Hace apenas un año, Peter Higgs y François Engler recibieron el Premio Nobel por su trabajo sobre partículas subatómicas. Puede parecer ridículo, pero los científicos hicieron sus descubrimientos hace medio siglo, pero hasta ahora no se les ha dado mucha importancia.
En 1964, otros dos físicos talentosos también presentaron su innovadora teoría. Al principio, ella tampoco atrajo casi ninguna atención. Esto es extraño, ya que describió la estructura de los hadrones, sin los cuales no es posible una fuerte interacción interatómica. Era la teoría de los quarks.
¿Qué es esto?
Por cierto, ¿qué es un quark? Este es uno de los componentes más importantes del hadrón. ¡Importante! Esta partícula tiene un giro "medio", de hecho es un fermión. Dependiendo del color (más sobre esto más adelante), la carga de un quark puede ser igual a un tercio o dos tercios de la de un protón. En cuanto a los colores, hay seis (generaciones de quarks). Son necesarios para que no se viole el principio de Pauli.
Básicodetalles
En la composición de los hadrones, estas partículas se ubican a una distancia que no excede el valor de confinamiento. Esto se explica de forma sencilla: intercambian vectores del campo gauge, es decir, gluones. ¿Por qué es tan importante el quark? El plasma de gluones (saturado de quarks) es el estado de la materia en el que se encontraba todo el universo inmediatamente después del big bang. En consecuencia, la existencia de quarks y gluones es una confirmación directa de que realmente lo era.
También tienen su propio color, y por lo tanto, durante el movimiento, crean sus copias virtuales. En consecuencia, a medida que aumenta la distancia entre los quarks, la fuerza de interacción entre ellos aumenta significativamente. Como puede suponer, a una distancia mínima, la interacción prácticamente desaparece (libertad asintótica).
Así, cualquier interacción fuerte en hadrones se explica por la transición de gluones entre quarks. Si hablamos de interacciones entre hadrones, entonces se explican por la transferencia de resonancia pi-mesón. En pocas palabras, indirectamente, todo se reduce nuevamente al intercambio de gluones.
¿Cuántos quarks hay en los nucleones?
Cada neutrón consta de un par de quarks d e incluso de un solo quark u. Cada protón, por el contrario, está formado por un solo quark d y un par de quarks u. Por cierto, las letras se asignan según los números cuánticos.
Vamos a explicar. Por ejemplo, la desintegración beta se explica precisamente por la transformación de uno del mismo tipo de quarks en la composición del nucleón en otro. Para que quede más claro, este proceso se puede escribir con una fórmula como esta: d=u + w (esto es decaimiento de neutrones). Respectivamente,protón se escribe con una fórmula ligeramente diferente: u=d + w.
Por cierto, es este último proceso el que explica el flujo constante de neutrinos y positrones de los grandes cúmulos estelares. Entonces, en la escala del universo, hay pocas partículas tan importantes como el quark: el plasma de gluones, como ya hemos dicho, confirma el hecho del big bang, y los estudios de estas partículas permiten a los científicos comprender mejor la esencia misma de el mundo en que vivimos.
¿Qué es más pequeño que un quark?
Por cierto, ¿en qué consisten los quarks? Sus partículas constituyentes son los preones. Estas partículas son muy pequeñas y poco conocidas, por lo que aún hoy en día no se sabe mucho sobre ellas. Eso es lo que es más pequeño que un quark.
¿De dónde vienen?
Hasta la fecha, las dos hipótesis más comunes sobre la formación de preones: la teoría de cuerdas y la teoría de Bilson-Thompson. En el primer caso, la aparición de estas partículas se explica por oscilaciones de cuerdas. La segunda hipótesis sugiere que su aparición es causada por un estado de excitación del espacio y el tiempo.
Curiosamente, en el segundo caso, el fenómeno se puede describir completamente utilizando la matriz de transferencia paralela a lo largo de las curvas de la red de espín. Las propiedades de esta misma matriz predeterminan las del preón. De esto están hechos los quarks.
