A kvarkoknak valójában nincs színük

alapvető szinten a valóságot univerzumunk csak két tulajdonsága határozza meg: a kvantumok, amelyek mindent alkotnak, ami létezik, és a köztük zajló kölcsönhatások. Míg az mindezt szabályozó szabályok bonyolultnak tűnhetnek, a koncepció rendkívül egyszerű. Az univerzum különálló energiadarabokból áll, amelyek meghatározott tulajdonságokkal rendelkező kvantumrészecskékbe vannak kötve, és ezek a részecskék kölcsönhatásba lépnek egymással a valóságunk alapjául szolgáló fizikai törvények szerint.

ezek közül a kvantumtulajdonságok közül néhány szabályozza, hogy egy részecske kölcsönhatásba lép-e egy bizonyos erő alatt. Mindennek van energiája, ezért minden megtapasztalja a gravitációt. Csak a megfelelő típusú töltésekkel rendelkező részecskék tapasztalják meg a többi erőt, mivel ezek a töltések szükségesek a csatlakozások előfordulásához. Az erős nukleáris erő esetén a részecskéknek színtöltésre van szükségük a kölcsönhatáshoz. Csakhogy a kvarkoknak valójában nincs színük. Itt van, mi folyik helyette.

bár lehet, hogy nem értünk mindent erről a valóságról, felfedeztük a Standard modell összes részecskéjét és a négy alapvető erő természetét — a gravitációt, az elektromágnesességet, a gyenge nukleáris erőt és az erős nukleáris erőt—, amelyek kölcsönhatásaikat irányítják. De nem minden részecske tapasztal minden interakciót; ehhez megfelelő típusú töltésre van szükség.

a négy alapvető erő közül minden részecskének van benne rejlő energiája, még a tömeg nélküli részecskéknek is, mint a fotonok. Amíg van energiád, megtapasztalod a gravitációs erőt. Sőt, csak egyféle gravitációs töltés létezik: pozitív energia (vagy tömeg). Ezért a gravitációs erő mindig vonzó, és minden, ami az univerzumban létezik.

az elektromágnesesség egy kicsit bonyolultabb. Az alapvető töltés egyik típusa helyett kettő van: pozitív és negatív elektromos töltés. Amikor a hasonló töltések (pozitív és pozitív vagy negatív és negatív) kölcsönhatásba lépnek, taszítják, míg amikor az ellentétes töltések (pozitív és negatív) kölcsönhatásba lépnek, vonzanak.

ez egy izgalmas lehetőséget kínál arra, hogy a gravitáció nem: olyan kötött állapot képessége, amely nem gyakorol nettó erőt egy külső, külön töltött tárgyra. Ha azonos mennyiségű pozitív és negatív töltés egyesül egyetlen rendszerbe, akkor egy semleges tárgyat kapunk:olyat, amelynek nincs nettó töltése. A szabad töltések vonzó és/vagy visszataszító erőket fejtenek ki, de a töltetlen rendszerek nem. Ez a legnagyobb különbség a gravitáció és az elektromágnesesség között: az a képesség, hogy semleges rendszerek legyenek, amelyek nem nulla elektromos töltésekből állnak.

ha ezt a két erőt egymás mellett képzeljük el, akkor az elektromágnesességnek két iránya van, míg a gravitációnak csak egyetlen iránya van. Az elektromos töltések lehetnek pozitívak vagy negatívak, és a pozitív-pozitív, pozitív-negatív, negatív-pozitív és negatív-negatív különböző kombinációi lehetővé teszik mind a vonzást, mind a taszítást. A gravitációnak viszont csak egy típusú töltése van, ezért csak egy típusú erő: vonzás.

annak ellenére, hogy kétféle elektromos töltés létezik, csak egy részecske szükséges az elektromágnesesség vonzó és visszataszító hatásának kezeléséhez: a foton. Az elektromágneses erőnek viszonylag egyszerű szerkezete van — két töltés, ahol a hasonlóak taszítanak, az ellentétek pedig vonzanak—, és egyetlen részecske, a foton, mind az elektromos, mind a mágneses hatásokat figyelembe veheti. Elméletileg egyetlen részecske, a graviton, ugyanezt teheti a gravitációval.

