Силната ядрена сила е, както може би се досещате, наистина много силна сила. Толкова е мощен, че е в състояние да събере някои от най-малките частици във Вселената за много дълги периоди, вероятно завинаги. Частиците, свързани от силната сила, образуват градивните елементи на нашия ежедневен свят: протони и неутрони. Но ако искате да отрежете протон или неутрон, няма да намерите хубаво, просто подреждане на субатомни частици. Вместо това ще видите отвратителните вътрешности на може би една от най-сложните сили във Вселената.
Протоните и неутроните не са единствените неща, които силната сила е в състояние да направи, но всъщност не разбираме другите по-сложни и екзотични условия. Нещо повече, дори нашите наблюдения и експерименти са много схематични. Но физиците се стараят да се опитват да съберат вникване в тази основна сила на природата.
Силни и сложни
За да опишем силната сила, най-добре е да я контрастираме с много по-известния си братовчед, електромагнитната сила. С електромагнитната сила нещата са прости, лесни и ясни; дотолкова, че учените през 1900-те години успяха да го разберат най-вече. С електромагнитната сила всяка частица може да се присъедини към партията, стига да има свойство, наречено електрически заряд. Ако имате това зареждане, тогава ще почувствате и реагирате на електромагнитната сила. И всякакви частици от всички ивици и аромати носят електрически заряд, като вашия градински сорт електрон.
Друга частица, светлинната частица (известна още като фотон), върши работата по предаване на електромагнитна сила от една заредена частица към друга. Самият фотон няма собствен електрически заряд и е без маса. Пътува със скоростта на светлината, преминавайки напред-назад из Вселената, правейки електромагнетизма.
Електрически заряд. Единичен носител на електромагнитната сила. Прост, прям.
За разлика от това има шест частици, които са обект на силната ядрена сила. Като група те са известни като кварки и имат достатъчно странни имена като нагоре, надолу, отгоре, отдолу, странно и очарователно. За да почувстват и да отговорят на силната ядрена сила, тези кваркове имат свой собствен заряд. Това не е електрически заряд (въпреки че те също имат електрически заряд и също усещат електромагнитната сила), но поради различни причини, които правят нещата наистина объркващи, физиците наричат този специален заряд, свързан със силната ядрена сила, цветният заряд.
Кварките могат да имат един от три цвята, наречен червен, зелен и син. Само за да поясня, те не са действителни цветове, а просто етикети, които даваме на тази странна, подобна на зареждане собственост.
И така, кварките усещат силната сила, но тя се носи от цял куп други частици - осем, за да бъдем точни. Наричат ги глуоните и вършат наистина страхотна работа ... изчакайте ... лепенето на кваркове заедно. Случва се и глуоните да имат способността и желанието да носят свой собствен цветен заряд. И те имат маса.
Шест кварка, осем глуона. Кварките могат да променят цвета си заряд, а глуоните също, защото защо не.
Всичко това означава, че силната ядрена сила е много по-сложна и сложна от електромагнитния си братовчед.
Странно силен
Добре, излъгах. Физиците не просто нарекоха това свойство на кваркове и глуони "цветният заряд", защото те се чувстваха като него, а защото той служи като полезна аналогия. Глуоните и кварките могат да се свържат заедно, за да образуват по-големи частици, стига всички цветове да добавят бяла, точно както червената, синята и зелената светлина добавят бяла светлина ... Най-честата комбинация е три кварка, всеки от които е червен, зелен, и синьо. Но аналогията тук става малко сложна, защото всеки отделен кварк може да има всеки от цветовете, присвоени му във всеки момент от време; важното е броят на кварките, за да получите правилните комбинации. Така че можете да имате групи от три кварка, за да направите познатите протони и неутрони. Можете също така да имате свързване на кварк с неговия анти-кварк, където цветът се отменя със самия себе си (както в, зелените двойки с анти-зелено, и не, аз не просто измислям това, докато продължа), за да направите вид частица, известна като мезон.
Но това не свършва дотук.
Теоретично всяка комбинация от кварки и глуони, които добавят бяло, са технически допустими по своята същност.
Например, два мезона - всеки с два кварка вътре в тях - потенциално могат да се свържат в нещо, наречено тетракварк. И в някои случаи можете да добавите пети кварк към сместа, като все още балансирате всички цветове, наречен (познахте го) пентакварк.
Тетракваркът дори не трябва да бъде технически свързан заедно в една частица. Те могат просто да съществуват в близост един до друг, като правят това, което се нарича хидронова молекула.
И колко луд е това: самите глюони може дори да не се нуждаят от кварк, за да направят частица. Просто може да има висяща топка глуони, сравнително стабилна във Вселената. Те се наричат лепила. Обхватът на всички възможни обвързани състояния, допустими от силната ядрена сила, се нарича кваркониев спектър и това не е име, съставено от писател на телевизионно шоу на Sci-Fi. Има всевъзможни луди потенциални комбинации от кварки и глуони, които просто биха могли да съществуват.
Така ли?
Quark Rainbow
Може би.
Физиците провеждат силни експерименти с ядрена сила от доста няколко десетилетия, като експеримента на Бейбър и няколко на Големия адронов колайдер, бавно през годините изграждайки до по-високи енергийни нива, за да пробват все по-дълбоко и по-дълбоко в кваркониевия спектър (и да имате моето разрешение да използвам тази фраза във всяко изречение или случаен разговор, който искате, това е страхотно). В тези експерименти физиците са открили много екзотични колекции от кварки и глуони. Експерименталистите им дават забавни имена, като χc2 (3930).
Тези екзотични потенциални частици съществуват само мимолетно, но в много случаи съществуват категорично. Но на физиците е трудно да свържат тези накратко произведени частици с теоретичните, за които подозираме, че би трябвало да съществуват, като тетракварките и клейбовете.
Проблемът с осъществяването на връзката е, че математиката е наистина твърда. За разлика от електромагнитната сила, много е трудно да се правят солидни прогнози, включващи силна ядрена сила. Не е само заради сложните взаимодействия между кварките и глуоните. При много високи енергии силата на силната ядрена сила всъщност започва да отслабва, което позволява на математиката да се опрости. Но при по-ниски енергии, като енергията, необходима за свързване на кварки и глуони, за да се направят стабилни частици, силната ядрена сила всъщност е, добре, много силна. Тази повишена сила прави математиката по-трудна за намиране.
Теоретичните физици измислиха куп техники за справяне с този проблем, но самите техники са или непълни, или неефективни. Макар да знаем, че някои от тези екзотични състояния в квакониевия спектър съществуват, е много трудно да се предскаже техните свойства и експериментални подписи.
Все пак физиците работят усилено, както винаги правят. Бавно, с течение на времето, ние изграждаме нашата колекция от екзотични частици, произведени в колиери, и правим все по-добри и по-добри прогнози за това как трябва да изглеждат теоретичните състояния на кваркония. Мачовете бавно се събират, което ни дава по-пълна картина на тази странна, но основна сила в нашата Вселена.
Пол М. Сътър е астрофизик в Държавният университет в Охайо, домакин на Попитайте Космонавт и Космическо радиои автор на Вашето място във Вселената.
