Močna jedrska sila je, kot ste morda uganili, res zelo močna sila. Tako močan je, da lahko zbere nekaj najtanjših delcev v vesolju zelo dolgo, po možnosti za vedno. Delci, ki jih veže močna sila, tvorijo gradnike našega vsakdanjega sveta: protone in nevtrone. Toda če bi odprli protone ali nevtrone, ne bi našli lepe, preproste razporeditve subatomskih delcev. Namesto tega bi videli gnusne notranjosti morda ene najbolj zapletenih sil v vesolju.
Protoni in nevtroni niso edina stvar, ki jo lahko pripravi močna sila, drugih bolj zapletenih in eksotičnih ureditev pa res ne razumemo. Še več, tudi naša opažanja in poskusi so sami po sebi zelo skopi. Toda fiziki trdo delajo in poskušajo sestaviti vpogled v to temeljno silo narave.
Močna in zapletena
Če želite opisati močno silo, jo je najbolje primerjati s svojim veliko bolj znanim bratrancem, elektromagnetno silo. Z elektromagnetno silo so stvari preproste, enostavne in enostavne; toliko, da so ga znanstveniki v 1900-ih znali večinoma ugotoviti. Z elektromagnetno silo se lahko kateri koli delček pridruži zabavi, če ima lastnost, imenovano električni naboj. Če imate to polnjenje, potem občutite in se odzovete na elektromagnetno silo. In vse vrste delcev vseh trakov in okusov nosijo električni naboj, kot je vaš vrtni sorti elektron.
Drug delec, svetlobni delec (znan tudi kot foton), deluje pri prenosu elektromagnetne sile z enega napolnjenega delca na drugega. Sam foton nima svojega električnega naboja in je brez mase. Potuje s svetlobno hitrostjo, trepeta naprej in nazaj po vesolju, zaradi česar se zgodi elektromagnetizem.
Električni naboj. En sam nosilec elektromagnetne sile. Enostavno, enostavno.
V nasprotju s tem je šest delcev, ki so podvrženi močni jedrski sili. Kot skupina jih poznamo pod imenom kvarki in imajo dovolj čudaška imena, kot so gor, dol, vrh, spodaj, čudno in očarljivo. Da bi občutili in se odzvali na močno jedrsko silo, imajo ti kvarki naboj. Ne gre za električni naboj (čeprav imajo tudi električni naboj in čutijo tudi elektromagnetno silo), ampak zaradi različnih razlogov, zaradi katerih so stvari res zmedene, fiziki temu posebnemu naboju, povezanemu z močno jedrsko silo, rečejo barvni naboj.
Kvarki imajo lahko eno od treh barv, ki se imenujejo rdeča, zelena in modra. Da bi pojasnili, to niso dejanske barve, ampak le oznake, ki jih dodamo tej čudni, nabojni lastnosti.
Torej, kvarki čutijo močno silo, vendar jih nosi cel kup drugih delcev - osem, če smo natančni. Imenujejo jih gluoni in opravljajo zelo veliko delo ... počakaj na to ... lepljenje kvarkov skupaj. Tudi gluoni imajo sposobnost in željo po lastnem barvnem naboju. In imajo maso.
Šest kvarkov, osem gluonov. Kvarki lahko spremenijo svoj barvni naboj, gluoni pa tudi, ker zakaj ne.
Vse to pomeni, da je močna jedrska sila veliko bolj zapletena in zapletena kot njen elektromagnetni bratranec.
Čudno močno
Ok, lagala sem. Fiziki te lastnosti kvarkov in gluonov niso samo poimenovali "barvni naboj", ker so se jim zdeli všeč, temveč zato, ker služi kot uporabna analogija. Gluoni in kvarki se lahko vežejo in tvorijo večje delce, dokler vse barve dodajo beli barvi, tako kot rdeča, modra in zelena svetloba dodajo belo svetlobo ... Najpogostejša kombinacija so trije kvarki, od katerih je vsak rdeč, zelen, in modre barve. Toda analogija je tu nekoliko zapletena, saj ima lahko vsak posamezen kvark katero koli barvo, ki mu je dodeljena kadar koli v vsakem trenutku; Pomembno je število kvarkov, da dobite prave kombinacije. Tako lahko imate skupine po tri kvarke, s katerimi naredite znane protone in nevtrone. Lahko tudi, da se kvark veže s svojim antikvarkom, kjer barva odpove sama s seboj (kot pri zelenih parih z anti-zeleno, in ne, to ne nadomeščam samo, ko grem naprej), da naredim vrsta delcev, znana kot mezon.
