Kvarker Har Faktisk Ikke Farger

på et grunnleggende nivå bestemmes virkeligheten av bare to egenskaper I Vårt Univers: kvanta som utgjør alt som eksisterer og samspillet som foregår mellom dem. Mens reglene som styrer alt dette kan virke kompliserte, er konseptet ekstremt greit. Universet består av diskrete biter av energi som er bundet opp i kvantepartikler med spesifikke egenskaper, og disse partiklene samhandler med hverandre i henhold til fysikkloven som ligger til grunn for vår virkelighet.

Noen av disse kvanteegenskapene styrer om og hvordan en partikkel vil samhandle under en bestemt kraft. Alt har energi, og derfor opplever alt tyngdekraften. Bare partiklene med de riktige ladningene opplever de andre kreftene, da disse ladningene er nødvendige for at koblinger skal skje. I tilfelle av den sterke kjernekraften trenger partikler en fargeladning for å samhandle. Bare kvarker har egentlig ikke farger. Her er hva som skjer i stedet.

Selv om vi kanskje ikke forstår alt om denne virkeligheten, har vi avdekket alle partiklene I Standardmodellen og naturen til de fire grunnleggende kreftene — tyngdekraften, elektromagnetismen, den svake kjernekraften og den sterke kjernekraften-som styrer deres samspill. Men ikke alle partikler opplever hver interaksjon; du trenger riktig type ladning for det.

av de fire grunnleggende kreftene har hver partikkel en energi som er iboende, selv masseløse partikler som fotoner. Så lenge du har energi, opplever du gravitasjonskraften. Videre er det bare en type gravitasjonsladning: positiv energi (eller masse). Av denne grunn er gravitasjonskraften alltid attraktiv, og forekommer mellom alt som eksisterer i Universet.

Elektromagnetisme er litt mer komplisert. I stedet for en type grunnleggende ladning er det to: positive og negative elektriske ladninger. Når lignende ladninger (positive og positive eller negative og negative) samhandler, avviser de, mens når motsatte ladninger (positive og negative) samhandler, tiltrekker de seg.

dette gir en spennende mulighet for at tyngdekraften ikke gjør det: evnen til å ha en bundet tilstand som ikke utøver en nettokraft på et eksternt, separat ladet objekt. Når like mengder positive og negative ladninger bindes sammen i et enkelt system, får du et nøytralt objekt: en uten netto ladning til den. Gratis kostnader utøver attraktive og / eller repulsive krefter, men uladede systemer gjør det ikke. Det er den største forskjellen mellom gravitasjon og elektromagnetisme: evnen til å ha nøytrale systemer som består av ikke-null elektriske ladninger.

Hvis vi skulle forestille disse to kreftene side ved side, kan du tenke på elektromagnetisme som å ha to retninger, mens gravitasjon bare har en enkelt retning. Elektriske ladninger kan være positive eller negative, og de ulike kombinasjonene av positiv-positiv, positiv-negativ, negativ-positiv og negativ-negativ tillater både tiltrekning og frastøting. Gravitasjon, derimot, har bare en type ladning, og derfor bare en type kraft: tiltrekning.

selv om det er to typer elektrisk ladning, tar det bare en partikkel for å ta vare på den attraktive og avstøtende virkningen av elektromagnetisme: fotonen. Den elektromagnetiske kraften har en relativt enkel struktur-to ladninger, hvor som de avviser og motsetninger tiltrekker seg-og en enkelt partikkel, fotonet, kan utgjøre både elektriske og magnetiske effekter. I teorien kan en enkelt partikkel, graviton, gjøre det samme for gravitasjon.

Men så, på en helt annen måte, er det den sterke kraften. Det ligner både tyngdekraften og elektromagnetismen, i den forstand at det er en ny type ladning og nye muligheter for en kraft forbundet med den.

hvis du tenker på en atomkjerne, må du umiddelbart innse at det må være en ekstra kraft som er sterkere enn den elektriske kraften, ellers ville kjernen, laget av protoner og nøytroner, fly fra hverandre på grunn av elektrisk avstøtning. Den kreativt navngitte sterke kjernekraften er den ansvarlige parten, da bestanddelene av protoner og nøytroner, kvarker, har både elektriske ladninger og en ny type ladning: fargeladning.

I Motsetning til hva du kan forvente, er det ingen farge involvert i det hele tatt. Grunnen til at vi kaller det fargeladning er fordi i stedet for en grunnleggende, attraktiv type ladning (som tyngdekraften), eller to motsatte typer grunnleggende ladning (positiv og negativ, som elektromagnetisme), styres den sterke kraften av tre grunnleggende typer ladning, og de adlyder svært forskjellige regler enn de andre, mer kjente kreftene.

for elektriske ladninger kan en positiv ladning avbrytes med en lik og motsatt ladning-en negativ ladning-av samme størrelsesorden. Men for fargekostnader har du tre grunnleggende typer kostnader. For å avbryte en enkelt fargeladning av en type, trenger du en av hver av de andre og tredje typene. Kombinasjonen av like tall av alle tre typer resulterer i en kombinasjon som vi kaller “fargeløs”, og fargeløs er den eneste kombinasjonen av komposittpartikkel som er stabil.

