457

Кварки - кирпичики материи

К началу 60-х годов 20 века, физики располагали целым зоопарком открытых элементарных частиц, подверженных сильному взаимодействию (такие частицы называют адроны и у них есть собственный коллайдер). Этот «зоопарк» насчитывал к тому времени более 100 видов открытых адронов. Почти каждый год открывалась какая-то новая частица, и многим это не нравилось – было очевидно, что открытые частицы не отражали предельный или «фундаментальный» уровень материи. Само слово «фундаментальный» предполагает, что частица не имеет составных частей, иными словами, её нельзя разобрать на части или разделить. Так же многим было очевидно (однако, экспериментально это не было на тот момент подтверждено), что в природе не может быть такого количества фундаментальных строительных блоков или «кирпичиков», если хотите. Поэтому гипотеза о новых фундаментальных частицах, из которых можно строить адроны, казалась вполне правдоподобной.

Кварки - кирпичики материи Квантовая физика, Кварки, Наука, Фундаментальные частицы, Гифка, Длиннопост

До того это всех достало, что в 1964 году аж два физика, американец Ма́рри (Мюррей) Гелл-Ма́н (Murray Gell-Mann) и Джордж Цвейг (George Zweig) независимо друг от друга предложили новую модель, в которой адроны состояли из более мелких составных частей, а уже через год эту модель дополнили и развили.


Если кому интересно, как Гэлл-Манн дошёл до жизни такой, гуглим Eightfold way (Восьмеричный путь). Модель изначально предлагала 3 вида таких кирпичиков, а поскольку Гэлл-Манн в то время перечитывал роман Джеймса Джойса (James Joyce) «Поминки по Финнегану» (в оригинале Finnegans Wake), где в одном из эпизодов чайки кричат “Three quarks for Muster Mark”, слово quark ему приглянулось, вот он и назвал эти частицы кварками.


Четыре года спустя, в 1968 году, в Национальной ускорительной лаборатории SLAC (Стенфорд), операторы безбожно тратили деньги американских налогоплательщиков, развлекаясь тем, что обстреливали ни в чём не повинные протоны хорошенько разогнанными электронами, фотографируя последствия.


Результат экспериментов схематично показан на рисунке ниже – видно, что в ряде случаев электрон пролетал протон насквозь, а в других случаях – отскакивал от каких-то препятствий.

Кварки - кирпичики материи Квантовая физика, Кварки, Наука, Фундаментальные частицы, Гифка, Длиннопост

На самом деле, фотографии столкновений на ускорителях частиц выглядили примерно так (рисунок не от конкретно этого опыта, просто для представления о том, как выглядит результат эксперимента на ускорителе):

Кварки - кирпичики материи Квантовая физика, Кварки, Наука, Фундаментальные частицы, Гифка, Длиннопост

Всё говорило о том, что протон неоднороден и состоит из более мелких частиц. Физики, работающие на SLAC даже не хотели называть открытые ими частицы «кварки», как предлагал Гэлл-Манн. Ричард Фейнман даже придумал для них другое название – «партон» (от part – часть), однако название «кварк» уже закрепилось и сейчас партонами называют все виды составных частей адронов (кварки, анти-кварки и глюоны).


Для того, чтобы расчёты теоретической модели работали, было необходимо немыслимое: «раздробить» заряд электрона, считавшийся до этих пор элементарным (неделимым). Так один тип кварков должен был иметь положительный электрический заряд в 2/3 заряда электрона, а другой – отрицательный заряд в 1/3. Как-то, Гэлл-Манн со своим коллегой Гаральдом Фрицшем обсуждали классификацию кварков и забрели в кафе Baskin-Robbins, где предлагали 31 вкус (flavour) мороженного. Так, благодаря мороженному, типы кварков получили название flavour (изначально – вкус, но в русскоязычной литературе используется термин «аромат»). На всякий случай напомню: ничего общего с реальным вкусом или ароматом кварков данный термин не имеет. Строго говоря, это общее название квантовых чисел (читай — характеристика или свойство), характеризующее тип кварка.


Всего известно о 6 ароматах кварков: верхний (u – up), нижний (d – down), очаровательный (c – charm), странный (s – strange), истинный (t – truth или top) и прелестный (b – beauty или bottom).

