Hanya setahun yang lalu, Peter Higgs dan François Engler menerima Hadiah Nobel untuk pekerjaan mereka pada partikel subatom. Ini mungkin tampak konyol, tetapi para ilmuwan membuat penemuan mereka setengah abad yang lalu, tetapi sampai sekarang mereka belum dianggap penting.
Pada tahun 1964, dua fisikawan berbakat juga muncul dengan teori inovatif mereka. Pada awalnya, dia juga hampir tidak menarik perhatian. Ini aneh, karena dia menggambarkan struktur hadron, yang tanpanya tidak mungkin terjadi interaksi interatomik yang kuat. Itu adalah teori quark.
Apa ini?
Omong-omong, apa itu quark? Ini adalah salah satu komponen terpenting dari hadron. Penting! Partikel ini memiliki putaran "setengah", sebenarnya adalah fermion. Tergantung pada warnanya (lebih lanjut tentang itu di bawah), muatan quark bisa sama dengan sepertiga atau dua pertiga dari proton. Adapun warna, ada enam (generasi quark). Itu diperlukan agar prinsip Pauli tidak dilanggar.
Dasardetail
Dalam komposisi hadron, partikel-partikel ini terletak pada jarak yang tidak melebihi nilai kurungan. Ini dijelaskan secara sederhana: mereka bertukar vektor bidang pengukur, yaitu gluon. Mengapa quark begitu penting? Plasma gluon (jenuh dengan quark) adalah keadaan materi di mana seluruh alam semesta terletak segera setelah big bang. Dengan demikian, keberadaan quark dan gluon adalah konfirmasi langsung bahwa dia benar-benar ada.
Mereka juga memiliki warna mereka sendiri, dan oleh karena itu, selama pergerakan, mereka membuat salinan virtual mereka. Dengan demikian, dengan meningkatnya jarak antara quark, gaya interaksi di antara mereka meningkat secara signifikan. Seperti yang Anda duga, pada jarak minimum, interaksi praktis menghilang (kebebasan asimtotik).
Dengan demikian, setiap interaksi kuat dalam hadron dijelaskan oleh transisi gluon antara quark. Jika kita berbicara tentang interaksi antara hadron, maka mereka dijelaskan oleh transfer resonansi pi-meson. Sederhananya, secara tidak langsung, semuanya kembali bermuara pada pertukaran gluon.
Berapa banyak quark dalam nukleon?
Setiap neutron terdiri dari sepasang d-quark, dan bahkan satu u-quark. Sebaliknya, setiap proton terdiri dari satu d-quark dan sepasang u-quark. Omong-omong, huruf ditetapkan tergantung pada bilangan kuantum.
Mari kita jelaskan. Misalnya, peluruhan beta dijelaskan secara tepat oleh transformasi salah satu jenis quark yang sama dalam komposisi nukleon menjadi yang lain. Agar lebih jelas, proses ini dapat ditulis dengan rumus seperti ini: d=u + w (ini adalah peluruhan neutron). Masing-masing,proton ditulis dengan rumus yang sedikit berbeda: u=d + w.
Omong-omong, proses terakhir inilah yang menjelaskan aliran konstan neutrino dan positron dari gugusan bintang besar. Jadi, pada skala alam semesta, hanya ada beberapa partikel yang sama pentingnya dengan quark: plasma gluon, seperti yang telah kami katakan, menegaskan fakta big bang, dan studi tentang partikel-partikel ini memungkinkan para ilmuwan untuk lebih memahami esensi dari dunia tempat kita hidup.
Apa yang lebih kecil dari quark?
Omong-omong, quark terdiri dari apa? Partikel penyusunnya adalah preon. Partikel-partikel ini sangat kecil dan kurang dipahami, sehingga hingga saat ini tidak banyak yang diketahui tentang mereka. Itu yang lebih kecil dari quark.
Dari mana mereka berasal?
