Кварк что за птица
Кварк и Кеша
Блог пользователя: Hardy
фотографии с Кварком
Запись опубликована Hardy · 9 марта 2009
Наш малыш подростает, но по поведению сразу можно сказать, что он птенец.
Дата рождения — май’08;
Пол — пока не определён.
Птиц на первый взгляд довольно милый и безобидный:
Если присмотреться, то всё немного по-другому.
Вот он пытается разгрызть кормушку, причём содержимое его не особо интересует:
Если считать, что для птицы «играть»=»уничтожать посредством разгрызания», то можно сказать, что он очень любит играть:
Любое «кнопочное», оставленное без присмотра, рискует стать «бескнопочным»:
Независимо от степени сытости и времени, прошедшего после еды, чужая еда всегда привлекательна.
Если не удается пробраться к ней над препятствием,
то можно попробовать пролезть под ним.
Если пролезть не удается, то можно незаметно подобраться ползком — вдруг не заметят
В любом случае можно подождать, пока чужая еда останется без присмотра и действовать!
Так как от еды отогнали, то очень важно повыше забраться и погромче поорать.
Примечательно, что старший Птиц сидел в этой клетке 13 лет без замков и ни разу не смог открыть дверь. Кварку хватило двух дней,
чтоб освоить механизм открытия дверей. Приходится запирать. Каждый раз при этом обязательно демонстрируется возмущение.
За пределами клетки остаются последствия прогулки:
Субатомные частицы: квантовое царство
Насколько велики кварки?
Однако силы, удерживающие кварки вместе, огромны. В отличие от Земли, внутри протона нет ни поля, ни гравитации.
Силы в квантовом мире
Вещи в мире субатомных частиц не так легко представить и понять, как вещи, происходящие на Земле. В 1940-х годах американский физик Ричард Фейнман начал исследовать субатомные силы. Он обнаружил, что, скажем, в протоне нет гравитационного поля. Вместо этого частицы толкались, испуская и поглощая частицы.
Движения и силы внутри атомного ядра нелегко описать с помощью гравитационных полей и законов.
Масса и энергия
Все состоит из атомов, и все имеет массу. Однако атом по сути является пустым пространством. Протоны и нейтроны имеют почти одинаковую массу и в общем называются нуклонами. Масса нуклона примерно в 1836 раз больше массы электрона. Если округлить массу до 2000, электроны можно не учитывать. Масса объекта почти равна к сумме масс нуклонов, создающих этот объект. Но и нуклоны тоже имейте значительное пустое пространство внутри.
Глюоны безмассовые, поэтому каждый кварк должен иметь массу, равную одной трети нуклона, но это не так. Сумма массы всех кварков в объекте составляет около 2% от общей суммы. Скорость кварков близка к скорости света, то есть они содержат значительную кинетическую энергию. Кварки масштабируются в пространстве 10-15 м в поперечном направлении, и содержание такого быстрого объекта в таком маленьком месте требует огромных усилий, а значит, создает массу потенциальной энергии.
Относительность в субатомных частицах
Около 98% массы всего сущего состоит из экстремальной энергии протонов и нейтронов, а не из массы кварков внутри них.
В атоме есть нечто большее: виртуальные частицы вещества и антивещества, которые существуют всего лишь мгновение. Они усложняют представление, поскольку появляются повсюду во Вселенной, от глубокого космоса до ядра атомов.
Окончательным изображением объекта будет, главным образом, энергия, удерживаемая вместе силовыми полями в протонах и нейтронах, ядрах, атомах и молекулах, создающих объект. Это объяснимо в квантовом царстве. Науке предстоит многое сделать, чтобы завершить этот образ и узнать, что на самом деле происходит в любом масштабе окружающего мира или в нас.
Общие вопросы о субатомных частицах
Сколько существует субатомных частиц?
На данный момент открыто 36 подтвержденных элементарных частиц. Они также включают в себя античастицы. Субатомные частицы бывают двух типов: элементарные и составные. Они могут длиться всего несколько секунд и обнаруживаться повсюду во Вселенной, а не только внутри ядра атома.
