Снажна нуклеарна сила је, као што можда претпостављате, заиста врло јака сила. Толико је моћан да може да споји неке од најситнијих честица у свемиру веома дуго, вероватно. Честице везане снажном силом формирају грађевинске блокове нашег свакодневног света: протоне и неутроне. Али ако бисте отворили протон или неутрон, не бисте пронашли леп, једноставан распоред субатомских честица. Уместо тога, видели бисте одвратне унутрашњости можда једне од најкомплекснијих сила у универзуму.
Протони и неутрони нису једине ствари које јака сила може да направи, али друге сложеније и егзотичније аранжмане заправо не разумемо. Штавише, чак су и наша опажања и експерименти врло дрски. Али физичари напорно раде покушавајући да сакупе увид у ову основну силу природе.
Снажан и сложен
Да бисмо описали јаку силу, најбоље је да је упоредите са њеним много познатијим рођаком, електромагнетном силом. Помоћу електромагнетне силе ствари су једноставне, једноставне и јасне; толико да су научници из 1900-их могли то углавном да схвате. Помоћу електромагнетске силе, свака честица се може придружити странци све док има својство које се назива електрични набој. Ако имате овај набој, тада ћете осећати и реаговати на електромагнетну силу. А све врсте честица свих пруга и укуса носе електрични набој, попут електрона из ваше баште.
Друга честица, честица светлости (позната и као фотон), делује преношењем електромагнетне силе од једне наелектрисане честице до друге. Сам фотон нема сопствено електрично наелектрисање и нема масу. Путује брзином светлости, летећи напред-назад по свемиру, чинећи се електромагнетизмом.
Наелектрисање. Поједини носач електромагнетне силе. Једноставно, директно.
Супротно томе, постоји шест честица које су подложне јакој нуклеарној сили. Као група, познати су под именом кваркови и имају довољно чудна имена попут горе, доле, врха, дна, чудноће и шарма. Да би осетили и реаговали на снажну нуклеарну силу, ови кваркови имају сопствени набој. То није електрично наелектрисање (мада они такође имају електрично наелектрисање и такође осећају електромагнетну силу), али из различитих разлога који ствари чине збуњујуће, физичари називају ово посебно наелектрисање повезано са јаком нуклеарном силом набојем у боји.
Кваркови могу имати једну од три боје, која се назива црвена, зелена и плава. Само да појаснимо, то нису стварне боје, већ само ознаке које дајемо овом чудном својству налик набоју.
Дакле, кваркови осећају јаку силу, али носи је читав низ других честица - осам, да будемо прецизни. Називају их глуонима и раде сјајан посао ... сачекајте их ... лепите кваркове заједно. Глуони такође имају способност и жељу да носе свој набој у боји. И имају масу.
Шест кваркова, осам глуона. Кваркови могу променити свој набој боје, а глуони такође, јер зашто не.
Све то значи да је снажна нуклеарна сила далеко сложенија и замршенија од свог електромагнетског рођака.
Чудно јаки
Ок, лагала сам. Физичари ово својство кваркова и глуона нису само назвали "набојем боје", јер су осећали да је тако, већ зато што служи као корисна аналогија. Глуони и кваркови се могу повезати и стварати веће честице све док се све боје додају у белу, баш као што црвена, плава и зелена светлост додају белу светлост ... Најчешћа комбинација су три кварка, од којих је сваки црвени, зелени, и плава. Али аналогија овде постаје мало замршена, јер сваки појединачни кварк може имати било коју боју која му је додељена у било којем тренутку; оно што је важно је број кваркова како бисте добили праве комбинације. Тако можете да имате групе од три кварка како бисте направили познате протоне и неутроне. Можете и да се куарк веже са његовим анти-карком, где боја поништава саму себе (као у, зелени парови са анти-греен, и не, ја то не измишљам само док настављам), да бисте направили врста честица позната као месон.
Али ту се не завршава.
Теоретски, свака комбинација кваркова и глуона који се додају белој техници је у природи технички дозвољена.
На пример, два мезона - сваки са два кварка у себи - могу се потенцијално повезати у нешто што се назива тетракварком. А у неким случајевима смеши можете додати и пети кварк, и даље балансирајући све боје, назван (погодили сте) пентакарком.
Тетвруак не мора бити технички везан у једној честици. Једноставно могу постојати у близини, чинећи оно што се назива хидронски молекул.
И колико је ово лудо: Сама глуонима можда чак и не треба кварк да би направили честицу. Једноставно може да се дружи лопта глуона, релативно стабилна у свемиру. Зову их глупим лоптицама. Опсег свих могућих везаних стања која допушта јака нуклеарна сила назива се кваконијумски спектар, а то није име које је написао сценариста ТВ емисије Сци-Фи. Постоје све врсте лудих потенцијалних комбинација кваркова и глуона који управо могу постојати.
Па и они?
Куарк Раинбов
Можда.
Физичари већ неколико деценија изводе снажне експерименте нуклеарне силе, попут Баберовог експеримента и неколико на Великом хадронском сударачу, полако током година градећи све више енергетске нивое да би се испитивало све дубље и дубље у спектар кваконијума (и да имате моју дозволу да користим ту фразу у било којој реченици или случајном разговору који желите, то је сјајно). У тим експериментима, физичари су пронашли бројне егзотичне колекције кваркова и глуона. Експерименталисти им дају чудна имена, попут χц2 (3930).
Ове егзотичне потенцијалне честице постоје само брзо, али у многим случајевима доиста постоје. Али физичарима је тешко повезати ове кратко произведене честице са теоретским за које сумњамо да би требало да постоје, попут тетракуака и глуебаллса.
Проблем са успостављањем везе је тај што је математика заиста тешка. За разлику од електромагнетне силе, веома је тешко направити чврста предвиђања која укључују јаку нуклеарну силу. То није само због компликоване интеракције између кваркова и глуона. При врло високој енергији, снага јаке нуклеарне силе заправо почиње да слаби, омогућавајући математици да се поједностави. Али при нижим енергијама, попут енергије потребне да се споје кваркови и глуони да би се створиле стабилне честице, јака нуклеарна сила је заправо, врло добра. Ова повећана снага чини математику тежом за схватити.
Теоретски физичари смислили су гомилу техника за решавање овог проблема, али саме технике су или непотпуне или неефикасне. Иако знамо да нека од ових егзотичних стања у кварконијумском спектру постоје, веома је тешко предвидети њихова својства и експериментални потпис.
Ипак, физичари напорно раде, као и увек. Полако, с временом, стварамо своју колекцију егзотичних честица произведених у сударачима и правимо све боља и боља предвиђања о томе како би теоријска стања кваконијума требало да изгледају. Утакмице се полако зближавају, што нам даје потпунију слику ове чудне, али фундаменталне силе у нашем универзуму.
Паул М. Суттер је астрофизичар у Државни универзитет у Охају, домаћин Питајте свемира и Свемирски радиои аутора Ваше место у универзуму.
