Historia de los neutrinos
¿Qué hay en los protones y los neutrones? ¿Qué hay en un protón y un neutrón?
El éxito repetido en el estudio de la estructura de los hadrones y el Modelo Estándar muestra que los quarks y los campos de color son los componentes más fundamentales del mundo hadrónico. Sin embargo, todavía quedan algunas dificultades sin resolver en la física de hadrones, como el confinamiento de los quarks, la crisis del espín de los protones y la desintegración de los protones.
1. Los protones y los neutrones no son partículas puntuales.
Explorar la estructura de la materia es una importante tarea de la ciencia. Esta exploración nunca se ha detenido desde el surgimiento de la humanidad.
En el siglo XX, la gente fue comprendiendo gradualmente que la materia está compuesta de átomos moleculares. En 1932, Chadwick descubrió el neutrón y la gente se dio cuenta de que el núcleo atómico debería estar compuesto de protones y neutrones. El estudio de la estructura del material es como pelar brotes de bambú. El descubrimiento de cada capa profundiza la comprensión de la estructura del material. ¿Los protones y neutrones tienen estructuras internas por debajo del nivel de energía nuclear?
Los protones y neutrones no son partículas puntuales, tienen estructuras internas. En la década de 1930, los físicos teóricos creían que los protones y los neutrones, al igual que los nucleones, eran partículas elementales y deberían ser como partículas puntuales. Según la ecuación de onda relativista de Dirac, el momento magnético de un protón es el de un nucleón unitario, y el de un neutrón es cero porque no están cargados. Inesperadamente, el científico experimental Stern midió que el momento magnético del protón era de 5,6 nucleones y el momento magnético del neutrón no era cero. Son -3,82 unidades de partículas nucleares, lo que es contrario a la teoría de las partículas puntuales. Estos muestran claramente que los protones y neutrones no son tan simples como pensábamos y pueden tener interiores.
En la década de 1960, Hofstadter y otros bombardearon núcleos atómicos con electrones de alta energía, demostrando que la carga del nucleón estaba dispersa y que el nucleón sí tenía una estructura interna [1]. Dado que el nucleón no es una partícula puntual, ¿cómo se distribuye el material en su interior? Puede haber tres situaciones: o hay un núcleo duro en el corazón, como un melocotón; o hay muchas partículas, como una granada, con muchas semillas, o no hay partículas y está suelto como un algodón; En este caso, las decisiones adicionales dependen de experimentos de dispersión inelástica profundos.
Los experimentos de dispersión inelástica profunda se refieren a la colisión de protones o neutrones con electrones de energía extremadamente alta, excitando estos últimos a niveles de energía discretos, es decir, estados de resonancia, o incluso a la excitación continua de piones disociados. estado. Los experimentos de dispersión inelástica cambian las masas en reposo de protones y neutrones. Los experimentos muestran que dentro de los protones y neutrones hay partículas puntuales casi libres, que transportan un cierto impulso y momento angular. ¿Qué son estas partículas puntuales dentro de los protones y neutrones? ¿Cuáles son sus propiedades?
