Vahva ydinvoima on todellakin erittäin vahva voima, kuten arvata voitte. Se on niin voimakas, että pystyy vetämään yhteen joitain maailmankaikkeuden pienimmistä hiukkasista erittäin pitkiä aikoja, mahdollisesti ikuisesti. Vahvan voiman sitomat hiukkaset muodostavat arkipäivän rakennuspalikoita: protoneja ja neutroneja. Mutta jos leikkaisi protonin tai neutronin auki, et löytäisi mukavaa, yksinkertaista järjestelyä alaatomisista hiukkasista. Sen sijaan näet ehkä maailmankaikkeuden monimutkaisimpien voimien inhottavat sisäpiirimallit.
Protonit ja neutronit eivät ole ainoita asioita, joita vahva voima pystyy tekemään, mutta emme oikeastaan ymmärrä muita monimutkaisempia ja eksoottisempia järjestelyjä. Edelleen, jopa havainnomme ja kokeilumme ovat itse hyvin luonnollisia. Mutta fyysikot tekevät kovaa työtä yrittäessään koota näkemyksiä tähän luonnon perustavoimaan.
Vahva ja monimutkainen
Voimakkaan voiman kuvaamiseksi on parasta verrata sitä sen paljon kuuluisampaan serkkuun, sähkömagneettiseen voimaan. Sähkömagneettisella voimalla asiat ovat yksinkertaisia, helppoja ja selkeitä; niin paljon, että 1900-luvun tutkijat pystyivät enimmäkseen selvittämään sen. Sähkömagneettisella voimalla mikä tahansa hiukkanen voi liittyä puolueeseen, kunhan sillä on ominaisuus, jota kutsutaan sähkövaraukseksi. Jos sinulla on tämä varaus, sinun täytyy tuntea sähkömagneettinen voima ja vastata siihen. Ja kaikenlaisissa hiukkasissa, kaikissa raidoissa ja makuissa on sähkövaraus, kuten puutarhalajielektroni.
Toinen hiukkanen, kevyt hiukkanen (tunnetaan myös nimellä fotoni), siirtää sähkömagneettista voimaa varautuneesta hiukkasesta toiseen. Itse fotonilla ei ole omaa sähkövarausta, ja se on massaton. Se kulkee valon nopeudella, vilkkuu edestakaisin maailmankaikkeuden läpi, jolloin sähkömagneettisuus tapahtuu.
Sähkövaraus. Yksi sähkömagneettisen voiman kantaja. Yksinkertainen, suoraviivainen.
Sitä vastoin kuudessa hiukkasessa on voimakas ydinvoima. Ryhmänä heidät tunnetaan kvarkeina ja niillä on riittävän omituisia nimiä, kuten ylös, alas, ylhäältä, alhaalta, outoja ja viehättäviä. Voidakseen tuntea voimakkaan ydinvoiman ja reagoida siihen, näillä kvarkeilla on oma vastuunsa. Se ei ole sähkövaraus (vaikka heillä on myös sähkövaraus ja he myös tuntevat sähkömagneettisen voiman), mutta eri syistä, jotka tekevät asioista todella hämmentäviä, fyysikot kutsuvat tätä voimakkaaseen ydinvoimaan liittyvää erityistä varausta värivaraukseksi.
Kvarkeilla voi olla yksi kolmesta väristä, nimeltään punainen, vihreä ja sininen. Vain selventämiseksi, ne eivät ole todellisia värejä, vaan vain tarroja, jotka annamme tälle omituiselle, lataukselle.
Joten kvarkit tuntevat voimakkaan voiman, mutta sitä kuljettaa kokonainen joukko muita hiukkasia - tarkalleen kahdeksan. Niitä kutsutaan gluoneiksi, ja he tekevät todella hienoa työtä… odottaa sitä… liimaten kvarkeja yhteen. Myös gluoneilla on kyky ja halu kantaa omaa värivaraustaan. Ja heillä on massa.
Kuusi kvarkkia, kahdeksan gluonia. Kvarkit voivat muuttaa värivaraustaan, ja myös gluonit, koska miksi ei.
Kaikki tämä tarkoittaa, että voimakas ydinvoima on paljon monimutkaisempi ja monimutkaisempi kuin sen sähkömagneettinen serkku.
Oudon vahva
Okei, valehdin. Fyysikot eivät kutsuneet tätä kvarkkien ja gluonien ominaisuutta vain "värisävyksi", koska he tunsivat siitä, vaan koska se toimii hyödyllisenä analogiana. Gluonit ja kvarkit voivat sitoutua toisiinsa muodostaen suurempia hiukkasia, kunhan kaikki värit muodostavat valkoisen, samoin kuin punainen, sininen ja vihreä valo lisäävät valkoista valoa… Yleisin yhdistelmä on kolme kvarkkia, yksi kumpikin punainen, vihreä, ja sininen. Mutta analogia muuttuu tässä hieman hankalaksi, koska jokaisella yksittäisellä kvarkilla voi olla mikä tahansa sille osoitettu väri milloin tahansa; Tärkeää on kvarkkien lukumäärä oikeiden yhdistelmien saamiseksi. Joten sinulla voi olla kolmen kvarkin ryhmiä tuttujen protonien ja neutronien valmistamiseksi. Voit myös saada kvarkin sitoutumaan anti-kvarkin kanssa, jossa väri loppuu itsestään (kuten vihreissä parissa anti-vihreän kanssa, enkä minä en vain tee tätä, kun menen pitkin), jotta sellainen hiukkas, joka tunnetaan nimellä meson.
