Há apenas um ano, Peter Higgs e François Engler receberam o Prêmio Nobel por seu trabalho sobre partículas subatômicas. Pode parecer ridículo, mas os cientistas fizeram suas descobertas há meio século, mas até agora elas não receberam grande importância.
Em 1964, mais dois físicos talentosos também apresentaram sua teoria inovadora. No início, ela também atraiu quase nenhuma atenção. Isso é estranho, pois ela descreveu a estrutura dos hádrons, sem a qual nenhuma interação interatômica forte é possível. Era a teoria dos quarks.
O que é isso?
A propósito, o que é um quark? Este é um dos componentes mais importantes do hádron. Importante! Esta partícula tem um "meio" spin, na verdade sendo um férmion. Dependendo da cor (mais sobre isso abaixo), a carga de um quark pode ser igual a um terço ou dois terços da de um próton. Quanto às cores, são seis (gerações de quarks). Eles são necessários para que o princípio de Pauli não seja violado.
Básicodetalhes
Na composição dos hádrons, essas partículas estão localizadas a uma distância que não excede o valor de confinamento. Isso é explicado de forma simples: eles trocam vetores do campo de calibre, ou seja, glúons. Por que o quark é tão importante? O plasma de glúons (saturado com quarks) é o estado da matéria em que todo o universo estava localizado imediatamente após o big bang. Assim, a existência de quarks e glúons é uma confirmação direta de que ele realmente era.
Eles também têm sua própria cor e, portanto, durante o movimento, criam suas cópias virtuais. Assim, à medida que a distância entre os quarks aumenta, a força de interação entre eles aumenta significativamente. Como você pode imaginar, a uma distância mínima, a interação praticamente desaparece (liberdade assintótica).
Assim, qualquer interação forte em hádrons é explicada pela transição de glúons entre quarks. Se falamos de interações entre hádrons, elas são explicadas pela transferência da ressonância do méson pi. Simplificando, indiretamente, tudo novamente se resume à troca de glúons.
Quantos quarks existem em nucleons?
Cada nêutron consiste em um par de quarks d, e até mesmo um único quark u. Cada próton, ao contrário, é composto de um único quark d e um par de quarks u. A propósito, as letras são atribuídas dependendo dos números quânticos.
Vamos explicar. Por exemplo, o decaimento beta é explicado precisamente pela transformação de um quark do mesmo tipo na composição do nucleon em outro. Para deixar mais claro, esse processo pode ser escrito como uma fórmula como esta: d=u + w (isso é decaimento de nêutrons). Respectivamente,próton é escrito por uma fórmula ligeiramente diferente: u=d + w.
A propósito, é este último processo que explica o fluxo constante de neutrinos e pósitrons de grandes aglomerados estelares. Então, na escala do universo, existem poucas partículas tão importantes quanto o quark: o plasma de glúons, como já dissemos, confirma o fato do big bang, e os estudos dessas partículas permitem que os cientistas entendam melhor a própria essência do o mundo em que vivemos.
O que é menor que um quark?
A propósito, em que consistem os quarks? Suas partículas constituintes são preons. Essas partículas são muito pequenas e pouco compreendidas, de modo que ainda hoje não se sabe muito sobre elas. Isso é o que é menor que um quark.
De onde eles vieram?
Até hoje, as duas hipóteses mais comuns da formação de preons: teoria das cordas e teoria de Bilson-Thompson. No primeiro caso, o aparecimento dessas partículas é explicado pelas oscilações das cordas. A segunda hipótese sugere que seu aparecimento é causado por um estado excitado de espaço e tempo.
Curiosamente, no segundo caso, o fenômeno pode ser totalmente descrito usando a matriz de transferência paralela ao longo das curvas da rede de spin. As propriedades dessa mesma matriz predeterminam as do preon. É disso que os quarks são feitos.