Кварки - кирпичики материи Квантовая физика, Кварки, Наука, Фундаментальные частицы, Гифка, Длиннопост

Названия ароматов – причуда учёных. Верхний и нижний ароматы были названы, потому что имели разные верхние и нижние компоненты изоспина (ещё одно из свойств кварков), название «странный» было дано кваркам, которые были обнаружены в «странных частицах», открытых в космических лучах ещё до предложенной кварковой модели. Странным в них было то, что у них был странно-долгая продолжительность жизни. Очаровательный аромат был назван Шелдоном Ли Глэшоу и Джеймсом Бьёркеном, работающими в то время на SLAC, по их словам за «очарование и симметрию, которую он привнёс в субъядерный мир». Названия top и bottom были предложены Хаимом Харари, так как они являются «логическими партнёрами» верхнего и нижнего кварков. Хотя, названия последних двух в англоязычной литературе обычно приводятся как top и bottom, но, чтобы не путать up с top, а down с bottom, в русскоязычных источниках используются названия истинный и прелестный. Truth не прижилось, а вот названием прелестный (beauty) иногда пользуются на ускорителях, когда говорят о них, как о «фабриках красоты» (beauty factories). Что между ними общего? Если смотреть по рядам, то масса растёт слева направо, но все сохраняют электрический заряд и спин. Столбцы на картинке представляют собой т. н. «поколения». Чтобы этот пост не превратился в путеводитель по физике частиц, далее будем касаться только верхнего и нижнего кварков, так как почти вся материя нашей вселенной состоит именно из них.


Кварк – частица очень хрупкая и не может существовать в одиночку. Отдельно кварк может прожить невообразимо малое время – менее 3 × 10⁻²⁴ секунды. Ему просто необходимо общество других кварков. Почему? Дело в том, что кварки любят обмениваться энергией с соседями, для чего постоянно посылают соседям «пакеты» энергии, которые называются глюоны. Если кварк не получит энергии взамен утраченной, он попросту исчезнет. Навание глюон произошло от английского слова glue (клей), и очень точно описывает их суть.

Кварки - кирпичики материи Квантовая физика, Кварки, Наука, Фундаментальные частицы, Гифка, Длиннопост

Глюоны являются переносчиком сильного ядерного взаимодействия – одной из четырёх фундаментальных сил природы (электромагнитной, сильной, слабой и гравитации). Мы все видели результат электромагнитного взаимодействия или гравитации, однако дальность действия сильного взаимодействия очень мала – она проявляется лишь на расстояниях порядка размера атомного ядра. Так почему же она «сильная»? Потому что на расстоянии её действия, она действительно очень сильна. Эта сила склеивает кварки друг с другом, и ещё остаётся достаточно, чтобы склеить вместе протоны и нейтроны в атомном ядре. Собственно, энергия звёзд – энергия термоядерного синтеза, есть ни что иное, как одно из проявлений сильного ядерного взаимодействия.


Эта сила замечательна ещё и тем, что в отличие от электромагнитного, сила которого убывает с расстоянием, сильное взаимодействие до определённого предела становится тем сильнее, чем взаимодействующие частицы дальше друг от друга. Это похоже на пружину (однако, это неверная аналогия, и ниже я объясню почему): чем сильнее ее растягивать, тем сильнее она будет сжиматься и тем больше у нее будет энергии. Чтобы сильнее стягивать кварки, сильное взаимодействие создает новые глюоны. И чем дальше мы их растягиваем, тем больше глюонов создается.


Сильное взаимодействие так же имеет свой заряд (по аналогии с электрическими зарядами в электромагнитизме), но он не электрический, а цветовой. Да, кварки и глюоны все разноцветные. Нет, разумеется, они слишком малы, чтобы иметь цвет в нашем повседневном смысле (их размер на много порядков меньше, чем длины волн видимого цвета). Тем не менее, кварки могут обладать неэлектрическим «зарядом», которому присвоен определённый «цвет». Строго говоря, это ещё одно квантовое число (читай свойство), которым можно охарактеризовать кварк. Вообще, тот же Фейнман назвал идиотами своих коллег-физиков, кто придумал именовать данный вид заряда «цветом», но что поделать, название прижилось, к тому же, изменение цветового заряда у кварков действительно напоминают процесс смешения цветов. Физики раскрасили кварки в три основных цвета (условно: красный, зелёный и синий), а так же дополнили картину «анти-цветами» (анти-красным, анти-зелёным и анти-синим).

Кварки - кирпичики материи Квантовая физика, Кварки, Наука, Фундаментальные частицы, Гифка, Длиннопост

Комбинации цветовых зарядов красный + синий + зелёный, либо анти-красный + анти-синий + анти-зелёный, либо любая пара цвет + анти-цвет дают бесцветный (нулевой цветовой заряд).


