Daya nuklear yang kuat adalah, seperti yang anda mungkin dapati, daya yang sangat kuat sesungguhnya. Ia sangat berkuasa bahawa ia dapat menarik bersama-sama beberapa zarah terkecil di alam semesta untuk tempoh yang sangat panjang, mungkin selama-lamanya. Partikel-partikel yang terikat oleh daya kuat membentuk blok bangunan dunia kita setiap hari: proton dan neutron. Tetapi jika anda memotong proton atau neutron, anda tidak akan mencari susunan zarah subatom yang bagus dan mudah. Sebaliknya anda akan melihat bawaan yang mungkin menjijikkan mungkin salah satu pasukan yang paling kompleks di alam semesta.
Proton dan neutron bukanlah satu-satunya perkara yang dapat dikuatkuasakan oleh kekuatan yang kuat, tetapi kami tidak begitu memahami pengaturan lain yang lebih kompleks dan eksotik. Lebih-lebih lagi, walaupun pemerhatian dan eksperimen kita sendiri sangat samar. Tetapi ahli fizik bekerja keras untuk mencantumkan pandangan tentang kekuatan alam semulajadi ini.
Kuat dan kompleks
Untuk menggambarkan daya kuat, lebih baik untuk membezakannya dengan sepupu yang lebih terkenal, daya elektromagnetik. Dengan kekuatan kuasa elektromagnet mudah, mudah dan mudah; begitu banyak sehingga ahli-ahli sains pada tahun 1900-an dapat kebanyakannya memikirkannya. Dengan kuasa elektromagnet, mana-mana zarah boleh menyertai parti itu selagi ia mempunyai harta yang dipanggil cas elektrik. Sekiranya anda mempunyai caj ini, anda dapat merasa dan bertindak balas terhadap daya elektromagnetik. Dan semua zarah semua jalur dan perisa membawa cas elektrik, seperti elektron pelbagai taman anda.
Satu lagi zarah, zarah cahaya (juga dikenali sebagai foton), melakukan kerja menghantar kuasa elektromagnet dari satu zarah yang dikenakan kepada yang lain. Foton itu sendiri tidak mempunyai caj elektrik sendiri, dan tidak beramai-ramai. Ia bergerak pada kelajuan cahaya, menjulang-julang ke seluruh alam semesta, membuat elektromagnetisme berlaku.
Caj elektrik. Pengangkut tunggal kuasa elektromagnet. Mudah, mudah.
Sebaliknya, terdapat enam zarah yang tertakluk kepada kekuatan nuklear yang kuat. Sebagai satu kumpulan, mereka dikenali sebagai quark dan mempunyai nama-nama yang cukup aneh seperti atas, bawah, atas, bawah, aneh dan pesona. Untuk merasakan dan menanggapi daya nuklear yang kuat, kuark ini mempunyai tanggungjawab mereka sendiri. Ia bukan caj elektrik (walaupun mereka juga mempunyai caj elektrik dan juga merasakan daya elektromagnetik), tetapi untuk pelbagai sebab yang menjadikan perkara-perkara yang benar-benar mengelirukan, ahli fizik memanggil pertuduhan khas ini yang berkaitan dengan daya nuklear yang kuat.
Quarks boleh mempunyai satu daripada tiga warna, dipanggil merah, hijau dan biru. Hanya untuk menjelaskan, mereka bukan warna sebenarnya, tetapi hanya label yang kami berikan kepada harta aneh seperti ini.
Oleh itu, quarks merasakan kekuatan yang kuat, tetapi ia dibawa oleh seluruh zarah lain yang membunuh - lapan, tepat. Mereka dipanggil gluon, dan mereka melakukan pekerjaan yang sangat baik ... tunggu ... menghancurkan kuark bersama-sama. Gluons juga mempunyai keupayaan dan keinginan untuk membawa caj warna mereka sendiri. Dan mereka mempunyai massa.
Enam quark, lapan gluon. Quarks boleh menukar caj warna mereka, dan gluons juga boleh, kerana mengapa tidak.
Ini bermakna bahawa kekuatan nuklear yang kuat adalah jauh lebih rumit dan rumit daripada sepupu elektromagnetiknya.
Sangat aneh
Okay, saya berbohong. Pakar fizikal tidak hanya memanggil harta quark dan gluon ini "caj warna" kerana mereka merasakannya, tetapi kerana ia berfungsi sebagai analogi yang berguna. Gluons dan quark boleh mengikat bersama untuk membentuk zarah yang lebih besar selagi semua warna menambah putih, sama seperti cahaya merah, biru dan hijau menambah cahaya putih ... Kombinasi yang paling biasa adalah tiga quark, satu setiap satu merah, hijau, dan biru. Tetapi analogi mendapat sedikit rumit di sini, kerana setiap quark individu boleh mempunyai mana-mana warna yang diberikan kepadanya pada bila-bila masa dalam masa; Yang penting ialah bilangan kuark untuk mendapatkan kombinasi yang betul. Oleh itu, anda boleh mempunyai kumpulan tiga quark untuk membuat proton dan neutron biasa. Anda juga boleh mengikat quark dengan anti-quarknya, di mana warna dibatalkan dengan sendirinya (seperti dalam, pasangan hijau dengan anti-hijau, dan tidak saya tidak hanya membuat ini ketika saya pergi), untuk membuat jenis zarah yang dikenali sebagai meson.
Tetapi ia tidak berakhir di sana.
Secara teorinya, apa-apa gabungan kuark dan gluon yang menambah sehingga putih secara teknikalnya dibenarkan.
Contohnya, dua meson - masing-masing dengan dua quark di dalamnya - boleh berpotensi bergabung dengan sesuatu yang dipanggil tetraquark. Dan dalam beberapa kes, anda boleh menambah quark kelima pada campuran, masih mengimbangi semua warna, yang dipanggil (anda fikirkan) sebuah pentaquark.
Tetraquark tidak perlu secara teknis diikat bersama dalam satu zarah. Mereka hanya boleh berada berdekatan dengan satu sama lain, menjadikan apa yang dikenali sebagai molekul hidron.
Dan betapa gila ini: Gluons sendiri mungkin tidak memerlukan quark untuk membuat zarah. Di sana hanya ada bola gluon yang melayang, relatif stabil di alam semesta. Mereka dipanggil glueballs. Julat semua negara terikat yang mungkin dibenarkan oleh kuasa nuklear yang kuat dipanggil spektrum quarkonium, dan itu bukan nama yang dibuat oleh seorang penulis TV Sci-Fi. Terdapat pelbagai kombinasi potensi gila kuark dan gluon yang mungkin wujud.
Jadi adakah mereka?
Quark Rainbow
Mungkin.
Fizik telah menjalankan eksperimen tenaga nuklear yang kuat selama beberapa dekad sekarang, seperti Eksperimen Baber dan beberapa di Collider Hadron Besar, perlahan-lahan selama bertahun-tahun membina tahap tenaga yang lebih tinggi untuk menyelidiki lebih mendalam dan mendalam ke spektrum quarkonium (dan ya anda mempunyai izin saya untuk menggunakan frasa itu dalam mana-mana ayat atau perbualan kasual yang anda mahu, itu hebat). Dalam eksperimen ini, ahli fizik telah menemui banyak eksotik quarks dan gluons. Para eksperimental memberi mereka nama funky, seperti χc2 (3930).
Ini zarah-zarah potensi eksotik hanya wujud dengan cepat, tetapi dalam kebanyakan kes ada wujudnya. Tetapi ahli fizik mempunyai masa yang sukar menyambungkan zarah-zarah yang dihasilkan secara ringkas kepada teori-teori yang kita rasa perlu ada, seperti tetraquark dan glueballs.
Masalahnya dengan membuat sambungan adalah matematik sangat sukar. Tidak seperti kuasa elektromagnet, sangat sukar untuk membuat ramalan pepejal yang melibatkan daya nuklear yang kuat. Ia bukan hanya kerana interaksi rumit antara kuark dan gluon. Pada tenaga yang sangat tinggi, kekuatan daya nuklear yang kuat sebenarnya mula melemahkan, membolehkan matematik mudah dipermudahkan. Tetapi pada tenaga yang lebih rendah, seperti tenaga yang diperlukan untuk mengikat quark dan gluon untuk membuat zarah yang stabil, daya nuklear yang kuat sebenarnya, baik, sangat kuat. Ini meningkatkan kekuatan membuat matematik lebih sukar untuk difikirkan.
Ahli fizik teori telah menghasilkan sejumlah teknik untuk menangani masalah ini, tetapi teknik itu sendiri tidak lengkap atau tidak cekap. Walaupun kita tahu bahawa sesetengah negeri eksotik dalam spektrum quarkonium ada, sukar untuk meramalkan sifat dan tanda tangan eksperimen mereka.
Namun, ahli fizik bekerja keras, seperti biasa. Secara perlahan, dari masa ke masa, kami membina koleksi zarah-zarah eksotik kami yang dihasilkan di penjana, dan membuat ramalan yang lebih baik dan lebih baik tentang apa yang dikatakan kuarkor teori teoritis. Pertandingan perlahan-lahan datang bersama-sama, memberikan kita gambaran yang lebih lengkap tentang daya aneh ini tetapi asas dalam alam semesta kita.
Paul M. Sutter adalah ahli astrofizik di The Ohio State University, tuan rumah Tanya Spaceman dan Radio Angkasa, dan pengarang Tempat Anda di Semesta.