Sampai saat ini, dua hipotesis paling umum tentang pembentukan preon: teori string dan teori Bilson-Thompson. Dalam kasus pertama, kemunculan partikel-partikel ini dijelaskan oleh osilasi string. Hipotesis kedua menunjukkan bahwa kemunculannya disebabkan oleh keadaan ruang dan waktu yang tereksitasi.
Menariknya, dalam kasus kedua, fenomena tersebut dapat sepenuhnya dijelaskan menggunakan matriks transfer paralel di sepanjang kurva jaringan spin. Sifat-sifat matriks ini sangat menentukan sifat-sifat untuk preon. Ini terbuat dari apa quark.
Merangkum beberapa hasil, kita dapat mengatakan bahwa quark adalah sejenis "kuanta" dalam komposisi hadron. Terkesan? Dan sekarang kita akan berbicara tentang bagaimana quark ditemukan secara umum. Ini adalah cerita yang sangat menarik, yang, selain itu, mengungkapkan sepenuhnya beberapa nuansa yang dijelaskan di atas.
Partikel aneh
Segera setelah berakhirnya Perang Dunia II, para ilmuwan mulai aktif menjelajahi dunia partikel subatom, yang sampai saat itu tampak sangat sederhana (menurut ide-ide itu). Proton, neutron (nukleon) dan elektron membentuk atom. Pada tahun 1947, pion ditemukan (dan keberadaannya diprediksi pada tahun 1935), yang bertanggung jawab atas daya tarik timbal balik nukleon dalam inti atom. Lebih dari satu pameran ilmiah dikhususkan untuk acara ini pada satu waktu. Quark belum ditemukan, tetapi momen serangan terhadap "jejak" mereka semakin dekat.
Neutrinos belum ditemukan pada saat itu. Tetapi kepentingan nyata mereka dalam menjelaskan peluruhan beta atom begitu besar sehingga para ilmuwan memiliki sedikit keraguan tentang keberadaan mereka. Selain itu, beberapa antipartikel telah terdeteksi atau diprediksi. Satu-satunya hal yang masih belum jelas adalah situasi dengan muon, yang terbentuk selama peluruhan pion dan kemudian diteruskan ke keadaan neutrino, elektron, atau positron. Fisikawan sama sekali tidak mengerti untuk apa stasiun perantara ini.
Sayangnya, model sederhana dan bersahaja seperti itu tidak bertahan lama saat ditemukannya peony. Pada tahun 1947, dua fisikawan Inggris, George Rochester dan Clifford Butler, menerbitkan sebuah artikel menarik di jurnal ilmiah Nature. Bahan untuk itu adalah studi mereka tentang sinar kosmik melalui ruang awan, di mana mereka memperoleh informasi yang menarik. Pada salah satu foto yang diambil selama observasi, terlihat jelas sepasang jejak dengan awal yang sama. Karena perbedaannya menyerupai V Latin, itu segera menjadi jelas– muatan partikel ini pasti berbeda.
Para ilmuwan segera berasumsi bahwa jejak-jejak ini menunjukkan fakta peluruhan beberapa partikel yang tidak diketahui, yang tidak meninggalkan jejak lain. Perhitungan telah menunjukkan bahwa massanya sekitar 500 MeV, yang jauh lebih besar dari nilai ini untuk sebuah elektron. Tentu saja, para peneliti menyebut penemuan mereka sebagai partikel-V. Namun, itu belum menjadi quark. Partikel ini masih menunggu di sayap.
Baru saja dimulai
Semuanya dimulai dengan penemuan ini. Pada tahun 1949, di bawah kondisi yang sama, jejak partikel ditemukan, yang memunculkan tiga pion sekaligus. Segera menjadi jelas bahwa dia, serta partikel-V, adalah perwakilan yang sama sekali berbeda dari keluarga yang terdiri dari empat partikel. Selanjutnya, mereka disebut K-mesons (kaons).
