Vova Krasen
0 
3569
714
De sterke nucleaire kracht is, zoals je misschien al geraden had, inderdaad een zeer sterke kracht. Het is zo krachtig dat het in staat is om enkele van de kleinste deeltjes in het universum voor zeer lange perioden samen te brengen, mogelijk voor altijd. Deeltjes gebonden door de sterke kracht vormen de bouwstenen van onze dagelijkse wereld: protonen en neutronen. Maar als je een proton of neutron zou opensnijden, zou je geen mooie, eenvoudige rangschikking van subatomaire deeltjes vinden. In plaats daarvan zou je de walgelijke ingewanden zien van misschien wel een van de meest complexe krachten in het universum.
Protonen en neutronen zijn niet de enige dingen die de sterke kracht kan maken, maar we begrijpen de andere, meer complexe en exotische arrangementen niet echt. Bovendien zijn zelfs onze waarnemingen en experimenten zelf erg schetsmatig. Maar natuurkundigen zijn hard aan het werk om inzichten in deze fundamentele natuurkracht samen te brengen.
Verwant: De grootste onopgeloste mysteries in de natuurkunde
Sterk en complex
Om de sterke kracht te beschrijven, is het het beste om deze te contrasteren met zijn veel beroemdere neef, de elektromagnetische kracht. Met de elektromagnetische kracht zijn de dingen eenvoudig, gemakkelijk en ongecompliceerd; zo erg zelfs dat wetenschappers in de jaren 1900 het grotendeels konden achterhalen. Met de elektromagnetische kracht kan elk deeltje zich bij de partij voegen zolang het een eigenschap heeft die een elektrische lading wordt genoemd. Als je deze lading hebt, ga je de elektromagnetische kracht voelen en erop reageren. En allerlei deeltjes van alle strepen en smaken dragen een elektrische lading, zoals het elektron van je tuinvariëteit.
Een ander deeltje, het lichtdeeltje (ook bekend als het foton), doet het werk van het overbrengen van elektromagnetische kracht van het ene geladen deeltje naar het andere. Het foton zelf heeft geen eigen elektrische lading en is massaloos. Het reist met de snelheid van het licht, beweegt heen en weer door het universum, waardoor elektromagnetisme ontstaat.
Elektrische lading. Een enkele drager van de elektromagnetische kracht. Simpel, duidelijk.
Daarentegen zijn er zes deeltjes die onderhevig zijn aan de sterke kernkracht. Als groep staan ze bekend als de quarks en hebben ze voldoende eigenzinnige namen zoals boven, onder, boven, onder, vreemd en charmant. Om de sterke nucleaire kracht te voelen en erop te reageren, hebben deze quarks een eigen lading. Het is geen elektrische lading (hoewel ze ook een elektrische lading hebben en ook de elektromagnetische kracht voelen), maar om verschillende redenen die dingen echt verwarrend maken, noemen natuurkundigen deze speciale lading die verband houdt met de sterke nucleaire kracht de kleurlading..
De quarks kunnen een van de drie kleuren hebben: rood, groen en blauw. Voor de duidelijkheid: het zijn geen echte kleuren, maar alleen labels die we aan deze vreemde, ladingachtige eigenschap geven.
Dus quarks voelen de sterke kracht, maar het wordt gedragen door een hele reeks andere deeltjes - acht, om precies te zijn. Ze worden de gluonen genoemd, en ze doen echt geweldig werk van ... wacht erop ... quarks aan elkaar lijmen. De gluonen hebben toevallig ook het vermogen en de wens om hun eigen kleurlading te dragen. En ze hebben massa.
Zes quarks, acht gluonen. De quarks kunnen hun kleurlading veranderen, en de gluonen kunnen dat ook, want waarom niet.
Dit alles betekent dat de sterke nucleaire kracht veel complexer en ingewikkelder is dan zijn elektromagnetische neef.
Vreemd sterk
Oké, ik heb gelogen. Natuurkundigen noemden deze eigenschap van quarks en gluonen niet alleen 'de kleurlading' omdat ze er zin in hadden, maar omdat het als een bruikbare analogie dient. Gluonen en quarks kunnen aan elkaar binden om grotere deeltjes te vormen, zolang alle kleuren wit worden, net zoals rood, blauw en groen licht optellen bij wit licht ... De meest voorkomende combinatie is drie quarks, elk een van rood, groen, en blauw. Maar de analogie wordt hier een beetje lastig, omdat aan elke individuele quark op elk moment een van de kleuren kan worden toegewezen; het gaat om het aantal quarks om de juiste combinaties te krijgen. Je kunt dus groepen van drie quarks hebben om de bekende protonen en neutronen te maken. Je kunt ook een quark binden met zijn anti-quark, waarbij de kleur zichzelf opheft (zoals in, groene paren met anti-groen, en nee, ik verzin dit niet alleen terwijl ik verder ga), om een soort deeltje dat bekend staat als een meson.
