Silná jaderná síla je, jak jste možná uhodli, opravdu velmi silná síla. Je tak silný, že dokáže spojit některé z nejmenších částic ve vesmíru po velmi dlouhou dobu, možná navždy. Částice vázané silnou silou tvoří stavební kameny našeho každodenního světa: protony a neutrony. Ale pokud byste měli otevřít otevřený proton nebo neutron, nenajdete hezké, jednoduché uspořádání subatomových částic. Místo toho byste viděli nechutné vnitřnosti snad jedné z nejsložitějších sil ve vesmíru.
Protony a neutrony nejsou jedinými věcmi, které je silná síla schopna vytvořit, ale ostatním složitějším a exotičtějším uspořádáním opravdu nerozumíme. A co víc, i naše pozorování a experimenty jsou samy o sobě velmi útržkovité. Fyzici však tvrdě pracují a snaží se spojit vhled do této základní síly přírody.
Silný a komplexní
K popisu silné síly je nejlepší ji porovnat s mnohem slavnější sestřenicí, elektromagnetickou silou. S elektromagnetickou silou jsou věci jednoduché, snadné a přímé; natolik, že vědci z roku 1900 to dokázali většinou zjistit. S elektromagnetickou silou se může každá strana připojit ke straně, pokud má vlastnost nazývanou elektrický náboj. Pokud máte tento náboj, pak se budete cítit a reagovat na elektromagnetickou sílu. A nejrůznější částice všech proužků a příchutí nesou elektrický náboj, jako je elektron vaší zahradní odrůdy.
Další částice, světelná částice (známá také jako foton), vykonává práci při přenosu elektromagnetické síly z jedné nabité částice na druhou. Samotný foton nemá vlastní elektrický náboj a je bezhmotný. Cestuje rychlostí světla, pohybuje se sem a tam po celém vesmíru, čímž dochází k elektromagnetismu.
Elektrický náboj. Jediný nosič elektromagnetické síly. Jednoduché, přímočaré.
Naproti tomu existuje šest částic, které podléhají silné jaderné síle. Jako skupina jsou známé jako kvarky a mají dostatečně nepředvídatelné názvy jako nahoru, dolů, nahoru, dole, podivné a kouzlo. Aby cítili silnou jadernou sílu a reagovali na ni, mají tyto kvarky vlastní náboj. Nejedná se o elektrický náboj (ačkoli mají také elektrický náboj a také cítí elektromagnetickou sílu), ale z různých důvodů, které dělají věci opravdu matoucí, fyzici nazývají tento zvláštní náboj spojený se silnou jadernou silou barevným nábojem.
Kvarky mohou mít jednu ze tří barev, které se nazývají červená, zelená a modrá. Abych to vyjasnil, nejedná se o skutečné barvy, ale pouze o štítky, které dáme tomuto podivnému, poplatnému majetku.
Kvarky tak pociťují silnou sílu, ale je to přesně neseno celou řadou dalších částic - osmi. Říkají se tomu gluony a dělají opravdu skvělou práci… počkejte na to ... lepení kvarků dohromady. Gluony také mají schopnost a touhu nést svůj vlastní barevný náboj. A mají hmotnost.
Šest kvarků, osm gluonů. Kvarky mohou změnit svůj barevný náboj a gluony také, protože proč ne.
To vše znamená, že silná jaderná síla je mnohem složitější a složitější než její elektromagnetická sestřenice.
Podivně silná
Dobře, lhal jsem. Fyzikové tuto vlastnost kvarků a gluonů jen nenazvali jako „barevný náboj“, protože se jim to líbilo, ale proto, že slouží jako užitečná analogie. Gluony a kvarky se mohou spojovat a vytvářet větší částice, dokud všechny barvy přidají bílé, stejně jako červené, modré a zelené světlo přidají bílé světlo ... Nejběžnější kombinací jsou tři kvarky, každý červený, zelený, a modrá. Analogie se zde však trochu komplikuje, protože každému jednotlivému kvarku může být v kterémkoli okamžiku přiřazena jakákoli z barev; na čem záleží, je počet kvarků, abychom získali správné kombinace. Takže můžete mít skupiny tří kvarků, abyste vytvořili známé protony a neutrony. Můžete také mít kvarkovou vazbu s jeho anti-kvarkem, kde se barva sama od sebe ruší (jako u zelených párů s anti-zelenou, a ne, nejsem to jen vymýšlet, když jdu spolu), abyste vytvořili druh částice známý jako meson.