Sepasang kaon bermuatan memiliki massa 494 MeV, dan dalam kasus muatan netral - 498 MeV. Omong-omong, pada tahun 1947, para ilmuwan cukup beruntung untuk menangkap kasus peluruhan kaon positif yang sangat langka, tetapi pada saat itu mereka tidak dapat menafsirkan gambar dengan benar. Namun, agar benar-benar adil, sebenarnya, pengamatan pertama kaon dilakukan pada tahun 1943, tetapi informasi tentang ini hampir hilang dengan latar belakang berbagai publikasi ilmiah pascaperang.
Keanehan baru
Dan kemudian lebih banyak penemuan menunggu para ilmuwan. Pada tahun 1950 dan 1951, peneliti dari Universitas Manchester dan Melnburg berhasil menemukan partikel yang jauh lebih berat dari proton dan neutron. Sekali lagi tidak memiliki muatan, tetapi meluruh menjadi proton dan pion. Yang terakhir, seperti yang dapat dipahami,muatan negatif. Partikel baru tersebut diberi nama (lambda).
Semakin banyak waktu berlalu, semakin banyak pertanyaan yang diajukan para ilmuwan. Masalahnya adalah partikel baru muncul secara eksklusif dari interaksi atom yang kuat, dengan cepat meluruh menjadi proton dan neutron yang diketahui. Selain itu, mereka selalu muncul berpasangan, tidak pernah ada manifestasi tunggal. Itulah sebabnya sekelompok fisikawan dari Amerika Serikat dan Jepang menyarankan untuk menggunakan bilangan kuantum baru - keanehan - dalam deskripsi mereka. Menurut definisi mereka, keanehan dari semua partikel lain yang diketahui adalah nol.
Penelitian lebih lanjut
Terobosan dalam penelitian hanya terjadi setelah munculnya sistematisasi hadron yang baru. Tokoh paling menonjol dalam hal ini adalah Yuval Neaman dari Israel, yang mengubah karier seorang militer yang luar biasa menjadi seorang ilmuwan yang sama cemerlangnya.
Dia memperhatikan bahwa meson dan baryon yang ditemukan pada saat itu meluruh, membentuk sekelompok partikel terkait, kelipatan. Anggota dari setiap asosiasi tersebut memiliki keanehan yang persis sama, tetapi muatan listriknya berlawanan. Karena interaksi nuklir yang sangat kuat tidak bergantung sama sekali pada muatan listrik, dalam semua hal partikel dari kelipatan terlihat seperti kembaran sempurna.
Para ilmuwan menyarankan bahwa beberapa simetri alami bertanggung jawab atas kemunculan formasi semacam itu, dan segera mereka berhasil menemukannya. Ternyata itu adalah generalisasi sederhana dari kelompok spin SU(2), yang digunakan para ilmuwan di seluruh dunia untuk menggambarkan bilangan kuantum. Di Sinihanya pada saat itu 23 hadron sudah diketahui, dan putarannya sama dengan 0, atau unit bilangan bulat, dan oleh karena itu klasifikasi seperti itu tidak mungkin digunakan.
Akibatnya, dua bilangan kuantum harus digunakan untuk klasifikasi sekaligus, karena klasifikasi tersebut diperluas secara signifikan. Ini adalah bagaimana grup SU(3) muncul, yang dibuat pada awal abad oleh ahli matematika Prancis Elie Cartan. Untuk menentukan posisi sistematis setiap partikel di dalamnya, para ilmuwan telah mengembangkan program penelitian. Quark kemudian dengan mudah memasuki deret sistematis, yang mengkonfirmasi kebenaran mutlak dari para ahli.
