الكواركات والغلونات والعلامات القديمة هي مكونات للبروتونات والنيوترونات و (بحكم التعريف) هيدرونات أخرى. من الخصائص الفيزيائية المذهلة لعالمنا أنه عندما يتم إخراج أحد هذه الجسيمات من هادرون يحتوي عليه ويطير بطاقة حركة عالية ، فإنه لا يمكن ملاحظته من الناحية الميكروسكوبية. بدلاً من ذلك ، يتحول الكوارك عالي الطاقة (إما غلوون أو أنتيكارك) إلى "رذاذ" من الهدرونات (جسيمات تتكون من كواركات ، و antiquark و gluons). تسمى هذه البخاخات "البخاخات". لاحظ أن هذا ينطبق على الألوان الخمسة الأخف للكوارك ، ولكن ليس بالنسبة للكوارك العلوي المتحلل إلى جسيم W والكوارك السفلي قبل أن تظهر طائرة.
في المقالة ، سأصف تقريبًا كيف ولماذا تظهر الطائرات من الكواركات عالية الطاقة ، والعلامات القديمة والغلوونات.
هذا السلوك من الكواركات ، يختلف عن سلوك اللبتونات المشحونة والنيوترينات والفوتونات وغيرها ، ينبع من حقيقة أن الكواركات والغلونات تخضع لتفاعل نووي قوي ، في حين أن الجسيمات الأخرى لا تخضع لها. تصبح معظم التفاعلات بين جسيمين أضعف مع زيادة المسافة. على سبيل المثال ، يقع تفاعل الجاذبية بين كوكبين بشكل عكسي مع مربع المسافة بينهما. يتم نفس الشيء بالنسبة للتفاعل الكهربائي بين جسمين مشحونين ، ويسقط أيضًا كمربع للمسافة. يمكنك نفسك فرك البالون ، وشحنه بالكهرباء الساكنة ، ثم إحضاره إلى رأسك. إذا قمت بتقريبه ، سيقف شعرك على النهاية ، ولكن هذا التأثير يختفي بسرعة إذا قمت بتحريك الكرة أكثر.
التفاعل النووي القوي ، على الرغم من أنه ينمو على مسافات قصيرة وينخفض على مسافات طويلة (على الرغم من أنه ليس بالسرعة مثل الكهرباء - هذه الخاصية مهمة لفهم تاريخ التفاعلات القوية) ، ولكنها تتوقف عن الانخفاض في مسافات تبلغ مليون جزء من المليار من المتر - ترتيب نصف قطر البروتون وهو أصغر بمئة ألف مرة من نصف قطر الذرة. وهذا ليس مصادفة - هذا التأثير يحدد بالفعل حجم البروتون. يصبح هذا التفاعل الناتج عن مجال gluon ثابتًا. وهذا يعني أنه إذا حاولت سحب الكوارك خارج البروتون ، كما في التين. 1 ، ستجد أن سحبه لا يصبح أسهل ، بينما تدفعه أكثر فأكثر. الإحساس مشابه تقريبًا لتمتد الشريط المطاطي. إلا أن هذا الشريط المطاطي سوف يمزق في وقت ما. بمجرد تراكم ما يكفي من الطاقة في الشريط ، ستفضل الطبيعة تمزيقها إلى قسمين ، بدلاً من السماح لك بالانسحاب. وعندما ينكسر ، بدلًا من هيدرون واحد (بروتون) تحصل على اثنين: بروتون أو نيوترون زائد (عادة) بيون. في لحظة كسر زوج الكوارك / أنتيكارك تتشكل بطريقة معينة - يتم تحويل الطاقة في شكل شد الشريط إلى طاقة الكتلة من الكوارك والعلامة القديمة ، بالإضافة إلى طاقة معينة من الحركة لبعض gluons إضافية. يتم توفير الطاقة: لقد بدأت باستخدام طاقة كتلة البروتون ، وأضفت طاقة إلى توتر البروتون ، واستقبلت طاقة كتلة هادرون (بدون أي تمدد). يتم أيضًا حفظ الشحنة الكهربائية ، بحيث تحصل على إما بيون محايد وبروتون ، أو بيون ونيوترون موجب الشحن.
التين. 1: إذا حاولت سحب الكوارك خارج البروتون باستخدام ملاقط سحرية ، فإن البروتون سيشوه أولاً ثم ينقسم إلى نوعين من الهادرونات. ستفشل محاولتك لتحرير الكوارك ، وستتحول الطاقة المستهلكة إلى طاقة كتلة الهادرون الثاني.ماذا يحدث عندما يخرج الكوارك عالي الطاقة من البروتون؟ على سبيل المثال ، تحطم إلكترون سريع الحركة في بروتون ، يضرب الكوارك بقوة ، مما يمنحه طاقة أكبر بكثير من طاقة الكتلة للبروتون بأكمله؟
تحدث تقريبًا - سأقول للخبراء أن جزءًا من هذا البيان سيكون ساذجًا ومشتتًا قليلاً ، ولكنني سأصححه لاحقًا - نفس الشيء يحدث كما هو موضح في الشكل. 1 ، ولكن على نطاق أوسع. يتحرك الكوارك بسرعة كبيرة لدرجة أن الشريط المطاطي الذي يظهر ليس لديه وقت للتمزيق ويمتد كثيرًا - انظر منتصف الشكل. 2. نتيجة لذلك ، بدلاً من كسرها في مكان واحد وتشكيل هادرون ، تتكسر في العديد من الأماكن وتشكل العديد من الهدرونات (بشكل رئيسي الفاوانيا والكاون (على غرار الفاوانيا ، ولكنها تحتوي على كوارك غريب أو أنتيكارك) وإيسون ميسون ، أو ، بشكل أقل شيوعًا ، البروتونات أو النيوترونات أو البروتونات المضادة أو النيترونات). كلهم سيذهبون أكثر أو أقل في اتجاه واحد. ونتيجة لذلك ، سيكون لدينا بخاخات هادرون ، وسيطير معظمها في اتجاه الكوارك الأصلي. يوجد لديك.