Dette fungerer uavhengig for kvarker, som har en positiv fargeladning, og antikvarker, som har en negativ fargeladning. Hvis du bilde et fargehjul, kan du sette rød, grønn og blå på tre like langt steder, som en likesidet trekant. Men mellom rødt og grønt ville være gul; mellom grønt og blått ville være cyan; mellom rødt og blått er magenta.

disse mellomfargekostnadene samsvarer med fargene til antipartiklene: anticolors. Cyan er det samme som anti-rød; magenta er det samme som anti-grønn; gul er det samme som anti-blå. Akkurat som du kan legge opp tre kvarker med røde, grønne og blå farger for å lage en fargeløs kombinasjon (som en proton), kan du legge opp tre antikvarker med cyan, magenta og gule farger for å lage en fargeløs kombinasjon (som en antiproton).

hvis du vet noe om farge, kan du begynne å tenke på andre måter å generere en fargeløs kombinasjon på. Hvis tre forskjellige farger eller tre forskjellige anticolors kunne fungere, kanskje riktig farge-anticolor kombinasjon kan få deg dit?

faktisk kan det. Du kan blande sammen den rette kombinasjonen av en kvark og en antikvark for å produsere en fargeløs komposittpartikkel, kjent som en meson. Dette fungerer, fordi:

• rød og cyan,
• grønn og magenta,
• og blå og gul

er alle fargeløse kombinasjoner. Så lenge du legger opp til en fargeløs netto kostnad, reglene for sterk kraft tillate deg å eksistere.

Dette kan starte tankene dine ned noen interessante stier. Hvis rød + grønn + blå er en fargeløs kombinasjon, men rød + cyan er fargeløs også, betyr det at grønn + blå er den samme som cyan?

Det er helt riktig. Det betyr at du kan ha en enkelt (farget) kvark parret med noen av følgende:

• to ekstra kvarker,
• en antikvark,
• tre ekstra kvarker og en antikvark,
• en ekstra kvark og to antikvarker,
• fem ekstra kvarker,

eller en annen kombinasjon som fører til en fargeløs total. Når du hører om eksotiske partikler som tetraquarks (to kvarker og to antikvarker) eller pentaquarks (fire kvarker og en antikvark), vet at de overholder disse reglene.

men farge er bare en analogi, og den analogien vil faktisk bryte ned ganske raskt hvis du begynner å se på det i for mye detalj. For eksempel er måten den sterke kraften fungerer på, ved å bytte gluoner, som bærer en farge-anticolor kombinasjon med dem. Hvis du er en blå kvark og du avgir en gluon, kan du forvandle deg til en rød kvark, noe som betyr at gluonen du sendte ut, inneholdt en cyan (anti-rød) og en blå fargeladning, slik at du kan spare farge.

du tenker kanskje da, med tre farger og tre anticolors, at det ville være ni mulige typer gluon som du kunne ha. Tross alt, hvis du matchet hver av rød, grønn og blå med hver av cyan, magenta og gul, er det ni mulige kombinasjoner. Dette er et godt første gjetning, og det er nesten riktig.

som det viser seg, er det bare åtte gluoner som eksisterer. Tenk deg at du er en rød kvark, og du avgir en rød / magenta gluon. Du kommer til å slå den røde kvarken inn i en grønn kvark, fordi det er slik du sparer farge. Det gluon vil da finne en grønn kvark, hvor magenta vil utslette med den grønne og forlate den røde fargen bak. På denne måten blir farger utvekslet mellom samvirkende fargede partikler.

denne tankegangen er bare bra for seks av gluonene, skjønt:

• rød/magenta,
• rød/gul,
• grønn/cyan,
• grønn/gul,
• blå/cyan og
• blå / magenta.

når du går inn i de tre andre mulighetene — rød/cyan, grønn / magenta og blå / gul-er det et problem: de er alle fargeløse.

i fysikk, når du har partikler som har de samme kvante tallene, blander de seg sammen. Disse tre typer gluoner, som alle er fargeløse, blander absolutt sammen. Detaljene om hvordan de blander er ganske dype og går utover omfanget av en ikke-teknisk artikkel, men du kommer opp med to kombinasjoner som er en ulik blanding av de tre forskjellige farger og anticolors, sammen med en kombinasjon som er en blanding av alle farger/anticolor parene likt.

den siste er virkelig fargeløs, og kan ikke fysisk samhandle med noen av partiklene eller antipartiklene med fargekostnader. Derfor er det bare åtte fysiske gluoner. Utveksling av gluoner mellom kvarker (og/eller antikvarker), og av fargeløse partikler mellom andre fargeløse partikler, er bokstavelig talt det som binder atomkjerner sammen.

vi kan kalle det color charge, men den sterke atomkraft adlyder regler som er unike blant alle fenomenene i Universet. Mens vi tilskriver farger til kvarker, anticolors til antikvarker og farge-anticolor kombinasjoner til gluoner, er det bare en begrenset analogi. I sannhet har ingen av partiklene eller antipartiklene en farge i det hele tatt, men bare adlyder reglene for en interaksjon som har tre grunnleggende typer ladning, og bare kombinasjoner som ikke har netto ladning under dette systemet, får lov til å eksistere i naturen.

denne intrikate interaksjonen er den eneste kjente kraften som kan overvinne den elektromagnetiske kraften og holde to partikler med lignende elektrisk ladning bundet sammen til en enkelt, stabil struktur: atomkjernen. Kvarker har egentlig ikke farger, men de har kostnader som styres av den sterke samspillet. Bare med disse unike egenskapene kan byggesteinene i materie kombineres for å produsere Universet vi bor i dag.