Какие силы удерживают вместе субатомные частицы?
Субатомные частицы удерживаются вместе двумя типами сил: ядерной силой и электромагнитной силой. Это самая мощная сила, известная человечеству. Он должен удерживать частицы, движущиеся со скоростью, близкой к скорости света, в чрезвычайно маленьком пространстве, так что это самая сильная сила, обнаруженная до сих пор.
Что такое 12 элементарных частиц?
Существует более 12 субатомных частиц, но 12 основных включают шесть кварков (верхний, нижний, странный, очарованный, красивый и истинный), три электрона (электрон, мюон, тау) и три нейтрино (электрон, мюон, тау).
Ученые оценили открытие «Мафусаила мира экзотических частиц»
Опрошенные РБК ученые оценили открытие новой частицы материи на Большом адронном коллайдере, о чем было объявлено днем 29 июля.
Как сообщалось, ученые представили первые наблюдения за новой частицей материи — дважды очарованным тетракварком. Эта частица состоит из двух очарованных кварков и двух антикварков. До этого считалось, что адроны могут состоять либо из кварка и антикварка, либо из трех кварков.
Старший научный сотрудник Национального исследовательского центра «Курчатовский институт» (ИТЭФ), кандидат физико-математических наук Иван Беляев, который принял участие в исследовании, сообщил РБК, что целью научной работы было понять, как устроен наш мир. «Безусловно, мы уже довольно много знаем об окружающем мире, о структуре материи, атомов, но когда мы проникаем еще глубже, то наше понимание постепенно меняется с количественного до полуколичественного и местами просто качественного», — сказал он.
По его словам, к примеру, ученые могут качественно сказать, как устроены протоны и нейтроны, из которых состоят ядра атомов, но количественно ответить на этот вопрос совершенно непросто. «С другой стороны, если мы копнем еще глубже, значительно глубже, то оказывается, что там происходит чудо, и на очень маленьких расстояниях, которые изучает физика высоких (и очень высоких) энергий, у нас появляется теория, которая позволяет довольно точно рассчитать все интересующие нас процессы и явления — квантовая хромодинамика (КХД), теория сильных взаимодействий. То есть физики начинают чувствовать себя весьма комфортно», — добавил ученый.
Вместе с тем он отметил, что на расстояниях от нескольких сотых радиуса протона до нескольких радиусов протона надежной теории и надежных методов расчетов нет. «Тут приходится полагаться на те или иные приближенные модели и на численные расчеты, называемые «вычисления на решетках». В таких случаях всегда работает принцип «доверяй, но проверяй». И проверка тех или иных предсказаний и расчетов является мощнейшим способом тестирования этих моделей и, соответственно, приближает нас к пониманию того, как работает КХД на этом масштабе расстояний, и, соответственно, к лучшему пониманию того, как именно устроен наш мир», — пояснил Беляев.
Как подчеркнул ученый, совершенно точно можно сказать, что благодаря этому исследованию сделан еще один шаг. «Большой ли то шаг или не очень, будет понятно нескоро. Но, как и любое открытие в науке, это не только вклад в науку как таковую, но и в общечеловеческую культуру», — считает он.
Говоря о том, что представляет собой тетракварк, Беляев сказал: «Это я и сам хотел бы знать». «То, что мы обнаружили, никак нельзя описать как «обычную» частицу. 57 лет назад появилась Кварковая модель, которая предложила описание всех адронов (частиц, которые участвуют в сильных взаимодействиях и к которым относятся, к примеру, протоны и нейтроны), базируясь на очень простых и элегантных принципах — все адроны представляют собой либо пары кварк — антикварк, либо тройки кварков», — сообщил он.
