и используют их для исследования глубины ядра. Если они войдут достаточно глубоко внутрь, электроны будут рассеиваться от кварков , что можно измерить с помощью очень сложных детекторов. «Мы реконструируем то, что находится в мишени, из которой состоят протоны и нейтроны», - говорит Уэст. «Вы видите эти маленькие точечные объекты, которые мы идентифицируем как кварки».
Есть шесть типов кварков
Кварки имеют дробные заряды по сравнению с протонами, которые они образуют. Существует шесть типов кварков, основанных на массе, и частицы также обладают качеством, называемым цветом, который описывает, как сильное взаимодействие удерживает их вместе. Цвет переносится глюонами - своего рода посланником сильной силы, связывающей кварки. (Они аналогичны фотонам .)
Команда физиков из Канзасского университета планирует использовать устройство, установленное на Большом адронном коллайдере , массивном ускорителе частиц, расположенном в 17-мильном (27-километровом) туннеле между Францией и Швейцарией, чтобы исследовать сильное взаимодействие между кварками и глюонами.
«Идея состоит в том, чтобы лучше понять структуру протона и тяжелого иона - например, свинца - и изучить новое явление, называемое насыщением» , - объясняет Кристоф Ройон , профессор физики Канзасского университета, возглавляющий исследование. в электронном письме. «Когда два протона или два иона сталкиваются при очень высокой энергии, мы чувствительны к их субструктуре - кваркам и глюонам - и можем исследовать некоторые области, где плотность глюонов становится очень большой».
«Можно провести аналогию с метро в Нью-Йорке в часы пик, когда метро полностью перегружено, - продолжает Ройон. «В этом случае глюоны не ведут себя как отдельные личности, но могут демонстрировать коллективное поведение, как в переполненном метро: если кто-то упадет, это почувствуют все, поскольку люди находятся так близко друг к другу. В какой-то момент протоны или тяжелый ион могут вести себя как твердый объект, например, стекло, называемое конденсатом цветного стекла. Это то, что мы хотим видеть на LHC, а также на будущем электронно-ионном коллайдере в США ».
Ройон говорит, что обнаружение доказательства существования этого плотного глюонного материала ответит на один из самых больших вопросов о кварках, оставшихся без ответа. «Это новое состояние материи», - говорит он. «Некоторые намеки уже появились на Релятивистском коллайдере тяжелых ионов или Большом адронном коллайдере, но пока нет уверенности. Это было бы важным открытием, и как Большой адронный коллайдер, так и электронно-ионный коллайдер - идеальные машины, чтобы увидеть это».
Ученые также задаются вопросом, может ли существовать что-то еще меньшее, чем кварк. «Возникает вопрос, а есть ли еще один уровень?» - говорит Уэст. «Мы не знаем ответа на этот вопрос».
Вот это интересно
Гелл-Манн получил название частицы из экспериментального романа Джеймса Джойса 1939 года « Поминки по Финнегану », который содержит строчку «Три кварка для Muster Mark!»
