Сильна ядерна сила, як ви могли здогадатися, справді дуже сильна сила. Вона настільки потужна, що здатна зближувати деякі найдрібніші частинки Всесвіту протягом дуже тривалих періодів, можливо, назавжди. Частинки, пов'язані сильною силою, утворюють будівельні блоки нашого повсякденного світу: протони та нейтрони. Але якби ви розрізали протон або нейтрон, ви не знайшли б приємного, простого розташування субатомних частинок. Натомість ви побачили огидні нутрини, можливо, однієї з найскладніших сил у Всесвіті.
Протони та нейтрони - не єдине, що може зробити сильна сила, але ми не дуже розуміємо інші складніші та екзотичні домовленості. Більше того, навіть наші спостереження та експерименти самі по собі є дуже схематичними. Але фізикам важко працювати, намагаючись зібрати разом розуміння цієї основної сили природи.
Сильний і складний
Щоб описати сильну силу, найкраще порівняти її зі значно більш відомим двоюрідним братом, електромагнітною силою. З електромагнітною силою речі прості, легкі та прості; настільки, що вчені в 1900-х роках змогли здебільшого це зрозуміти. За допомогою електромагнітної сили будь-яка частинка може приєднатися до партії, якщо вона має властивість, яку називають електричним зарядом. Якщо у вас є цей заряд, ви отримуєте відчуття та реагування на електромагнітну силу. І всілякі частинки всіх смуг і ароматів несуть електричний заряд, як ваш електронний садовий електрон.
Інша частинка, легка частинка (також відома як фотон), виконує роботу передачі електромагнітної сили від однієї зарядженої частинки до іншої. Сам фотон не має власного електричного заряду і є безмасштабним. Він подорожує зі швидкістю світла, рухаючись туди-сюди по всесвіту, завдяки чому відбувається електромагнетизм.
Електричний заряд. Єдиний носій електромагнітної сили. Простий, прямолінійний.
На противагу цьому є шість частинок, які підлягають сильній ядерній силі. Як група вони відомі як кварки і мають досить химерні назви, такі як вгору, вниз, зверху, внизу, дивно і чарівність. Щоб відчути і реагувати на сильну ядерну силу, ці кварки мають звинувачення. Це не електричний заряд (хоча вони також мають електричний заряд і також відчувають електромагнітну силу), але з різних причин, які роблять речі справді заплутаними, фізики називають цей спеціальний заряд, пов'язаний із сильною ядерною силою, кольоровим зарядом.
Кварки можуть мати один з трьох кольорів, званий червоним, зеленим та синім. Просто для уточнення, вони не є власне кольорами, а лише етикетками, які ми надаємо цій дивній, властивій для зарядки властивості.
Так, кварки відчувають сильну силу, але це несе цілий ряд інших частинок - вісім, якщо бути точним. Їх називають глюонами, і вони роблять дійсно чудову роботу ... чекайте цього ... склеюючи кварки разом. Також глюони мають здатність та бажання нести свій власний колірний заряд. А вони мають масу.
Шість кварків, вісім глюонів. Кварки можуть змінити свій колірний заряд, і глюони теж - бо чому б ні.
Все це означає, що сильна ядерна сила набагато складніша і складніша, ніж її електромагнітний двоюрідний брат.
Дивно сильний
Гаразд, я збрехав. Фізики не просто називали цю властивість кварків та глюонів "кольоровим зарядом" тому, що їм це подобалося, а тому, що воно служить корисною аналогією. Клуни та кварки можуть з’єднуватися між собою, утворюючи більші частинки до тих пір, поки всі кольори додають до білого, так само, як червоне, синє та зелене світло додають до білого світла ... Найпоширеніша комбінація - три кварки, кожен з яких є червоним, зеленим, і синій. Але аналогія тут стає трохи хитрою, тому що кожен окремий кварк може мати будь-який з кольорів, призначених йому в будь-який момент часу; Що важливо, це кількість кварків для отримання правильних комбінацій. Таким чином, ви можете мати групи з трьох кварків, щоб скласти знайомі протони та нейтрони. Ви також можете зв'язати кварк із його антикваркою, де колір скасовується сам із собою (як, наприклад, зелені пари з антизеленим, і ні, я не просто складаю це, коли йду далі), щоб зробити вид частинок, відомий як мезон.
Але це не закінчується.
Теоретично, будь-яке поєднання кварків та глюонів, що додають до білого, є технічно допустимим в природі.
Наприклад, два мезони - кожен з двома кварками всередині - потенційно можуть зв'язатись у щось, що називається тетракварком. І в деяких випадках ви можете додати до суміші п’яту кварку, все ще врівноважуючи всі кольори, називаючи (ви це здогадалися) пентакваркою.
Тетракварк навіть не повинен бути технічно зв'язаний разом в одній частинці. Вони можуть просто існувати поблизу, роблячи те, що називається гідронічною молекулою.
І як це божевільно: самим глюонам навіть не потрібен кварк, щоб зробити частинку. Тут просто може висіти кулька глюонів, відносно стабільна у Всесвіті. Їх називають клейбовими кульками. Діапазон усіх можливих зв'язаних станів, дозволений сильною ядерною силою, називається спектром кварконію, і це не ім'я, складене сценаристом телешоу Sci-Fi. Існують усілякі шалені потенційні комбінації кварків та глюонів, які просто можуть існувати.
Так вони роблять?
Кварк веселка
Може бути.
Фізики вже протягом декількох десятиліть проводять потужні експерименти з ядерною силою, як експеримент Бейбера та кілька на великому адронному колайдері, повільно роками нарощуючи високі рівні енергії, щоб досліджувати все глибше і глибше спектр кварконію (і так у вас є мій дозвіл використовувати цю фразу в будь-якому реченні або випадковій розмові, яку ви хочете, це приголомшливо) У цих експериментах фізики знайшли багато екзотичних колекцій кварків та глюонів. Експерименталісти дають їм прикольні назви, як χc2 (3930).
Ці екзотичні частинки потенціалу існують лише швидкоплинно, але в багатьох випадках безперечно існують. Але фізикам важко пов’язати ці короткочасні частинки з теоретичними, які ми підозрюємо, що існують, як тетракварки та клейові кульки.
Проблема з підключенням полягає в тому, що математика справді важка. На відміну від електромагнітної сили, дуже важко робити тверді прогнози, що стосуються сильної ядерної сили. Це не лише через складну взаємодію між кварками та глюонами. При дуже високих енергіях сила сильної ядерної сили фактично починає слабшати, що дозволяє математиці спрощуватися. Але при менших енергіях, як енергія, необхідна для з’єднання кварків та глюонів для створення стабільних частинок, сильна ядерна сила насправді, ну, дуже сильна. Ця підвищена сила робить математику складніше розібратися.
Теоретичні фізики придумали купу методів вирішення цієї проблеми, але самі методи є або неповними, або неефективними. Хоча ми знаємо, що деякі з цих екзотичних станів у кварконієвому спектрі існують, передбачити їх властивості та експериментальні підписи дуже важко.
Все-таки фізики наполегливо працюють, як це роблять завжди. Повільно, з часом, ми створюємо свою колекцію екзотичних частинок, вироблених в коллайдерах, і робимо все кращі та більш якісні прогнози щодо того, як повинні виглядати теоретичні стану кварконію. Сірники повільно збираються, даючи нам більш повну картину цієї дивної, але фундаментальної сили у нашому Всесвіті.
Пол М. Саттер є астрофізиком в Державний університет штату Огайо, господар Запитайте космонавта і Космічне радіо, і автор Ваше місце у Всесвіті.