En segundo lugar, el modelo de los quarks
En 1964, el científico estadounidense Gell-Mann propuso el modelo de los quarks de la estructura hadrónica. Los hadrones son un concepto en el sistema de clasificación de partículas, y tanto los protones como los neutrones pertenecen a esta categoría. La palabra "quark" originalmente se refería al queso alemán o al sonido de una gaviota. Cuando Gell-Mann propuso este modelo, no esperaba que fuera reconocido por los físicos, por lo que utilizó este término humorístico. Los quarks también son fermiones. Es decir, hay 1/2 giro. Debido a que el espín de un protón y un neutrón es 1/2, tres quarks pueden formar un protón y un neutrón con espín 1/2. Dos quarks positivos y negativos pueden formar partículas con espines enteros llamadas mesones, como los mesones pi y J/ψ. En realidad, es un par de quarks formado por un quark charm y un quark anticharm. Todas las partículas compuestas por tres quarks se denominan bariones, y los bariones y los mesones se denominan colectivamente hadrones, llamados así porque ambos participan en la interacción fuerte. La fuerza de repulsión entre los protones en el núcleo es muy fuerte, pero debido a la fuerte fuerza de interacción (fuerza nuclear), el núcleo aún puede existir de manera estable. Según el modelo de quarks, los quarks son fraccionarios. La carga de cada quark es +2/3e o -1/3e (e es la unidad de carga del protón). Según la física de partículas moderna, hay seis tipos de quarks (sabores), llamados quarks arriba, quarks abajo, quarks extraños, quarks charm, quarks superiores y quarks inferiores, que forman todos los hadrones. Por ejemplo, un protón está formado por dos quarks arriba y un quark abajo. La carga del quark down es -1/3e. Las masas de los quarks arriba y abajo son ligeramente diferentes. La masa de un neutrón es ligeramente mayor que la masa de un protón. En el pasado se pensaba que esto podría deberse a las diferentes cargas de neutrones y protones. Ahora parece que esto debería atribuirse al hecho de que el quark down tiene una masa ligeramente mayor que el quark up.
Protones y neutrones: Un protón está compuesto por dos quarks up y un quark down, y un neutrón está compuesto por dos quarks down y un quark up.
Aunque el modelo de quarks logró mucho éxito en ese momento, también encontró algunos problemas.
Por ejemplo, la teoría de la estructura de los quarks de los bariones cree que los bariones como ω- y δ++ pueden estar compuestos por tres quarks idénticos, todos en el estado fundamental y con la misma dirección de giro. Este fenómeno de tres partículas idénticas con el mismo nivel de energía viola el principio de exclusión de Pauli. El principio de exclusión de Pauli establece que dos fermiones no pueden estar en el mismo estado. El giro de un quark es un semientero. Luego les doy un número o un "color" (rojo, amarillo, azul), y los tres quarks son diferentes y ya no violan el principio de Pauli. De hecho, en 1964, Greenberg introdujo el concepto de "color", una especie de libertad de quarks. Por supuesto, aquí no hay "color".
Es el color de la percepción visual y es sinónimo de los recién introducidos grados de libertad. Al igual que la carga de los electrones, los quarks también tienen color. De esta manera, cada quark tiene tres colores y los tipos de quarks se han ampliado de los seis originales a 18. Junto con sus antipartículas, existen 36 tipos de quarks en la naturaleza. Tres bosones intermedios, de transferencia fuerte ( Los ocho gluones (color) que interactúan entre sí forman un vasto mundo. Los quarks tienen libertad de color.
Esta teoría fue respaldada por muchos experimentos y se desarrolló en la década de 1970 hasta convertirse en una importante teoría de interacción fuerte: la cromodinámica cuántica.
3. Cromodinámica Cuántica y sus Características
El nombre "Cromodinámica Cuántica" suena un poco aterrador y difícil de pronunciar. Debería leerse así: cuántica/color/dinámica. Según esta teoría, los quarks están coloreados y el campo de gluones es el medio a través del cual interactúan los quarks. Esto nos recuerda que los electrones están cargados y el medio de interacción entre electrones es el campo electromagnético (campo de fotones). De hecho, ya tenemos la dinámica de la carga eléctrica, que se llama "cuántica". Desarrollado en las décadas de 1930 y 1940, los lectores comunes están familiarizados con la interacción electromagnética, por lo que la usamos como ejemplo para comprender la interacción del color en protones y neutrones. La cuantificación de las ecuaciones de Maxwell para campos electromagnéticos es la electrodinámica cuántica. Específicamente, la electrodinámica cuántica estudia las colisiones cuánticas (es decir, la dispersión) entre electrones y fotones. Naturalmente, la cromodinámica cuántica estudia las colisiones cuánticas entre quarks y gluones.