Mutta se ei lopu siihen.
Teoreettisesti kaikki kvarkkien ja gluonien yhdistelmät, jotka lisäävät valkoista, ovat teknisesti sallittuja luonteeltaan.
Esimerkiksi kaksi mesonia - joissa molemmissa on kaksi kvarkkia sisällä - voivat mahdollisesti sitoutua yhteen niin kutsuttuun tetrakvarkkiin. Ja joissain tapauksissa voit lisätä viidennen kvarkin sekoitukseen tasapainottaen kaikki värit, nimeltään (arvasit sen) viiden merkkisarkan.
Tetramarkin ei tarvitse edes olla teknisesti sidottu yhteen hiukkasiin. Ne voivat yksinkertaisesti esiintyä lähellä toisiaan, mikä tekee siitä, jota kutsutaan hydroniseksi molekyyliksi.
Ja kuinka hullu tämä on: gluonit itse eivät ehkä tarvitse edes kvarkkia hiukkasen tekemiseksi. Liikkeessä voi olla vain gluonipallo, joka on suhteellisen vakaa maailmankaikkeudessa. Niitä kutsutaan glueballs. Kaikkien mahdollisten sitoutuneiden tilojen välistä aluetta, jonka voimakas ydinvoima sallii, kutsutaan quarkonium-spektriksi, eikä se ole Sci-Fi-tv-kirjoittajan laatima nimi. On olemassa kaikenlaisia hulluja potentiaalisia kvarkkien ja gluonien yhdistelmiä, joita vain voi olla.
Joten he?
Quark Rainbow
Voi olla.
Fyysikot ovat jo suorittaneet voimakkaita ydinvoimakokeita jo melko muutaman vuosikymmenen ajan, kuten Baber-kokeilu ja muutama isossa Hadron-törmäyksessä, rakentaen hitaasti vuosien aikana korkeampia energiatasoja koettaaksesi syvemmälle ja syvemmälle quarkonium-spektriin (ja kyllä sinulla on lupa käyttää tätä ilmausta missä tahansa lauseessa tai satunnaisessa keskustelussa, se on niin mahtavaa). Näissä kokeissa fyysikot ovat löytäneet monia eksoottisia kokoelmia kvarkeista ja gluoneista. Kokeilijat antavat heille outoja nimiä, kuten χc2 (3930).
Nämä eksoottiset potentiaaliset hiukkaset esiintyvät vain ohimenevästi, mutta esiintyvät monissa tapauksissa lopullisesti. Mutta fyysikoilla on vaikea yhdistää näitä lyhytaikaisesti tuotettuja hiukkasia teoreettisiin hiukkasiin, joiden epäilemme olevan olemassa, kuten tetrakvarkit ja liimapallot.
Yhteyden muodostamisessa on ongelma, että matematiikka on todella kovaa. Toisin kuin sähkömagneettinen voima, on erittäin vaikea tehdä vakaita ennusteita, joihin liittyy voimakas ydinvoima. Se ei johdu vain kvarkkien ja gluonien monimutkaisesta vuorovaikutuksesta. Hyvin korkeilla energioilla voimakkaan ydinvoiman voimakkuus alkaa heikentyä, mikä mahdollistaa matematiikan yksinkertaistamisen. Mutta alemmilla energioilla, kuten energialla, joka tarvitaan kvarkkien ja gluonien sitomiseen, jotta saadaan stabiileja hiukkasia, vahva ydinvoima on oikeasti, hyvin, erittäin vahva. Tämä lisääntynyt lujuus tekee matematiikasta vaikeamman selvittää.
Teoreettiset fyysikot ovat keksineet joukon tekniikoita tämän ongelman ratkaisemiseksi, mutta itse tekniikat ovat joko puutteellisia tai tehottomia. Vaikka tiedämme, että joitain näistä eksoottisista tiloista on quarkonium-spektrissä, on hyvin vaikea ennustaa niiden ominaisuuksia ja kokeellisia allekirjoituksia.
Silti fyysikot työskentelevät ahkerasti, kuten aina. Hitaasti ajan myötä rakennamme kollidereissa tuotettujen eksoottisten hiukkasten kokoelmaamme ja teemme parempia ja parempia ennusteita siitä, millaisten teoreettisten kvarkoniumien tulee näyttää. Ottelut tulevat hitaasti yhteen, jolloin saadaan täydellisempi kuva tästä omituisesta, mutta perustavasta voimasta universumissamme.
Paul M. Sutter on astrofysiikka Ohion osavaltion yliopisto, isäntä Kysy avaruusasemalta ja Avaruusradio, ja kirjoittaja Paikkasi maailmankaikkeudessa.