Все адроны имеют нулевой цветовой заряд, соответственно, чтобы этого добиться, нужно либо скомбинировать три дополняющих друг друга до нулевого цветовые заряды (красный + синий + зелёный), и тогда получится класс частиц, называемых барионы, либо скомбинировать кварк и анти-кварк, и тогда получится мезон.


Глюоны, испускаемые кварками так же имеют цветной заряд, более того, при выпуске глюона определённого «цвета», сам кварк тоже изменит цвет, так как глюон «унесёт» с собой определённый цветовой компонент. Схематично данный процесс показан на следующей анимации:

Кварки - кирпичики материи Квантовая физика, Кварки, Наука, Фундаментальные частицы, Гифка, Длиннопост

Давайте же разберёмся, почему сила, стягивающая кварки вместе – сильное ядерное взаимодействие, увеличивается при увеличении расстояния – это происходит из-за того, что в пространстве между кварками не происходит квантовых флуктуаций, описанных в предыдущем посте, кварки как бы сдавливает друг с другом под давлением квантовой пены. Это эффект сродни описанному в том же посте эффекту Казимира. Как я уже упомянул выше, сравнение глюонов с пружиной – не совсем верная аналогия, на самом деле кварки сдавливаются вместе внешним давлением квантовых флуктуаций. На анимации красным полем показан усреднённый уровень энергии вокруг двух кварков. Между кварками наблюдается провал.

Кварки - кирпичики материи Квантовая физика, Кварки, Наука, Фундаментальные частицы, Гифка, Длиннопост

Чем дальше расходятся кварки друг с другом, тем больше энергии в виде «глюонов» вкачивается в пространство между ними. Как уже было сказано в другом посте, чтобы создать по-настоящему пустое место, нужно много энергии. Но в какой-то момент энергия этих созданных глюонов становится настолько большой, что выгоднее становится создать новую пару кварк-антикварк, чем продолжать плодить глюоны. Много глюонов исчезает, вместо них появляются кварк и антикварк. В момент появления кварк-антикварковой пары из четырех кварков создаются два мезона, каждый из которых бесцветен. Данное явление получило название Конфайнмент (удержание цвета). По этой же причине, схема протона и нейтрона, на которой обычно показано по три кварка так же неверна. Протон и нейтрон могут содержать какое угодно (нечётное!) число кварков, однако большая часть их – виртуальная (то есть, создана в паре со своим анти-кварком). Самым близким по прадоподобности условным изображением строения протона, что удалось найти, приведено ниже – несколько кварков в квантовой пене (в данном случае – 5, но может быть и 7, 9, 11 – любое нечётное количество, важно лишь, чтобы их суммарный электрический заряд был равен +1, а суммарный цветовой заряд – 0):

Кварки - кирпичики материи Квантовая физика, Кварки, Наука, Фундаментальные частицы, Гифка, Длиннопост

На рисунке видно, что помимо верхнего и нижнего кварков, в данный конкретный миг времени в протоне так же присутствует кварк-антикварк пара виртуальных странных кварков. Через миг они могут исчезнуть, а взамен них может появиться ещё какое-нибудь количество виртуальных пар. Так же виден вакуум, который образовался в пространстве между ними. Глюоны, которыми обмениваются кварки, подавляют флуктуации и окружающая квантовая пена сдавливает кварки друг с другом, что и является проявлением сильного фундаментального взаимодействия.


Так же, будет заблуждением считать, что масса протона или нейтрона есть результат взаимодействия кварков с полем Хиггса. Безусловно, данное взаимодействие даёт им какую-то массу (порядка всего 1%). Остальная масса – энергия. Энергия глюонов, которыми постоянно обмениваются кварки.

Найдены дубликаты

+25

Прочитал, наконец то лучше понял суть термоядерного синтеза и состояние атомов. А то слышал что да из кварков, но без понятия как. Побольше бы таких постов))

+38
Мало что поняла, но интересно
раскрыть ветку 14
+21
Аналогично)
Иллюстрация к комментарию
+6
Я абсолютно ничего, но прочитал каждое слово, очень порадовался тому что тупой, и могу прожить простым чуваком. Но то что делают эти умники это восхитительно, а понимать это наверное ещё охеренней, мне кажется человека должно переть от того что он понимает такие сложные вещи, правда и поговорить в очереди таким людям с нами наверное трудно о работе. Жаль образование в той мере в какой получаем мы далеко от идеала, возможно я бы тоже смог бы в науку настоящую, а не в политех горный)) хотя не, не смог бы я в компьютерных салонах всю подростковую жизнь просрал бы все равно, короче не мы такие-жизнь такая. Стетхем(избранное)
раскрыть ветку 11
+7
В принципе, я и о сиськах могу поговорить, но зачем о них разговаривать? С ними приятнее делать другие вещи.
раскрыть ветку 10
+1

Хотел тоже самое написать, а оно уже написано. какая у нас интересная вселенная!

