Silna siła nuklearna jest, jak można się domyślać, naprawdę bardzo silną siłą. Jest tak potężny, że jest w stanie zgromadzić jedne z najmniejszych cząstek we wszechświecie przez bardzo długie okresy, być może na zawsze. Cząstki związane silną siłą tworzą elementy składowe naszego codziennego świata: protony i neutrony. Ale gdybyś otworzył proton lub neutron, nie znalazłbyś ładnego, prostego układu cząstek subatomowych. Zamiast tego zobaczylibyście obrzydliwe wnętrzności jednej z najbardziej złożonych sił we wszechświecie.
Protony i neutrony nie są jedynymi rzeczami, które jest w stanie wytworzyć silna siła, ale tak naprawdę nie rozumiemy innych bardziej złożonych i egzotycznych układów. Co więcej, nawet nasze obserwacje i eksperymenty same w sobie są bardzo pobieżne. Ale fizycy ciężko pracują, próbując zebrać wgląd w tę fundamentalną siłę natury.
Mocny i złożony
Aby opisać silną siłę, najlepiej jest ją porównać ze znacznie bardziej znanym kuzynem, siłą elektromagnetyczną. Dzięki sile elektromagnetycznej rzeczy są proste, łatwe i jednoznaczne; tak bardzo, że naukowcy w 1900 roku byli w stanie to rozgryźć. Dzięki sile elektromagnetycznej każda cząstka może dołączyć do drużyny, o ile ma właściwość zwaną ładunkiem elektrycznym. Jeśli masz ten ładunek, możesz poczuć i zareagować na siłę elektromagnetyczną. I wszelkiego rodzaju cząsteczki wszystkich pasków i smaków przenoszą ładunek elektryczny, podobnie jak elektron ogrodowy.
Inna cząstka, lekka cząstka (znana również jako foton), działa na zasadzie przenoszenia siły elektromagnetycznej z jednej naładowanej cząstki na drugą. Sam foton nie ma własnego ładunku elektrycznego i jest bezmasowy. Podróżuje z prędkością światła, poruszając się we wszechświecie, powodując powstanie elektromagnetyzmu.
Ładunek elektryczny. Pojedynczy nośnik siły elektromagnetycznej. Proste, proste.
Przeciwnie, istnieje sześć cząstek, które podlegają silnej sile jądrowej. Jako grupa są znani jako kwarki i mają wystarczająco dziwaczne nazwy, takie jak góra, dół, góra, dół, dziwne i urok. Aby poczuć i zareagować na silne siły jądrowe, kwarki te mają swój własny ładunek. Nie jest to ładunek elektryczny (chociaż mają one również ładunek elektryczny i odczuwają siłę elektromagnetyczną), ale z różnych powodów, które sprawiają, że rzeczy są naprawdę mylące, fizycy nazywają ten specjalny ładunek związany z silną siłą jądrową ładunkiem koloru.
Kwarki mogą mieć jeden z trzech kolorów, zwany czerwonym, zielonym i niebieskim. Żeby wyjaśnić, nie są to rzeczywiste kolory, a jedynie etykiety, które nadajemy tej dziwnej, podobnej do ładunku właściwości.
Tak więc kwarki czują silną siłę, ale jest przenoszona przez całą masę innych cząstek - dokładnie 8. Nazywane są gluonami i wykonują naprawdę świetną robotę… czekają na to… sklejając kwarki razem. Gluony mają również zdolność i chęć przenoszenia własnego ładunku kolorowego. I mają masę.
Sześć kwarków, osiem gluonów. Kwarki mogą zmienić ładunek koloru, a gluony też mogą, bo dlaczego nie.
Wszystko to oznacza, że silna siła jądrowa jest o wiele bardziej złożona i skomplikowana niż jej kuzyn elektromagnetyczny.
Dziwnie silny
Okłamałem. Fizycy nie tylko nazwali tę właściwość kwarków i gluonów „ładunkiem koloru”, ponieważ tak się czuli, ale ponieważ służy ona jako użyteczna analogia. Gluony i kwarki mogą się łączyć, tworząc większe cząsteczki, o ile wszystkie kolory składają się na biel, podobnie jak czerwone, niebieskie i zielone światło tworzą białe światło… Najczęstszą kombinacją są trzy kwarki, po jednym czerwony, zielony, i niebieski. Ale analogia staje się tutaj nieco trudna, ponieważ każdy kwark może mieć przypisany dowolny kolor w dowolnym momencie; liczy się liczba kwarków, aby uzyskać odpowiednie kombinacje. Możesz więc mieć grupy trzech kwarków, aby stworzyć znane protony i neutrony. Możesz również powiązać kwark z jego antykwarkiem, gdzie kolor sam się zlikwiduje (jak w, zielone pary z anty-zielonym, i nie, nie robię tego po prostu, gdy idę), aby zrobić rodzaj cząstki znanej jako mezon.
