Lực lượng hạt nhân mạnh là, như bạn có thể đoán, thực sự là một lực rất mạnh. Nó mạnh đến nỗi nó có thể tập hợp một số hạt nhỏ nhất trong vũ trụ trong thời gian rất dài, có thể là mãi mãi. Các hạt bị ràng buộc bởi lực mạnh tạo thành các khối xây dựng trong thế giới hàng ngày của chúng ta: proton và neutron. Nhưng nếu bạn muốn cắt mở một proton hoặc neutron, bạn sẽ không tìm thấy sự sắp xếp đơn giản, đẹp mắt của các hạt hạ nguyên tử. Thay vào đó, bạn sẽ thấy các bộ phận kinh tởm của có lẽ là một trong những lực lượng phức tạp nhất trong vũ trụ.
Proton và neutron không phải là những thứ duy nhất mà lực mạnh có thể tạo ra, nhưng chúng ta không thực sự hiểu những sự sắp xếp phức tạp và kỳ lạ khác. Hơn nữa, ngay cả những quan sát và thí nghiệm của chúng ta cũng rất sơ sài. Nhưng các nhà vật lý đang nỗ lực cố gắng ghép những hiểu biết sâu sắc về lực cơ bản này của tự nhiên.
Mạnh mẽ và phức tạp
Để mô tả lực mạnh, tốt nhất là đối chiếu nó với người anh em nổi tiếng hơn nhiều của nó, lực điện từ. Với lực điện từ, mọi thứ rất đơn giản, dễ dàng và đơn giản; đến nỗi các nhà khoa học trong những năm 1900 đã có thể tìm ra nó. Với lực điện từ, bất kỳ hạt nào cũng có thể tham gia nhóm miễn là nó có một tính chất gọi là điện tích. Nếu bạn có điện tích này, thì bạn có thể cảm nhận và phản ứng với lực điện từ. Và tất cả các loại hạt của tất cả các sọc và hương vị mang điện tích, giống như điện tử trong khu vườn của bạn.
Một hạt khác, hạt ánh sáng (còn được gọi là photon), thực hiện công việc truyền lực điện từ từ hạt này sang hạt khác. Bản thân photon không có điện tích riêng và không có khối lượng. Nó di chuyển với tốc độ ánh sáng, lướt qua lại trong vũ trụ, khiến cho điện từ xảy ra.
Sạc điện. Một sóng mang duy nhất của lực điện từ. Đơn giản, dễ hiểu.
Ngược lại, có sáu hạt chịu tác dụng của lực hạt nhân mạnh. Là một nhóm, chúng được gọi là các quark và có đủ các tên kỳ quặc như lên, xuống, trên, dưới, lạ và quyến rũ. Để cảm nhận và phản ứng với lực hạt nhân mạnh mẽ, những hạt quark này có trách nhiệm riêng. Đó không phải là điện tích (mặc dù chúng cũng có điện tích và cũng cảm thấy lực điện từ), nhưng vì nhiều lý do khiến mọi thứ thực sự khó hiểu, các nhà vật lý gọi điện tích đặc biệt này liên quan đến lực hạt nhân mạnh là điện tích màu.
Các quark có thể có một trong ba màu, được gọi là đỏ, xanh lá cây và xanh dương. Chỉ cần làm rõ, chúng không phải là màu sắc thực tế, mà chỉ là nhãn mà chúng tôi cung cấp cho tài sản kỳ lạ, giống như tính phí này.
Vì vậy, các hạt quark cảm nhận được lực mạnh, nhưng nó được mang theo bởi một loạt các hạt khác - chính xác là tám. Chúng được gọi là gluon, và chúng làm một công việc thực sự tuyệt vời là chờ đợi nó cùng nhau quark quark. Các gluon cũng có khả năng và mong muốn mang điện tích màu của riêng mình. Và họ có khối lượng.
Sáu quark, tám gluon. Các quark có thể thay đổi điện tích màu của chúng, và các gluon cũng có thể, bởi vì tại sao không.
Tất cả điều này có nghĩa là lực hạt nhân mạnh phức tạp và phức tạp hơn nhiều so với người anh em điện từ của nó.
Mạnh mẽ
Được rồi, tôi đã nói dối. Các nhà vật lý đã không chỉ gọi tính chất này của quark và gluon là "điện tích màu" bởi vì họ cảm thấy thích nó, nhưng vì nó đóng vai trò như một sự tương tự hữu ích. Các quầng và quark có thể liên kết với nhau tạo thành các hạt lớn hơn miễn là tất cả các màu cộng lại thành màu trắng, giống như ánh sáng đỏ, lam và lục cộng với ánh sáng trắng. Sự kết hợp phổ biến nhất là ba quark, mỗi màu đỏ, xanh lục, và màu xanh. Nhưng sự tương tự có một chút khó khăn ở đây, bởi vì mỗi quark riêng lẻ có thể có bất kỳ màu nào được gán cho nó bất cứ lúc nào; Vấn đề là số lượng quark để có được sự kết hợp đúng. Vì vậy, bạn có thể có các nhóm gồm ba quark để tạo ra các proton và neutron quen thuộc. Bạn cũng có thể có một quark liên kết với quark chống quark của nó, trong đó màu sắc tự hủy bỏ (như trong, các cặp màu xanh lá cây với màu xanh lá cây, và không, tôi không chỉ tạo ra điều này khi tôi đi cùng), để tạo ra một loại hạt được gọi là meson.