Ale nekončí to.
Teoreticky je jakákoli kombinace kvarků a gluonů, které se sčítají do bílé, technicky přípustná.
Například dva mezony - každý se dvěma kvarky uvnitř - se mohou potenciálně spojit do něčeho, co se nazývá tetraquark. A v některých případech můžete do směsi přidat pátý kvark, stále vyvážit všechny barvy, nazývané (uhodli jste), pentaquark.
Tetraquark nemusí být technicky spojen dohromady do jediné částice. Mohou jednoduše existovat blízko sebe a vytvářet takzvanou hydronovou molekulu.
A jak je to bláznivé: Samotné gluony nemusí ani potřebovat kvark, aby vytvořily částici. Může existovat prostě koule gluonů visících ven, relativně stabilní ve vesmíru. Říkají se tomu gluebaly. Rozsah všech možných vázaných stavů, které jsou přípustné silnou jadernou silou, se nazývá kvarkoniové spektrum, a to není jméno vytvořené autorem televizního pořadu Sci-Fi. Existují nejrůznější bláznivé potenciální kombinace kvarků a gluonů, které prostě mohou existovat.
Stejně tak?
Quark Rainbow
Možná.
Fyzici nyní již několik desetiletí provádějí experimenty se silnými jadernými silami, jako je Baberův experiment a několik u Velkého Hadrona Collidera. Pomalu se v průběhu let stavěly na vyšší energetické hladiny, aby prohloubily hlouběji a hlouběji do spektra kvarkonů (a ano máte svolení k použití této věty v jakékoli větě nebo příležitostné konverzaci, kterou chcete, je to úžasné). V těchto experimentech našli fyzici mnoho exotických sbírek kvarků a gluonů. Experti jim dávají funky jména, jako χc2 (3930).
Tyto exotické potenciální částice existují pouze letmo, ale v mnoha případech přesvědčivě existují. Fyzici však mají potíže s propojením těchto stručně vyrobených částic s teoretickými částicemi, o nichž se domníváme, že by měly existovat, jako jsou tetraquark a gluebaly.
Problém s navázáním spojení je v tom, že matematika je opravdu těžká. Na rozdíl od elektromagnetické síly je velmi obtížné provádět spolehlivé předpovědi týkající se silné jaderné síly. Není to jen kvůli komplikovaným interakcím mezi kvarky a gluony. Při velmi vysokých energiích začíná síla silné jaderné síly ve skutečnosti oslabovat, což umožňuje matematiku zjednodušit. Ale při nižších energiích, jako je energie potřebná k svázání kvarků a gluonů k vytvoření stabilních částic, je silná jaderná síla ve skutečnosti, dobře, velmi silná. Tato zvýšená síla dělá matematiku těžší přijít na to.
Teoretičtí fyzici přišli s řadou technik k řešení tohoto problému, ale samotné techniky jsou buď neúplné nebo neefektivní. I když víme, že některé z těchto exotických stavů v kvarkoniovém spektru existují, je velmi obtížné předpovědět jejich vlastnosti a experimentální podpisy.
Fyzici stále tvrdě pracují, jako vždy. Postupem času vytváříme naši sbírku exotických částic produkovaných v srážkách a vytváříme lepší a lepší předpovědi o tom, jak by měly vypadat teoretické stavy kvarkonů. Zápasy se pomalu shromažďují a dávají nám ucelenější obrázek této podivné, ale základní síly v našem vesmíru.
Paul M. Sutter je astrofyzik na Státní univerzita v Ohiu, hostitel Zeptejte se Spacemana a Vesmírné rádio, a autor Vaše místo ve vesmíru.
