Silná jadrová sila je, ako ste možno predpokladali, skutočne veľmi silná sila. Je tak silný, že dokáže spojiť niektoré z najmenších častíc vo vesmíre na veľmi dlhé obdobia, možno navždy. Častice viazané silnou silou tvoria stavebné kamene nášho každodenného sveta: protóny a neutróny. Ale ak by ste chceli rozrezať protón alebo neutrón, nenašli by ste pekné a jednoduché usporiadanie subatomárnych častíc. Namiesto toho by ste videli nechutné vnútornosti snáď jednej z najkomplexnejších síl vo vesmíre.
Protóny a neutróny nie sú jedinými vecami, ktoré je schopná vyrobiť silná sila, ale naozaj nerozumieme iným zložitejším a exotickejším usporiadaniam. A čo viac, aj naše pozorovania a experimenty sú samy o sebe útržkovité. Fyzici však tvrdo pracujú a snažia sa spojiť pohľady na túto základnú silu prírody.
Silný a komplexný
Ak chcete opísať silnú silu, je najlepšie ju porovnať s jej oveľa slávnejšou sesternicou, elektromagnetickou silou. Vďaka elektromagnetickej sile sú veci jednoduché, ľahké a priame; natoľko, že vedci v roku 1900 to dokázali väčšinou zistiť. S elektromagnetickou silou sa môže ktorákoľvek častica pripojiť ku strane, pokiaľ má vlastnosť nazývanú elektrický náboj. Ak máte tento náboj, musíte sa cítiť a reagovať na elektromagnetickú silu. A všetky druhy častíc všetkých prúžkov a príchutí nesú elektrický náboj, napríklad elektrón vašej záhradnej odrody.
Ďalšia častica, ľahká častica (známa tiež ako fotón), vykonáva činnosť prenosu elektromagnetickej sily z jednej nabitej častice na druhú. Samotný fotón nemá vlastný elektrický náboj a je bezhmotný. Prechádza rýchlosťou svetla, pohybuje sa sem a tam cez vesmír a spôsobuje elektromagnetizmus.
Nabíjačka. Jeden nosič elektromagnetickej sily. Jednoduché, priame.
Naopak, existuje šesť častíc, ktoré sú vystavené silnej jadrovej sile. Ako skupina sú známe ako kvarky a majú dostatočne nepředvídateľné názvy ako hore, dole, hore, dole, podivne a kúzlo. Aby sa cítili a reagovali na silné jadrové sily, majú tieto kvarky svoj vlastný náboj. Nejde o elektrický náboj (hoci majú aj elektrický náboj a tiež cítia elektromagnetickú silu), ale z rôznych dôvodov, ktoré spôsobujú veci skutočne mätúce, fyzici nazývajú tento špeciálny náboj spojený so silnou jadrovou silou farebný náboj.
Kvarky môžu mať jednu z troch farieb, ktoré sa nazývajú červená, zelená a modrá. Aby som to objasnil, nejde o skutočné farby, ale iba o štítky, ktoré dávame tomuto podivnému majetku, ktoré je podobné poplatkom.
Takže kvarky cítia silnú silu, ale je presná, je nesená celou smrťou iných častíc - osem. Nazývajú sa gluóny a robia skutočne skvelú prácu ... čakajú na to ... zlepujú kvarky. Gluóny tiež majú schopnosť a túžbu niesť svoj vlastný farebný náboj. A majú hmotnosť.
Šesť kvarkov, osem gluónov. Kvarky môžu zmeniť svoj farebný náboj a gluóny tiež, pretože prečo nie.
To všetko znamená, že silná jadrová sila je oveľa zložitejšia a zložitejšia ako jej elektromagnetická sesternica.
Podivne silné
Dobre, klamal som. Fyzici nenazvali túto vlastnosť kvarkov a gluónov iba ako „farebný náboj“, pretože sa im to páčilo, ale preto, že slúži ako užitočná analógia. Gluóny a kvarky sa dokážu spojiť, aby vytvorili väčšie častice, pokiaľ všetky farby pridajú bielu farbu, rovnako ako červené, modré a zelené svetlo doplní biele svetlo ... Najbežnejšou kombináciou sú tri kvarky, každý červený, zelený, a modrá. Ale analógia sa tu trochu komplikuje, pretože každému kvarku môže byť priradená ktorákoľvek z farieb kedykoľvek v danom okamihu; na čom záleží, je počet kvarkov na získanie správnych kombinácií. Takže môžete mať skupiny troch kvarkov na vytvorenie známych protónov a neutrónov. Môžete tiež mať kvarkovú väzbu so svojím anti-kvarkom, kde sa farba sama od seba odstúpi (ako napríklad v zelených pároch s anti-zelenou farbou, a nie, nie som si to len tak vymýšľať), aby ste urobili druh častíc známy ako mezón.