Ale to nie koniec.
Teoretycznie każda kombinacja kwarków i gluonów, które składają się na biel, jest technicznie dopuszczalna z natury.
Na przykład dwa mezony - każdy z dwoma kwarkami w środku - mogą potencjalnie związać się w coś, co nazywa się tetraquark. A w niektórych przypadkach możesz dodać piąty kwark do mieszanki, wciąż równoważąc wszystkie kolory, nazywając (zgadłeś) pentakwark.
Tetraquark nie musi nawet być technicznie związany w jedną cząsteczkę. Mogą po prostu istnieć blisko siebie, tworząc tak zwaną cząsteczkę hydroniczną.
I jakie to jest szalone: same gluony mogą nawet nie potrzebować kwarka do wytworzenia cząstki. Może po prostu wisieć kula gluonów, względnie stabilna we wszechświecie. Nazywa się je kulkami do klejenia. Zasięg wszystkich możliwych stanów związanych dozwolonych przez silną siłę jądrową nazywa się widmem kwarkonu, a nie jest to nazwa wymyślona przez pisarza serialu Sci-Fi. Istnieją wszelkiego rodzaju szalone potencjalne kombinacje kwarków i gluonów, które mogą istnieć.
Więc oni?
Quark Rainbow
Może.
Fizycy przeprowadzają silne eksperymenty z siłami jądrowymi już od kilku dziesięcioleci, takie jak eksperyment Babera i kilka w Wielkim Zderzaczu Hadronów, powoli przez lata budując coraz wyższe poziomy energii, by coraz głębiej sondować spektrum kwarkonium (i tak masz moje pozwolenie na użycie tego wyrażenia w dowolnym zdaniu lub swobodnej rozmowie, to jest niesamowite). W tych eksperymentach fizycy znaleźli wiele egzotycznych kolekcji kwarków i gluonów. Eksperymentaliści nadają im funkowe nazwy, takie jak χc2 (3930).
Te egzotyczne potencjalne cząstki istnieją tylko przelotnie, ale w wielu przypadkach istnieją ostatecznie. Ale fizycy mają trudności z połączeniem tych krótko wytworzonych cząstek z teoretycznymi, które, jak podejrzewamy, powinny istnieć, takie jak tetrakwarki i kulki kleju.
Problem z nawiązywaniem połączenia polega na tym, że matematyka jest naprawdę trudna. W przeciwieństwie do siły elektromagnetycznej bardzo trudno jest dokonać solidnych prognoz obejmujących silną siłę jądrową. Nie tylko ze względu na skomplikowane interakcje między kwarkami i gluonami. Przy bardzo wysokich energiach siła silnej siły jądrowej faktycznie zaczyna słabnąć, co pozwala na uproszczenie matematyki. Ale przy niższych energiach, takich jak energia potrzebna do połączenia kwarków i gluonów w celu uzyskania stabilnych cząstek, silna siła jądrowa jest w rzeczywistości, bardzo, bardzo silna. Ta zwiększona siła sprawia, że matematyka jest trudniejsza do zrozumienia.
Fizycy teoretyczni opracowali szereg technik mających na celu rozwiązanie tego problemu, ale same techniki są niekompletne lub nieefektywne. Chociaż wiemy, że niektóre z tych egzotycznych stanów w spektrum kwarkonium istnieją, bardzo trudno jest przewidzieć ich właściwości i sygnatury eksperymentalne.
Mimo to fizycy ciężko pracują, jak zawsze. Z biegiem czasu powoli budujemy naszą kolekcję egzotycznych cząstek wytwarzanych w zderzaczach i coraz lepiej przewidujemy, jak powinny wyglądać teoretyczne stany kwarkonu. Mecze powoli się łączą, dając nam pełniejszy obraz tej dziwnej, ale fundamentalnej siły w naszym wszechświecie.
Paul M. Sutter jest astrofizykiem Ohio State University, gospodarzem Zapytaj kosmonautę i Radio kosmicznei autor Twoje miejsce we wszechświecie.
