Tugev tuumajõud on, nagu arvata võis, väga tugev jõud. See on nii võimas, et suudab väga pika aja jooksul, võib-olla igavesti, kokku tõmmata mõned universumi pisimad osakesed. Osakesed, mida seob tugev jõud, moodustavad meie igapäevase maailma ehitusplokid: prootonid ja neutronid. Kuid kui te peaksite prootonit või neutronit lahti lõikama, ei leiaks te subatomiliste osakeste kena ja lihtsat paigutust. Selle asemel näeksite võib-olla ühe universumi kõige keerukama jõu vastaseid sisendajaid.
Prootonid ja neutronid pole ainsad asjad, mida tugev jõud suudab teha, kuid me ei saa tegelikult aru teistest keerukamatest ja eksootilisematest paigutustest. Veelgi enam, isegi meie tähelepanekud ja katsed on ise väga visandlikud. Kuid füüsikud teevad palju vaeva, et proovida kokku saada selle loodusliku jõu jõud.
Tugev ja keeruline
Tugeva jõu kirjeldamiseks on kõige parem vastandada see oma palju kuulsama nõo, elektromagnetilise jõuga. Elektromagnetilise jõu abil on asjad lihtsad, hõlpsad ja arusaadavad; nii palju, et 1900. aastate teadlased suutsid selle enamasti välja mõelda. Elektromagnetilise jõu abil saab iga osake parteiga liituda, kui tal on omadus, mida nimetatakse elektrilaenguks. Kui teil on see laeng, saate tunda ja reageerida elektromagnetilisele jõule. Ja igasugused triibud ja maitsed kõikvõimalikud osakesed kannavad elektrilaengut, nagu teie aiasordi elektron.
Teine osake, kerge osake (tuntud ka kui footon), edastab elektromagnetilist jõudu ühelt laetud osakeselt teisele. Fotonil endal pole oma elektrilaengut ja see on massitu. See liigub valguse kiirusel, liikudes edasi-tagasi mööda universumit, pannes elektromagnetilisuse toimuma.
Elektrilaeng. Elektromagnetilise jõu üks kandja. Lihtne, arusaadav.
Seevastu on kuus osakest, mida mõjutab tugev tuumajõud. Rühmana on nad tuntud kui kvargid ja neil on piisavalt pentsikaid nimesid nagu üles, alla, ülevalt, alt, imelikult ja võluvalt. Tugeva tuumajõu tundmiseks ja sellele reageerimiseks on nendel kvarkidel oma laeng. See ei ole elektrilaeng (kuigi neil on ka elektrilaeng ja nad tunnevad ka elektromagnetilist jõudu), kuid erinevatel põhjustel, mis muudavad asjad tõeliselt segaseks, nimetavad füüsikud seda tugeva tuumajõuga seotud erilaengut värvilaenguks.
Kvarke võib olla üks kolmest värvist, mida nimetatakse punaseks, roheliseks ja siniseks. Täpsustuseks, need ei ole tegelikud värvid, vaid lihtsalt sildid, mille anname sellele kummalisele, laadimisele sarnasele omadusele.
Niisiis, kvargid tunnevad tugevat jõudu, kuid kui täpsust tunda, kannab seda terve hulk teisi osakesi - kaheksa. Neid kutsutakse gluoonideks ja nad teevad ära väga suure töö, oodates seda ... karpide liimimist. Samuti juhtub, et gluoonidel on võime ja soov kanda enda värvilaengut. Ja neil on mass.
Kuus kvarki, kaheksa gluoni. Kvargid võivad muuta oma värvilaengut ja ka gluoonid, sest miks mitte.
Kõik see tähendab, et tugev tuumajõud on palju keerukam ja keerukam kui tema elektromagnetiline nõbu.
Imelikult tugevad
Olgu, ma valetasin. Füüsikud ei nimetanud seda kvarkide ja gluoonide omadust lihtsalt "värvilaenguks", sest nad tundsid seda, vaid ka seetõttu, et see on kasulik analoogia. Liimid ja kvargid võivad omavahel siduda suuremate osakeste moodustamiseks, kui kõik värvid moodustavad valge, nii nagu punane, sinine ja roheline tuli lisavad valget valgust… Kõige tavalisem kombinatsioon on kolm kvarki, üks punane, roheline, ja sinine. Kuid analoogia muutub siin pisut keerukaks, sest igal üksikul kvarkil võib olla igal ajal ükskõik milline värv, mis sellele on määratud; oluline on kvarkide arv õigete kombinatsioonide saamiseks. Nii et teil võib olla kolme kvarki rühmi, et teha tuttavaid prootoneid ja neutroneid. Võite ka kvari siduda selle anti-kvarkiga, kus värv kaob iseenesest (nagu rohelistes paarides anti-rohelise värviga ja ei, ma ei moodusta seda lihtsalt mööda minnes), et selline osake, mida nimetatakse mesooniks.
