Die starke Atomkraft ist, wie Sie vielleicht vermutet haben, in der Tat eine sehr starke Kraft. Es ist so mächtig, dass es einige der kleinsten Teilchen im Universum für sehr lange Zeiträume, möglicherweise für immer, zusammenziehen kann. Durch die starke Kraft gebundene Teilchen bilden die Bausteine unserer Alltagswelt: Protonen und Neutronen. Aber wenn Sie ein Proton oder Neutron aufschneiden würden, würden Sie keine schöne, einfache Anordnung subatomarer Teilchen finden. Stattdessen würden Sie die widerlichen Innereien einer der vielleicht komplexesten Kräfte im Universum sehen.
Protonen und Neutronen sind nicht die einzigen Dinge, die die starke Kraft bewirken kann, aber wir verstehen die anderen komplexeren und exotischeren Arrangements nicht wirklich. Darüber hinaus sind selbst unsere Beobachtungen und Experimente selbst sehr lückenhaft. Aber die Physiker arbeiten hart daran, Einsichten in diese fundamentale Naturgewalt zu gewinnen.
Stark und komplex
Um die starke Kraft zu beschreiben, ist es am besten, sie mit ihrem viel bekannteren Cousin, der elektromagnetischen Kraft, zu kontrastieren. Mit der elektromagnetischen Kraft sind die Dinge einfach, leicht und unkompliziert; so sehr, dass Wissenschaftler in den 1900er Jahren es größtenteils herausfinden konnten. Mit der elektromagnetischen Kraft kann sich jedes Teilchen der Partei anschließen, solange es eine Eigenschaft hat, die als elektrische Ladung bezeichnet wird. Wenn Sie diese Ladung haben, können Sie die elektromagnetische Kraft fühlen und darauf reagieren. Und alle Arten von Partikeln aller Streifen und Geschmacksrichtungen tragen eine elektrische Ladung, wie das Elektron Ihrer Gartensorte.
Ein anderes Teilchen, das Lichtteilchen (auch als Photon bekannt), überträgt die elektromagnetische Kraft von einem geladenen Teilchen auf ein anderes. Das Photon selbst hat keine eigene elektrische Ladung und ist masselos. Es bewegt sich mit Lichtgeschwindigkeit, bewegt sich im Universum hin und her und lässt Elektromagnetismus entstehen.
Elektrische Ladung. Ein einzelner Träger der elektromagnetischen Kraft. Einfach, unkompliziert.
Im Gegensatz dazu gibt es sechs Teilchen, die der starken Kernkraft ausgesetzt sind. Als Gruppe sind sie als Quarks bekannt und haben ausreichend skurrile Namen wie oben, unten, oben, unten, seltsam und charmant. Um die starke Atomkraft zu spüren und darauf zu reagieren, haben diese Quarks eine eigene Ladung. Es ist keine elektrische Ladung (obwohl sie auch eine elektrische Ladung haben und auch die elektromagnetische Kraft spüren), aber aus verschiedenen Gründen, die die Dinge wirklich verwirrend machen, nennen Physiker diese spezielle Ladung, die mit der starken Kernkraft verbunden ist, die Farbladung.
Die Quarks können eine von drei Farben haben, Rot, Grün und Blau. Zur Verdeutlichung handelt es sich nicht um tatsächliche Farben, sondern nur um Etiketten, die wir dieser seltsamen, ladungsähnlichen Eigenschaft geben.
Quarks spüren also die starke Kraft, aber sie wird von einer ganzen Reihe anderer Partikel getragen - acht, um genau zu sein. Sie werden die Gluonen genannt und sie machen einen wirklich großartigen Job darin,… darauf zu warten… Quarks zusammenzukleben. Die Gluonen haben auch die Fähigkeit und den Wunsch, ihre eigene Farbladung zu tragen. Und sie haben Masse.
Sechs Quarks, acht Gluonen. Die Quarks können ihre Farbladung ändern, die Gluonen auch, denn warum nicht?
All dies bedeutet, dass die starke Kernkraft weitaus komplexer und komplizierter ist als ihre elektromagnetische Cousine.
Seltsam stark
Okay, ich habe gelogen. Die Physiker nannten diese Eigenschaft von Quarks und Gluonen nicht nur "die Farbladung", weil sie sich danach fühlten, sondern weil sie als nützliche Analogie dient. Gluonen und Quarks können sich zu größeren Partikeln verbinden, solange sich alle Farben zu Weiß addieren, ebenso wie rotes, blaues und grünes Licht zu weißem Licht addieren. Die häufigste Kombination sind drei Quarks, jeweils eines aus Rot, Grün, und Blau. Aber die Analogie wird hier etwas knifflig, weil jedem einzelnen Quark jederzeit eine der Farben zugewiesen werden kann; Was zählt, ist die Anzahl der Quarks, um die richtigen Kombinationen zu erhalten. Sie können also Gruppen von drei Quarks haben, um die bekannten Protonen und Neutronen herzustellen. Sie können auch einen Quark mit seinem Anti-Quark binden lassen, bei dem die Farbe mit sich selbst aufhebt (wie in, grüne Paare mit Anti-Grün, und nein, ich mache das nicht nur nach, während ich weiter mache), um einen zu machen Art von Teilchen als Meson bekannt.