Ученый заметил, что эта схема прекрасно работала до 2003 года, когда внезапно была обнаружена загадочная частица, названная X (3872), которая очень плохо вписывалась в эту простую схему. «С 2003 года прошло уже много лет, мы многое знаем об этой частице, но мы до сих пор не понимаем, что именно эта частица из себя представляет. Потом необычные, или, как мы их называем, «экзотические», частицы посыпались, как из рога изобилия, и на сегодняшний день мы имеем примерно 25 частиц, которые не вписываются в эти рамки, четыре частицы, которые могут быть объяснены только как пентакварки, и около 20 частиц, которые более всего похожи на тетракварки. Тут ключевые слова — «более всего». Практически все из них с какими-то усилиями и не очень естественно имели и какое-либо другое, часто довольно вычурное и далеко не общепринятое, возможное объяснение», — рассказал Беляев.
Как отметил ученый, в этом вопросе важен сам факт, поскольку интерпретация этих экзотических состояний как тетракварков — не единственная. «И вот тут в игру вступает наша новая частица. И оказывается, что у нее, уникальной, нет никакой другой возможной интерпретации», — сказал он.
По его словам, большая часть других экзотических частиц содержит очарованный кварк и очарованный антикварк. «Мы же первый раз видим экзотическую частицу, в которой есть целых два очарованных кварка (с-кварка), — это на корню убивает практически все другие альтернативные интерпретации. То, что мы видим, — это тетракварк, состоящий из двух очарованных кварков: «нижнего» антикварка и «верхнего» антикварка», — пояснил Беляев.
Он подчеркнул, что удивительной также является масса новой частицы: она оказалась чрезвычайно близка к сумме масс двух других частиц — очарованных мезонов. «Такая близость вряд ли является случайной — для этого должна быть какая-то причина, нам сейчас совершенно неизвестная», — добавил ученый.
Еще более удивительным является время жизни данной частицы, заметил Беляев, так как она является Мафусаилом мира экзотических частиц. «Ее время жизни в 10–500 раз больше типичного времени жизни экзотических частиц.
И еще один момент: новая частица очень «рыхлая» — ее масса чуть-чуть больше массы ядра атома гелия, также известного как альфа-частица, а по размеру, как мы сейчас понимаем, она примерно соответствует ядру атома радия, который в 50 раз тяжелее. И это тоже довольно необычно и интригующе», — рассказал он.
Еще один участник исследования, кандидат физико-математических наук Иван Поляков сообщил РБК, что, по сути, непонятно, что из себя представляют открытые 25 частиц, о которых говорил Беляев, и это является проблемой. «Проблема имеет два конца. С одной стороны, несмотря на то что имеющаяся теория взаимодействий между кварками (КХД) замечательно описывает эффекты на очень малых расстояниях (достигаемых при очень больших энергиях). А на обычных расстояниях между кварками в адронах (сравнимых с размерами протонов) вычисления становятся невероятно сложными и неподъемными. В итоге приходится идти на некие ухищрения и упрощения, про которые неизвестно, насколько они правильно работают», — рассказал он.
С другой стороны, как отметил Поляков, про большинство открытых экзотических частиц нельзя с полной уверенностью сказать, реальны они или нет, так как существуют разные объяснения. «Или же их свойства измерить так сложно, что невозможно сказать, какая теоретическая модель лучше всего подходит», — добавил он.
По его мнению, в этом смысле новый тетракварк является настоящим подарком. «Во-первых, про него можно с полной уверенностью сказать, что он состоит из двух очарованных кварков (более тяжелых версий «обычных» кварков) и двух антикварков. И никак иначе. А во-вторых, нам так повезло, что он распадается в десятки или сотни раз медленнее всех остальных экзотических частиц, и отчасти поэтому мы смогли очень точно измерить его свойства», — сообщил Поляков.
По его словам, открытый тетракварк может оказаться своеобразной моделью внутриядерных взаимодействий. Оказалось, что масса этого тетракварка лишь чуть-чуть меньше суммы масс двух очарованных мезонов, поэтому исследователи могут представить, что он состоит из двух очарованных мезонов (частица с одним очарованным кварком), связанных друг с другом, — подобно тому, как протоны и нейтроны связаны между собой в ядрах, пояснил он.