Nhưng nó không kết thúc ở đó.
Về mặt lý thuyết, bất kỳ sự kết hợp nào của quark và gluon cộng với màu trắng đều được phép về mặt kỹ thuật trong tự nhiên.
Ví dụ, hai meson - mỗi meson có hai quark bên trong chúng - có khả năng liên kết với nhau thành một thứ gọi là tetraquark. Và trong một số trường hợp, bạn có thể thêm quark thứ năm vào hỗn hợp, vẫn cân bằng tất cả các màu, được gọi là (bạn đoán nó) một pentaquark.
Tetraquark thậm chí không phải liên kết về mặt kỹ thuật với nhau trong một hạt. Chúng đơn giản có thể tồn tại gần nhau, tạo ra cái gọi là phân tử hydronic.
Và điều này thật điên rồ: Bản thân các gluon thậm chí có thể không cần một quark để tạo ra một hạt. Đơn giản là có thể có một quả bóng gluon treo ngoài trời, tương đối ổn định trong vũ trụ. Chúng được gọi là glueballs. Phạm vi của tất cả các trạng thái ràng buộc có thể cho phép của lực hạt nhân mạnh được gọi là phổ quarkonium và đó không phải là tên được tạo bởi một nhà văn chương trình truyền hình Sci-Fi. Có tất cả các loại kết hợp tiềm năng điên rồ của quark và gluon có thể tồn tại.
Họ cũng vậy?
Cầu vồng Quark
Có lẽ.
Các nhà vật lý đã thực hiện các thí nghiệm lực hạt nhân mạnh mẽ trong vài thập kỷ nay, như Thí nghiệm Baber và một số ít tại Máy va chạm Hadron Lớn, dần dần trong nhiều năm xây dựng các mức năng lượng cao hơn để thăm dò sâu hơn và sâu hơn vào phổ quarkonium (và vâng bạn có quyền của tôi để sử dụng cụm từ đó trong bất kỳ câu hoặc cuộc trò chuyện thông thường nào bạn muốn, điều đó thật tuyệt vời). Trong các thí nghiệm này, các nhà vật lý đã tìm thấy nhiều bộ sưu tập quark và gluon kỳ lạ. Các nhà thực nghiệm đặt cho họ những cái tên ngộ nghĩnh, như χc2 (3930).
Những hạt tiềm năng kỳ lạ này chỉ tồn tại thoáng qua, nhưng trong nhiều trường hợp tồn tại một cách thuyết phục. Nhưng các nhà vật lý có một thời gian khó khăn để kết nối các hạt được sản xuất ngắn này với các hạt lý thuyết mà chúng ta nghi ngờ nên tồn tại, như tetraquarks và glueballs.
Vấn đề với việc tạo kết nối là toán học thực sự khó. Không giống như lực điện từ, rất khó để đưa ra dự đoán chắc chắn liên quan đến lực hạt nhân mạnh. Đó không chỉ là do sự tương tác phức tạp giữa các quark và gluon. Ở năng lượng rất cao, sức mạnh của lực hạt nhân mạnh thực sự bắt đầu suy yếu, cho phép toán học đơn giản hóa. Nhưng ở những năng lượng thấp hơn, như năng lượng cần thiết để liên kết các quark và gluon để tạo ra các hạt ổn định, lực hạt nhân mạnh thực sự là rất tốt. Sức mạnh tăng lên này làm cho toán học khó hơn để tìm ra.
Các nhà vật lý lý thuyết đã đưa ra một loạt các kỹ thuật để giải quyết vấn đề này, nhưng bản thân các kỹ thuật này không đầy đủ hoặc không hiệu quả. Mặc dù chúng ta biết rằng một số trạng thái kỳ lạ trong phổ quarkonium tồn tại, rất khó để dự đoán tính chất và chữ ký thực nghiệm của chúng.
Tuy nhiên, các nhà vật lý đang làm việc chăm chỉ, như họ luôn làm. Dần dần, theo thời gian, chúng tôi đang xây dựng bộ sưu tập các hạt kỳ lạ được tạo ra trong máy va chạm, và đưa ra dự đoán tốt hơn và tốt hơn về trạng thái của quarkonium lý thuyết sẽ như thế nào. Các trận đấu đang dần đến với nhau, cho chúng ta một bức tranh đầy đủ hơn về lực lượng kỳ lạ nhưng cơ bản này trong vũ trụ của chúng ta.
Paul M. Sutter là một nhà vật lý thiên văn tại Đại học bang Ohio, máy chủ của Hỏi một người không gian và Đài phát thanh không gianvà tác giả của Vị trí của bạn trong vũ trụ.
