Quarcii nu au de fapt culori

la nivel fundamental, realitatea este determinată doar de două proprietăți ale universului nostru: cuantele care alcătuiesc tot ceea ce există și interacțiunile care au loc între ele. În timp ce regulile care guvernează toate acestea ar putea părea complicate, conceptul este extrem de simplu. Universul este alcătuit din biți discreți de energie care sunt legați în particule cuantice cu proprietăți specifice, iar acele particule interacționează între ele în conformitate cu legile fizicii care stau la baza realității noastre.

unele dintre aceste proprietăți cuantice guvernează dacă și cum o particulă va interacționa sub o anumită forță. Totul are energie și, prin urmare, totul experimentează gravitația. Cu toate acestea, numai particulele cu tipurile potrivite DE SARCINI experimentează celelalte forțe, deoarece aceste sarcini sunt necesare pentru ca cuplajele să aibă loc. În cazul forței nucleare puternice, particulele au nevoie de o sarcină de culoare pentru a interacționa. Numai că quarcii nu au de fapt culori. Iată ce se întâmplă în schimb.

deși s — ar putea să nu înțelegem totul despre această realitate, am descoperit toate particulele Modelului Standard și natura celor patru forțe fundamentale — gravitația, electromagnetismul, forța nucleară slabă și forța nucleară puternică-care guvernează interacțiunile lor. Dar nu fiecare particulă experimentează fiecare interacțiune; aveți nevoie de tipul corect de sarcină pentru asta.

dintre cele patru forțe fundamentale, fiecare particulă are o energie inerentă acesteia, chiar și particule fără masă, cum ar fi fotonii. Atâta timp cât aveți energie, experimentați forța gravitațională. Mai mult, există un singur tip de sarcină gravitațională: energie pozitivă (sau masă). Din acest motiv, forța gravitațională este întotdeauna atractivă și apare între tot ceea ce există în univers.

electromagnetismul este un pic mai complicat. În loc de un tip de sarcină fundamentală, există două: sarcini electrice pozitive și negative. Când sarcinile similare (pozitive și pozitive sau negative și negative) interacționează, ele resping, în timp ce atunci când sarcinile opuse (pozitive și negative) interacționează, ele atrag.

aceasta oferă o posibilitate interesantă pe care gravitația nu o are: capacitatea de a avea o stare legată care nu exercită o forță netă asupra unui obiect extern, încărcat separat. Când cantități egale de sarcini pozitive și negative se leagă împreună într-un singur sistem, obțineți un obiect neutru: unul fără sarcină netă. Taxele gratuite exercită forțe atractive și/sau respingătoare, dar sistemele neîncărcate nu. Aceasta este cea mai mare diferență dintre gravitație și electromagnetism: capacitatea de a avea sisteme neutre compuse din sarcini electrice diferite de zero.

dacă ar fi să ne imaginăm aceste două forțe una lângă alta, v-ați putea gândi la electromagnetism ca având două direcții, în timp ce gravitația are doar o singură direcție. Sarcinile electrice pot fi pozitive sau negative, iar diferitele combinații de pozitiv-pozitiv, pozitiv-negativ, negativ-pozitiv și negativ-negativ permit atât atracția, cât și repulsia. Gravitația, pe de altă parte, are un singur tip de sarcină și, prin urmare, un singur tip de forță: atracția.

chiar dacă există două tipuri de sarcină electrică, este nevoie de o singură particulă pentru a avea grijă de acțiunea atractivă și respingătoare a electromagnetismului: fotonul. Forța electromagnetică are o structură relativ simplă — două sarcini, în care cele asemănătoare se resping și se atrag contrariile — și o singură particulă, fotonul, poate explica atât efectele electrice, cât și cele magnetice. În teorie, o singură particulă, gravitonul, ar putea face același lucru pentru gravitație.

dar apoi, pe o bază complet diferită, există forța puternică. Este similar atât cu gravitația, cât și cu electromagnetismul, în sensul că există un nou tip de sarcină și noi posibilități pentru o forță asociată cu aceasta.

dacă vă gândiți la un nucleu atomic, trebuie să recunoașteți imediat că trebuie să existe o forță suplimentară mai puternică decât forța electrică, altfel nucleul, format din protoni și neutroni, ar zbura din cauza repulsiei electrice. Forța nucleară puternică numită creativ este partea responsabilă, deoarece constituenții protonilor și neutronilor, quarcii, au atât sarcini electrice, cât și un nou tip de sarcină: sarcina de culoare.

contrar a ceea ce s-ar putea aștepta, deși, nu există nici o culoare implicate la toate. Motivul pentru care o numim sarcină de culoare este că, în loc de un tip fundamental, atractiv de sarcină (cum ar fi gravitația) sau două tipuri opuse de sarcină fundamentală (pozitivă și negativă, cum ar fi electromagnetismul), forța puternică este guvernată de trei tipuri fundamentale de sarcină și se supun unor reguli foarte diferite decât celelalte forțe mai familiare.

pentru sarcini electrice, o sarcină pozitivă poate fi anulată printr — o sarcină egală și opusă — o sarcină negativă-de aceeași magnitudine. Dar pentru taxele de culoare, aveți trei tipuri fundamentale de încărcare. Pentru a anula o singură încărcare de culoare de un singur tip, aveți nevoie de unul din fiecare dintre al doilea și al treilea tip. Combinația de numere egale din toate cele trei tipuri are ca rezultat o combinație pe care o numim “incoloră”, iar incoloră este singura combinație de particule compozite care este stabilă.

