Quarcii își sărbătoresc cea de-a 50-a aniversare

În zilele noastre, fizicienii sunt încrezători în cunoștințele lor despre ultimele bucăți de materie ale naturii. O mână de blocuri de construcție pot fi rezumate cu ușurință într-o mică diagramă îngrijită.

Dar cu doar o jumătate de secol în urmă, situația era dezordonată. În anii 1950, distrugetorii de atomi au produs zeci de particule subatomice necunoscute anterior. Unii fizicieni s-au plâns că ar fi mai ușor să studiezi nomenclatura botanică decât să înveți toate noile nume de particule, majoritatea derivate din litere din alfabetul grec. Și părea ciudat că natura poseda o populație atât de diversă de particule când doar protonii, neutronii și electronii erau de ajuns pentru a face toată materia obișnuită.

Dar apoi, acum 50 de ani, pe 1 februarie, a apărut în jurnal o lucrare de Murray Gell-Mann Scrisori de fizică, informând lumea despre conceptul de quarci. A adus ordine în tărâmul subatomic.

„Aveam această listă de particule care se presupune că erau toate elementare, iar ideea a fost să aflăm cum interacționează”, își amintea Gell-Mann într-un interviu din 1997. Asta însemna să descoperim natura forței nucleare puternice, adezivul care ține împreună protonii și neutronii în nucleul atomic. Nimeni nu știa de ce există atât de multe particule care interacționează puternic.

Tot timpul, mulți fizicieni au crezut că noile particule nu pot fi toate elementare. Unele trebuie să fi fost combinații de componente mai de bază. O viziune populară, numită „egalitarism nuclear”, susținea că niciuna dintre particule nu era elemente de bază. Mai degrabă, toți erau alcătuiți din diverse combinații unul de altul, inclusiv ei înșiși.

Gândind aceste idei, Gell-Mann a construit tabele de particule, un fel ca tabelul periodic al elementelor chimice. În 1961 el a arătat că particulele pot fi grupate în modele; Lacunele dintre modele au sugerat existența unor particule nedescoperite, care de fapt au apărut curând în experimente, cu proprietățile pe care le prezisese Gell-Mann.

În concediu de la Caltech la începutul anului 1963, Gell-Mann a ținut prelegeri despre aceste probleme la MIT. În aceste discuții, el a remarcat că particulele care interacționează puternic ar putea fi toate formate prin combinarea membrilor unui grup de trei particule, un triplet. Dar a existat o problemă: acele trei particule ar avea sarcini electrice care erau fracțiuni din sarcina unui electron. Nicio astfel de particulă nu a fost niciodată detectată în natură.

„Am ignorat posibilitatea de încărcare fracționată – mi s-a părut atât de nebunesc”, a spus el.

Apoi, în martie 1963, Gell-Mann a vizitat Universitatea Columbia din New York, unde într-o zi l-a întâlnit pe fizicianul Robert Serber la clubul facultății. Serber l-a întrebat pe Gell-Mann despre motivul pentru care nu a construit particulele care interacționează puternic din triplet.

„Am spus bine, am încercat și am desenat pe un șervețel o imagine care îi arată ecuația, arătându-i că încărcăturile ar fi fracționate”, și-a amintit Gell-Mann. „Și el a spus: „Ei bine, înțeleg de ce”.

Dar întrebarea lui Serber l-a făcut pe Gell-Mann să reflecteze mai profund. A doua zi, el a decis că poate tripletul era răspunsul până la urmă. Era posibil ca particulele tripletului să fi fost întotdeauna prinse în interiorul particulelor pe care le-au compus și să nu scape niciodată. Asta ar explica de ce experimentele nu au văzut niciodată particule cu sarcină fracțională.

„Acesta a fost momentul decisiv, la Columbia, când, după ce Bob Serber a pus această întrebare, m-am gândit că ei bine, poate aceste lucruri nu pot ieși și, prin urmare, nu există nicio problemă cu experimentul”, a spus Gell-Mann.

Până la sfârșitul anului 1963, Gell-Mann a scris o scurtă lucrare despre idee și a trimis-o către Scrisori de fizică, unde a fost primit la 4 ianuarie 1964 și publicat la 1 februarie. Intitulat „A Schematic Model of Baryons and Mesons”, a explicat modul în care diferite combinații de trei particule dintr-un triplet ar putea produce barioni (cum ar fi protoni și neutroni), în timp ce două membrii din tripletă s-ar putea combina pentru a forma un mezon (cel mai faimos exemplu la acea vreme fiind mezonul pi sau pionul). Menținerea sarcinilor electrice standard a necesitat o a patra particulă pentru ca această abordare să funcționeze, a remarcat Gell-Mann în lucrarea sa. Dar „o schemă mai simplă și mai elegantă poate fi construită dacă permitem valori non-integrale pentru taxe”, a scris el. „Apoi ne referim la membrii… ai tripletului drept „quarci”.

