Фундаментальные частицы

С. А. Славатинский

Московский физико-технический институт, Долгопрудный Московской обл.

---

Кварки

Сама идея кварков возникла в результате блестящей попытки классифицировать большое количество частиц, участвующих в сильных взаимодействиях и называемых адронами. М. Гелл-Ман и Г. Цвейг предположили, что все адроны состоят из соответствующего набора фундаментальных частиц - кварков, их антикварков и переносчиков сильного взаимодействия - глюонов [3].

Полное число адронов, наблюденное в настоящее время, составляет более ста частиц (и столько же античастиц). Много десятков частиц еще не зарегистрировано. Все адроны подразделяются на тяжелые частицы, названные барионами, и средние, названные мезонами.

Барионы характеризуются барионным числом b = 1 для частиц и b = -1 для антибарионов. Их рождение и уничтожение всегда происходят парами: бариона и антибариона. У мезонов барионный заряд b = 0. Согласно идее Гелл-Мана и Цвейга, все барионы состоят из трех кварков, антибарионы - из трех антикварков. Поэтому каждому кварку было приписано барионное число 1/3, чтобы в сумме у бариона было b = 1 (или -1 для антибариона, состоящего из трех антикварков). Мезоны имеют барионное число b = 0, поэтому они могут быть составлены из любой комбинации пар любого кварка и любого антикварка. Помимо одинаковых для всех кварков квантовых чисел - спина и барионного числа имеются другие важные их характеристики, такие, как величина их массы покоя m, величина электрического заряда Q/e (в долях заряда электрона е = 1,6 · 10^-19 кулон) и некоторого набора квантовых чисел, характеризующих так называемый аромат кварка. К ним относятся:

1) величина изотопического спина I и величина его третьей проекции, то есть I₃ . Так, u-кварк и d-кварк образуют изотопический дублет, им приписан полный изотопический спин I = 1/2 с проекциями I₃ = +1/2, соответствующей u-кварку, и I₃ = -1/2, соответствующей d-кварку. Обе компоненты дублета имеют близкие значения массы и идентичны по всем остальным свойствам, за исключением электрического заряда;

2) квантовое число S - странность характеризует странное поведение некоторых частиц, имеющих аномально большое время жизни (~10^-8 - 10^-13 с) по сравнению с характерным ядерным временем (~10^-23 с). Сами частицы были названы странными, в их состав входит один или несколько странных кварков и странных антикварков. Рождение или исчезновение странных частиц вследствие сильных взаимодействий происходят парами, то есть в любой ядерной реакции сумма S до реакции должна быть равна S после реакции. Однако в слабых взаимодействиях закон сохранения странности не выполняется.

В опытах на ускорителях наблюдали частицы, которые было невозможно описать с помощью u-, d- и s-кварков. По аналогии со странностью потребовалось ввести еще три новых кварка с новыми квантовыми числами С = +1, В = -1 и Т = +1. Частицы, составленные из этих кварков, имеют существенно большую массу (> 2 ГэВ/с²). Они имеют большое разнообразие схем распадов со временем жизни ~10^-13 с. Сводка характеристик всех кварков приведена в табл. 2.

Каждому кварку табл. 2 соответствует свой антикварк. У антикварков все квантовые числа имеют знак, противоположный тому, который указан для кварка. О величине массы кварков необходимо сказать следующее. Приведенные в табл. 2 значения соответствуют массам голых кварков, то есть собственно кварков без учета окружающих их глюонов. Масса одетых кварков за счет энергии, несомой глюонами, больше. Особенно это заметно для легчайших u- и d-кварков, глюонная шуба которых имеет энергию около 300 МэВ.

Кварки, которые определяют основные физические свойства частиц, называют валентными кварками. Помимо валентных кварков в составе адронов имеются виртуальные пары частиц - кварки и антикварки, которые испускаются и поглощаются глюонами на очень короткое время

(где Е - энергия виртуальной пары), что происходит с нарушением закона сохранения энергии в соответствии с соотношением неопределенности Гейзенберга [4]. Виртуальные пары кварков называют кварками моря или морскими кварками. Таким образом, в структуру адронов входят валентные и морские кварки и глюоны.