Поляков добавил, что здесь вопрос заключается в том, существуют ли эти два очарованных мезона почти отдельно друг от друга или же их кварки тесно переплетены между собой, или что-то посередине. «Однако в случае очарованных тетракварков из-за того, что они более тяжелые, теоретические вычисления становятся немного более легкими и от того более надежными, поэтому есть надежда, что благодаря этой частице наконец удастся разобраться во многих до сих пор неразрешенных вопросах», — считает ученый.
Главный исследователь кластера ORIGINS (Мюнхен, Германия) Михаил Михасенко, который принимал участие в эксперименте, рассказал РБК, что ученым еще предстоит выяснить множество деталей об открытой частице, например, ее внутреннее строение. «В данный момент нет хорошего понимания размера нашего формирования и того, похожа ли она на составные атомы, как дейтрон или альфа-частица, или ближе по структуре к более простым частицам, как протон и нейтрон», — пояснил ученый.
Он отметил, что обнаруженная частица — не элементарная, как электрон, а имеет сложную внутреннюю структуру: чуть больше половины энергии заключено в массе составляющих компонент (четыре кварка), а оставшаяся часть хранится в энергии взаимодействия компонент.
«Наше открытие показывает, что TCC+ формирование сильно связанно и достаточно долгоживущее — 1e–20 секунды (1/100,000,000,000,000,000,000 секунды), что практически невероятно для микромира сильного взаимодействия», — подчеркнул Михасенко. По его словам, за последние 20 лет исследователи находили все больше доказательств существования экзотических формирований, и теперь у ученых появился «бесспорный экспериментальный факт», а также понимание того, в каком направлении продолжать исследования.
Директор НИИ ядерной физики МГУ им. Ломоносова, член-корреспондент РАН, доктор физико-математических наук Эдуард Боос, комментируя открытие новой частицы материи, сообщил РБК, что основные частицы, из которых построено вещество, — это ядра и окружающие их электронные оболочки. «Ядра построены из частиц — протонов и нейтронов. Они, в свою очередь, состоят из кварков u и d и глюонов, которые склеивают их в протоны и нейтроны. Помимо кварков u и d, которые называются также кварками первого поколения, существуют кварки второго и третьего поколения», — рассказал он.
По его словам, во вновь открытой частице уникально собрались вместе два очарованных кварка c и c. «Когда были кварки и антикварки, такие частицы уже были найдены — c и анти-c — и другие легкие кварки в составе. Они называются частицами со скрытым очарованием, скрытым чармом. Здесь впервые обнаружена частица мезон (четыре кварка) с двумя c-кварками. Это так называемая частица с открытым очарованием, очарование ничем не скомпенсировано, это дважды очарованный мезон. Заряд у него плюс, поэтому он обозначается буквой T — TCC+. Помимо двух c-кварков в его состав входят анти-u-кварк и анти-d-кварк. Даже факт наличия этого состояния в течение долгого времени подвергался теоретическим сомнениям. Это важно и интересно с теоретической точки зрения», — заявил Боос.
По мнению ученого, было необходимо узнать, существует такая частица или нет. Он подчеркнул, что ее достаточно трудно выделить, потому что ее масса находится вблизи порогов рождения других частиц. «Чтобы это выделение можно было сделать, состояние должно быть долгоживущим. И вот коллаборация LHCb достигла результата, выделила это состояние. Теперь это представляет интерес для дальнейшей работы теоретиков по интерпретации того, как это состояние более детально устроено внутри, как идут распады», — заметил он.
Боос добавил, что любая новая достаточно долгоживущая (детектируемая) частица — это расширение нашего познания о том, как устроен мир, а также о правильности представлений, лежащих в основе понимания. «А основа понимания, как устроен микромир, позволяет понять, что было во Вселенной в первые мгновения, как развивалась история, происходило образование Вселенной, биосинтез, образовывались связные состояния из кварков. Тем самым дойти до того, как образовались мы, все окружающее нас. Все вокруг образовано из нуклонов — сильно взаимодействующих частиц, составленных из кварков. Чем больше мы о них знаем, тем лучше понимаем, как происходили процессы во Вселенной», — заключил Боос.