Los gluones son cuantos del campo de color, al igual que los fotones son cuantos del campo electromagnético. Los gluones y los fotones son partículas medianas con masa 0 y espín 1, y son partículas calibre. La interacción entre dos electrones se produce mediante la transmisión de un fotón virtual (el fotón virtual solo se genera en medio de la interacción, su energía y momento no son proporcionales, por lo que no puede existir de forma independiente y será aniquilado instantáneamente después de la generación. Según la teoría de la relatividad, movimiento libre Los electrones no pueden emitir fotones reales, pero pueden emitir fotones virtuales. Son los fotones reales los que nos dan energía luminosa y térmica. Después de abandonar la fuente, pueden existir de forma independiente. La interacción se produce transfiriendo un gluón virtual. , que transporta parte de la energía y el impulso de un quark al otro, por lo que los dos quarks interactúan a través del gluón. Mira, nosotros
¿No se puede establecer una cromodinámica cuántica basada en la cuántica? ¡Electrodinámica! Pero, de hecho, no es tan simple. Según el lenguaje de la teoría de grupos, el campo electromagnético es un campo de calibre U (1), es un campo de calibre abeliano, y los elementos del grupo son intercambiables, mientras que el campo de gluones. es un campo de calibre SU (3), que es un campo de calibre no abeliano, y los elementos del grupo no son intercambiables. En términos generales, "no" es mucho más problemático que "no". un generador, que es 1, por lo que solo hay un fotón, mientras que el grupo SU(3) tiene ocho generadores, y un generador corresponde a un gluón, por lo que hay ocho fotones que no tienen carga y el campo de gluones. es un campo de calibre no abeliano. La ecuación del campo tiene un término no lineal, que refleja la autointeracción de los gluones, por lo que los gluones también tienen cargas coloreadas. Los quarks emiten gluones coloreados, que a su vez cambian de color. Además del campo electromagnético, aparecen muchos fenómenos y propiedades inusuales, los más importantes son la "libertad asintótica" y el "confinamiento de quarks".
"Libertad asintótica" significa que cuando la distancia entre dos quarks es. muy pequeño, la constante de acoplamiento será muy pequeña, por lo que se puede considerar que los quarks están casi libres. La reducción en la constante de acoplamiento es causada por el efecto de protección de color inverso de los quarks en el vacío. Polarizará el vacío (. es decir, traerá color al vacío). La interacción entre los quarks y el vacío circundante conducirá a la distribución de polarización de los gluones virtuales y los quarks virtuales positivos y negativos producidos por la polarización del vacío. El efecto final hará que los quarks tengan una carga de color. se vuelve más grande.
Esto se llama efecto anti-blindaje del color (para las cargas, por el contrario, debido a la polarización del vacío, las cargas atraen partículas imaginarias cargadas negativamente, por lo que la carga total se reduce, lo que se llama efecto anti-blindaje de la electricidad. Por el contrario, el efecto anti-blindaje del color (la palabra viene de aquí). Debido a este efecto, a una distancia pequeña del quark, el quark a una distancia mayor tiene más carga de color que ellos, por lo que el efecto fuerte a una distancia pequeña es relativamente débil. Esto se llama "libertad asintótica". La libertad asintótica es un resultado importante de la cromodinámica cuántica, que permite calcular la cromodinámica de alta energía utilizando la teoría de la perturbación. Pero en el caso de poca energía o grandes distancias, el cálculo se vuelve difícil debido a la existencia de fuertes constantes de acoplamiento y fuerzas restrictivas.
La cromodinámica cuántica puede predecir la "libertad asintótica" a distancias pequeñas, pero no puede predecir el "confinamiento de quarks" a distancias grandes. Ésta es la dificultad de la cromodinámica cuántica.
