Кварк

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Шаблон:Информация о частице Кварк — фундаментальная частица в Стандартной модели, обладающая электрическим зарядом, кратным Шаблон:Math/3, и не наблюдаемая в свободном состоянии, но входящая в состав адронов (сильно взаимодействующих частиц, таких как протоны и нейтроны). Кварки являются бесструктурными, точечными частицами; это проверено вплоть до масштаба примерно Шаблон:Power см[1], что примерно в тысячу раз меньше размера протона.

В настоящее время известно 6 разных «сортов» (чаще говорят — «ароматов») кварков, свойства которых даны в таблице. Кроме того, для калибровочного описания сильного взаимодействия постулируется, что кварки обладают и дополнительной внутренней характеристикой, называемой «цвет». Каждому кварку соответствует антикварк — античастица с противоположными квантовыми числами.

Гипотеза о том, что адроны построены из специфических субъединиц, была впервые выдвинута М. Гелл-Манном и, независимо от него, Дж. Цвейгом в 1964 году[1].

Шаблон:Таблица элементарных частиц

Название

Слово «кварк» было заимствовано Гелл-Манном[1] из романа Дж. Джойса «Поминки по Финнегану»Шаблон:Sfn, где в одном из эпизодов чайки кричат: «Three quarks for Muster Mark!» (обычно переводится как «Три кварка для Мастера/Мюстера Марка!»). Само слово «quark» в этой фразе предположительно является звукоподражанием крику морских птиц. Есть другая версия (выдвинутая Р. Якобсоном), согласно которой Джойс усвоил это слово из немецкого во время своего пребывания в Вене. В немецком слово Quark имеет два значения: 1) творог, 2) чепуха. В немецкий же данное слово попало из западнославянских языков (чеш. Шаблон:Langi, польск. Шаблон:Langi — «творог»)[2]. Согласно рассказу ирландского физика Шаблон:Iw, Джойс во время пребывания в Германии на сельскохозяйственной выставке услышал рекламный слоган «Drei Mark für Musterquark» («три марки за образцовый творог»), который был им позже перефразирован для романа[3].

Дж. Цвейг называл их тузами, но данное название не прижилось и забылось — возможно, потому, что тузов четыре, а кварков в первоначальной модели было три.

Свойства кварков

Шаблон:Anchor Шаблон:Clear right

Символ Название Заряд Масса[~ 1]
рус. англ.
Первое поколение
d нижний down 1/3 Шаблон:Val ± 0.3 МэВ/c²
u верхний up +2/3[4] Шаблон:Val ± 0.5 МэВ/c²
Второе поколение
s странный strange 1/3 95±5 МэВ/c²
c очарованный charm[5] (charmed) +2/3 Шаблон:Val МэВ/c²
Третье поколение
b прелестный beauty (bottom) 1/3 Шаблон:Val МэВ/c²
t истинный truth (top) +2/3[6] Шаблон:Val МэВ/c²[7]
Шаблон:Примечания

В силу неизвестных пока причин, кварки естественным образом группируются в три так называемые поколения (они так и представлены в таблице). Кварки имеют дробный электрический заряд[8], а в каждом поколении один кварк обладает зарядом <math>+\frac{2}{3}</math>, а другой <math>-\frac{1}{3}</math>. Кварки одного поколения были бы неразличимы, если бы не поле Хиггса[9]. Подразделение на поколения распространяется также и на лептоны.

Кварки участвуют в сильных, слабых, электромагнитных и гравитационных[10] взаимодействиях. Сильные взаимодействия (обмен глюоном) могут изменять цвет кварка, но не меняют его аромат. Слабые взаимодействия, наоборот, не меняют цвет, но могут менять аромат. Необычные свойства сильного взаимодействия приводят к тому, что одиночный кварк не может удалиться на какое-либо существенное расстояние от других кварков, а значит, кварки не могут наблюдаться в свободном виде (явление, получившее название конфайнмент)[11]. Разлететься могут лишь «бесцветные» комбинации кварков — адроны. Кварки асимптотически свободны при высоких энергиях.

