Сильная ядерная сила, как вы уже догадались, действительно очень сильная сила. Он настолько силен, что способен собирать самые крошечные частицы во вселенной в течение очень длительных периодов, возможно, навсегда. Частицы, связанные сильной силой, образуют строительные блоки нашего повседневного мира: протоны и нейтроны. Но если бы вы вскрыли протон или нейтрон, вы бы не нашли красивое, простое расположение субатомных частиц. Вместо этого вы увидите отвратительные внутренности, возможно, одной из самых сложных сил во вселенной.
Протоны и нейтроны - не единственные вещи, которые может создать сильная сила, но мы не совсем понимаем другие более сложные и экзотические схемы. Более того, даже наши наблюдения и эксперименты сами по себе очень поверхностны. Но физики усердно трудятся, пытаясь собрать воедино понимание этой фундаментальной силы природы.
Сильный и сложный
Чтобы описать сильную силу, лучше всего сопоставить ее с гораздо более известным кузеном, электромагнитной силой. С электромагнитной силой все просто, легко и понятно; настолько, что ученые в 1900-х годах были в состоянии понять это. С помощью электромагнитной силы любая частица может присоединиться к партии, если она обладает свойством, называемым электрическим зарядом. Если у вас есть этот заряд, вы можете почувствовать и отреагировать на электромагнитную силу. И всевозможные частицы всех видов и ароматов несут электрический заряд, как ваш электронный сорт сада.
Другая частица, легкая частица (также известная как фотон), выполняет работу по передаче электромагнитной силы от одной заряженной частицы к другой. У самого фотона нет собственного электрического заряда, и он безмассовый. Он движется со скоростью света, перемещаясь по вселенной взад-вперед, вызывая электромагнетизм.
Электрический заряд. Единственный носитель электромагнитной силы. Просто, понятно.
Напротив, есть шесть частиц, которые подвергаются воздействию сильной ядерной силы. Как группа, они известны как кварки и имеют достаточно причудливые названия, такие как вверх, вниз, вверх, вниз, странно и очаровательно. Чтобы чувствовать сильную ядерную силу и реагировать на нее, эти кварки имеют собственный заряд. Это не электрический заряд (хотя они также имеют электрический заряд и чувствуют электромагнитную силу), но по разным причинам, которые приводят в замешательство, физики называют этот особый заряд, связанный с сильной ядерной силой, цветным зарядом.
Кварки могут иметь один из трех цветов, называемых красным, зеленым и синим. Просто чтобы уточнить, это не фактические цвета, а просто ярлыки, которые мы придаем этому странному, заряженному свойству
Итак, кварки чувствуют сильную силу, но она переносится целым рядом других частиц - восемь, если быть точным. Их называют глюонами, и они действительно делают большую работу… ждите этого… склеивая кварки вместе. У глюонов также есть способность и желание нести свой собственный заряд цвета. И у них масса.
Шесть кварков, восемь глюонов. Кварки могут менять свой цветовой заряд, а глюоны тоже могут, потому что почему бы и нет.
Все это означает, что сильная ядерная сила намного сложнее и сложнее, чем ее электромагнитный кузен.
Странно Сильный
Хорошо, я солгал. Физики не просто назвали это свойство кварков и глюонов «цветовым зарядом», потому что им так хотелось, а потому, что оно служит полезной аналогией. Глюоны и кварки могут связываться друг с другом, образуя более крупные частицы, если все цвета составляют белый, так же, как красный, синий и зеленый свет составляют белый свет ... Наиболее распространенная комбинация - три кварка, по одному из красного, зеленого, каждый. и синий. Но аналогия становится немного хитрой, потому что каждый отдельный кварк может иметь любой из назначенных ему цветов в любой момент времени; важно количество кварков, чтобы получить правильные комбинации. Таким образом, вы можете иметь группы из трех кварков, чтобы сделать знакомые протоны и нейтроны. Вы также можете связать кварк с его антикварком, где цвет отменяется сам по себе (как, например, зеленые пары с анти-зеленым, и нет, я не просто придумываю это, пока продвигаюсь), чтобы сделать вид частиц, известный как мезон.
Но это не заканчивается там.
Теоретически любая комбинация кварков и глюонов, составляющих белый цвет, технически допустима по своей природе.
Например, два мезона - каждый с двумя кварками внутри них - могут потенциально соединяться в нечто, называемое тетракварком. И в некоторых случаях вы можете добавить пятый кварк в смесь, по-прежнему балансируя все цвета, называемые (как вы уже догадались) пентакварком.
Тетракварк даже не должен быть технически связан в одной частице. Они могут просто существовать рядом друг с другом, образуя то, что называется гидронной молекулой.
И как это безумие: самим глюонам может даже не понадобиться кварк, чтобы создать частицу. Может просто висеть шар глюонов, относительно устойчивый во вселенной. Их называют глюболами. Диапазон всех возможных связанных состояний, допустимых сильной ядерной силой, называется спектром кваркония, и это не имя, придуманное автором научно-фантастического телешоу. Существуют всевозможные сумасшедшие потенциальные комбинации кварков и глюонов, которые просто могут существовать.
Так и они?
Кварк Радуга
Может быть.
Уже несколько десятилетий физики проводят эксперименты с сильными ядерными силами, такие как эксперимент Бабера и несколько экспериментов на Большом адронном коллайдере, медленно на протяжении многих лет медленно поднимающиеся до более высоких уровней энергии, чтобы исследовать все глубже и глубже спектр кваркония (и да у вас есть мое разрешение использовать эту фразу в любом предложении или случайном разговоре, который вы хотите, это потрясающе). В этих экспериментах физики обнаружили много экзотических коллекций кварков и глюонов. Экспериментаторы дают им забавные имена, такие как χc2 (3930).
Эти экзотические потенциальные частицы существуют только мимолетно, но во многих случаях существуют окончательно. Но физикам трудно связать эти кратко произведенные частицы с теоретическими, которые, как мы подозреваем, должны существовать, такими как тетракварки и глюболы.
Проблема с установлением соединения в том, что математика действительно сложная. В отличие от электромагнитной силы, очень трудно делать надежные прогнозы с участием сильной ядерной силы. Это не только из-за сложных взаимодействий между кварками и глюонами. При очень высоких энергиях сила сильной ядерной силы фактически начинает ослабевать, что упрощает математику. Но при более низких энергиях, таких как энергия, необходимая для связывания кварков и глюонов для создания стабильных частиц, сильная ядерная сила, на самом деле, очень сильна. Эта увеличенная сила делает математику сложнее понять.
Физики-теоретики придумали кучу методик для решения этой проблемы, но сами методики либо неполны, либо неэффективны. Хотя мы знаем, что некоторые из этих экзотических состояний в спектре кваркония существуют, очень трудно предсказать их свойства и экспериментальные признаки.
Тем не менее, физики усердно работают, как и всегда. Постепенно со временем мы собираем нашу коллекцию экзотических частиц, образующихся на коллайдерах, и делаем все более и более предсказательные прогнозы о том, как должны выглядеть теоретические состояния кваркония. Спички медленно собираются вместе, давая нам более полную картину этой странной, но фундаментальной силы в нашей вселенной.
Пол М. Саттер является астрофизиком в Государственный университет Огайо, хозяин Спроси космонавта и Космическое Радиои автор Ваше место во Вселенной.