El "confinamiento de quarks" significa que los quarks no pueden escapar de los protones. Los quarks rojos, amarillos y azules son incoloros y los hadrones son incoloros. Una vez que los quarks pueden escapar de los protones o hadrones, aparecen partículas coloreadas en la naturaleza. Las partículas coloreadas provocan una mayor polarización del vacío y el potencial de confinamiento entre las cargas coloreadas es muy grande. Todo el vacío está coloreado con alta energía, lo que hace que el vacío explote. De hecho, nada de esto sucede, lo que sugiere que no existen quarks libres en la naturaleza. Entonces nos preguntamos: ¿El vertido de quarks es un truco matemático o una realidad física? Estudiar esta cuestión es una prueba del modelo de quarks. Pero ahora que hay pruebas indirectas de la existencia de los quarks, los físicos creen que deberían existir. Los físicos han propuesto varias teorías sobre por qué deberían limitarse los quarks. Algunas personas han propuesto el modelo de bolsillo, por ejemplo, creen que el protón es una bolsa exprimida por el vacío, que puede unir los quarks y no puede escapar; otras han propuesto la teoría de cuerdas, que cree que los quarks están unidos a ambos; extremos de una cuerda, pero esta cuerda es difícil de romper. Incluso si se rompe, se producirán un par de quarks positivos y negativos en la ruptura, y el hadrón original se dividirá en dos nuevos hadrones, de modo que nunca aparecerán quarks libres, algunas personas dicen que, dado que los gluones están cargados de color, entonces; la relación entre gluones Habrá una atracción magnética de color, lo que hará que las líneas de fuerza de color se tensen y sean paralelas, al igual que las dos placas de un condensador cargado se atraen entre sí debido a las líneas de fuerza eléctricas paralelas, los quarks también tienen una atracción similar; la ley del área de la teoría del calibre de red demuestra que los quarks tienen un potencial de confinamiento lineal entre ellos. A mediados de la década de 1990, Cybertron y Witten utilizaron su teoría del campo cuántico espacial de cuatro dimensiones para demostrar que la condensación monopolo magnética también puede conducir al confinamiento de los quarks; . Hay muchas teorías sobre el confinamiento de los quarks, lo que simplemente demuestra que nuestra comprensión de la fuerza es insuficiente.
4. Imágenes de estructura nuclear y desintegración nuclear
Los estudios sobre espectros de mesones muestran que además de la fuerza cromática de Coulomb causada por el intercambio de un solo gluón, también existe una fuerza de confinamiento cromático entre quarks. Su potencial aumenta linealmente con la distancia. Como se mencionó anteriormente, aunque el origen del potencial de confinamiento lineal no está claro, se cree que es este potencial el que hace que los quarks queden confinados. Sin embargo, esta opinión puede ser cuestionada. Debido a que la ecuación de onda relativista se utiliza para resolver el espectro de energía del mesón, se encuentra que la función de onda no converge a cero en el infinito, sino que es una solución de dispersión. Esto significa que deberíamos detectarlo. Resulta que el potencial de confinamiento es tan grande en el infinito que la perturbación del vacío conduce a la producción de quarks positivos y negativos. De hecho, estos quarks no fueron detectados. Una razón puede ser que a grandes distancias la masa de los quarks se vuelve muy grande, superando con creces el potencial lineal, inhibiendo la capacidad de las perturbaciones del vacío para producir quarks positivos y negativos. La masa de los quarks aumenta con la distancia. Esto puede explicarse por la polarización del color en el vacío (que provoca el color en el vacío). La polarización del color en el vacío hace que la carga de color crezca cada vez más como una bola de nieve, y la energía y la masa de los quarks también crecen en consecuencia. La masa de quarks individuales sumergidos en el vacío es enorme y el vacío no tiene suficiente energía para producir estos quarks, lo que eventualmente puede conducir al confinamiento de los quarks.
Para las estructuras hadrónicas se utilizan diferentes modelos teóricos para describir diferentes estados energéticos. El estado fundamental de los protones y neutrones se puede resolver mediante la ecuación de Schrödinger de la mecánica cuántica. La masa de los hadrones depende principalmente de los quarks. Para partículas resonantes en estados excitados, el modelo de cuerdas es exitoso. Se cree que la masa y el espín de bariones y mesones son proporcionados principalmente por cuerdas (tubos de fuerza cromática) [10]; polarización de color Muy fuerte La masa de los hadrones es principalmente masa polarizada de color, y la masa de quarks y cuerdas es muy pequeña. Actualmente, es imposible utilizar una teoría unificada para describir la estructura de protones y neutrones en diferentes estados de energía.