Nu a explicat numele în ziar, cu excepția unei note de subsol care o citează pe cea a lui James Joyce Trezirea lui Finnegan (Pagina 383 a ediției Viking Press 1939). Gell-Mann întâlnise acolo o linie – „Trei cuarcuri pentru Muster Mark” – în care „quarcurile” se referă la scârțâiturile unui pescăruș. I-a plăcut cuvântul și l-a considerat potrivit, deoarece barionii erau alcătuiți din trei particule.

În lucrarea sa, el i-a desemnat pe cei trei quarci ca u, d și s – mai târziu urmând să fie cunoscuți ca sus, jos și ciudat. Protonii și neutronii necesită doar suișuri și coborâșuri (doi urcușuri și unul în jos formează un proton, doi coborâșuri și un sus formează un neutron). Multe dintre particulele nou descoperite, cu proprietățile lor ciudate, au inclus un cuarc ciudat în amestec.

Cam în același timp, un alt fizician, George Zweig, lucrase la idei similare. El și-a numit particulele „ași”. Dar lucrarea sa nu a fost publicată în acel moment, iar mai târziu a părăsit fizica pentru biologie. Zweig fusese student la Gell-Mann la Caltech, dar lucra la laboratorul CERN din Geneva în timp ce Gell-Mann era la MIT. Nici unul nu știa ce făcea celălalt.

Gell-Mann a povestit odată că, în toamna anului 1963, a încercat să-și explice ideea directorului CERN, Vicktor Weisskopf, la telefon. Când a menționat acuzația fracționată, Weisskopf a răspuns spunând: „Te rog, Murray, hai să fim serioși; acesta este un apel internațional.”

La început, a existat multă confuzie în ceea ce privește dacă quarcii erau reali sau doar facilități matematice pentru clasificarea particulelor mai mari. Gell-Mann a spus că întotdeauna a crezut că există cu adevărat, dar a contribuit la confuzia cu limbajul pe care l-a folosit. El a crezut că quarcii au fost probabil prinși în alte particule și, probabil, prin urmare, nu ar putea fi observați niciodată, așa că s-a referit la orice quarc care ar putea scăpa și deveni observabil ca fiind „adevărați”. Pe cei prinși înăuntru i-a numit „matematici” sau „fictivi”.

„Prin asta am vrut să spun că vor fi prinși înăuntru”, mi-a spus Gell-Mann. „Ar fi trebuit să spun mai bine.”

Au trecut câțiva ani înainte ca ideea cuarcilor să prindă. Apoi, la sfârșitul anilor 1960, experimentele la acceleratorul de particule Stanford au arătat că protonii conțineau un fel de particule mai de bază (numite „partoni” de Richard Feynman). În cele din urmă s-a dovedit că partonii erau într-adevăr quarcii pe care îi prezisese Gell-Mann.

În deceniile care au urmat, au apărut noi particule care nu au putut fi construite din quarcurile sus, jos și ciudate, astfel încât familia sa extins. Astăzi, diagrama cu quarci listează trei perechi: sus și jos, ciudat și farmec și jos și sus. O a patra pereche ar putea fi numită înalt și scăzut, dar majoritatea dovezilor sugerează că nu pot exista seturi suplimentare de quarci.

Totuși, acesta nu este sfârșitul poveștii cuarcilor. În timp ce imaginea simplă a quarcilor sus și jos care produc neutroni este în esență corectă, viața reală adaugă câteva complicații confuze.

În fizica cuantică, ca și în filmele cu spioni, nimic nu este niciodată exact așa cum pare. În cadrul unui proton, de exemplu, cei doi quarci sus și unul în jos nu sunt singuri. Fizica cuantică permite altor quarci (cunoscuți ca „cuarcuri de mare”) să apară și să iasă din existență. În cadrul nucleonilor (protoni sau neutroni), unii dintre acești cuarcuri de mare sunt varietatea ciudată (și anticiudată). Diferite proprietăți ale nucleonilor depind de cât de multă ciudățenie conțin. Este un factor important, de exemplu, în experimentele care încearcă să detecteze materia întunecată misterioasă din univers. Mai puțină ciudățenie în nucleon reduce probabilitatea interacțiunii cu o particulă de materie întunecată, făcând detectarea mai dificilă.

În ultimul deceniu sau cam asa ceva, determinarea conținutului de ciudățenie al nucleonului a fost un accent major în cercetarea nucleară, dar constatările nu au fost consistente. Diverse rapoarte (cum ar fi aici, aici și aici) nu sunt toate de acord cu lucrările anterioare. Așa că experții încă se luptă să-și dea seama exact din ce sunt formați protonii și neutronii.

Lecția pare să fie că oricât de mult ar afla fizicienii despre materie, întotdeauna există puțină mizerie.

Urmărește-mă pe Twitter: @tom_siegfried