Ale nekončí to.
Teoreticky je akákoľvek kombinácia kvarkov a gluónov, ktoré sa pridajú do bielej, technicky prijateľná.
Napríklad dva mezóny - každý s dvoma kvarkmi vnútri - sa môžu potenciálne zviazať do niečoho, čo sa nazýva tetraquark. A v niektorých prípadoch môžete do zmesi pridať piaty kvark, stále vyvážiť všetky farby, nazývané (uhádli ste), pentaquark.
Tetraquark nemusí byť ani technicky spojený do jednej častice. Môžu jednoducho existovať blízko seba a vytvárať takzvanú hydronickú molekulu.
A aké je to šialené: Samotné gluóny nemusia na výrobu častice potrebovať kvark. Môže existovať jednoducho guľa s gluónmi visiacimi von, relatívne stabilná vo vesmíre. Nazývajú sa guličky. Rozsah všetkých možných viazaných štátov povolených silnou jadrovou silou sa nazýva kvarkóniové spektrum, a to nie je meno, ktoré vytvoril autor televíznej relácie Sci-Fi. Existuje mnoho druhov bláznivých potenciálnych kombinácií kvarkov a gluónov, ktoré by mohli existovať.
Tak áno?
Quark Rainbow
Možno.
Fyzici už niekoľko desaťročí prebiehajú silné experimenty s jadrovými silami, napríklad Baberov experiment a niekoľko z Veľkého Hadrona Collidera. V priebehu rokov sa pomaly zvyšovali hladiny energie, aby mohli hlbšie a hlbšie skúmať kvarkóniové spektrum (a áno) máte moje povolenie používať túto frázu v akejkoľvek vete alebo náhodnej konverzácii, ktorú chcete, je to také úžasné). V týchto pokusoch fyzici našli veľa exotických zbierok kvarkov a gluónov. Experimentanti im pomenúvajú mená, napríklad χc2 (3930).
Tieto exotické potenciálne častice existujú iba letmo, ale v mnohých prípadoch sú presvedčivé. Fyzici však ťažko dokážu spojiť tieto stručne vyrobené častice s tými, ktoré by podľa nás mali existovať, ako sú tetraquark a gluebaly.
Problém pri vytváraní spojenia je v tom, že matematika je skutočne ťažká. Na rozdiel od elektromagnetickej sily je veľmi ťažké urobiť spoľahlivé predpovede, ktoré by zahŕňali silnú jadrovú silu. Nie je to len kvôli komplikovaným interakciám medzi kvarkmi a gluónmi. Pri veľmi vysokých energiách sa sila silnej jadrovej sily v skutočnosti začína oslabovať, čo umožňuje matematiku zjednodušiť. Ale pri nižších energiách, ako je energia potrebná na spojenie kvarkov a gluónov na vytvorenie stabilných častíc, je silná jadrová sila v skutočnosti veľmi dobrá. Vďaka tejto zvýšenej pevnosti je matematika ťažšie zistiť.
Teoretickí fyzici prišli s radom techník na riešenie tohto problému, ale samotné techniky sú buď neúplné alebo neefektívne. Aj keď vieme, že niektoré z týchto exotických stavov v kvarkóniovom spektre existujú, je veľmi ťažké predpovedať ich vlastnosti a experimentálne podpisy.
Fyzici stále tvrdo pracujú, ako vždy. Postupom času budujeme našu kolekciu exotických častíc produkovaných zrážačmi a robíme lepšie a lepšie predpovede o tom, ako by mali vyzerať teoretické stavy kvarkónia. Zápasy sa pomaly spájajú a poskytujú nám ucelenejší obraz tejto podivnej, ale základnej sily v našom vesmíre.
Paul M. Sutter je astrofyzik na Štátna univerzita v Ohiu, hostiteľ Spýtajte sa Spaceman a Vesmírne rádioa autor knihy Vaše miesto vo vesmíre.