Lo que comentamos anteriormente son las propiedades estáticas de los protones y neutrones y sus estados de resonancia. Hablemos de su decadencia. Los protones y neutrones en el núcleo son estables, mientras que los neutrones libres son inestables y tienen una vida útil de unos 11 minutos.
Los neutrones son un poco más grandes que los protones, por lo que tienen suficiente energía para descomponerse en un protón y liberar un electrón y un neutrino de tipo electrónico. La explicación de este proceso a nivel de quark es que en realidad se convierte en un quark up (con una carga de +2/3e) y W se desintegra en un electrón y un antineutrino de tipo electrónico. Debido a que el número bariónico de protones y neutrones es +1 y el número leptónico es 0, el número bariónico de electrones y neutrinos de tipo electrónico es ambos 0, y el número leptónico es +1 y -1 respectivamente. Por tanto, en este proceso se conservan el número bariónico y el número leptónico. El modelo estándar actual de física de partículas (electrodinámica cuántica, teoría unificada de la electricidad débil y cromodinámica cuántica) cree que el número de bariones se conserva. El protón es el barión más ligero, por lo que no puede descomponerse en otros bariones y es eterno. Como el mundo físico que encontramos está formado principalmente por bariones, es fácil creer que los protones son eternos. Sin embargo, una teoría predice que este concepto es erróneo. Los protones se desintegran en positrones y piones neutros, y el número bariónico y el número leptónico no se conservan absolutamente. Esta teoría es una gran teoría unificada que intenta unificar las interacciones fuertes, débiles y eléctricas y las describe con una constante de acoplamiento. La Gran Teoría Unificada contiene el Modelo Estándar, pero es más grande que el Modelo Estándar y por lo tanto tiene más interacciones de transmisión de bosones de calibre. Aunque estos bosones calibre son cuánticos con un campo ultradébil, el quark abajo en el protón liberará este bosón calibre y se convertirá en un positrón, mientras que un quark arriba en el protón absorbe este bosón calibre, la antipartícula que se convierte en el quark arriba ( anti-quark up) se combina con otro quark up en el protón para formar un pión neutro. Debido a que el campo de transformación quark-leptón es muy débil, el protón se desintegrará, pero su vida de desintegración es muy larga, alrededor de 100 billones de años. La vida útil de nuestro universo es sólo de decenas de miles de millones de años, por lo que la vida media de un protón es diez billones de veces más larga que la del universo. Durante tu vida, los protones de tu cuerpo sólo pueden desintegrarse unas pocas décimas, por lo que no hay necesidad de preocuparse por los inconvenientes que la desintegración de protones traerá a nuestras vidas. La desintegración de protones es sólo una predicción teórica y la prueba experimental aún no ha terminado por completo.
Como se mencionó anteriormente, las partículas puntuales en los protones son quarks, que en realidad incluyen gluones y quarks marinos que se crean y aniquilan constantemente. En el pasado se pensaba que el espín del protón era 1/2, proporcionado por tres quarks, pero las investigaciones actuales no pueden respaldar esta opinión. El momento angular total de los tres quarks en el protón sólo representa el 15% del espín del protón, y la mayor parte del espín puede ser soportado por gluones y quarks marinos.
Verbo (abreviatura de verbo) brevemente
Aunque en 1995 se descubrieron pruebas de la existencia de gluones y quarks top, el estudio de la estructura hadrónica y la exploración de los quarks libres todavía tienen un largo camino por recorrer. ir. ¿La razón fundamental del confinamiento de los quarks es la existencia de un potencial de confinamiento lineal o es causada por la polarización del color? Merece más estudio si el confinamiento de quarks es temporal o permanente. Si los quarks estuvieran confinados permanentemente, los hadrones siempre serían incoloros, que es exactamente lo que dice el refrán: ".