Resumiendo algunos resultados, podemos decir que los quarks son una especie de "cuantos" en la composición de los hadrones. ¿Impresionado? Y ahora hablaremos sobre cómo se descubrió el quark en general. Esta es una historia muy interesante que, además, revela completamente algunos de los matices descritos anteriormente.
Partículas extrañas
Inmediatamente después del final de la Segunda Guerra Mundial, los científicos comenzaron a explorar activamente el mundo de las partículas subatómicas, que hasta entonces parecían primitivamente simples (según esas ideas). Los protones, los neutrones (nucleones) y los electrones forman un átomo. En 1947 se descubrieron los piones (y su existencia se predijo en 1935), que eran los responsables de la atracción mutua de los nucleones en el núcleo de los átomos. Más de una exposición científica se dedicó a este evento a la vez. Los quarks aún no habían sido descubiertos, pero el momento del ataque a su "rastro" estaba cada vez más cerca.
Los neutrinos aún no se habían descubierto en ese momento. Pero su importancia aparente para explicar la desintegración beta de los átomos era tan grande que los científicos tenían pocas dudas sobre su existencia. Además, ya se han detectado o predicho algunas antipartículas. Lo único que quedó sin aclarar fue la situación con los muones, que se formaron durante la desintegración de los piones y posteriormente pasaron al estado de neutrino, electrón o positrón. Los físicos no entendían para qué servía esta estación intermedia.
Ay, un modelo tan simple y sin pretensiones no sobrevivió por mucho tiempo al momento del descubrimiento de las peonías. En 1947, dos físicos ingleses, George Rochester y Clifford Butler, publicaron un interesante artículo en la revista científica Nature. El material para ello fue su estudio de los rayos cósmicos por medio de una cámara de niebla, durante el cual obtuvieron curiosa información. En una de las fotografías tomadas durante la observación, se veía claramente un par de huellas con un comienzo común. Dado que la discrepancia se parecía a la V latina, inmediatamente quedó claro– la carga de estas partículas es definitivamente diferente.
Los científicos supusieron de inmediato que estas huellas indican el hecho de la descomposición de alguna partícula desconocida, que no dejó otras huellas. Los cálculos han demostrado que su masa es de unos 500 MeV, que es mucho mayor que este valor para un electrón. Por supuesto, los investigadores llamaron a su descubrimiento la partícula V. Sin embargo, todavía no era un quark. Esta partícula todavía estaba esperando en las alas.
Recién comienza
Todo comenzó con este descubrimiento. En 1949, en las mismas condiciones, se descubrió un rastro de una partícula que dio lugar a tres piones a la vez. Pronto quedó claro que ella, así como la partícula V, son representantes completamente diferentes de una familia que consta de cuatro partículas. Posteriormente, fueron llamados K-mesones (kaons).
Un par de kaones cargados tienen una masa de 494 MeV, y en el caso de una carga neutra - 498 MeV. Por cierto, en 1947, los científicos tuvieron la suerte de capturar el mismo caso muy raro de la descomposición de un kaon positivo, pero en ese momento simplemente no pudieron interpretar la imagen correctamente. Sin embargo, para ser completamente justos, de hecho, la primera observación del kaon se realizó en 1943, pero la información al respecto casi se perdió en el contexto de numerosas publicaciones científicas de la posguerra.
Nueva rareza
Y luego más descubrimientos esperaban a los científicos. En 1950 y 1951, investigadores de la Universidad de Manchester y Melnburg lograron encontrar partículas mucho más pesadas que los protones y los neutrones. De nuevo no tenía carga, pero se descompuso en un protón y un pión. Este último, como puede entenderse,carga negativa. La nueva partícula se denominó Λ (lambda).
Cuanto más tiempo pasaba, más preguntas tenían los científicos. El problema era que las nuevas partículas surgían exclusivamente de fuertes interacciones atómicas, decayendo rápidamente en los conocidos protones y neutrones. Además, siempre aparecían en parejas, nunca hubo manifestaciones individuales. Es por eso que un grupo de físicos de EE. UU. y Japón sugirieron usar un nuevo número cuántico, la extrañeza, en su descripción. Según su definición, la extrañeza de todas las demás partículas conocidas era cero.
