Paul Sparks
0 
2233
64
Forța nucleară puternică este, după cum ați putea ghici, o forță foarte puternică într-adevăr. Este atât de puternic încât este capabil să strângă unele dintre cele mai mici particule din univers pentru perioade foarte lungi, posibil pentru totdeauna. Particulele legate de forța puternică formează blocurile din lumea noastră de zi cu zi: protoni și neutroni. Dar dacă ar fi să deschideți un proton sau un neutron, nu ați găsi un aranjament frumos și simplu de particule subatomice. În schimb, ați vedea nemernicurile dezgustătoare ale uneia dintre cele mai complexe forțe din univers.
Protonii și neutronii nu sunt singurele lucruri pe care forța puternică este capabilă să le facă, dar nu înțelegem cu adevărat celelalte aranjamente mai complexe și exotice. Ba mai mult, chiar și observațiile și experimentele noastre sunt ele însele foarte schițate. Însă fizicienii se ocupă cu greu de lucrări încercând să explice împreună această forță fundamentală a naturii.
Legate de: Cele mai mari mistere nesoluționate în fizică
Puternic și complex
Pentru a descrie forța puternică, cel mai bine este să o contrastăm cu vărul său mult mai faimos, forța electromagnetică. Cu forța electromagnetică lucrurile sunt simple, ușoare și simple; atât de mult încât oamenii de știință din anii 1900 au reușit să-și dea seama mai ales. Cu forța electromagnetică, orice particulă se poate alătura petrecerii, atât timp cât are o proprietate numită sarcină electrică. Dacă aveți această încărcare, atunci simțiți și răspundeți la forța electromagnetică. Și tot felul de particule de toate dungi și arome poartă o sarcină electrică, precum electronul soiului dvs. de grădină.
O altă particulă, particula ușoară (cunoscută și sub numele de foton), lucrează la transmiterea forței electromagnetice de la o particulă încărcată la alta. Fotonul în sine nu are propria sarcină electrică și este fără masă. Călătorește cu viteza luminii, pâlpâind înainte și înapoi prin univers, făcând electromagnetismul să se întâmple.
Incarcare electrica. Un singur purtător al forței electromagnetice. Simplu, simplu.
În schimb, există șase particule care sunt supuse forței nucleare puternice. Ca grup, sunt cunoscuți sub numele de quark și au nume suficient de ciudate ca sus, jos, sus, jos, ciudat și farmec. Pentru a simți și a răspunde forței nucleare puternice, aceste quark-uri au o sarcină proprie. Nu este o sarcină electrică (deși au și o sarcină electrică și simt, de asemenea, forța electromagnetică), dar din diferite motive care fac lucrurile cu adevărat confuze, fizicienii numesc această sarcină specială asociată cu forța nucleară puternică a încărcării culorii..
Quark-urile pot avea una dintre cele trei culori, numite roșu, verde și albastru. Doar pentru a clarifica, nu sunt culori reale, ci doar etichete pe care le oferim acestei proprietăți ciudate, asemănătoare taxelor.
Deci, quark-urile simt forța puternică, dar este purtat de o mulțime de alte particule - opt, ca să fie precis. Se numesc gluoni și fac o treabă foarte bună de… așteptați-l… lipind quark-urile împreună. Gluonii se întâmplă, de asemenea, să aibă capacitatea și dorința de a-și purta propria încărcătură de culoare. Și au masă.
Șase quarkuri, opt gluoni. Quark-urile își pot schimba încărcarea culorii, iar gluonii pot, de asemenea, de ce nu.
Toate acestea înseamnă că forța nucleară puternică este mult mai complexă și mai complexă decât vărul său electromagnetic.
Ciudat de puternic
Bine, am mințit. Fizicienii nu au numit această proprietate de quarkuri și gluonii „încărcarea culorii” pentru că au simțit așa, ci pentru că servește ca o analogie utilă. Gluonii și quark-urile se pot lega pentru a forma particule mai mari, atâta timp cât toate culorile se adaugă până la alb, la fel cum roșu, albastru și verde se adaugă la lumina albă ... Cea mai comună combinație este trei quark-uri, fiecare de roșu, verde, și albastru. Dar analogia devine puțin complicată aici, deoarece fiecare quark individual poate avea oricare dintre culorile care îi sunt atribuite în orice moment din timp; ceea ce contează este numărul de quarkuri pentru a obține combinațiile potrivite. Deci puteți avea grupuri de trei quarkuri pentru a face protonii și neutronii familiari. Puteți avea, de asemenea, un liant de quark cu anti-quark-ul său, în care culoarea se anulează cu ea însăși (ca în perechi verzi cu anti-verde și nu doar că fac asta în timp ce merg de-a lungul), pentru a crea un un fel de particule cunoscut sub numele de meson.
Dar nu se termină acolo.
Teoretic, orice combinație de quarkuri și gluoni care se adaugă la alb sunt admise din punct de vedere tehnic.
De exemplu, două mezoane - fiecare cu două quark-uri în interiorul lor - se pot lega împreună de ceva numit tetraquark. Și în unele cazuri, puteți adăuga un al cincilea quark la mix, echilibrând în continuare toate culorile, numind (ați ghicit) un pentaquark.
Tetraquark-ul nu trebuie nici măcar legat din punct de vedere tehnic într-o singură particulă. Ele pot exista pur și simplu unul lângă celălalt, făcând ceea ce se numește o moleculă hidronică.
Și cât de nebun este acesta: gluonii înșiși ar putea să nu mai aibă nevoie de un quark pentru a face o particulă. Pur și simplu poate exista o bilă de gluoni agățată, relativ stabilă în univers. Se numesc glueballs. Gama tuturor stărilor limitate posibile permise de forța nucleară puternică se numește spectrul quarkonium și acesta nu este un nume alcătuit de un scriitor de emisiuni TV Sci-Fi. Există tot felul de combinații potențiale nebune de quarkuri și gluoni care ar putea exista.
La fel și ei?
Quark Rainbow
Poate.
Fizicienii au efectuat experimente puternice cu forța nucleară de acum câteva decenii, cum ar fi Experimentul Baber și câțiva la Colibrul de Hadroni, de-a lungul anilor s-au ridicat până la niveluri de energie mai ridicate pentru a sonda din ce în ce mai adânc în spectrul quarkoniului (și da aveți permisiunea mea de a folosi acea frază în orice propoziție sau conversație ocazională doriți, este minunat). În aceste experimente, fizicienii au găsit multe colecții exotice de quark și gluoni. Experțiștii le dau nume funky, cum ar fi χc2 (3930).
Aceste particule potențiale exotice nu există decât trecătoare, dar există în multe cazuri în mod concludent. Dar fizicienii le este greu să conecteze aceste particule produse pe scurt cu cele teoretice pe care bănuim că ar exista, cum ar fi tetraquark-urile și glueball-urile..
Problema realizării conexiunii este că matematica este cu adevărat grea. Spre deosebire de forța electromagnetică, este foarte dificil să faci predicții solide care implică forță nucleară puternică. Nu este doar din cauza interacțiunilor complicate dintre quark și gluoni. La energii foarte mari, rezistența forței nucleare puternice începe de fapt să slăbească, permițând simplificării matematice. Dar la energii mai mici, ca și energia necesară pentru a lega quark-urile și gluonii pentru a face particule stabile, forța nucleară puternică este, de fapt, foarte puternică. Această rezistență crescută face ca matematica să fie mai greu de realizat.
Fizicienii teoretici au venit cu o grămadă de tehnici pentru a rezolva această problemă, dar tehnicile în sine sunt fie incomplete, fie ineficiente. Deși știm că unele dintre aceste stări exotice din spectrul quarkonium există, este foarte dificil să prezicem proprietățile și semnăturile lor experimentale.
Totuși, fizicienii lucrează din greu, așa cum fac întotdeauna. Încet, de-a lungul timpului, ne construim colecția noastră de particule exotice produse în colizori și facem predicții mai bune și mai bune despre cum ar trebui să arate statele teoretice de quarkoniu. Meciurile se reunesc încet, oferindu-ne o imagine mai completă a acestei forțe ciudate, dar fundamentale în universul nostru.
Paul M. Sutter este astrofizician la Universitatea de Stat din Ohio, gazda Întrebați un Spaceman și Radio spațială, și autor al Locul tău în Univers.
- 18 ori particule cuantice ne sufla mintea în |
- Fizică neplăcută: De ce particulele au arome? |
- Quark și Muons Ciudate, Oh My! Particulele cele mai mici din natură
Publicat inițial la .