+13

Ничего не понял, но интересно. Поставлю плюс.

+7

Если призадуматься, то, сидя на стуле, мы попросту шваркаем кварками по кваркам, даже не соприкасаясь с реальной материей. Мы можем только взаимодействовать с материей. Ведь реальное соприкосновение материи, возможно только при больших энергиях (звезда или БАК). Так что мы все, типа, левитируем на атомарном уровне.


Статья интересная. Но, осознать это все, без должной подготовки, достаточно сложно.

раскрыть ветку 5
+17

Вы шаркаете электрическим полем по электрическому полю. Электроны отталкивают друг друга. Реальное соприкосновение материи вредно для здоровья (радиация).

раскрыть ветку 3
+14

Я только чуть-чуть раздвинул атомы тела потерпевшего полем атомов железа и углерода моего ножа. Все так и было, товарищ следователь!

раскрыть ветку 2
0

Шваркаем кварками!

Достойно научного термина...

С зоопарком же прокатило...

+2

Если в протоне может быть любое нечетное количество кварков, то почему его масса постоянна?

раскрыть ветку 15
+5

Я уже писал про массу. Масса - это свойство энергии. Внутри протона может быть много глюонов (читай - энергии, так как глюон не имеет массы), либо пар кварк-антикварк. Их энергия (читай - масса) эквивалентна. 

Вот здесь разбирал: https://pikabu.ru/story/chto_znachit_m_v_formule_e__mc2_6377...

раскрыть ветку 14
+1

Так и я ж о том. Больше кварков - больше глюонов - больше энергии - больше масса?

раскрыть ветку 12
-2
Что такое энергия? Почему возможно перемещение в пространстве?
+1

Меня тут один вопрос заинтересовал. А есть ли статья (ну или даже книжка) где показан разбор от кварков и до Нютоновой физики? Типо - вот вам кварки и их процессы, на которых завязаны атомы на которых ... и вот почему существует гравитация, пускай и без большово углубления в детали. И возможно ли вообще описать подобную модель, или есть много еще неизведонного?

раскрыть ветку 9
+9

Тут есть некоторая проблема - переход из микромира в макромир очень плохо описывается. Ну то есть условно пояснять все через статфиз можно, но напрямую связь констант и законов микромира и макромира, насколько я понимаю, не выводится почти никогда из-за сложности.

Я уже молчу про то, что кварки это, скорее всего, не конец, что теории для релятивистской квантовой гравитации нет, а теория струн и прочие сложные штуки, как нам объяснял человек, связанных с этими исследованиями, вообще не может быть переведена в описание классических процессов...

раскрыть ветку 6
+1
Краткая история времени.стивен Хоукинг.очень советую. И юмор хороший и классно пишет, понятно
раскрыть ветку 1
0

Вообще все переходы уровнем выше или ниже требуют новых правил и законов. Почему так происходит - так и не нашел ответа.

-1

Спасибо за пояснения. Если честно, я программист, и у нас даже безвязные как козалось в универе знания потом сливаются в единую логичецкую цепочку, отсюда и возник вопрос сущеснвует и вообще возможно ли создать подобную цепочку (скорее дерево) в физике.

раскрыть ветку 2
+7
С моей точки зрения, начинать надо с Ньютона, а заканчивать квантмехом. Впрочем, если есть родитель-садист, желающий начать преподавание физики с уравнения Шрёдингера, я бы понаблюдал за этим экспериментом.
раскрыть ветку 1
+3
Иллюстрация к комментарию
+1

Так печально, когда хочется послать ссылку на эту статью друзьям... и понимаешь что поймёт её максимум один из них :( и тот по образованию физик-ядерщик и скорее всего и так всё это знает...

раскрыть ветку 3
+4

Почему печально? Это ведь не "жи-ши пиши с И". Не всем же быть физиками.

раскрыть ветку 2
+1

Ну так это и печально, что вместо познавания мира люди выбирают профессии и такой образ жизни, что они даже разжеванную научнопопулярную статью не поймут =(

раскрыть ветку 1
+1
Что за энергия между кварками? Из чего состоит?
раскрыть ветку 2
0

Ты пост точно читал?

