Il y a tout juste un an, Peter Higgs et François Engler recevaient le prix Nobel pour leurs travaux sur les particules subatomiques. Cela peut sembler ridicule, mais les scientifiques ont fait leurs découvertes il y a un demi-siècle, mais jusqu'à présent, on ne leur a pas accordé une grande importance.
En 1964, deux physiciens plus talentueux ont également présenté leur théorie innovante. Au début, elle n'attirait presque pas l'attention. C'est étrange, puisqu'elle a décrit la structure des hadrons, sans laquelle aucune interaction interatomique forte n'est possible. C'était la théorie des quarks.
Qu'est-ce que c'est ?
Au fait, qu'est-ce qu'un quark ? C'est l'un des composants les plus importants du hadron. Important! Cette particule a un "demi" spin, étant en fait un fermion. Selon la couleur (plus de détails ci-dessous), la charge d'un quark peut être égale à un tiers ou deux tiers de celle d'un proton. Quant aux couleurs, elles sont au nombre de six (générations de quarks). Ils sont nécessaires pour que le principe de Pauli ne soit pas violé.
Basiquedétails
Dans la composition des hadrons, ces particules sont situées à une distance n'excédant pas la valeur de confinement. Cela s'explique simplement: ils échangent des vecteurs du champ de jauge, c'est-à-dire des gluons. Pourquoi le quark est-il si important ? Le plasma de gluons (saturé de quarks) est l'état de la matière dans lequel se trouvait l'univers tout entier immédiatement après le big bang. En conséquence, l'existence de quarks et de gluons est une confirmation directe qu'il l'était vraiment.
Ils ont aussi leur propre couleur, et donc, pendant le mouvement, ils créent leurs copies virtuelles. En conséquence, à mesure que la distance entre les quarks augmente, la force d'interaction entre eux augmente de manière significative. Comme vous pouvez le deviner, à une distance minimale, l'interaction disparaît pratiquement (liberté asymptotique).
Ainsi, toute interaction forte dans les hadrons s'explique par la transition des gluons entre les quarks. Si on parle d'interactions entre hadrons, alors elles s'expliquent par le transfert de résonance du méson pi. Autrement dit, indirectement, tout se résume encore une fois à l'échange de gluons.
Combien y a-t-il de quarks dans les nucléons ?
Chaque neutron est constitué d'une paire de quarks d, et même d'un seul quark u. Chaque proton, au contraire, est composé d'un seul quark d et d'une paire de quarks u. Au fait, les lettres sont attribuées en fonction des nombres quantiques.
Expliquons-nous. Par exemple, la désintégration bêta s'explique précisément par la transformation d'un quark du même type entrant dans la composition du nucléon en un autre. Pour le rendre plus clair, ce processus peut être écrit comme une formule comme celle-ci: d=u + w (c'est la désintégration des neutrons). Respectivement,proton s'écrit par une formule légèrement différente: u=d + w.
Au fait, c'est ce dernier processus qui explique le flux constant de neutrinos et de positons provenant des grands amas d'étoiles. Ainsi, à l'échelle de l'univers, il y a peu de particules aussi importantes que le quark: le plasma de gluons, comme nous l'avons déjà dit, confirme le fait du big bang, et l'étude de ces particules permet aux scientifiques de mieux comprendre l'essence même de le monde dans lequel nous vivons.
Qu'est-ce qui est plus petit qu'un quark ?
Au fait, de quoi sont composés les quarks ? Leurs particules constitutives sont les préons. Ces particules sont très petites et mal comprises, de sorte que même aujourd'hui, on ne sait pas grand-chose à leur sujet. C'est ce qui est plus petit qu'un quark.
D'où viennent-ils ?
À ce jour, les deux hypothèses les plus courantes de la formation des préons: la théorie des cordes et la théorie de Bilson-Thompson. Dans le premier cas, l'apparition de ces particules s'explique par les oscillations des cordes. La deuxième hypothèse suggère que leur apparition est causée par un état excité de l'espace et du temps.
Intéressant, dans le second cas, le phénomène peut être entièrement décrit en utilisant la matrice de transfert parallèle le long des courbes du réseau de spin. Les propriétés de cette matrice même prédéterminent celles du préon. C'est de cela que sont faits les quarks.
