Протоны и нейтроны, частицы, образующие ядра атомов, могут показаться очень крошечными. Но ученые говорят, что сами эти субатомные частицы состоят из чего-то еще меньшего размера - частиц, называемых кварками.
" Ну, я думаю, что проще всего утверждать, что кварки являются фундаментальной составляющей материи, всего, что нас окружает", - объясняет Джеффри Уэст. Он физик-теоретик, который основал группу физики высоких энергий в Лос-Аламосской национальной лаборатории, а сейчас является заслуженным профессором Шаннана в Институте Санта-Фе. (Он также является автором бестселлера 2017 года «Масштаб» о том, как математические законы, управляющие структурой и ростом физического мира, применимы к биологической жизни и человеческому обществу.)
Подобно электронам и другим лептонам, кварки, кажется, не имеют никакой структуры и кажутся неделимыми, как объясняет физик элементарных частиц Мельбурнского университета Такаски Кубота в The Conversation.
Кварки настолько малы, что просто невозможно даже попытаться выразить их примерный размер. Профессор физики Университетского колледжа Лондона Джон Баттерворт объяснил, что радиус кварка примерно в 2000 раз меньше радиуса протона, который, в свою очередь, в 2,4 триллиона раз меньше песчинки.
Существование кварков впервые было предложено в 1964 году
Существование кварков было впервые предложено в 1964 году физиком-теоретиком Калифорнийского технологического института Мюрреем Гелл-Манном, одной из ключевых фигур в разработке Стандартной модели физики элементарных частиц. Гелл-Манн, лауреат Нобелевской премии по физике 1969 года, выяснил, что для объяснения свойств протонов и нейтронов необходимо, чтобы они состояли из более мелких частиц. В то же время другой физик из Калифорнийского технологического института, Георг Цвейг, также независимо выступил с этой идеей.
Существование кварков было подтверждено экспериментами, проведенными с 1967 по 1973 год в Стэнфордском центре линейных ускорителей.
Одна из странных особенностей кварков, как объясняет Уэст, заключается в том, что их можно наблюдать, но их нельзя изолировать. «Есть тонкая разница, - говорит он. «Они похожи на электроны в том, что электроны фундаментальны, но с электронами мы можем наблюдать, а также изолировать их. Вы можете указать на электрон. С кварками вы не можете взять один из ядра и положить его на стол и изучить его."
Вместо этого, используя гигантские ускорители частиц, ученые ускоряют электроны и используют их для исследования глубины ядра. Если они проникнут внутрь достаточно глубоко, электроны рассеются на кварках, что можно измерить с помощью очень сложных детекторов. «Мы реконструируем состав мишени, из которого состоят протоны и нейтроны, - говорит Уэст.«Вы видите эти маленькие точечные объекты, которые мы идентифицируем как кварки».
Существует шесть типов кварков
Кварки имеют дробный заряд по сравнению с протонами, которые они образуют. Существует шесть типов кварков, основанных на массе, и у частиц также есть качество, называемое цветом, которое является способом описания того, как сильное взаимодействие удерживает их вместе. Цвет переносится глюонами - своего рода посланниками сильного взаимодействия, связывающего кварки вместе. (Они аналогичны фотонам.)
Группа физиков из Канзасского университета планирует использовать устройство, установленное на Большом адронном коллайдере, массивном ускорителе частиц, расположенном в 17-мильном (27-километровом) туннеле между Францией и Швейцарией, для исследования сильного взаимодействия между кварками и глюонами.
«Идея состоит в том, чтобы лучше понять структуру протона и тяжелых ионов, таких как, например, свинец, и изучить новое явление, называемое насыщением», - Кристоф Ройон, профессор физики Университета Канзаса, который ведет исследование, объясняет в электронном письме.«Когда два протона или два иона сталкиваются при очень высокой энергии, мы чувствительны к их субструктуре - кваркам и глюонам - и мы можем исследовать некоторые области, где плотность глюонов становится очень большой».
«Аналогией может быть метро в Нью-Йорке в часы пик, когда метро полностью перегружено», - продолжает Ройон. «В этом случае глюоны не ведут себя как отдельные личности, а могут проявлять коллективное поведение, как в переполненном метро, если кто-то упадет, все это почувствуют, так как люди так близко друг к другу. протоны или тяжелый ион могут вести себя как твердый объект, как стекло, называемое конденсатом цветного стекла. Это то, что мы хотим увидеть на БАК, а также на будущем электронно-ионном коллайдере в США."
Ройон говорит, что обнаружение доказательства существования этого плотного глюонного материала даст ответ на один из самых больших оставшихся без ответа вопросов о кварках. «Это новое состояние материи, - говорит он.«Некоторые намеки уже появились на Релятивистском коллайдере тяжелых ионов или Большом адронном коллайдере, но пока ничего не известно. Это будет важное открытие, и и Большой адронный коллайдер, и Электронно-ионный коллайдер идеально подходят для того, чтобы это увидеть».
Ученые также задаются вопросом, может ли быть что-то еще меньше, чем кварк. "Напрашивается вопрос, есть ли еще один уровень?" - говорит Уэст. «Мы не знаем ответа на этот вопрос».
Интересно
Гелл-Манн получил название частицы из экспериментального романа Джеймса Джойса 1939 года «Поминки по Финнегану», в котором есть строчка «Три кварка для Марка Мастера!»
Часто задаваемые вопросы
Что такое 7 кварков?
Вверх, вниз, странно, очарование, верх, низ и док.