Bilangan kuantum baru
Jadi, para ilmuwan datang dengan ide untuk menggunakan bilangan kuantum abstrak, yang menjadi hipercharge dan spin isotop. Namun, keanehan dan muatan listrik bisa diambil dengan sukses yang sama. Skema ini secara konvensional disebut Jalan Berunsur Delapan. Ini menangkap analogi dengan agama Buddha, di mana sebelum mencapai nirwana, Anda juga harus melalui delapan tingkat. Namun, semua ini adalah lirik.
Neeman dan rekannya, Gell-Mann, menerbitkan karya mereka pada tahun 1961, dan jumlah meson yang diketahui saat itu tidak melebihi tujuh. Namun dalam pekerjaan mereka, para peneliti tidak takut menyebutkan kemungkinan besar keberadaan meson kedelapan. Pada tahun 1961 yang sama, teori mereka dikonfirmasi dengan cemerlang. Partikel yang ditemukan bernama eta meson (huruf Yunani).
Temuan dan eksperimen lebih lanjut dengan kecerahan menegaskan kebenaran mutlak klasifikasi SU(3). Keadaan ini telah menjadi kuatinsentif bagi para peneliti yang telah menemukan bahwa mereka berada di jalur yang benar. Bahkan Gell-Mann sendiri tidak lagi meragukan keberadaan quark di alam. Ulasan tentang teorinya tidak terlalu positif, tetapi ilmuwan yakin bahwa dia benar.
Inilah quarknya
Segera artikel "Model skema baryon dan meson" diterbitkan. Di dalamnya, para ilmuwan dapat lebih mengembangkan gagasan sistematisasi, yang ternyata sangat berguna. Mereka menemukan bahwa SU(3) cukup memungkinkan adanya triplet utuh fermion, yang muatan listriknya berkisar antara 2/3 hingga 1/3 dan -1/3, dan dalam triplet satu partikel selalu memiliki keanehan bukan nol. Gell-Mann, yang sudah kita kenal, menyebutnya “partikel dasar quark.”
Menurut tuduhan, dia menunjuk mereka sebagai u, d dan s (dari kata bahasa Inggris naik, turun dan aneh). Sesuai dengan skema baru, setiap baryon dibentuk oleh tiga quark sekaligus. Meson jauh lebih sederhana. Mereka termasuk satu quark (aturan ini tidak tergoyahkan) dan sebuah antiquark. Baru setelah itu komunitas ilmiah menyadari keberadaan partikel-partikel ini, yang menjadi tujuan artikel kami.
Latar belakang sedikit lagi
Artikel ini, yang sebagian besar telah menentukan perkembangan fisika untuk tahun-tahun mendatang, memiliki latar belakang yang agak aneh. Gell-Mann memikirkan keberadaan kembar tiga semacam ini jauh sebelum diterbitkan, tetapi tidak mendiskusikan asumsinya dengan siapa pun. Faktanya adalah bahwa asumsinya tentang keberadaan partikel dengan muatan fraksional tampak seperti omong kosong. Namun, setelah berbicara dengan fisikawan teoretis terkemuka Robert Serber, ia mengetahui bahwa rekannyamembuat kesimpulan yang sama persis.
Selain itu, ilmuwan membuat satu-satunya kesimpulan yang benar: keberadaan partikel seperti itu hanya mungkin jika mereka bukan fermion bebas, tetapi merupakan bagian dari hadron. Memang, dalam hal ini, tuduhan mereka membentuk satu kesatuan! Pada awalnya, Gell-Mann menyebut mereka quark dan bahkan menyebutkannya di MTI, tetapi reaksi siswa dan guru sangat tertahan. Itulah sebabnya ilmuwan berpikir lama tentang apakah dia harus menyerahkan penelitiannya ke publik.