раскрыть ветку 1
0
Я ничерта не понял)
0
cicatrix,
Очень хорошо, апплодирую подаче материала;)
Визуализация тоже на уровне (гиф с обменом глюонами и пионами кайф)
0
Автор, а вы можете отвечать на уточнающие вопросы?
раскрыть ветку 3
+1

Зависит от вопроса. Вы спросите.

раскрыть ветку 2
0

Вопрос возможно глупый, хочется разобраться. В прошлом посте было сказано, что для каждой частицы есть своё квантовое поле, но когда мы рассматриваем взаимодействие частиц, то как будто рассматриваем их на одном поле. И ещё не до конца понятно, что такое квантовая пена

раскрыть ветку 1
0

Вызывайте инквизитора!

0
Разве люди изучающие такие вещи и понимающие это , могут верить в то что толкают религии.
0

Когда обстреливали протоны электронами и некоторые проходили насквозь, откуда они знали, что электрон просто не пролетел мимо?

раскрыть ветку 4
+1

Подробностей эксперимента не знаю. Наверное, прицеливались точно.

раскрыть ветку 3
0

Точное прицеливание вроде как должно противоречить принципу неопределенности?

раскрыть ветку 2
0

Меня однажды как мешком по голове видео Алексея Семихатова об истории открытия кварков оглушило, симметрия SU (3), и как она предсказала их существование. До сих пор под впечатлением хожу от мощи науки и математики. https://www.youtube.com/watch?v=B9vHDHt45iU

0

ТС, такой момент. Получается чем выше энергия столкновения на ускорителе, тем больше элементарных частиц отрывается. Значит пока нам не известно их конечное число. Тогда есть ли вообще конец этому "зоопарку"? Ведь если построят БАК побольше, то откроются еще новые.

раскрыть ветку 4
+1
Всё может быть. Пока нет теории всего, картина не полная.
раскрыть ветку 3
0

Надо ускоритель с трубой по всему экватору.

раскрыть ветку 2
0
Ничерта не понял, а есть еще?
0
Top и bottom? Хм, значит, БДСМ работает даже в микромире...
0

- Получается, что глюоны самые маленькие частицы и все состоит из глюонов?

- Элементарные частицы ведь летят по прямой, откуда спиральки в снимке с коллайдера?

раскрыть ветку 5
+4

- Всё (это материя, иными словами, то, что подвержено сильному взаимодействию) состоит из кварков, а глюоны с определённой точки зрения можно считать потенциальной энергией кварков.

- Спиральки - действия каких-либо сил, скорее всего, элекромагнитных.

раскрыть ветку 4
0

Глупый вопрос наверное, но если все состоит из верхнего и нижнего кварков, то кто нибудь предположил для чего остальные и подскажите как их добыли, если не сложно?

раскрыть ветку 1
0

Ну если кварки потеряв глюоны исчезают, значит наверное можно считать что товарищ выше немного прав.

раскрыть ветку 1
0
раскрыть ветку 2
+5

Ссылка на это видео есть почти под каждым моим постом, я её ждал. Уже традиция.

раскрыть ветку 1
0

А в будуще с помощью чего нибудь из этого зоопарка или еще чего поменьше, мы сможем измерить положение или импульс не влияя на измеряемые частицы ну или почти не влияя? Есть такие предоположения или теории? Например на электрон в опыте Юнга?

0

Эх, нам в школе это рассказывали на физике, приятно было вспомнить)

-1

Хотелось бы спросить, доказано ли всё это? Я имею ввиду кварки глюоны и.д. Или это всего лишь теория?

раскрыть ветку 1
+2

Да, они экспериментально обнаружены. Об этом в самом начале было. В Стенфорде на SLAC

Вот, прям, из первоисточника:

https://www.slac.stanford.edu/pubs/slacpubs/5500/slac-pub-57...

-1
*шкварки
-3
Больной ублюдок
-7

После первой картинки ждал инфу про Кваркомонов и готовился качать все сезоны мультсериала.

А тут опять чертова наука.

раскрыть ветку 1
+3

Так для тебя же тег "Наука" сделали.. Добавь в игнор и не мучай свой мозг.

-19

Что-то какая-то мутная система. Не верю!

раскрыть ветку 5
+12

Вот именно по этому в Боженьку верят соти миллионов, а в квантовую физику сотни тысяч людей. А понимают и того меньше.

раскрыть ветку 4
0

не поэтому. а потому, что от квантовой физики на бытовом уровне толку никакого, а от боженьки - куча пользы. ну там бохнакажет, всё такое.

раскрыть ветку 3
ещё комментарии
Похожие посты
Похожие посты закончились. Возможно, вас заинтересуют другие посты по тегам: