Snažna nuklearna sila je, kao što ste mogli pretpostaviti, doista vrlo jaka sila. Toliko je moćan da može pokupiti neke od najsitnijih čestica u svemiru vrlo dugo, vjerojatno i zauvijek. Čestice vezane snažnom silom tvore građevne blokove našeg svakodnevnog svijeta: protone i neutrone. Ali kad biste otvorili proton ili neutron, ne biste pronašli lijep, jednostavan raspored subatomskih čestica. Umjesto toga, vidjeli biste odvratne nutrine možda jedne od najsloženijih sila u svemiru.
Protoni i neutroni nisu jedine stvari koje jaka sila može napraviti, ali zapravo ne razumijemo ostale složenije i egzotičnije aranžmane. Štoviše, čak su i naša opažanja i eksperimenti vrlo drski. Ali fizičari su naporni u radu pokušavajući sastaviti uvid u ovu temeljnu silu prirode.
Jaka i složena
Da bismo opisali jaku silu, najbolje je usporediti je s njenim mnogo poznatijim rođakom, elektromagnetskom silom. Pomoću elektromagnetske sile stvari su jednostavne, jednostavne i jasne; toliko da su znanstvenici 1900-ih znali većinom to shvatiti. Pomoću elektromagnetske sile, svaka čestica se može pridružiti stranci sve dok ima svojstvo koje se naziva električni naboj. Ako imate ovaj naboj, tada ćete osjetiti i reagirati na elektromagnetsku silu. A sve vrste čestica svih pruga i okusa nose električni naboj, poput elektrona iz vaše vrtne sorte.
Druga čestica, svjetlosna čestica (poznata i kao foton), djeluje na prijenos elektromagnetske sile s jedne nabijene čestice na drugu. Sam foton nema vlastito električno naelektrisanje i nema masu. Putuje brzinom svjetlosti, lepršajući napred-nazad po svemiru, čineći se elektromagnetizmom.
Električno punjenje. Pojedini nosač elektromagnetske sile. Jednostavno, izravno.
Suprotno tome, postoji šest čestica koje podliježu jakoj nuklearnoj sili. Kao grupa poznati su pod imenom kvarkovi i imaju dovoljno čudna imena poput gore, dolje, vrha, dna, čudnoće i šarma. Da bi osjetili i odgovorili na snažnu nuklearnu silu, ovi kvarkovi imaju vlastito naboje. To nije električni naboj (iako oni također imaju električni naboj i također osjećaju elektromagnetsku silu), ali iz različitih razloga koji stvari čine zbunjujuće, fizičari taj poseban naboj povezan s jakom nuklearnom silom nazivaju nabojem u boji.
Kvarkovi mogu imati jednu od tri boje, nazvanu crvenu, zelenu i plavu. Samo da pojasnimo, nisu stvarne boje, već samo oznake koje dajemo ovom čudnom svojstvu nalik naboju.
Dakle, kvarkovi osjećaju snažnu silu, ali nosi je čitav niz drugih čestica - osam, da budemo precizni. Nazivaju ih gluonima i rade sjajan posao ... pričekajte ... lijepljenje kvarkova. Gluoni također imaju sposobnost i želju da nose svoj vlastiti naboj u boji. I imaju masu.
Šest kvarkova, osam gluona. Kvarkovi mogu promijeniti svoj naboj boje, a gluoni također, jer zašto ne.
Sve to znači da je snažna nuklearna sila puno složenija i zamršenija od svog elektromagnetskog rođaka.
Čudno snažno
Ok, lagala sam. Fizičari ovo svojstvo kvarkova i gluona nisu samo nazvali "nabojem boje", jer su se tako osjećali, već zato što služi kao korisna analogija. Gluoni i kvarkovi se mogu povezati i stvarati veće čestice sve dok se sve boje dodaju bijeloj, baš kao što crvena, plava i zelena svjetlost dodaju bijelu svjetlost ... Najčešća kombinacija su tri kvarka, od kojih je svaki crveni, zeleni, i plava. Ali analogija ovdje postaje malo škakljiva jer svaki pojedinačni kvark može u bilo kojem trenutku dodijeliti bilo koju boju koja mu je dodijeljena; ono što je važno jest broj kvarkova kako biste dobili prave kombinacije. Tako možete imati grupe od tri kvarka kako biste napravili poznate protone i neutrone. Možete i spojiti kvark sa njegovim antikvarkom, gdje boja poništava samu sebe (kao u, zeleni parovi sa anti-zelenom, i ne, ja to ne izmišljam samo dok nastavljam), da biste napravili vrsta čestica poznata kao meson.
Ali tu se ne završava.
Teoretski, svaka kombinacija kvarkova i gluona koji se dodaju bijeloj tehnici tehnički je dopuštena u prirodi.
Na primjer, dvije mesone - svaka s dva kvarka u sebi - mogu se potencijalno povezati u nešto što se naziva tetrakvarkom. A u nekim slučajevima u smjesu možete dodati i peti kvark, koji još uvijek balansira sve boje, nazvan (pogodili ste) pentakarkom.
Tetvruak ne mora biti tehnički vezan u jednoj čestici. Jednostavno mogu postojati u blizini jedna od druge, čineći ono što se naziva hidronska molekula.
I kako je ovo ludo: Sama gluonima možda čak i ne treba kvarka da bi napravili česticu. Jednostavno se može nalaziti kugla gluona, relativno stabilna u svemiru. Zovu ih glueballs. Raspon svih mogućih vezanih stanja koja dopušta jaka nuklearna sila naziva se kvarkonijevim spektrom, a to nije ime koje je napisao pisac TV emisije Sci-Fi. Postoje sve vrste ludih potencijalnih kombinacija kvarkova i gluona koji upravo mogu postojati.
Pa i oni?
Quark Rainbow
Može biti.
Fizičari već nekoliko desetljeća izvode snažne eksperimente nuklearnih sila, poput eksperimenata Baber i nekoliko njih na Velikom hadronskom sudaraču, polako se tijekom godina gradeći na višim razinama energije kako bi se ispitivalo sve dublje i dublje u kvakonijevom spektru (i da imate moje dopuštenje da koristim tu frazu u bilo kojoj rečenici ili ležernom razgovoru koji želite, to je sjajno). U tim su eksperimentima fizičari pronašli brojne egzotične zbirke kvarkova i gluona. Eksperimentalisti im daju šaljiva imena, poput χc2 (3930).
Te egzotične potencijalne čestice postoje samo brzo, ali u mnogim slučajevima doista postoje. Ali fizičarima je teško povezati ove kratko proizvedene čestice s onim teoretskim za koje sumnjamo da bi trebali postojati, poput tetraquaka i glueballsa.
Problem s uspostavljanjem veze je taj što je matematika zaista teška. Za razliku od elektromagnetske sile, vrlo je teško napraviti čvrsta predviđanja koja uključuju jaku nuklearnu silu. To nije samo zbog komplicirane interakcije između kvarkova i gluona. Pri vrlo visokoj energiji, snaga jake nuklearne sile zapravo počinje slabiti, omogućujući matematici da se pojednostavi. Ali pri nižim energijama, poput energije potrebne da se spoje kvarkovi i gluoni kako bi se napravile stabilne čestice, jaka nuklearna sila je zapravo, vrlo dobra. Ta povećana snaga čini matematiku težom shvatiti.
Teoretski fizičari smislili su hrpu tehnika za rješavanje ovog problema, ali same su tehnike nepotpune ili neučinkovite. Iako znamo da neka od tih egzotičnih stanja u kvarkonijevom spektru postoje, vrlo je teško predvidjeti njihova svojstva i eksperimentalni potpis.
Ipak, fizičari naporno rade, kao i uvijek. Polako, s vremenom, stvaramo svoju zbirku egzotičnih čestica proizvedenih u sudaračima i pravimo sve bolja i bolja predviđanja o tome kako bi teorijska stanja kvarkonija trebala izgledati. Utakmice se polako zbližavaju, što nam daje cjelovitiju sliku ove čudne, ali temeljne sile u našem svemiru.
Paul M. Sutter je astrofizičar na Državno sveučilište Ohio, domaćin Pitajte svemira i Svemirski radio, i autor Vaše mjesto u svemiru.