Más investigación
El gran avance en la investigación ocurrió solo después de la aparición de una nueva sistematización de hadrones. La figura más destacada en esto fue el israelí Yuval Neaman, quien cambió la carrera de un destacado militar por la igualmente brillante trayectoria de un científico.
Notó que los mesones y bariones descubiertos en ese momento se descomponen, formando un grupo de partículas relacionadas, multipletes. Los miembros de cada una de estas asociaciones tienen exactamente la misma extrañeza, pero cargas eléctricas opuestas. Dado que las interacciones nucleares realmente fuertes no dependen en absoluto de las cargas eléctricas, en todos los demás aspectos, las partículas del multiplete parecen gemelas perfectas.
Los científicos sugirieron que alguna simetría natural es responsable de la aparición de tales formaciones, y pronto lograron encontrarla. Resultó ser una simple generalización del grupo de espín SU(2), que los científicos de todo el mundo utilizaron para describir los números cuánticos. Aquísolo para ese momento ya se conocían 23 hadrones, y sus espines eran iguales a 0, ½ o una unidad entera, por lo que no era posible utilizar tal clasificación.
Como resultado, se tuvieron que usar dos números cuánticos para la clasificación a la vez, por lo que la clasificación se amplió significativamente. Así apareció el grupo SU(3), que fue creado a principios de siglo por el matemático francés Elie Cartan. Para determinar la posición sistemática de cada partícula en él, los científicos han desarrollado un programa de investigación. Posteriormente, el quark entró fácilmente en la serie sistemática, lo que confirmó la absoluta corrección de los expertos.
Nuevos números cuánticos
Así que a los científicos se les ocurrió la idea de usar números cuánticos abstractos, que se convirtieron en hipercarga y espín isotópico. Sin embargo, la extrañeza y la carga eléctrica se pueden tomar con el mismo éxito. Este esquema se llamaba convencionalmente el Óctuple Sendero. Esto captura la analogía con el budismo, donde antes de alcanzar el nirvana, también debes pasar por ocho niveles. Sin embargo, todo esto son letras.
Neeman y su colega, Gell-Mann, publicaron su trabajo en 1961, y el número de mesones conocidos entonces no superaba los siete. Pero en su trabajo, los investigadores no tuvieron miedo de mencionar la alta probabilidad de la existencia del octavo mesón. En el mismo 1961, su teoría fue brillantemente confirmada. La partícula encontrada se denominó eta mesón (letra griega η).
Otros descubrimientos y experimentos con brillo confirmaron la exactitud absoluta de la clasificación SU(3). Esta circunstancia se ha vuelto poderosaun incentivo para los investigadores que han descubierto que van por el buen camino. Incluso el propio Gell-Mann ya no dudaba de que los quarks existieran en la naturaleza. Las críticas sobre su teoría no fueron demasiado positivas, pero el científico estaba seguro de que tenía razón.
¡Aquí están los quarks
Pronto se publicó el artículo "Modelo esquemático de bariones y mesones". En él, los científicos pudieron desarrollar aún más la idea de sistematización, que resultó ser tan útil. Descubrieron que SU(3) permite la existencia de tripletes completos de fermiones, cuya carga eléctrica varía de 2/3 a 1/3 y -1/3, y en el triplete una partícula siempre tiene una extrañeza distinta de cero. Gell-Mann, ya conocido por nosotros, las llamó “partículas elementales de quarks”.
Según los cargos, los designó como u, d y s (de las palabras inglesas up, down y Strange). De acuerdo con el nuevo esquema, cada barión está formado por tres quarks a la vez. Los mesones son mucho más simples. Incluyen un quark (esta regla es inquebrantable) y un antiquark. Solo después de eso, la comunidad científica se dio cuenta de la existencia de estas partículas, a las que está dedicado nuestro artículo.