Aber es endet nicht dort.
Theoretisch ist jede Kombination von Quarks und Gluonen, die sich zu Weiß addieren, von Natur aus technisch zulässig.
Zum Beispiel können zwei Mesonen - jedes mit zwei Quarks in sich - möglicherweise zu etwas zusammengefügt werden, das als Tetraquark bezeichnet wird. In einigen Fällen können Sie der Mischung einen fünften Quark hinzufügen, der dennoch alle Farben ausbalanciert und als Pentaquark bezeichnet wird (Sie haben es erraten).
Der Tetraquark muss nicht einmal technisch in einem einzigen Partikel zusammengebunden sein. Sie können einfach nebeneinander existieren und so ein sogenanntes hydronisches Molekül bilden.
Und wie verrückt ist das: Die Gluonen selbst brauchen möglicherweise nicht einmal einen Quark, um ein Partikel herzustellen. Es kann einfach eine Kugel aus Gluonen hängen, die im Universum relativ stabil ist. Sie werden Glueballs genannt. Die Reichweite aller möglichen gebundenen Zustände, die von der starken Kernkraft zugelassen werden, wird als Quarkoniumspektrum bezeichnet, und das ist kein Name, den ein Autor einer Science-Fiction-Fernsehsendung erfunden hat. Es gibt alle möglichen verrückten möglichen Kombinationen von Quarks und Gluonen, die möglicherweise existieren.
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Quark Regenbogen
Könnte sein.
Physiker führen seit einigen Jahrzehnten starke Kernkraftversuche durch, wie das Baber-Experiment und einige am Large Hadron Collider, die sich im Laufe der Jahre langsam auf höhere Energieniveaus aufbauen, um immer tiefer in das Quarkoniumspektrum einzudringen (und ja Sie haben meine Erlaubnis, diesen Satz in jedem Satz oder in jeder Gelegenheitskonversation zu verwenden, es ist so großartig. In diesen Experimenten haben Physiker viele exotische Sammlungen von Quarks und Gluonen gefunden. Die Experimentatoren geben ihnen funky Namen wie χc2 (3930).
Diese exotischen potentiellen Teilchen existieren nur flüchtig, aber in vielen Fällen endgültig. Aber Physiker haben es schwer, diese kurz hergestellten Teilchen mit den theoretischen zu verbinden, von denen wir vermuten, dass sie existieren sollten, wie die Tetraquarks und die Klebebälle.
Das Problem beim Herstellen der Verbindung ist, dass die Mathematik wirklich schwierig ist. Im Gegensatz zur elektromagnetischen Kraft ist es sehr schwierig, solide Vorhersagen mit starker Kernkraft zu treffen. Es liegt nicht nur an den komplizierten Wechselwirkungen zwischen den Quarks und den Gluonen. Bei sehr hohen Energien beginnt die Stärke der starken Kernkraft tatsächlich zu schwächen, was die Mathematik vereinfachen kann. Aber bei niedrigeren Energien, wie der Energie, die benötigt wird, um Quarks und Gluonen zu stabilen Partikeln zusammenzubinden, ist die starke Kernkraft tatsächlich sehr stark. Diese erhöhte Stärke macht es schwieriger, die Mathematik herauszufinden.
Theoretische Physiker haben eine Reihe von Techniken entwickelt, um dieses Problem anzugehen, aber die Techniken selbst sind entweder unvollständig oder ineffizient. Obwohl wir wissen, dass einige dieser exotischen Zustände im Quarkoniumspektrum existieren, ist es sehr schwierig, ihre Eigenschaften und experimentellen Signaturen vorherzusagen.
Trotzdem arbeiten die Physiker wie immer hart. Mit der Zeit bauen wir langsam unsere Sammlung exotischer Partikel auf, die in Kollidern produziert werden, und machen immer bessere Vorhersagen darüber, wie die theoretischen Quarkoniumzustände aussehen sollten. Die Übereinstimmungen kommen langsam zusammen und geben uns ein vollständigeres Bild dieser seltsamen, aber fundamentalen Kraft in unserem Universum.
Paul M. Sutter ist Astrophysiker bei Die Ohio State University, Gastgeber von Fragen Sie einen Raumfahrer und Weltraumradiound Autor von Dein Platz im Universum.