En résumant certains résultats, on peut dire que les quarks sont une sorte de "quanta" dans la composition des hadrons. Impressionné ? Et maintenant, nous allons parler de la façon dont le quark a été découvert en général. C'est une histoire très intéressante, qui, en plus, révèle pleinement certaines des nuances décrites ci-dessus.
Particules étranges
Immédiatement après la fin de la Seconde Guerre mondiale, les scientifiques ont commencé à explorer activement le monde des particules subatomiques, qui jusque-là semblaient primitivement simples (selon ces idées). Les protons, les neutrons (nucléons) et les électrons forment un atome. En 1947, des pions ont été découverts (et leur existence a été prédite dès 1935), responsables de l'attraction mutuelle des nucléons dans le noyau des atomes. Plus d'une exposition scientifique a été consacrée à cet événement à la fois. Les quarks n'avaient pas encore été découverts, mais le moment de l'attaque de leur "trace" se rapprochait.
Les neutrinos n'avaient pas encore été découverts à cette époque. Mais leur importance apparente dans l'explication de la désintégration bêta des atomes était si grande que les scientifiques ne doutaient guère de leur existence. De plus, certaines antiparticules ont déjà été détectées ou prédites. La seule chose qui restait obscure était la situation des muons, qui se sont formés lors de la désintégration des pions et sont ensuite passés à l'état de neutrino, d'électron ou de positron. Les physiciens ne comprenaient pas du tout à quoi servait cette station intermédiaire.
Hélas, un modèle aussi simple et sans prétention n'a pas survécu longtemps au moment de la découverte des pivoines. En 1947, deux physiciens anglais, George Rochester et Clifford Butler, publient un article intéressant dans la revue scientifique Nature. La matière en était leur étude des rayons cosmiques au moyen d'une chambre à brouillard, au cours de laquelle ils obtinrent de curieuses informations. Sur l'une des photographies prises lors de l'observation, une paire de pistes avec un début commun était clairement visible. Comme l'écart ressemblait au V latin, il est immédiatement devenu clair– la charge de ces particules est nettement différente.
Les scientifiques ont immédiatement supposé que ces traces indiquaient le fait de la désintégration d'une particule inconnue, qui n'a laissé aucune autre trace. Des calculs ont montré que sa masse est d'environ 500 MeV, ce qui est bien supérieur à cette valeur pour un électron. Bien sûr, les chercheurs ont appelé leur découverte la particule V. Cependant, ce n'était pas encore un quark. Cette particule attendait toujours dans les coulisses.
Ça ne fait que commencer
Tout a commencé avec cette découverte. En 1949, dans les mêmes conditions, une trace d'une particule a été découverte, qui a donné naissance à trois pions à la fois. Il est vite devenu clair qu'elle, ainsi que la particule V, sont des représentants complètement différents d'une famille composée de quatre particules. Par la suite, ils ont été appelés mésons K (kaons).
Une paire de kaons chargés a une masse de 494 MeV, et dans le cas d'une charge neutre - 498 MeV. Soit dit en passant, en 1947, les scientifiques ont eu la chance de capturer le même cas très rare de désintégration d'un kaon positif, mais à cette époque, ils ne pouvaient tout simplement pas interpréter correctement l'image. Cependant, pour être tout à fait juste, en fait, la première observation du kaon remonte à 1943, mais les informations à ce sujet ont été presque perdues dans le contexte de nombreuses publications scientifiques d'après-guerre.
Nouvelle bizarrerie
Et puis d'autres découvertes attendaient les scientifiques. En 1950 et 1951, des chercheurs de l'Université de Manchester et de Melnburg ont réussi à trouver des particules beaucoup plus lourdes que les protons et les neutrons. Il n'avait à nouveau aucune charge, mais s'est désintégré en un proton et un pion. Ce dernier, comme on peut le comprendre,charge négative. La nouvelle particule a été nommée Λ (lambda).