Un poco más de fondo
Este artículo, que predeterminó en gran medida el desarrollo de la física en los próximos años, tiene un trasfondo bastante curioso. Gell-Mann pensó en la existencia de este tipo de trillizos mucho antes de su publicación, pero no discutió sus suposiciones con nadie. El hecho es que sus suposiciones sobre la existencia de partículas con carga fraccionaria parecían una tontería. Sin embargo, después de hablar con el eminente físico teórico Robert Serber, se enteró de que su colegallegó exactamente a las mismas conclusiones.
Además, el científico llegó a la única conclusión correcta: la existencia de tales partículas solo es posible si no son fermiones libres, sino que son parte de los hadrones. De hecho, en este caso, ¡sus cargos forman un todo único! Al principio, Gell-Mann los llamó quarks e incluso los mencionó en el MTI, pero la reacción de estudiantes y profesores fue muy contenida. Es por eso que el científico pensó durante mucho tiempo si debería presentar su investigación al público.
La misma palabra "quark" (un sonido que recuerda al grito de los patos) fue tomada de la obra de James Joyce. Curiosamente, el científico estadounidense envió su artículo a la prestigiosa revista científica europea Physics Letters, ya que temía seriamente que los editores de la edición estadounidense de Physical Review Letters, de nivel similar, no lo aceptaran para su publicación. Por cierto, si quieres mirar al menos una copia de ese artículo, tienes un camino directo al mismo Museo de Berlín. No hay quarks en su exposición, pero hay una historia completa de su descubrimiento (más precisamente, evidencia documental).
Comienzo de la revolución de los quarks
Para ser justos, cabe señalar que casi al mismo tiempo, un científico del CERN, George Zweig, tuvo una idea similar. Primero, el propio Gell-Mann fue su mentor, y luego Richard Feynman. Zweig también determinó la realidad de la existencia de fermiones que tenían cargas fraccionarias, solo los llamó ases. Además, el talentoso físico también consideró a los bariones como un trío de quarks y a los mesones como una combinación de quarks.y antiquark.
En pocas palabras, el estudiante repitió completamente las conclusiones de su maestro y se separó por completo de él. Su trabajo apareció incluso un par de semanas antes de la publicación de Mann, pero solo como un trabajo "casero" del instituto. Sin embargo, fue la presencia de dos trabajos independientes, cuyas conclusiones eran casi idénticas, lo que inmediatamente convenció a algunos científicos de la corrección de la teoría propuesta.
Del rechazo a la confianza
Pero muchos investigadores aceptaron esta teoría lejos de ser inmediata. Sí, los periodistas y teóricos se enamoraron rápidamente de él por su claridad y simplicidad, pero los físicos serios lo aceptaron solo después de 12 años. No los culpe por ser demasiado conservadores. El hecho es que inicialmente la teoría de los quarks contradecía fuertemente el principio de Pauli, que mencionamos al comienzo del artículo. Si asumimos que un protón contiene un par de quarks u y un solo quark d, entonces el primero debe estar estrictamente en el mismo estado cuántico. Según Pauli, esto es imposible.
Fue entonces cuando apareció un número cuántico adicional, expresado como un color (que también mencionamos anteriormente). Además, era completamente incomprensible cómo las partículas elementales de los quarks interactúan entre sí en general, por qué no se producen sus variedades libres. Todos estos secretos fueron de gran ayuda para desentrañar la Teoría de los Campos de Calibración, que fue "traído a la mente" solo a mediados de los años 70. Casi al mismo tiempo, la teoría de los quarks de los hadrones se incluyó orgánicamente en él.