Птенцы-близнецы
На фото слева — кладка восточной сиалии (Sialia sialis), американской птицы из семейства дроздовых. В ней четыре небесно-голубых яйца. Справа вы видите пять желторотых птенцов, которые вылупились из этих яиц. Стоп, а почему пять? Обратите внимание на самое крупное яйцо, то, что было справа: в нем развивались близнецы. То, что оба эмбриона выжили и оба птенца успешно вылупились, необыкновенная редкость для птиц, особенно для диких. Почему так получается?
Восточные сиалии — дуплогнездники, занимают естественные дупла или искусственные гнездовья. Слева — самец у дупла. Фото © PixelHawk с сайта flickr.com, штат Нью-Джерси, США, 14 июня 2009 года. Справа — пара у скворечника, самец сидит на крыше. Фото © Steve Guttman, штат Нью-Йорк, США, 6 мая 2017 года
Рассмотрим, как устроено птичье яйцо. Его формирование начинается с того, что оплодотворенная яйцеклетка, содержащая большое количество желтка, начинает постепенно продвигаться из начального отдела яйцевода (у большинства птиц он один, как и яичник) вниз к клоаке. Попутно стенки разных частей яйцевода одевают яйцеклетку в разные оболочки: сначала в желточную, затем в белковую, две подскорлуповых и, наконец, в скорлупу. Желток — это источник питательных веществ для эмбриона, белок — прежде всего источник воды (см. главу «Много шума вокруг белка. Война с микробами» из книги Тима Беркхеда «Самая совершенная вещь на свете»). По мере развития и роста эмбриона часть белка расходуется, пространство между двумя подскорлуповыми оболочками освобождается и заполняется воздухом — формируется воздушная камера. Ближе к моменту вылупления зародыш ориентируется таким образом, чтобы его клюв находился рядом с воздушной камерой. Тогда вылупляющийся птенец сможет пробить подскорлуповую оболочку и сделать свой первый вдох легкими.
Схема строения птичьего яйца. Рисунок из учебника Н. П. Наумов, Н. Н. Карташев, 1979. Зоология позвоночных. Часть 2
А теперь представим, что в яйце развиваются сразу два эмбриона. В нем может быть один или два желтка, но белок всегда один (хотя и несколько больше по массе, чем в случае яйца с одним желтком). И его запасов должно хватить на двоих. Эмбрионы каким-то образом должны удобно разместиться внутри скорлупы и в нужное время сориентироваться клювами в сторону воздушной камеры.
Слева — двухжелтковое яйцо домашней индейки на седьмой день инкубации: T1 и T2 — разнояйцевые близнецы. Фото из статьи K. Damaziak et al., 2014. A Case of Bronze Turkey Twins Developing from Hatching. Справа — яйцо домашнего гуся на 3–4 день инкубации, содержащее два погибших эмбриона разнояйцевых близнецов. Фото из статьи K. Andres et al., 2018. The phenomenon of the monovular twinning in the endangered zatorska goose
При этом им еще нужно умудриться не стать сиамскими близнецами: такие случаи зарегистрированы у домашних и даже у диких птиц (например, у клинохвостого буревестника), но большинство таких эмбрионов погибают еще на ранних стадиях развития.
Чучело двухголового цыпленка в Санкт-Петербургском историческом музее во Флориде, США. Сообщается, что цыпленок родился в Тампе в 1930 году и прожил восемь месяцев. Фото с сайта tampabay.com
Три погибших эмбриона в яйце домашнего гуся, 7–8 день инкубации. Фото из статьи K. Andres et al., 2018. The phenomenon of the monovular twinning in the endangered zatorska goose
Если эмбрионы выжили и не соединились телами или головами в процессе развития, им надо как-то еще вылупиться без посторонней помощи, чтобы при этом желточный мешок ни у кого не порвался. Успех приходит в редких случаях. Так, например, в работе 1953 года сообщается, что из 152 куриных яиц с двойным желтком только в двух эмбрионы дожили до момента вылупления, но только из одного сумели вылупиться птенцы, и то не без помощи ученых. А в исследовании 1940 года около 14% голубиных яиц дожили до стадии вылупления, но ни один птенец не смог вылупиться.
