Протоны и нейтроны, частицы, которые образуют ядра атомов, могут показаться очень маленькими. Но ученые говорят, что сами эти субатомные частицы состоят из чего-то еще меньшего — частиц, называемых кварками.
«Ну, я думаю, что самый простой способ сказать, что кварки — это фундаментальная составляющая материи, всего, что нас окружает», — объясняет Джеффри Уэст.
Он физик-теоретик, основавший группу по физике высоких энергий в Лос-Аламосской национальной лаборатории, а сейчас является заслуженным профессором Шэннана в Институте Санта-Фе. (Он также является автором бестселлера 2017 года «Масштаб» о том, как математические законы, регулирующие структуру и рост физического мира, применяются к биологической жизни и человеческому обществу.)
Подобно электронам и другим лептонам, кварки, похоже, не имеют какой-либо структуры и кажутся неделимыми, как объяснил физик частиц Мельбурнского университета Такаски Кубота в «Беседе».
Кварки настолько крошечные, что даже попытка выразить их предполагаемый размер ошеломляет. Профессор физики Лондонского колледжа в Лондоне Джон Баттеруорт объяснил, что радиус кварка примерно в 2000 раз меньше радиуса протона, который, в свою очередь, в 2,4 триллиона раз меньше песчинки.
Существование кварков впервые предложено в 1964 году
Существование кварков было впервые предложено в 1964 году физиком-теоретиком Калифорнийского технологического института Марри Гелл-Манном, одной из ключевых фигур в разработке стандартной модели физики элементарных частиц. Гелл-Манн, лауреат Нобелевской премии по физике 1969 года, выяснил, что для объяснения свойств протонов и нейтронов необходимо, чтобы они состояли из более мелких частиц. В то же время, другой физик из CalTech, Джордж Цвейг, также независимо от Гелл-Манна придумал эту идею.
Существование кварков было подтверждено экспериментами, проведенными с 1967 по 1973 годы в Стэнфордском центре линейных ускорителей.
Как объясняет Уэст, одна из странностей кварков заключается в том, что их можно наблюдать, но их нельзя изолировать.
«Есть небольшая разница», — говорит он. Они как электроны в том, что электроны фундаментальны, но с помощью электронов мы можем наблюдать, а также изолировать их. Вы можете указать на электрон. С кварками вы не можете взять один из ядра положить его на стол и изучить.»
Вместо этого, используя ускорители гигантских частиц, ученые ускоряют электроны и используют их, чтобы исследовать глубину ядра. Если они проникнут достаточно глубоко внутрь, электроны рассеются по кваркам, что можно измерить с помощью очень сложных детекторов.
«Мы реконструируем то, что находится в цели, из которой состоят протоны и нейтроны», — говорит Вест. «Вы видите эти маленькие точечные объекты, которые мы идентифицируем как кварки».
Есть шесть типов кварков
Кварки имеют дробные заряды по сравнению с протонами, которые они образуют. Существует шесть типов кварков, основанных на массе, и частицы также имеют качество, называемое цветом, что позволяет описать, как сильная сила удерживает их вместе. Цвет несут глюоны — своего рода посланник для сильной силы, которая связывает кварки вместе. (Они аналогичны фотонам.)
Команда физиков из Канзасского университета планирует использовать устройство, установленное на Большом адронном коллайдере, ускорителе массивных частиц, расположенном в 17-мильном (27-километровом) туннеле между Францией и Швейцарией, для исследования сильного взаимодействия между кварками и глюонами.
«Идея состоит в том, чтобы лучше понять протон и структуру тяжелых ионов, таких как, например, свинец, и изучить новый феномен, называемый насыщением»
объясняет Кристоф Ройон, профессор физики в Канзасском университете, который руководит исследованиями. В электронном письме
«Когда два протона или два иона сталкиваются при очень высокой энергии, мы чувствительны к их субструктуре — кваркам и глюонам, и мы можем исследовать некоторую область, где плотность глюонов становится очень большой».
«Аналогия будет с метро в Нью-Йорке в часы пик, когда метро полностью перегружено», — продолжает Ройон. «В этом случае глюоны не ведут себя как единое целое, но могут демонстрировать коллективное поведение, так же, как в переполненном метро, если кто-то падает, все это почувствуют, поскольку люди так близки друг к другу. В какой-то момент протоны или тяжелые ионы могут вести себя как твердый объект, как стекло, называемое цветным стеклянным конденсатом. Это то, что мы хотим увидеть на LHC, а также на будущем электронно-ионном коллайдере в США.»
Ройон говорит, что нахождение доказательства существования этого плотного глюонного материала ответило бы на один из самых больших оставшихся без ответа вопросов о кварках.
«Это новое состояние материи», — говорит он.
Некоторые намеки уже появились на релятивистском коллайдере тяжелых ионов или Большом адронном коллайдере, но пока что ничего не известно. Это было бы важным открытием, и как Большой адронный коллайдер, так и Электрон-ионный коллайдер — идеальные машины, чтобы увидеть это.
Ученые также задаются вопросом, может ли быть что-то даже меньшее, чем кварк.
"Напрашивается вопрос, есть ли еще один уровень?" Запад говорит. «Мы не знаем ответа на этот вопрос».