Pero sobre todo, el desarrollo de la teoría se vio frenado por la ausencia total de al menos algunos experimentos experimentales,lo que confirmaría tanto la existencia misma como la interacción de los quarks entre sí y con otras partículas. Y gradualmente comenzaron a aparecer solo a fines de los años 60, cuando el rápido desarrollo de la tecnología hizo posible realizar un experimento con la "transmisión" de protones por corrientes de electrones. Fueron estos experimentos los que permitieron probar que algunas partículas realmente se "escondían" dentro de los protones, que originalmente se llamaban partones. Posteriormente, sin embargo, se convencieron de que no se trataba más que de un verdadero quark, pero esto sucedió recién a finales de 1972.
Confirmación experimental
Por supuesto, se necesitaban muchos más datos experimentales para finalmente convencer a la comunidad científica. En 1964, James Bjorken y Sheldon Glashow (el futuro ganador del Premio Nobel, por cierto) sugirieron que también podría haber un cuarto tipo de quark, al que llamaron encantado.
Fue gracias a esta hipótesis que ya en 1970 los científicos pudieron explicar muchas de las rarezas que se observaron durante la desintegración de los kaones con carga neutra. Cuatro años más tarde, dos grupos independientes de físicos estadounidenses lograron corregir a la vez la descomposición del mesón, que incluía solo un quark "encantado", así como su antiquark. No en vano, este evento fue inmediatamente apodado como la Revolución de Noviembre. Por primera vez, la teoría de los quarks recibió una confirmación más o menos "visual".
La importancia del descubrimiento se evidencia por el hecho de que los líderes del proyecto, Samuel Ting y Barton Richter, ya han terminadoaceptaron su Premio Nobel por dos años: este evento se refleja en muchos artículos. Puedes ver algunos de ellos en el original si visitas el Museo de Ciencias Naturales de Nueva York. Los quarks, como ya hemos dicho, son un descubrimiento sumamente importante de nuestro tiempo, y por ello se les presta mucha atención en la comunidad científica.
Argumento final
No fue sino hasta 1976 que los investigadores encontraron una partícula con encanto distinto de cero, el mesón D neutral. Esta es una combinación bastante compleja de un quark encantado y un antiquark u. Aquí, incluso los opositores empedernidos de la existencia de los quarks se vieron obligados a admitir la corrección de la teoría, formulada por primera vez hace más de dos décadas. Uno de los físicos teóricos más famosos, John Ellis, llamó al encanto “la palanca que dio la vuelta al mundo”.
Pronto, la lista de nuevos descubrimientos incluyó un par de quarks especialmente masivos, top y bottom, que podrían correlacionarse fácilmente con la sistematización SU(3) ya aceptada en ese momento. En los últimos años, los científicos han estado hablando de la existencia de los llamados tetraquarks, que algunos científicos ya han denominado "moléculas de hadrones".
Algunas conclusiones y conclusiones
Debe comprender que el descubrimiento y la justificación científica de la existencia de los quarks pueden considerarse con seguridad una revolución científica. Puede considerarse el año 1947 (en principio, 1943) como su inicio, y su final recae en el descubrimiento del primer mesón "encantado". ¡Resulta que la duración del último descubrimiento de este nivel hasta la fecha es, nada menos, de 29 años (o incluso 32 años)! y todo esto¡se dedicó tiempo no solo a encontrar el quark! Como objeto primordial del universo, el plasma de gluones pronto atrajo mucho más la atención de los científicos.
Sin embargo, cuanto más compleja se vuelve el área de estudio, más tiempo lleva hacer descubrimientos realmente importantes. En cuanto a las partículas que estamos discutiendo, nadie puede subestimar la importancia de tal descubrimiento. Al estudiar la estructura de los quarks, una persona podrá penetrar más profundamente en los secretos del universo. Es posible que solo después de un estudio completo de ellos podamos saber cómo ocurrió el big bang y según qué leyes se desarrolla nuestro Universo. En cualquier caso, fue su descubrimiento lo que permitió convencer a muchos físicos de que la realidad que nos rodea es mucho más complicada que las ideas anteriores.
Así que has aprendido lo que es un quark. Esta partícula en un momento hizo mucho ruido en el mundo científico, y hoy los investigadores están llenos de esperanzas de finalmente revelar todos sus secretos.