Но успешным вылуплением дело не заканчивается. Близнецы всегда меньше единственного детеныша, и им нужно выдержать конкуренцию за пищу с собратьями. Вот и получается, что близнецы у птиц случаются крайне редко. А тройня — еще реже, и погибает на стадии эмбриона.
А как вообще в яйце могут оказаться близнецы? Есть по крайней мере три варианта: 1) в нормальной оплодотворенной яйцеклетке формируется одна бластодерма (ранняя стадия развития зародыша), но разделяется на две на дальнейших стадиях эмбриогенеза, формируются монозиготные однояйцевые близнецы; 2) на одном желтке формируется две бластодермы, тогда близнецы разные и могут быть разнополыми (бизиготные разнояйцевые); 3) две оплодотворенные яйцеклетки заключаются в одно яйцо, тогда желтков два (близнецы тоже разнояйцевые).
Судя по размерам самого крупного яйца в гнезде восточной сиалии (оно на 11% длиннее и на 12% шире остальных), оно содержало два желтка. Интересно, что близнецы вылупились не последними, после них на свет появился еще один птенец. Прожили близнецы по крайней мере 11 дней: на 11-й день в гнезде было найдено двое мертвых птенцов, но нельзя точно сказать, были ли это те самые близнецы или нет. Птенцы могли погибнуть от голода, не выдержав конкуренции с собратьями, поскольку к восьмому дню после их вылупления самец исчез, и птенцов выкармливала одна самка.
Гнездо восточной сиалии с крупным продолговатым яйцом, вероятно, содержащим два желтка, в этом же гнезде было очень маленькое недоразвитое яйцо (возможно, в нем нет желтка). Яйцо нормального размера (слева) положено для масштаба. Фото © Laura Packer с сайта flickr.com, штат Техас, США, октябрь 2008 года
У домашних индеек частота яиц с двойным желтком — 0,87%, у домашних кур — до 2,8%. Среди диких птиц отмечены случаи появления близнецов у 13 видов, помимо уже упомянутой восточной сиалии. Успешно вылупились два птенца из одного яйца у американского чижа и певчей овсянки; не вылупились, но были обнаружены два эмбриона в одном яйце у пингвина Адели, коричневого пересмешника, серой утки, канадской казарки, новозеландского медососа, домового воробья, ястреба-тетеревятника, попугая нестора-кака, сокола сапсана и клинохвостого буревестника (Ardenna pacifica).
В 2010 году было обнаружено невылупившееся яйцо белогорлой зонотрихии с двумя погибшими эмбрионами внутри, впервые за 22 года наблюдений за этим видом в районе биологической станции на озере Крэнберри (Cranberry Lake) в штате Нью-Йорк, США. За это время было собрано более 200 яиц и задокументировано вылупление 1800 птенцов, и среди них не было ни единого близнеца до 2010 года.
Необычное гнездо восточной сиалии запечатлел участник программы по наблюдению за гнездованием диких птиц NestWatch в Пенсильвании, США, в 2013 году. Это проект гражданской науки, и он еще раз доказывает ее важность (см., например, статью Гражданская наука: приглашаются все!). Каждый из вас может внести свой вклад в науку. Интересные факты о птицах записываются в базу данных Зоологического музея МГУ ru-birds.ru либо в международные базы данных ebird.org и inaturalist.org, у них также есть приложения для смартфона. А на сайте zooniverse.org можно пересчитать пингвинов или присоединиться к другому интересному проекту.
Надо сказать, что у рептилий близнецы (и даже тройни) встречаются несколько чаще, чем у птиц: они бывают у черепах, крокодилов, ящериц (см., например, картинку дня Монстр с реки Хила), змей, хамелеонов. У них зарегистрировано также появление сиамских близнецов — такой порок развития называется осевая бифуркация (см. картинку дня Ископаемая двухголовая ящерица). Близнецы рептилий часто выживают после вылупления в неволе.