acest lucru funcționează independent pentru quark – uri, care au o sarcină pozitivă de culoare, și antiquarks, care au o sarcină negativă de culoare. Dacă vă imaginați o roată de culoare, puteți pune roșu, verde și albastru în trei locații echidistante, ca un triunghi echilateral. Dar între roșu și verde ar fi Galben; între verde și albastru ar fi cyan; între roșu și albastru ar fi magenta.

aceste încărcări de culoare între ele corespund culorilor antiparticulelor: anticolorii. Cyan este la fel ca anti-roșu; magenta este la fel ca anti-verde; galbenul este la fel ca anti-albastru. Așa cum ați putea adăuga trei quarci cu culori roșii, verzi și albastre pentru a face o combinație incoloră (ca un proton), ați putea adăuga trei antiquarci cu culori cyan, magenta și galben pentru a face o combinație incoloră (ca un antiproton).

dacă știți ceva despre Culoare, s-ar putea să începeți să vă gândiți la alte modalități de a genera o combinație incoloră. Dacă trei culori diferite sau trei anticolori diferiți ar putea funcționa, poate combinația potrivită culoare-anticolor te-ar putea duce acolo?

de fapt, se poate. Puteți amesteca combinația potrivită dintre un quark și un antiquark pentru a produce o particulă compozită incoloră, cunoscută sub numele de Mezon. Acest lucru funcționează, deoarece:

• roșu și cyan,
• verde și magenta,
• și albastru și galben

sunt toate combinații incolore. Atâta timp cât adăugați o încărcătură netă incoloră, Regulile forței puternice vă permit să existați.

acest lucru ar putea începe mintea ta în jos unele căi interesante. Dacă roșu + verde + albastru este o combinație incoloră, dar roșu + cyan este și incolor, înseamnă asta că verde + albastru este același cu cyan?

este absolut corect. Aceasta înseamnă că puteți avea un singur quark (colorat) asociat cu oricare dintre următoarele:

• doi cuarci suplimentari,
• un antiquark,
• trei cuarci suplimentari și un antiquark,
• un cuarci suplimentari și doi antiquarci,
• cinci cuarci suplimentari,

sau orice altă combinație care duce la un total incolor. Când auziți despre particule exotice, cum ar fi tetraquarks (doi quarci și doi antiquarks) sau pentaquarks (patru quarci și un antiquark), știți că respectă aceste reguli.

dar culoarea este doar o analogie, iar această analogie se va descompune destul de repede dacă începeți să o priviți în prea multe detalii. De exemplu, modul în care funcționează forța puternică este prin schimbul de gluoni, care poartă o combinație color-anticolor cu ei. Dacă sunteți un quark albastru și emiteți un gluon, s-ar putea transforma într-un quark roșu, ceea ce înseamnă că gluonul pe care l-ați emis conținea un cyan (anti-roșu) și o încărcătură de culoare albastră, permițându-vă să conservați culoarea.

ați putea crede, atunci, cu trei culori și trei anticolori, că ar exista nouă tipuri posibile de gluon pe care le-ați putea avea. La urma urmei, dacă ați asortat fiecare roșu, verde și albastru cu fiecare cyan, magenta și galben, există nouă combinații posibile. Aceasta este o primă presupunere bună și este aproape corectă.

după cum se dovedește, totuși, există doar opt gluoni care există. Imaginați-vă că sunteți un quark roșu și emiteți un gluon roșu/magenta. Vei transforma quark-ul roșu într-un quark verde, pentru că așa conservi culoarea. Acel gluon va găsi apoi un quark verde, unde magenta se va anihila cu verdele și va lăsa culoarea roșie în urmă. În acest mod, culorile se schimbă între particulele colorate care interacționează.

această linie de gândire este bună doar pentru șase dintre gluoni, deși:

• roșu / magenta,
• roșu/galben,
• verde/cyan,
• verde/Galben,
• Albastru/cyan și
• albastru/magenta.

când intri în celelalte trei posibilități — roșu/cyan, verde/magenta și albastru/galben — există o problemă: toate sunt incolore.

în fizică, ori de câte ori aveți particule care au aceleași numere cuantice, ele se amestecă împreună. Aceste trei tipuri de gluoni, toate fiind incolore, absolut se amestecă împreună. Detaliile despre modul în care se amestecă sunt destul de profunde și depășesc domeniul de aplicare al unui articol non-tehnic, dar încheiați cu două combinații care sunt un amestec inegal al celor trei culori și anticolori diferite, împreună cu o combinație care este un amestec al tuturor perechilor de culori/anticolore în mod egal.

ultima este cu adevărat incoloră și nu poate interacționa fizic cu niciuna dintre particule sau antiparticule cu sarcini de culoare. Prin urmare, există doar opt gluoni fizici. Schimburile de gluoni între quarci (și/sau anticarci) și de particule incolore între alte particule incolore, este literalmente ceea ce leagă nucleele atomice împreună.

o putem numi sarcină de culoare, dar forța nucleară puternică se supune regulilor care sunt unice printre toate fenomenele din Univers. În timp ce atribuim culori cuarcilor, anticolorilor antiquarcilor și combinațiilor color-anticolor gluonilor, este doar o analogie limitată. Într-adevăr, niciuna dintre particule sau antiparticule nu are deloc o culoare, ci doar respectă regulile unei interacțiuni care are trei tipuri fundamentale de sarcină și numai combinațiile care nu au sarcină netă în cadrul acestui sistem sunt permise să existe în natură.

această interacțiune complicată este singura forță cunoscută care poate depăși forța electromagnetică și menține două particule de sarcină electrică asemănătoare legate împreună într-o singură structură stabilă: nucleul atomic. Quarcii nu au de fapt culori, dar au SARCINI guvernate de interacțiunea puternică. Numai cu aceste proprietăți unice se pot combina blocurile de materie pentru a produce universul pe care îl locuim astăzi.