Главная особенность всех кварков в том, что они являются обладателями соответствующих сильных зарядов. Заряды сильного поля имеют три равноправные разновидности (вместо одного электрического заряда в теории электрических сил). В исторически сложившейся терминологии эти три разновидности заряда называют цветами кварков, а именно: условно красным, зеленым и синим. Таким образом, каждый кварк в табл. 1 и 2 может быть в трех ипостасях и является цветной частицей. Смешение всех трех цветов, подобно тому как это имеет место в оптике, дает белый цвет, то есть обесцвечивает частицу. Все наблюдаемые адроны бесцветны.

Кварки	u (up)	d (down)	s (strange)	c (charm)	b (bottom)	t (top)
Масса m0	(1,5-5) МэВ/с2	(3-9) МэВ/с2	(60-170) МэВ/с2	(1,1-4,4) ГэВ/с2	(4,1-4,4) ГэВ/с2	174 ГэВ/с2
Изоспин I	+1/2	+1/2	0	0	0	0
Проекция I3	+1/2	-1/2	0	0	0	0
Электрический заряд Q/e	+2/3	-1/3	-1/3	+2/3	-1/3	+2/3
Странность S	0	0	-1	0	0	0
Чарм C	0	0	0	+1	0	0
Боттом B	0	0	0	0	-1	0
Топ T	0	0	0	0	0	+1

Взаимодействия кварков осуществляют восемь разных глюонов. Термин "глюон" означает в переводе с английского языка клей, то есть эти кванты поля есть частицы, которые как бы склеивают кварки между собой. Как и кварки, глюоны являются цветными частицами, но поскольку каждый глюон изменяет цвета сразу двух кварков (кварка, который испускает глюон, и кварка, который поглотил глюон), то глюон окрашен дважды, неся на себе цвет и антицвет, как правило отличный от цвета.

Масса покоя глюонов, как и у фотона, равна нулю. Кроме того, глюоны электрически нейтральны и не обладают слабым зарядом.

Адроны принято также делить на стабильные частицы и резонансы: барионные и мезонные. Для резонансов характерно чрезвычайно малое время жизни (~10^-20-10^-24 с), так как их распад обусловлен сильным взаимодействием.

Десятки таких частиц были открыты американским физиком Л.В. Альваресом. Поскольку путь таких частиц до распада столь мал, что они не могут наблюдаться в детекторах, регистрирующих следы частиц (таких, как пузырьковая камера и др.), все они были обнаружены косвенно, по наличию пиков в зависимости вероятности взаимодействия различных частиц друг с другом от энергии. Рисунок 1 поясняет сказанное. На рисунке приведена зависимость сечения взаимодействия (пропорциональное величине вероятности) положительного пиона с протоном p от кинетической энергии пиона. При энергии около 200 МэВ виден пик в ходе сечения. Его ширина МэВ, а полная масса частицы равна МэВ/с², где - кинетическая энергия соударения частиц в системе их центра масс. Большинство резонансов можно рассматривать как возбужденное состояние стабильных частиц, так как они имеют тот же кварковый состав, что и их стабильные аналоги, хотя масса резонансов больше за счет энергии возбуждения.

Назад | Вперед

Публикации с ключевыми словами: ядерные реакции - атомное ядро - элементарные частицы - физика высоких энергий - лептоны - кварки - кварк-глюонная плазма Публикации со словами: ядерные реакции - атомное ядро - элементарные частицы - физика высоких энергий - лептоны - кварки - кварк-глюонная плазма
См. также: Бозон Хиггса: объяснение в комиксе Связь кварков с космосом: двенадцать научных вопросов для нового века Публичная лекция лауреата Нобелевской премии: Рождение творческих идей Бурлящее Солнце Эволюция вселенной Новый взгляд на первые мгновения существования Вселенной Нейтронный захват Все публикации на ту же тему >>