Plus le temps passait, plus les scientifiques se posaient de questions. Le problème était que les nouvelles particules provenaient exclusivement d'interactions atomiques fortes, se désintégrant rapidement en protons et neutrons connus. De plus, ils apparaissaient toujours par paires, il n'y avait jamais de manifestations uniques. C'est pourquoi un groupe de physiciens des États-Unis et du Japon a suggéré d'utiliser un nouveau nombre quantique - l'étrangeté - dans leur description. Selon leur définition, l'étrangeté de toutes les autres particules connues était nulle.
Recherches complémentaires
La percée dans la recherche n'a eu lieu qu'après l'émergence d'une nouvelle systématisation des hadrons. La figure la plus importante à cet égard était l'Israélien Yuval Neaman, qui a changé la carrière d'un militaire exceptionnel en un parcours tout aussi brillant de scientifique.
Il a remarqué que les mésons et les baryons découverts à cette époque se désintègrent, formant un amas de particules apparentées, les multiplets. Les membres de chacune de ces associations ont exactement la même étrangeté, mais des charges électriques opposées. Étant donné que les interactions nucléaires vraiment fortes ne dépendent pas du tout des charges électriques, à tous autres égards, les particules du multiplet ressemblent à des jumeaux parfaits.
Les scientifiques ont suggéré qu'une certaine symétrie naturelle était responsable de l'apparition de telles formations, et bientôt ils ont réussi à la trouver. Il s'est avéré être une simple généralisation du groupe de spin SU(2), que les scientifiques du monde entier utilisaient pour décrire les nombres quantiques. Iciseulement à ce moment-là, 23 hadrons étaient déjà connus et leurs spins étaient égaux à 0, ½ ou une unité entière, et il n'était donc pas possible d'utiliser une telle classification.
En conséquence, deux nombres quantiques ont dû être utilisés pour la classification à la fois, ce qui a considérablement élargi la classification. C'est ainsi qu'est apparu le groupe SU(3), créé au début du siècle par le mathématicien français Elie Cartan. Pour déterminer la position systématique de chaque particule dans celui-ci, les scientifiques ont développé un programme de recherche. Le quark est ensuite facilement entré dans la série systématique, ce qui a confirmé l'exactitude absolue des experts.
Nouveaux nombres quantiques
Les scientifiques ont donc eu l'idée d'utiliser des nombres quantiques abstraits, qui sont devenus une hypercharge et un spin isotopique. Cependant, l'étrangeté et la charge électrique peuvent être prises avec le même succès. Ce schéma était conventionnellement appelé l'Octuple Sentier. Cela capture l'analogie avec le bouddhisme, où avant d'atteindre le nirvana, vous devez également passer par huit niveaux. Cependant, tout cela n'est que paroles.
Neeman et son collègue, Gell-Mann, ont publié leurs travaux en 1961, et le nombre de mésons connus alors ne dépassait pas sept. Mais dans leurs travaux, les chercheurs n'ont pas craint d'évoquer la forte probabilité de l'existence du huitième méson. Dans le même 1961, leur théorie a été brillamment confirmée. La particule trouvée a été nommée méson eta (lettre grecque η).
D'autres découvertes et expériences avec la luminosité ont confirmé l'exactitude absolue de la classification SU(3). Cette circonstance est devenue puissanteune incitation pour les chercheurs qui ont constaté qu'ils sont sur la bonne voie. Même Gell-Mann lui-même ne doutait plus que les quarks existent dans la nature. Les avis sur sa théorie n'étaient pas trop positifs, mais le scientifique était sûr qu'il avait raison.
Voici les quarks
Bientôt l'article "Modèle schématique des baryons et des mésons" a été publié. Dans ce document, les scientifiques ont pu développer davantage l'idée de systématisation, qui s'est avérée si utile. Ils ont découvert que SU(3) permet tout à fait l'existence de triplets entiers de fermions, dont la charge électrique varie de 2/3 à 1/3 et -1/3, et dans le triplet une particule a toujours une étrangeté non nulle. Gell-Mann, que nous connaissons déjà bien, les appelait « particules élémentaires de quarks ».
Selon les accusations, il les désigne comme u, d et s (des mots anglais up, down et strange). Conformément au nouveau schéma, chaque baryon est formé de trois quarks à la fois. Les mésons sont beaucoup plus simples. Ils comprennent un quark (cette règle est inébranlable) et un antiquark. Ce n'est qu'après cela que la communauté scientifique a pris conscience de l'existence de ces particules, auxquelles notre article est consacré.