Kata "quark" (suara yang mengingatkan pada tangisan bebek) diambil dari karya James Joyce. Anehnya, tetapi ilmuwan Amerika mengirim artikelnya ke jurnal ilmiah bergengsi Eropa, Physics Letters, karena dia sangat khawatir bahwa editor Physical Review Letters edisi Amerika, yang serupa dalam hal level, tidak akan menerimanya untuk diterbitkan. Omong-omong, jika Anda ingin melihat setidaknya salinan artikel itu, Anda memiliki jalan langsung ke Museum Berlin yang sama. Tidak ada quark dalam eksposisinya, tetapi ada sejarah lengkap penemuannya (lebih tepatnya, bukti dokumenter).
Mulai Revolusi Quark
Agar adil, perlu dicatat bahwa hampir pada saat yang sama, seorang ilmuwan dari CERN, George Zweig, memiliki ide yang sama. Pertama, Gell-Mann sendiri adalah mentornya, dan kemudian Richard Feynman. Zweig juga menentukan realitas keberadaan fermion yang memiliki muatan pecahan, hanya disebut as. Selain itu, fisikawan berbakat itu juga menganggap baryon sebagai trio quark, dan meson sebagai kombinasi quark.dan antikuark.
Sederhananya, siswa sepenuhnya mengulangi kesimpulan gurunya, dan benar-benar terpisah darinya. Karyanya muncul bahkan beberapa minggu sebelum publikasi Mann, tetapi hanya sebagai karya "buatan sendiri" dari institut tersebut. Namun, kehadiran dua karya independen, yang kesimpulannya hampir identik, yang segera meyakinkan beberapa ilmuwan tentang kebenaran teori yang diajukan.
Dari penolakan menjadi kepercayaan
Tetapi banyak peneliti menerima teori ini jauh dari segera. Ya, jurnalis dan ahli teori dengan cepat jatuh cinta padanya karena kejelasan dan kesederhanaannya, tetapi fisikawan serius menerimanya hanya setelah 12 tahun. Jangan salahkan mereka karena terlalu konservatif. Faktanya adalah bahwa pada awalnya teori quark sangat bertentangan dengan prinsip Pauli, yang kami sebutkan di awal artikel. Jika kita berasumsi bahwa sebuah proton mengandung sepasang u-quark dan satu d-quark, maka yang pertama harus benar-benar berada dalam keadaan kuantum yang sama. Menurut Pauli, ini tidak mungkin.
Saat itulah nomor kuantum tambahan muncul, dinyatakan sebagai warna (yang juga kami sebutkan di atas). Selain itu, sama sekali tidak dapat dipahami bagaimana partikel dasar quark berinteraksi satu sama lain secara umum, mengapa varietas bebasnya tidak muncul. Semua rahasia ini sangat terbantu untuk diungkap oleh Theory of Gauge Fields, yang "diingat" hanya pada pertengahan tahun 70-an. Sekitar waktu yang sama, teori quark hadrons secara organik termasuk di dalamnya.
Tapi yang terpenting, perkembangan teori terhambat oleh tidak adanya setidaknya beberapa eksperimen eksperimental,yang akan mengkonfirmasi keberadaan dan interaksi quark satu sama lain dan dengan partikel lain. Dan mereka secara bertahap mulai muncul hanya dari akhir tahun 60-an, ketika perkembangan teknologi yang pesat memungkinkan untuk melakukan percobaan dengan "transmisi" proton melalui aliran elektron. Eksperimen inilah yang memungkinkan untuk membuktikan bahwa beberapa partikel benar-benar "tersembunyi" di dalam proton, yang awalnya disebut parton. Selanjutnya, bagaimanapun, mereka yakin bahwa ini tidak lebih dari quark sejati, tetapi ini hanya terjadi pada akhir tahun 1972.
Konfirmasi eksperimental
Tentu saja, lebih banyak data eksperimental diperlukan untuk akhirnya meyakinkan komunitas ilmiah. Pada tahun 1964, James Bjorken dan Sheldon Glashow (omong-omong, calon pemenang Hadiah Nobel) menyarankan bahwa mungkin juga ada jenis kuark keempat, yang mereka sebut terpesona.