Resumindo alguns resultados, podemos dizer que os quarks são uma espécie de "quanta" na composição dos hádrons. Impressionado? E agora vamos falar sobre como o quark foi descoberto em geral. Esta é uma história muito interessante, que, além disso, revela plenamente algumas das nuances descritas acima.
Partículas estranhas
Imediatamente após o fim da Segunda Guerra Mundial, os cientistas começaram a explorar ativamente o mundo das partículas subatômicas, que até então pareciam primitivamente simples (de acordo com essas ideias). Prótons, nêutrons (núcleos) e elétrons formam um átomo. Em 1947, foram descobertos os píons (e sua existência foi prevista em 1935), responsáveis pela atração mútua dos núcleons no núcleo dos átomos. Mais de uma exposição científica foi dedicada a este evento ao mesmo tempo. Os quarks ainda não haviam sido descobertos, mas o momento do ataque ao seu "rastro" estava se aproximando.
Neutrinos ainda não haviam sido descobertos naquela época. Mas sua aparente importância para explicar o decaimento beta dos átomos era tão grande que os cientistas tinham poucas dúvidas de sua existência. Além disso, algumas antipartículas já foram detectadas ou previstas. A única coisa que permaneceu obscura foi a situação dos múons, que se formaram durante o decaimento dos píons e posteriormente passaram para o estado de neutrino, elétron ou pósitron. Os físicos não entendiam para que servia essa estação intermediária.
Infelizmente, um modelo tão simples e despretensioso não sobreviveu por muito tempo ao momento da descoberta das peônias. Em 1947, dois físicos ingleses, George Rochester e Clifford Butler, publicaram um artigo interessante na revista científica Nature. O material para isso foi o estudo dos raios cósmicos por meio de uma câmara de nuvens, durante a qual obtiveram informações curiosas. Em uma das fotografias tiradas durante a observação, um par de rastros com um início comum era claramente visível. Como a discrepância se assemelhava ao V latino, ficou imediatamente claro– a carga dessas partículas é definitivamente diferente.
Os cientistas imediatamente assumiram que esses rastros indicam o fato do decaimento de alguma partícula desconhecida, que não deixou outros vestígios. Os cálculos mostraram que sua massa é de cerca de 500 MeV, que é muito maior do que esse valor para um elétron. Claro, os pesquisadores chamaram sua descoberta de partícula V. No entanto, ainda não era um quark. Esta partícula ainda estava esperando nas asas.
Está apenas começando
Tudo começou com esta descoberta. Em 1949, nas mesmas condições, foi descoberto um vestígio de uma partícula, que deu origem a três píons de uma só vez. Logo ficou claro que ela, assim como a partícula V, são representantes completamente diferentes de uma família composta por quatro partículas. Posteriormente, eles foram chamados K-mesons (kaons).
Um par de kaons carregados tem uma massa de 494 MeV, e no caso de uma carga neutra - 498 MeV. A propósito, em 1947, os cientistas tiveram a sorte de capturar exatamente o mesmo caso muito raro de decaimento de um kaon positivo, mas naquela época eles simplesmente não conseguiam interpretar a imagem corretamente. No entanto, para ser completamente justo, de fato, a primeira observação do kaon foi feita em 1943, mas as informações sobre isso foram quase perdidas no contexto de inúmeras publicações científicas do pós-guerra.
Nova estranheza
E então mais descobertas aguardavam os cientistas. Em 1950 e 1951, pesquisadores da Universidade de Manchester e Melnburg conseguiram encontrar partículas muito mais pesadas que prótons e nêutrons. Novamente não tinha carga, mas decaiu em um próton e um píon. Este último, como se pode entender,carga negativa. A nova partícula foi nomeada Λ (lambda).
Quanto mais o tempo passava, mais perguntas os cientistas tinham. O problema era que novas partículas surgiam exclusivamente de interações atômicas fortes, decaindo rapidamente nos prótons e nêutrons conhecidos. Além disso, sempre apareciam aos pares, nunca houve manifestações únicas. É por isso que um grupo de físicos dos EUA e do Japão sugeriu usar um novo número quântico - estranheza - em sua descrição. De acordo com sua definição, a estranheza de todas as outras partículas conhecidas era zero.