التين. 2تم تقسيم الطاقة الأولية للكوارك عالي الطاقة الآن بين هادرونات في الطائرة. لكن بالنسبة للكواركات ذات الطاقات العالية بما فيه الكفاية (10 ج.ف.أو أكثر) ، يشارك جزء صغير من الطاقة في تكوين طاقة الكتلة من الهدرونات الجديدة ؛ يذهب معظمها إلى طاقة حركتهم. ونتيجة لذلك ، فإن الطاقة الإجمالية واتجاه الطائرة يشبهان الطاقة الأولية واتجاه الكوارك. من خلال قياس الطاقة واتجاه الحركة لجميع هادرونات الطائرة ، وتحديد الطاقة واتجاه حركة الطائرة ككل ، يحصل علماء فيزياء الجسيمات على تقدير جيد للطاقة واتجاه حركة الكوارك الأولي.
وينطبق الشيء نفسه على الآثار القديمة ، ومع تعديل طفيف ، للغلوونات عالية الطاقة.
أريد أن أشير إلى أنه لا يمكن لأحد حساب كيفية حدوث هذه العملية بالتفصيل. نحن نعلم ما قلته لك ، نتيجة لمزيج من عقود من الحسابات النظرية ، والرؤى النظرية والبيانات - بيانات تفصيلية من مصادر مختلفة - والتي تظهر بشكل عام أن هذه القصة تدور حول ما هي عليه. ولدينا أسباب للثقة فيه. إن العديد من اختباراتنا الدقيقة للغاية لنظرية التفاعلات النووية القوية ستفشل.
ملاحظة: يشار إلى هذا الكائن الشبيه باللثة من قبل خبراء فيزياء الطاقة العالية على أنها سلسلة QCD (QCD ، أو
الديناميكيات الكمومية ، معادلات تصف التفاعلات النووية القوية). تاريخياً ، في محاولة لفهم سلوك الهدرونات في الطبيعة التي لاحظناها (قبل أن يخرج الفيزيائيون مع QCD واكتشفوا الغلوونات ، وعندما لم تكن الكواركات مفهومة جيدًا) ، توصل المنظرون إلى نظرية الأوتار في أواخر الستينيات. فقط في وقت لاحق أصبح من الواضح أن السلسلة في نظرية الأوتار المبكرة هذه هي الشيء الحقيقي ، جزء من الفيزياء. وحتى في وقت لاحق أصبح من الواضح أن سلاسل QCD لا يمكن وصفها بشكل كاف باستخدام نظرية الأوتار القياسية. لفترة من الوقت ، اعتبر هذا فشلًا حتى أشار شيرك وشوارتز إلى أن نظرية الأوتار قد تكون مناسبة بشكل أفضل لوصف الجاذبية الكمية (وربما جميع الجسيمات الأساسية). وانطلق خبراء نظرية الأوتار في اتجاه مختلف. ومؤخرا أصبح من الواضح كيف يمكن القيام بشيء غير متوقع باستخدام نظرية الأوتار القياسية بحيث يصف بشكل أفضل (ليس مثاليًا ، ولكن أفضل بكثير) سلاسل QCD. لسوء الحظ ، لا تزال تصف الطائرة بالاشمئزاز.
من الواضح أنه لا يزال هناك الكثير مما يمكن قوله عن التفاعل النووي القوي.
التين. 3الآن دعني أصحح عدم الدقة المسموح به في الشكل. 2. لقد أغفلت مرحلة أساسية. سوف ينبعث الكوارك المتأثر ، مثل أي جسيم معجل. فجأة سيصدر الإلكترون المتسارع الفوتونات ؛ سوف ينبعث الكوارك المتسارع فجأة الغلوونات (والفوتونات أيضًا ، لكنها أصغر بكثير). يظهر هذا في أعلى اليمين في الشكل. 3. لذلك ، في الواقع ، لا يوجد كوارك سريع (الشكل 3 ، في منتصف اليسار) يظهر على حافة البروتون ، ولكن مجموعة من الغلوونات السريعة بالإضافة إلى كوارك سريع. ونتيجة لذلك ، فإن عملية تكوين طائرة هادرون (الشكل 3 ، القاع) أكثر تعقيدًا مما كانت عليه في الشكل. 2 ، على الرغم من أن النتيجة هي نفسها تقريبا. ولكن يتم تحديد شكل الطائرة في الواقع من خلال كيفية انبعاث الغلوونات قبل مغادرة الكوارك للبروتون. يمكن حساب عملية انبعاث الغلوونات بواسطة الكوارك! لذلك ، باستخدام معادلات للتفاعل النووي القوي ، يمكن للمرء حساب خصائص الطائرة أكثر بكثير مما قد يبدو على أساس الأرز الساذج. 2 - تم التحقق من هذه الحسابات بالبيانات ، ونتيجة لذلك تم التحقق من معادلات وصف التفاعلات النووية القوية.