Berkat hipotesis inilah pada tahun 1970 para ilmuwan mampu menjelaskan banyak keanehan yang diamati selama peluruhan kaon bermuatan netral. Empat tahun kemudian, dua kelompok fisikawan Amerika independen sekaligus berhasil memperbaiki peluruhan meson, yang hanya mencakup satu quark "terpesona", serta antiquark-nya. Tak heran, peristiwa ini langsung dijuluki Revolusi November. Untuk pertama kalinya, teori quark kurang lebih menerima konfirmasi "visual".
Pentingnya penemuan ini dibuktikan dengan fakta bahwa para pemimpin proyek, Samuel Ting dan Barton Richter, telah menyelesaikanmenerima Hadiah Nobel mereka selama dua tahun: peristiwa ini tercermin dalam banyak artikel. Anda dapat melihat beberapa di antaranya dalam versi aslinya jika Anda mengunjungi Museum Ilmu Pengetahuan Alam New York. Quark, seperti yang telah kami katakan, adalah penemuan yang sangat penting di zaman kita, dan oleh karena itu banyak perhatian diberikan kepada mereka di komunitas ilmiah.
Argumen terakhir
Baru pada tahun 1976 para peneliti menemukan satu partikel dengan pesona yang tidak nol, D-meson yang netral. Ini adalah kombinasi yang cukup kompleks dari satu quark terpesona dan u-antiquark. Di sini, bahkan penentang keras keberadaan quark dipaksa untuk mengakui kebenaran teori, yang pertama kali dinyatakan lebih dari dua dekade lalu. Salah satu fisikawan teoretis paling terkenal, John Ellis, menyebut pesona sebagai "pengungkit yang mengubah dunia".
Segera daftar penemuan baru termasuk sepasang quark yang sangat masif, atas dan bawah, yang dapat dengan mudah dikorelasikan dengan sistematisasi SU(3) yang telah diterima pada saat itu. Dalam beberapa tahun terakhir, para ilmuwan telah berbicara tentang keberadaan yang disebut tetraquark, yang oleh beberapa ilmuwan disebut sebagai "molekul hadron".
Beberapa kesimpulan dan kesimpulan
Anda perlu memahami bahwa penemuan dan pembenaran ilmiah atas keberadaan quark memang dapat dianggap sebagai revolusi ilmiah dengan aman. Itu dapat dianggap sebagai tahun 1947 (pada prinsipnya, 1943) sebagai permulaannya, dan akhirnya jatuh pada penemuan meson "terpesona" pertama. Ternyata durasi penemuan terakhir level ini hingga saat ini, tak kurang, sebanyak 29 tahun (atau bahkan 32 tahun)! Dan semua iniwaktu yang dihabiskan tidak hanya untuk menemukan quark! Sebagai objek primordial di alam semesta, plasma gluon segera menarik lebih banyak perhatian dari para ilmuwan.
Namun, semakin kompleks bidang studi, semakin banyak waktu yang dibutuhkan untuk membuat penemuan yang sangat penting. Adapun partikel yang sedang kita diskusikan, tidak ada yang bisa meremehkan pentingnya penemuan semacam itu. Dengan mempelajari struktur quark, seseorang akan mampu menembus lebih dalam rahasia alam semesta. Ada kemungkinan bahwa hanya setelah mempelajarinya secara lengkap kita dapat mengetahui bagaimana big bang terjadi dan menurut hukum apa alam semesta kita berkembang. Bagaimanapun, penemuan merekalah yang memungkinkan untuk meyakinkan banyak fisikawan bahwa kenyataan di sekitar kita jauh lebih rumit daripada gagasan sebelumnya.
Jadi, Anda telah mempelajari apa itu quark. Partikel ini pada suatu waktu membuat banyak kebisingan di dunia ilmiah, dan hari ini para peneliti penuh harapan untuk akhirnya mengungkapkan semua rahasianya.