Mais pesquisas
O avanço na pesquisa aconteceu somente após o surgimento de uma nova sistematização de hádrons. A figura mais proeminente nisso foi o israelense Yuval Neaman, que mudou a carreira de um excelente militar para um caminho igualmente brilhante de um cientista.
Ele notou que os mésons e bárions descobertos naquela época decaíram, formando um aglomerado de partículas relacionadas, multipletos. Os membros de cada uma dessas associações têm exatamente a mesma estranheza, mas cargas elétricas opostas. Como as interações nucleares realmente fortes não dependem de cargas elétricas, em todos os outros aspectos as partículas do multipleto parecem gêmeas perfeitas.
Os cientistas sugeriram que alguma simetria natural é responsável pelo aparecimento de tais formações, e logo conseguiram encontrá-la. Acabou sendo uma simples generalização do grupo de spin SU(2), que cientistas de todo o mundo usavam para descrever números quânticos. Aquisomente nessa época já se conheciam 23 hádrons, e seus spins eram iguais a 0, ½ ou uma unidade inteira, portanto não era possível utilizar tal classificação.
Como resultado, dois números quânticos tiveram que ser usados para classificação de uma só vez, devido ao qual a classificação foi significativamente expandida. Assim surgiu o grupo SU(3), que foi criado no início do século pelo matemático francês Elie Cartan. Para determinar a posição sistemática de cada partícula, os cientistas desenvolveram um programa de pesquisa. O quark posteriormente entrou facilmente na série sistemática, o que confirmou a absoluta exatidão dos especialistas.
Novos números quânticos
Então os cientistas tiveram a ideia de usar números quânticos abstratos, que se tornaram hipercarga e spin isotópico. No entanto, estranheza e carga elétrica podem ser tomadas com o mesmo sucesso. Esse esquema foi convencionalmente chamado de Caminho Óctuplo. Isso captura a analogia com o budismo, onde antes de atingir o nirvana, você também precisa passar por oito níveis. No entanto, tudo isso são letras.
Neeman e seu colega, Gell-Mann, publicaram seu trabalho em 1961, e o número de mésons conhecidos não excedeu sete. Mas em seu trabalho, os pesquisadores não tiveram medo de mencionar a alta probabilidade da existência do oitavo méson. No mesmo 1961, sua teoria foi brilhantemente confirmada. A partícula encontrada recebeu o nome de eta meson (letra grega η).
Outras descobertas e experimentos com brilho confirmaram a absoluta exatidão da classificação SU(3). Esta circunstância tornou-se poderosaum incentivo para pesquisadores que descobriram que estão no caminho certo. Até o próprio Gell-Mann já não duvidava da existência de quarks na natureza. Comentários sobre sua teoria não foram muito positivos, mas o cientista tinha certeza de que ele estava certo.
Aqui estão os quarks
Em breve o artigo "Modelo esquemático de bárions e mésons" foi publicado. Nele, os cientistas puderam desenvolver ainda mais a ideia de sistematização, que acabou sendo muito útil. Eles descobriram que SU(3) permite bastante a existência de trigêmeos inteiros de férmions, cuja carga elétrica varia de 2/3 a 1/3 e -1/3, e no tripleto uma partícula sempre tem estranheza diferente de zero. Gell-Mann, já bem conhecido por nós, chamou-os de “partículas elementares de quarks.”
De acordo com as acusações, ele as designou como u, d e s (das palavras inglesas up, down e strange). De acordo com o novo esquema, cada bárion é formado por três quarks ao mesmo tempo. Os mésons são muito mais simples. Eles incluem um quark (esta regra é inabalável) e um antiquark. Só depois disso a comunidade científica tomou conhecimento da existência dessas partículas, às quais nosso artigo é dedicado.
Um pouco mais de fundo
Este artigo, que predeterminou em grande parte o desenvolvimento da física nos próximos anos, tem um histórico bastante curioso. Gell-Mann pensou na existência desse tipo de trigêmeos muito antes de sua publicação, mas não discutiu suas suposições com ninguém. O fato é que suas suposições sobre a existência de partículas com carga fracionária pareciam sem sentido. No entanto, depois de conversar com o eminente físico teórico Robert Serber, ele soube que seu colegatirou exatamente as mesmas conclusões.
Além disso, o cientista fez a única conclusão correta: a existência de tais partículas só é possível se elas não forem férmions livres, mas fizerem parte de hádrons. De fato, neste caso, suas cargas formam um único todo! A princípio, Gell-Mann os chamou de quarks e até os mencionou no MTI, mas a reação de alunos e professores foi muito contida. É por isso que o cientista pensou por muito tempo se deveria apresentar sua pesquisa ao público.
A própria palavra "quark" (um som que lembra o grito dos patos) foi tirada do trabalho de James Joyce. Curiosamente, mas o cientista americano enviou seu artigo para a prestigiosa revista científica européia Physics Letters, pois temia seriamente que os editores da edição americana de Physical Review Letters, semelhantes em termos de nível, não o aceitassem para publicação. A propósito, se você quiser ver pelo menos uma cópia desse artigo, você tem uma estrada direta para o mesmo Museu de Berlim. Não há quarks em sua exposição, mas há uma história completa de sua descoberta (mais precisamente, evidências documentais).
Início da Revolução Quark
Para ser justo, deve-se notar que quase ao mesmo tempo, um cientista do CERN, George Zweig, chegou a uma ideia semelhante. Primeiro, o próprio Gell-Mann foi seu mentor, e depois Richard Feynman. Zweig também determinou a realidade da existência de férmions que tinham cargas fracionárias, apenas os chamou de ases. Além disso, o talentoso físico também considerou os bárions como um trio de quarks e os mésons como uma combinação de quarks.e antiquark.
Simplificando, o aluno repetiu completamente as conclusões de seu professor, e completamente separado dele. Seu trabalho apareceu algumas semanas antes da publicação de Mann, mas apenas como um trabalho "feito em casa" do instituto. No entanto, foi a presença de dois trabalhos independentes, cujas conclusões eram quase idênticas, que imediatamente convenceu alguns cientistas da veracidade da teoria proposta.
Da rejeição à confiança
Mas muitos pesquisadores aceitaram essa teoria longe de ser imediata. Sim, jornalistas e teóricos rapidamente se apaixonaram por ela por sua clareza e simplicidade, mas físicos sérios a aceitaram somente após 12 anos. Não os culpe por serem muito conservadores. O fato é que inicialmente a teoria dos quarks contradizia fortemente o princípio de Pauli, que mencionamos no início do artigo. Se assumirmos que um próton contém um par de quarks u e um único quark d, então o primeiro deve estar estritamente no mesmo estado quântico. Segundo Pauli, isso é impossível.
Foi quando um número quântico adicional apareceu, expresso como uma cor (que também mencionamos acima). Além disso, era completamente incompreensível como as partículas elementares dos quarks interagem umas com as outras em geral, por que suas variedades livres não ocorrem. Todos esses segredos foram muito ajudados a desvendar pela Teoria dos Campos de Calibre, que foi “trazida à mente” apenas em meados dos anos 70. Na mesma época, a teoria dos quarks dos hádrons foi organicamente incluída nela.
Mas acima de tudo, o desenvolvimento da teoria foi travado pela completa ausência de pelo menos alguns experimentos experimentais,o que confirmaria tanto a própria existência quanto a interação dos quarks entre si e com outras partículas. E eles gradualmente começaram a aparecer apenas a partir do final dos anos 60, quando o rápido desenvolvimento da tecnologia tornou possível realizar um experimento com a "transmissão" de prótons por fluxos de elétrons. Foram esses experimentos que permitiram provar que algumas partículas realmente “escondidas” dentro dos prótons, que originalmente eram chamados de partons. Posteriormente, no entanto, eles estavam convencidos de que isso não era nada mais do que um quark verdadeiro, mas isso aconteceu apenas no final de 1972.
Confirmação experimental
Claro, muito mais dados experimentais eram necessários para finalmente convencer a comunidade científica. Em 1964, James Bjorken e Sheldon Glashow (o futuro ganhador do Prêmio Nobel, por sinal) sugeriram que também poderia haver um quarto tipo de quark, que chamaram de charmed.
Foi graças a essa hipótese que já em 1970 os cientistas foram capazes de explicar muitas das esquisitices que foram observadas durante o decaimento de kaons de carga neutra. Quatro anos depois, dois grupos independentes de físicos americanos conseguiram de uma só vez consertar o decaimento do méson, que incluía apenas um quark "encantado", assim como seu antiquark. Não surpreendentemente, este evento foi imediatamente apelidado de Revolução de Novembro. Pela primeira vez, a teoria dos quarks recebeu uma confirmação mais ou menos "visual".
A importância da descoberta é evidenciada pelo fato de que os líderes do projeto, Samuel Ting e Barton Richter, já estãoaceitaram seu Prêmio Nobel por dois anos: este evento se reflete em muitos artigos. Você pode ver alguns deles no original se visitar o Museu de Ciências Naturais de Nova York. Quarks, como já dissemos, são uma descoberta extremamente importante do nosso tempo e, portanto, muita atenção é dada a eles na comunidade científica.
Argumento final
Foi somente em 1976 que os pesquisadores encontraram uma partícula com charme diferente de zero, o D-meson neutro. Esta é uma combinação bastante complexa de um quark encantado e um antiquark u. Aqui, até os adversários mais endurecidos da existência de quarks foram forçados a admitir a correção da teoria, afirmada pela primeira vez há mais de duas décadas. Um dos físicos teóricos mais famosos, John Ellis, chamou o charme de “a alavanca que virou o mundo”.
Logo a lista de novas descobertas incluía um par de quarks especialmente massivos, top e bottom, que poderiam ser facilmente correlacionados com a sistematização SU(3) já aceita na época. Nos últimos anos, os cientistas têm falado sobre a existência dos chamados tetraquarks, que alguns cientistas já apelidaram de "moléculas de hádrons".
Algumas conclusões e conclusões
Você precisa entender que a descoberta e a justificativa científica para a existência dos quarks podem ser seguramente consideradas uma revolução científica. Pode ser considerado o ano de 1947 (em princípio, 1943) como seu início, e seu fim recai sobre a descoberta do primeiro méson "encantado". Acontece que a duração da última descoberta desse nível até hoje é, nada menos, de 29 anos (ou até 32 anos)! E tudo issoo tempo foi gasto não apenas para encontrar o quark! Como o objeto primordial do universo, o plasma de glúons logo atraiu muito mais atenção dos cientistas.
No entanto, quanto mais complexa a área de estudo se torna, mais tempo leva para fazer descobertas realmente importantes. Quanto às partículas que estamos discutindo, ninguém pode subestimar a importância de tal descoberta. Ao estudar a estrutura dos quarks, uma pessoa será capaz de penetrar mais profundamente nos segredos do universo. É possível que somente após um estudo completo deles possamos descobrir como aconteceu o big bang e de acordo com quais leis nosso Universo se desenvolve. De qualquer forma, foi a descoberta deles que possibilitou convencer muitos físicos de que a realidade que nos cerca é muito mais complicada do que as ideias anteriores.
Então você aprendeu o que é um quark. Essa partícula já fez muito barulho no mundo científico, e hoje os pesquisadores estão cheios de esperanças para finalmente revelar todos os seus segredos.