Un peu plus de contexte
Cet article, qui a largement prédéterminé le développement de la physique pour les années à venir, a un arrière-plan plutôt curieux. Gell-Mann a pensé à l'existence de ce genre de triplés bien avant sa publication, mais n'a discuté de ses hypothèses avec personne. Le fait est que ses hypothèses sur l'existence de particules à charge fractionnaire ressemblaient à un non-sens. Cependant, après avoir discuté avec l'éminent physicien théoricien Robert Serber, il apprit que son collèguefait exactement les mêmes conclusions.
De plus, le scientifique a tiré la seule conclusion correcte: l'existence de telles particules n'est possible que si elles ne sont pas des fermions libres, mais font partie des hadrons. En effet, dans ce cas, leurs charges forment un tout unique ! Au début, Gell-Mann les a appelés quarks et les a même mentionnés au MTI, mais la réaction des étudiants et des enseignants a été très modérée. C'est pourquoi le scientifique s'est longuement demandé s'il devait rendre ses recherches publiques.
Le mot même "quark" (un son qui rappelle le cri des canards) a été tiré de l'œuvre de James Joyce. Curieusement, mais le scientifique américain a envoyé son article à la prestigieuse revue scientifique européenne Physics Letters, car il craignait sérieusement que les éditeurs de l'édition américaine de Physical Review Letters, similaire en termes de niveau, ne l'acceptent pour publication. Soit dit en passant, si vous voulez au moins consulter une copie de cet article, vous avez un accès direct au même musée de Berlin. Il n'y a pas de quarks dans son exposé, mais il y a un historique complet de leur découverte (plus précisément, des preuves documentaires).
Début de la Révolution Quark
Pour être juste, il convient de noter que presque au même moment, un scientifique du CERN, George Zweig, a eu une idée similaire. D'abord, Gell-Mann lui-même était son mentor, puis Richard Feynman. Zweig a également déterminé la réalité de l'existence de fermions qui avaient des charges fractionnaires, les a seulement appelés as. De plus, le talentueux physicien considérait également les baryons comme un trio de quarks et les mésons comme une combinaison de quarks.et antiquark.
En termes simples, l'élève a complètement répété les conclusions de son professeur et s'est complètement séparé de lui. Son travail est apparu même quelques semaines avant la publication de Mann, mais uniquement en tant que travail "fait maison" de l'institut. Cependant, c'est la présence de deux travaux indépendants, dont les conclusions étaient presque identiques, qui a immédiatement convaincu certains scientifiques de l'exactitude de la théorie proposée.
Du rejet à la confiance
Mais de nombreux chercheurs ont accepté cette théorie loin d'être immédiate. Oui, les journalistes et les théoriciens en sont rapidement tombés amoureux pour sa clarté et sa simplicité, mais les physiciens sérieux ne l'ont accepté qu'après 12 ans. Ne les blâmez pas d'être trop conservateurs. Le fait est qu'au départ, la théorie des quarks contredisait fortement le principe de Pauli, que nous avons mentionné au tout début de l'article. Si nous supposons qu'un proton contient une paire de quarks u et un seul quark d, alors le premier doit être strictement dans le même état quantique. Selon Pauli, c'est impossible.
C'est alors qu'un nombre quantique supplémentaire est apparu, exprimé sous forme de couleur (que nous avons également mentionné ci-dessus). De plus, il était complètement incompréhensible de savoir comment les particules élémentaires de quarks interagissent les unes avec les autres en général, pourquoi leurs variétés libres ne se produisent pas. Tous ces secrets ont été grandement aidés à percer par la théorie des champs de jauge, qui n'a été "évoquée" qu'au milieu des années 70. À peu près à la même époque, la théorie des quarks des hadrons y a été organiquement incluse.
Mais surtout, le développement de la théorie a été freiné par l'absence totale d'au moins quelques expériences expérimentales,ce qui confirmerait à la fois l'existence même et l'interaction des quarks entre eux et avec d'autres particules. Et ils n'ont progressivement commencé à apparaître qu'à partir de la fin des années 60, lorsque le développement rapide de la technologie a permis de mener une expérience de "transmission" de protons par des flux d'électrons. Ce sont ces expériences qui ont permis de prouver que certaines particules se «cachaient» réellement à l'intérieur des protons, appelés à l'origine partons. Par la suite, néanmoins, ils ont été convaincus que ce n'était rien de plus qu'un vrai quark, mais cela ne s'est produit qu'à la fin de 1972.
