door Richard Webb
vraag: wanneer is een sterke kracht geen sterke kracht? Antwoord: als het ergens buiten de atoomkern is. Dat is in ieder geval het geval met de sterke kernkracht, een van de vier fundamentele natuurkrachten (de andere zijn elektromagnetisme, zwaartekracht en de zwakke kernkracht).
de sterke kracht houdt quarks samen, de fundamentele deeltjes waaruit de protonen en neutronen van de atoomkern bestaan, en houdt protonen en neutronen verder samen om atoomkernen te vormen., Als zodanig is het verantwoordelijk voor de onderliggende stabiliteit van de materie. Zijn enorme kracht is ook wat vrijkomt in het proces van kernfusie in de zon, of kernsplijting in een nucleaire bom.
op subatomaire schalen van ongeveer 1 Femtometer, of 10-15m , is het veruit de sterkste van de vier krachten, 137 keer sterker dan elektromagnetisme, en een miljoen keer sterker dan de zwakke interactie. (Zwaartekracht is zo zwak dat het op deze schalen Totaal irrelevant is. Het feit dat het op grotere schaal onbeduidend is, is het paradoxale effect van een vreemde sterke-kracht gril., Het foton, dat de elektromagnetische kracht doorzendt, heeft geen elektrische lading, maar de deeltjes die bekend staan als gluonen die de sterke kracht doorgeven, dragen wel de equivalente sterke-kracht “kleurlading”. Ze nemen daarom deel aan hun eigen kracht en kunnen met zichzelf communiceren.
het resultaat is dat, terwijl elektromagnetisme zwakker wordt wanneer elektrisch geladen deeltjes verder uit elkaar liggen, als je quarks en de gluonen die hen uit elkaar binden probeert te trekken, de kracht tussen hen sterker wordt en ze weer aan elkaar pingt., Dit fenomeen, bekend als asymptotische vrijheid, betekent dat sterke-kracht effecten nooit worden gevoeld boven een bepaalde lengte schaal. Het verklaart ook waarom noch quarks noch gluonen een op zichzelf staand bestaan kunnen hebben. Ze verschijnen alleen als onderdeel van Grotere samengestelde deeltjes, zoals protonen en neutronen.
advertentie
Er is een hele menagerie van dergelijke deeltjes, gevormd door combinaties van zes soorten, of “smaken” van quarks – omhoog, omlaag, vreemd, charme, onder en boven – plus hun gelijkwaardige antideeltjes., Welke combinaties van quarks zijn toegestaan, wordt bepaald door twee verdere complicaties.
eerst dragen quarks niet alleen kleurlading, maar ook een elektrische lading van een fractie van een geheel getal: +2/3 (up, charm en top quarks), -1/3 (down, strange en bottom quarks), -2/3 (up, charm en top antiquarks) of +1/3 (down, strange en bottom antiquarks). Composietdeeltjes die uit quarks bestaan, mogen echter alleen een gehele elektrische lading hebben. Ten tweede is er niet één soort kleurlading, zoals bij elektrische lading, maar drie: rood, groen en blauw., De quarks in deeltjes kunnen van kleur veranderen zolang ze een globaal evenwicht tussen kleuren behouden.
het nettoresultaat van dit alles is dat er slechts twee levensvatbare soorten quarkcomposieten zijn: baryonen, gevormd uit drie quarks (en hun gelijkwaardige antibaryonen, gevormd uit drie antiquarks); en mesonen, die quark-antiquarkparen zijn.,
het proton en het neutron, de enige sterke-kracht deeltjes die een groot deel van een permanent bestaan in onze huidige wereld hebben, zijn beide baryonen, met de quark configuraties (UUD) voor het proton, met zijn elektrische lading +1; en (udd) voor het neutron, wat resulteert in een totale neutrale elektrische lading. Het verschil in configuraties betekent ook dat het neutron net iets zwaarder is dan het proton. Dit feit betekent dat het proton, voor zover iedereen weet, niet bederft – een basisvoorwaarde voor de stabiliteit van de atomaire materie, en dus voor ons bestaan.,het quark-model werd in de vroege jaren 1960 onafhankelijk van elkaar bedacht door natuurkundigen Murray Gell-Mann en George Zweig (de naam quark was een onzinnig woord uit James Joyce ‘ s Finnegans Wake waar Gell-Mann het geluid van leuk vond). De onderliggende patronen verklaarden een overvloed aan deeltjes van verschillende massa ‘ s die opdoken in versneller experimenten schijnbaar zonder rijm of reden op het moment., In 1973 ontdekten David Gross en Frank Wilczek, en onafhankelijk daarvan David Politzer, de belangrijkste eigenschap van asymptotische vrijheid die ten grondslag ligt aan de kwantumchromodynamica, of QCD, de kwantumveldentheorie van de sterke kracht – een prestatie waarvoor alle drie de Nobelprijs voor de natuurkunde in 2004 deelden.
QCD is een van de twee kwantumveldentheorieën, samen met de kwantumelektrodynamica of QED, de verenigde theorie van elektromagnetisme en de zwakke kernkracht, die samen de losse associatie vormen die bekend staat als het standaardmodel van de deeltjesfysica., Het blijft een grote hoop voor natuurkundigen dat QCD en QED op een dag zelf Verenigd worden in één theorie. De elektrozwak en de sterke krachten zouden als één hebben gefunctioneerd in de ongelooflijk hete eerste momenten van het universum. Het vinden van bewijs van deze “grand unified theory” zou het opnieuw creëren van die zeer energetische omstandigheden vereisen, een taak die momenteel zelfs CERN ‘ s Large Hadron Collider, de meest Gespierde deeltjesversneller die we hebben, te boven gaat.
ondertussen blijft QCD een vreselijk moeilijke kracht om alleen berekeningen uit te voeren., De talloze sterke-kracht interacties tussen quarks en gluonen binnen deeltjes zoals protonen en neutronen kunnen alleen worden behandeld door benaderingen, in een techniek die bekend staat als rooster QCD. Dat is een van de redenen waarom sommige vrij basale sterke-kracht feiten, zoals hoe groot een proton is, zeer omstreden blijven.