Kuid see ei lõpe sellega.
Teoreetiliselt on kvarkide ja gluoonide mis tahes kombinatsioon, mis moodustab valget värvi, oma olemuselt tehniliselt lubatud.
Näiteks kaks mesooni - mõlemas sees kaks kvarki - võivad potentsiaalselt siduda midagi, mida nimetatakse tetraquarkiks. Ja mõnel juhul saate segule lisada viienda kvargi, tasakaalustades ikkagi kõiki värve, mida nimetatakse (arvasite seda) viisnurka.
Templar ei pea isegi olema tehniliselt seotud ühe osakesega. Nad võivad lihtsalt eksisteerida üksteise lähedal, muutes selle nn hüdrooniliseks molekuliks.
Ja kui hull see asi on: gluoonid ise ei vaja osakese tegemiseks isegi kvarki. Seal võib lihtsalt olla rippuv gluoonide pall, mis on universumis suhteliselt stabiilne. Neid nimetatakse glueballs. Kõigi tuumajõudude poolt võimalike seotud olekute vahemikku kutsutakse kvankooniumi spektriks ja see pole Sci-Fi telesaate kirjutaja nimi. Seal on igasuguseid kvarkide ja gluoonide hullumeelseid potentsiaalseid kombinatsioone, mis lihtsalt võivad olemas olla.
Kas nemad?
Quark Vikerkaar
Võib olla.
Füüsikud on juba mitu aastakümmet korraldanud tugevaid tuumajõueksperimente, nagu näiteks Baberi eksperiment ja mõned Suure Hadroni põrkeseadmes, ehitades aastate jooksul aeglaselt üles kõrgema energiatasandi, et proovida üha sügavamale ja kaugemale kvooriumi spektrisse (ja jah teil on minu luba kasutada seda fraasi mis tahes soovitud lauses või juhuslikus vestluses, see on nii fantastiline). Nendes katsetes on füüsikud leidnud palju eksootilisi kvarkide ja gluoonide kollektsioone. Eksperimentalistid annavad neile funky nimesid, nagu χc2 (3930).
Need eksootilised potentsiaalsed osakesed eksisteerivad ainult põgusalt, kuid eksisteerivad paljudel juhtudel lõplikult. Kuid füüsikutel on keeruline ühendada neid lühidalt toodetud osakesi teoreetiliste osakestega, mille kohta arvame, et need peaksid eksisteerima, nagu näiteks tetrakvaarid ja liimipallid.
Ühenduse loomise probleem on see, et matemaatika on tõesti raske. Erinevalt elektromagnetilisest jõust on tugevat tuumajõudu mõjutavate ennustuste tegemine väga keeruline. Asi pole ainult kvarkide ja gluoonide keerulises koostoimimises. Väga kõrgete energiate korral hakkab tugeva tuumajõu tugevus tegelikult nõrgenema, mis võimaldab matemaatikat lihtsustada. Kuid madalamatel energiatel, näiteks kvarkide ja gluoonide omavaheliseks sidumiseks vajalikuks energiaks stabiilsete osakeste moodustamiseks, on tugev tuumajõud tegelikult, noh, väga tugev. Suurenenud tugevus muudab matemaatika raskemini mõistetavaks.
Teoreetilised füüsikud on selle probleemi lahendamiseks välja pakkunud hulga tehnikaid, kuid tehnikad ise on kas puudulikud või ebaefektiivsed. Kuigi me teame, et mõned neist eksootilistest olekutest on kvakooniumi spektris olemas, on nende omadusi ja katselisi allkirju väga raske ennustada.
Ikka teevad füüsikud kõvasti tööd, nagu nad alati teevad. Aeglaselt ehitame aja jooksul oma kokkupõrgetes toodetud eksootiliste osakeste kollektsiooni ja teeme paremaid ja paremaid ennustusi selle kohta, millised peaksid välja nägema teooriakvooniumi olekud. Mängud tulevad aeglaselt kokku, andes meile täieliku pildi sellest kummalisest, kuid fundamentaalsest jõust meie universumis.
Paul M. Sutter on astrofüüsik juures Ohio Riiklik Ülikool, host Küsi kosmosemehelt ja Kosmoseraadio, ja artikli autor Sinu koht universumis.