Vendar se tu še ne konča.
Teoretično je kakršna koli kombinacija kvarkov in gluonov, ki dodajo belo barvo, tehnično dovoljena v naravi.
Na primer, dva mezona - vsak z dvema kvarkoma v notranjosti - se lahko potencialno vežeta v nekaj, kar imenujemo tetrakvark. V nekaterih primerih lahko mešanici dodate še peto kvarko, ki še vedno uravnoteži vse barve, ki jo imenujete (uganili ste) pentakark.
Tetrakvarka sploh ni treba tehnično povezati v enem samem delcu. Enostavno lahko obstajajo v bližini, zaradi česar se imenuje hidronska molekula.
In kako noro je to: sami gluoni morda ne bi potrebovali kvarke, da bi naredili delce. Preprosto se lahko druži kroglica gluonov, razmeroma stabilna v vesolju. Imenujejo jih glueballs. Obseg vseh možnih zavezanih stanj, ki jih dovoljuje močna jedrska sila, se imenuje spekter kvakonija in to ni ime, ki ga je napisal scenarist TV-oddaje Sci-Fi. Obstajajo najrazličnejše nore potencialne kombinacije kvarkov in gluonov.
Torej?
Quark Rainbow
Mogoče.
Fiziki že nekaj desetletij izvajajo močne poskuse z jedrsko silo, tako kot eksperiment Baber in nekaj na Velikem hadronskem trkalniku, počasi skozi leta gradijo na višjih ravneh energije, da bi se preizkusili globlje in globlje v kvakonijevem spektru (in ja imate moje dovoljenje za uporabo te fraze v katerem koli stavku ali priložnostnem pogovoru, ki ga želite, je to super). V teh poskusih so fiziki našli veliko eksotičnih zbirk kvarkov in gluonov. Eksperimentalisti jim dajejo zabavna imena, kot je χc2 (3930).
Ti eksotični potencialni delci obstajajo le hitro, vendar v mnogih primerih dokončno obstajajo. Toda fiziki težko povežejo te na kratko proizvedene delce s teoretičnimi, za katere sumimo, da bi morali obstajati, kot so tetraverki in lepilne kroglice.
Težava pri navezovanju povezave je, da je matematika res naporna. Za razliko od elektromagnetne sile je zelo težko narediti trdne napovedi, ki vključujejo močno jedrsko silo. Ne gre samo za zapletene interakcije med kvarki in gluoni. Pri zelo visoki energiji moč močne jedrske sile dejansko začne oslabiti, kar matematiki omogoča poenostavitev. Toda pri nižjih energijah, kot je energija, potrebna za povezovanje kvarkov in gluonov, da dobimo stabilne delce, je močna jedrska sila pravzaprav, no, zelo močna. Ta povečana trdnost otežuje matematiko.
Teoretični fiziki so sestavili s kopico tehnik za reševanje tega problema, vendar so same tehnike nepopolne ali neučinkovite. Čeprav vemo, da nekatera od teh eksotičnih stanj v kvarkonijevem spektru obstajajo, je zelo težko napovedati njihove lastnosti in eksperimentalne podpise.
Kljub temu fiziki trdo delajo, kot vedno. Počasi sestavljamo svojo zbirko eksotičnih delcev, proizvedenih v trkih, in pripravljamo boljše in boljše napovedi, kako naj bi izgledala teoretična stanja kvarkonija. Tekme se počasi združujejo, kar nam daje popolnejšo sliko te čudne, a temeljne sile v našem vesolju.
Paul M. Sutter je astrofizik pri Državna univerza Ohio, gostitelj Vprašajte vesoljca in Vesoljski radioin avtorja Vaše mesto v vesolju.