Maar daar houdt het niet op.
Theoretisch is elke combinatie van quarks en gluonen die oplopen tot wit technisch toelaatbaar in de natuur.
Twee mesonen - elk met twee quarks erin - kunnen bijvoorbeeld mogelijk samen binden tot iets dat een tetraquark wordt genoemd. En in sommige gevallen kun je een vijfde quark aan de mix toevoegen, waarbij je nog steeds alle kleuren in balans houdt, genaamd (je raadt het al) een pentaquark.
De tetraquark hoeft niet eens technisch samengebonden te zijn in een enkel deeltje. Ze kunnen gewoon in de buurt van elkaar bestaan en een zogenaamd hydronisch molecuul maken.
En hoe gek is dit: de gluonen zelf hebben misschien niet eens een quark nodig om een deeltje te maken. Er kan gewoon een bol van gluonen rondhangen, relatief stabiel in het universum. Ze worden lijmballen genoemd. Het bereik van alle mogelijke gebonden staten die door de sterke kernkracht zijn toegestaan, wordt het quarkoniumspectrum genoemd, en dat is geen naam die is verzonnen door een schrijver van een Sci-Fi tv-programma. Er zijn allerlei gekke mogelijke combinaties van quarks en gluonen die zomaar kunnen bestaan.
Ze ook?
Quark Rainbow
Kan zijn.
Natuurkundigen voeren al een flink aantal decennia sterke nucleaire krachtexperimenten uit, zoals het Baber-experiment en een paar bij de Large Hadron Collider, waarbij ze in de loop van de jaren langzaamaan hogere energieniveaus opbouwden om dieper en dieper in het quarkoniumspectrum te tasten (en ja je hebt mijn toestemming om die zin te gebruiken in elke zin of informeel gesprek dat je wilt, zo geweldig is het). In deze experimenten hebben natuurkundigen veel exotische collecties quarks en gluonen gevonden. De experimentalisten geven ze funky namen, zoals χc2 (3930).
Deze exotische potentiële deeltjes bestaan slechts vluchtig, maar bestaan in veel gevallen definitief. Maar natuurkundigen vinden het moeilijk om deze kortstondig geproduceerde deeltjes te verbinden met de theoretische deeltjes waarvan we vermoeden dat ze bestaan, zoals de tetraquarks en de lijmballen..
Het probleem met het maken van de verbinding is dat de wiskunde erg moeilijk is. In tegenstelling tot de elektromagnetische kracht is het erg moeilijk om solide voorspellingen te doen met een sterke nucleaire kracht. Het is niet alleen vanwege de gecompliceerde interacties tussen de quarks en de gluonen. Bij zeer hoge energieën begint de kracht van de sterke nucleaire kracht in feite te verzwakken, waardoor de wiskunde eenvoudiger wordt. Maar bij lagere energieën, zoals de energie die nodig is om quarks en gluonen samen te binden om stabiele deeltjes te maken, is de sterke kernkracht eigenlijk, nou ja, heel sterk. Deze toegenomen kracht maakt het moeilijker om uit te rekenen.
Theoretisch fysici hebben een heleboel technieken bedacht om dit probleem aan te pakken, maar de technieken zelf zijn onvolledig of inefficiënt. Hoewel we weten dat sommige van deze exotische toestanden in het quarkoniumspectrum bestaan, is het erg moeilijk om hun eigenschappen en experimentele kenmerken te voorspellen..
Toch werken natuurkundigen hard, zoals altijd. In de loop van de tijd bouwen we langzaamaan onze verzameling exotische deeltjes op die in colliders worden geproduceerd, en doen we steeds betere voorspellingen over hoe de theoretische quarkoniumtoestanden eruit zouden moeten zien. Matches komen langzaam bij elkaar, waardoor we een completer beeld krijgen van deze vreemde maar fundamentele kracht in ons universum.
Paul M.Sutter is astrofysicus bij De Ohio State University, gastheer van Vraag een ruimteman en Space Radio, en auteur van Jouw plaats in het heelal.
- 18 keer kwantumdeeltjes bliezen onze geest binnen |
- Wacky Physics: waarom hebben deeltjes smaken? |
- Vreemde Quarks en Muons, Oh My! De kleinste deeltjes van de natuur
Oorspronkelijk gepubliceerd op .