Confirmation expérimentale
Bien sûr, il a fallu beaucoup plus de données expérimentales pour enfin convaincre la communauté scientifique. En 1964, James Bjorken et Sheldon Glashow (le futur lauréat du prix Nobel, soit dit en passant) ont suggéré qu'il pourrait aussi y avoir un quatrième type de quark, qu'ils ont appelé charmé.
C'est grâce à cette hypothèse qu'en 1970 déjà, les scientifiques ont pu expliquer bon nombre des bizarreries observées lors de la désintégration des kaons de charge neutre. Quatre ans plus tard, deux groupes indépendants de physiciens américains ont réussi à fixer la désintégration du méson, qui ne comprenait qu'un seul quark « charmé », ainsi que son antiquark. Sans surprise, cet événement a été immédiatement surnommé la Révolution de novembre. Pour la première fois, la théorie des quarks recevait une confirmation plus ou moins "visuelle".
L'importance de la découverte est attestée par le fait que les chefs de projet, Samuel Ting et Barton Richter, sont déjà à traversaccepté leur prix Nobel pendant deux ans: cet événement est relaté dans de nombreux articles. Vous pouvez voir certains d'entre eux dans l'original si vous visitez le New York Museum of Natural Science. Les quarks, comme nous l'avons déjà dit, sont une découverte extrêmement importante de notre époque, et c'est pourquoi la communauté scientifique leur accorde beaucoup d'attention.
Argument final
Ce n'est qu'en 1976 que les chercheurs ont trouvé une particule au charme non nul, le méson D neutre. Il s'agit d'une combinaison assez complexe d'un quark charmé et d'un antiquark u. Ici, même les adversaires les plus endurcis de l'existence des quarks ont été forcés d'admettre l'exactitude de la théorie, énoncée pour la première fois il y a plus de deux décennies. L'un des physiciens théoriciens les plus célèbres, John Ellis, a appelé le charme "le levier qui a fait tourner le monde".
Bientôt la liste des nouvelles découvertes comprenait une paire de quarks particulièrement massifs, top et bottom, qui pourraient facilement être corrélés avec la systématisation SU(3) déjà acceptée à cette époque. Ces dernières années, les scientifiques ont parlé de l'existence de soi-disant tétraquarks, que certains scientifiques ont déjà surnommés "molécules de hadrons".
Quelques conclusions et conclusions
Vous devez comprendre que la découverte et la justification scientifique de l'existence des quarks peuvent en effet être considérées comme une révolution scientifique. On peut considérer l'année 1947 (en principe, 1943) comme son début, et sa fin tombe sur la découverte du premier méson "enchanté". Il s'avère que la durée de la dernière découverte de ce niveau à ce jour est, pas moins, d'autant que 29 ans (voire 32 ans) ! Et tout çadu temps a été passé non seulement pour trouver le quark ! En tant qu'objet primordial de l'univers, le plasma de gluons a rapidement attiré beaucoup plus l'attention des scientifiques.
Cependant, plus le domaine d'étude devient complexe, plus il faut de temps pour faire des découvertes vraiment importantes. Quant aux particules dont nous parlons, personne ne peut sous-estimer l'importance d'une telle découverte. En étudiant la structure des quarks, une personne pourra pénétrer plus profondément dans les secrets de l'univers. Il est possible que ce n'est qu'après une étude complète de ceux-ci que nous pourrons découvrir comment le big bang s'est produit et selon quelles lois notre Univers se développe. C'est en tout cas leur découverte qui a permis de convaincre de nombreux physiciens que la réalité qui nous entoure est bien plus compliquée que les idées précédentes.
Vous savez donc ce qu'est un quark. Cette particule a fait à un moment beaucoup de bruit dans le monde scientifique, et aujourd'hui les chercheurs sont pleins d'espoir pour enfin dévoiler tous ses secrets.