de aztán, egy teljesen más alapon, ott van az erős erő. Hasonló mind a gravitációhoz, mind az elektromágnesességhez, abban az értelemben, hogy egy új típusú töltés és új lehetőségek vannak a hozzá kapcsolódó erő számára.

ha egy atommagra gondolunk, azonnal fel kell ismernünk, hogy kell lennie egy további erőnek, amely erősebb, mint az elektromos erő, különben a protonokból és neutronokból álló mag szétrepülne az elektromos taszítás miatt. A kreatívan elnevezett erős nukleáris erő a felelős, mivel a protonok és a neutronok alkotóelemei, a kvarkok, mind elektromos töltéssel, mind új típusú töltéssel rendelkeznek: színes töltéssel.

ellentétben azzal,amire számíthat, bár, egyáltalán nincs szín. Azért hívjuk színtöltésnek, mert az egyik alapvető, vonzó töltéstípus (mint a gravitáció), vagy az alapvető töltés két ellentétes típusa (pozitív és negatív, mint az elektromágnesesség) helyett az erős erőt három alapvető töltéstípus szabályozza, és nagyon eltérő szabályokat követnek, mint a többi, ismertebb erő.

elektromos töltések esetén a pozitív töltést egyenlő és ellentétes töltéssel — azonos nagyságrendű negatív töltéssel — lehet megszüntetni. De a színes töltéseknél három alapvető típusú töltés van. Annak érdekében, hogy megszüntesse az egyik típusú színes töltést, szüksége van a második és a harmadik típus egyikére. Mindhárom típus egyenlő számának kombinációja olyan kombinációt eredményez, amelyet “színtelennek” nevezünk, és a színtelen az egyetlen összetett részecske, amely stabil.

ez függetlenül működik a kvarkok esetében, amelyek pozitív színtöltéssel rendelkeznek, és az antikvarkok esetében, amelyek negatív színtöltéssel rendelkeznek. Ha színes kereket ábrázol, akkor a piros, zöld és kék három egyenlő távolságra helyezhető el, mint egy egyenlő oldalú háromszög. De a piros és a zöld között sárga lenne; a zöld és a kék között Cián lenne; a piros és a kék között bíbor lenne.

ezek a színtöltések megfelelnek az antirészecskék színeinek: az antikoloroknak. A cián ugyanaz, mint az anti-vörös; a bíbor ugyanaz, mint az anti-zöld; a sárga ugyanaz, mint az anti-kék. Ahogy összeadhatunk három kvarkot piros, zöld és kék színnel, hogy színtelen kombinációt hozzunk létre (mint egy proton), összeadhatunk három antikvarkot cián, bíbor és sárga színnel, hogy színtelen kombinációt hozzunk létre (mint egy antiproton).

ha tud valamit a színről, akkor elkezdhet gondolkodni a színtelen kombináció létrehozásának más módjain. Ha három különböző szín vagy három különböző antikolor működhet, talán a megfelelő szín-antikolor kombináció eljuthat oda?

valójában lehet. Össze lehet keverni a kvark és az antikvark megfelelő kombinációját, hogy színtelen összetett részecskét hozzon létre, amelyet mezonnak neveznek. Ez működik, mert:

• piros és cián,
• zöld és bíbor,
• és kék és sárga

mind színtelen kombinációk. Mindaddig, amíg összeadod a színtelen nettó töltést, az erős erő szabályai lehetővé teszik, hogy létezz.

ez elindíthatja az elmédet néhány érdekes úton. Ha a piros + zöld + kék színtelen kombináció, de a piros + cián is színtelen, ez azt jelenti, hogy a zöld + kék megegyezik a ciánnal?

ez teljesen igaz. Ez azt jelenti, hogy egyetlen (színes) kvark párosítható az alábbiak bármelyikével:

• két további kvark,
• egy antikvark,
• három további kvark és egy antikvark,
• egy további kvark és két antikvark,
• öt további kvark,

vagy bármilyen más kombináció, amely színtelen összességhez vezet. Amikor olyan egzotikus részecskékről hallunk, mint a tetrakvark (két kvark és két antikvark) vagy a pentakvark (négy kvark és egy antikvark), tudjuk, hogy betartják ezeket a szabályokat.

de a szín csak egy analógia, és ez az analógia valójában elég gyorsan lebomlik, ha túl részletesen nézzük. Például az erős erő úgy működik, hogy gluonokat cserél, amelyek szín-anticolor kombinációt hordoznak velük. Ha kék kvark vagy, és gluont bocsátasz ki, akkor vörös kvarkká alakulhatsz át, ami azt jelenti, hogy az általad kibocsátott gluon tartalmaz egy ciánt (anti-piros) és egy kék színű töltést, ami lehetővé teszi a szín megőrzését.

akkor azt gondolhatnánk, hogy három színnel és három antikolorral kilenc lehetséges gluontípus létezik. Végül is, ha a piros, a zöld és a kék mindegyikét a cián, a bíborvörös és a sárga színnel illesztette, kilenc lehetséges kombináció létezik. Ez egy jó első tipp, és majdnem helyes.

mint kiderült, csak nyolc gluon létezik. Képzeld el, hogy egy vörös kvark vagy, és vörös/bíborvörös gluont bocsátasz ki. A vörös kvarkot zöld kvarkká változtatja, mert így megőrzi a színét. Ez a gluon ezután talál egy zöld kvarkot, ahol a bíborvörös megsemmisül a zölddel, és maga mögött hagyja a vörös színt. Ilyen módon a színek cserélődnek egymással kölcsönhatásban lévő színes részecskék között.

ez a gondolkodásmód csak hat gluonra jó, bár:

• piros / bíborvörös,
• piros/sárga,
• zöld/cián,
• zöld/sárga,
• Kék/Cián, és
• kék/bíborvörös.

amikor belefut a másik három lehetőségbe — Piros/Cián, Zöld/Bíbor és kék/sárga — van egy probléma: mind színtelen.

a fizikában, ha vannak olyan részecskék, amelyeknek ugyanaz a kvantumszáma, akkor keverednek egymással. Ez a három típusú gluon, amelyek mind színtelenek, abszolút keverednek egymással. A keveredés részletei meglehetősen mélyek, és túlmutatnak egy nem technikai cikk keretein, de két kombinációval zárul le, amelyek a három különböző szín és antikolor egyenlőtlen keveréke, valamint egy kombináció, amely az összes szín/antikolor pár keveréke.

ez az utolsó valóban színtelen, és nem képes fizikailag kölcsönhatásba lépni a színes töltésű részecskékkel vagy antirészecskékkel. Ezért csak nyolc fizikai gluon van. A kvarkok (és/vagy antikvarkok) közötti gluonok és a színtelen részecskék cseréje más színtelen részecskék között szó szerint az, ami összeköti az atommagokat.

nevezhetjük színes töltésnek, de az erős nukleáris erő betartja a szabályokat, amelyek egyedülállóak az univerzum összes jelensége között. Míg a színeket a kvarkoknak, az antikvarkokat az antikvarkoknak, a szín-antikolor kombinációkat a gluonoknak tulajdonítjuk, ez csak korlátozott analógia. Valójában egyik részecskének vagy antirészecskének sincs színe, hanem csupán egy olyan kölcsönhatás szabályainak engedelmeskedik, amelynek három alapvető töltéstípusa van, és csak olyan kombinációk létezhetnek a természetben, amelyeknek nincs nettó töltése ebben a rendszerben.

ez a bonyolult kölcsönhatás az egyetlen ismert erő, amely képes legyőzni az elektromágneses erőt, és két hasonló elektromos töltésű részecskét egyetlen, stabil szerkezetben, az atommagban tartani. A kvarkoknak valójában nincs színük, de vannak töltéseik, amelyeket az erős kölcsönhatás szabályoz. Csak ezekkel az egyedi tulajdonságokkal kombinálhatók az anyag építőkövei, hogy létrehozzák a ma élő univerzumot.