Математический аппарат теории кварков основан на экспериментально подтверждённом предположении, что взаимодействия кварков инвариантны относительно группы изоспиновых преобразований <math>SU(3)</math>Шаблон:Sfn.

Кварк и антикварк могут аннигилировать. Однотипные разнозаряженные кварки аннигилируют, как правило, с испусканием двух фотонов (то есть через электромагнитные взаимодействия). Например, нейтральный пи-мезон Шаблон:Math, являющийся комбинацией лёгких кварка и антикварка <math>(u\bar{u}-d\bar{d}),</math> распадается путём электромагнитной аннигиляции. Другие кварконии, более тяжёлые, чем нейтральный пион ([[Джей-пси-мезон|Шаблон:Math-мезон]], [[Ипсилон-мезон|Шаблон:Math-мезон]] и т. п.), могут аннигилировать с участием сильного взаимодействия в два или три глюона, в зависимости от суммарного спина, хотя такие процессы обычно подавлены правилом Окубо — Цвейга — Иизуки[12]. При высоких энергиях в столкновениях адронов наблюдается рост сечения процессов слабой (то есть идущей с участием слабого взаимодействия) аннигиляции кварков и антикварков в виртуальный или реальный [[W- и Z-бозоны|Шаблон:Math или Шаблон:Math-бозон]][13]. Следует отметить, что аннигилирующие кварк и антикварк не обязаны быть одного типа; так, доминирующий распад заряженного пи-мезона Шаблон:Math обусловлен слабой аннигиляцией разнотипной пары кварков Шаблон:Math в виртуальный Шаблон:Math-бозон, который затем распадается в пару лептонов[14]. Наблюдаются и обратные аннигиляции процессы рождения кварк-антикварковых пар.

Дробный заряд кварков проявляется в процессе рождения струй адронов в аннигиляции Шаблон:Math при высоких энергиях[15].

Кварки порождаются глюонами только парой кварк-антикварк[16].

Доказательства существования кварков

Из-за контринтуитивного свойства сильного взаимодействия — конфайнмента — для неспециалиста зачастую нетривиально существование кварков, поскольку их невозможно увидеть в свободном виде, возникает сомнение, не являются ли они лишь математической абстракцией.

Причины, по которым кварки считают реально существующими объектами, таковы:

  • Во-первых, в 1960-х годах стало ясно, что все многочисленные адроны подчиняются более или менее простой классификации: сами собой объединяются в мультиплеты и супермультиплеты. Иными словами, при описании всех этих мультиплетов требуется очень небольшое число свободных параметров. То есть, все адроны обладают небольшим числом степеней свободы: все барионы с одинаковым спином обладают тремя степенями свободы, а все мезоны — двумя. Первоначально гипотеза кварков как раз и заключалась в этом наблюдении, и слово «кварк», по сути, было краткой формой фразы «субадронная степень свободы».
  • Далее, при учёте спина оказалось, что каждой такой степени свободы можно приписать спин ½ и, кроме того, каждой паре кварков можно приписать орбитальный момент — словно они и есть частицы, которые могут вращаться друг относительно друга. Из этого предположения возникло стройное объяснение и всему разнообразию спинов адронов, а также их магнитных моментов.
  • Более того, с открытием новых частиц выяснилось, что никаких модификаций теории не требуется: каждый новый адрон удачно вписывался в кварковую конструкцию без каких-либо её перестроек (если не считать добавления новых кварков).
  • Как проверить, что заряд у кварков действительно дробный? Кварковая модель предсказывала, что при аннигиляции высокоэнергетических электрона и позитрона будут рождаться не сами адроны, а сначала пары кварк-антикварк, которые потом уже превращаются в адроны. Результат расчёта течения такого процесса напрямую зависел от того, каков заряд рождённых кварков. Эксперимент полностью подтвердил эти предсказанияШаблон:Sfn.
  • С наступлением эры ускорителей высокой энергии стало возможным изучать распределение импульса внутри, например, протона. Выяснилось, что импульс в протоне не распределён равномерно по нему, а частями сосредоточен в отдельных степенях свободы. Эти степени свободы назвали партонами (от англ. Шаблон:Langi-en2 — часть). Более того, оказалось, что партоны, в первом приближении, обладают спином ½ и теми же зарядами, что и кварки. С ростом энергии оказалось, что количество партонов растёт, но такой результат и ожидался в кварковой модели при сверхвысоких энергиях[17]Шаблон:Sfn.
  • С повышением энергии ускорителей стало возможным также попытаться выбить отдельный кварк из адрона в высокоэнергетическом столкновении. Кварковая теория давала чёткие предсказания, как должны были выглядеть результаты таких столкновений — в виде струй. Такие струи действительно наблюдались в эксперименте. Заметим, что если бы протон ни из чего не состоял, то струй бы заведомо не было.
  • При высокоэнергетических столкновениях адронов вероятность того, что адроны рассеются на некоторый угол без разрушения, уменьшается с ростом величины угла. Эксперименты подтвердили, что, например, для протона скорость получается точно такая, какая ожидается для объекта, состоящего из трёх кварков[18].
  • При столкновениях протонов с высокими энергиями экспериментально наблюдается аннигиляция кварка одного протона с антикварком другого протона с образованием пары мюон-антимюон (процесс Дрелла — Яна)Шаблон:Sfn.
  • Кварковая модель с позиций взаимодействия кварков между собой при помощи глюонов хорошо объясняет расщепление масс между членами декуплета <math>\Delta^{-} - \Sigma^{-} - \Xi^{-} - \Omega^{-}</math>Шаблон:Sfn.
  • Кварковая модель хорошо объясняет расщепление масс между <math>\Xi^{-} - \Xi^{0}</math>Шаблон:Sfn.
  • Кварковая модель предсказывает для отношения магнитных моментов протона и нейтрона величину <math>\frac{\mu_{P}}{\mu_{N}}=-\frac{3}{2},</math> что находится в хорошем соответствии с экспериментальным значением −1,47. Для отношения магнитных моментов гиперона и протона теория кварков предсказывает величину <math>\frac{\mu_{\Lambda}}{\mu_{P}}=-\frac{1}{3}</math>, что также находится в хорошем соответствии с экспериментальным значением Шаблон:NobrШаблон:Sfn.
  • Есть и много других экспериментальных подтверждений кварковой модели строения адронов[19].

В целом, можно сказать, что гипотеза кварков и всё, что из неё вытекает (в частности, КХД), является наиболее консервативной гипотезой относительно строения адронов, которая способна объяснить имеющиеся экспериментальные данные. Попытки обойтись без кварков наталкиваются на трудности с описанием всех тех многочисленных экспериментов, которые очень естественно описывались в кварковой модели.

Кварковая модель была признана физическим сообществом в 1976 году[20].

Открытые вопросы

В отношении кварков остаются вопросы, на которые пока нет ответа:

  • почему ровно три цвета?
  • почему ровно три поколения кварков?
  • случайно ли совпадение числа цветов и числа поколений?
  • случайно ли совпадение этого числа с размерностью пространства в нашем мире?
  • откуда берётся такой разброс в массах кварков?
  • из чего состоят кварки? (см. Преоны)[1]
  • как кварки складываются в адроны[21]?

Впрочем, история с адронами и кварками, а также симметрия между кварками и лептонами, наводит на подозрение, что кварки могут сами состоять из чего-то более простого. Рабочее название для гипотетических частиц-составляющих кварков — преоны. С точки зрения данных экспериментов, до сих пор никаких подозрений на неточечную структуру кварков не возникало. Однако попытки построить такие теории делаются независимо от экспериментов. Серьёзных успехов в этом направлении пока нет.

Другой подход состоит в построении теории Великого объединения. Польза от такой теории была бы не только в объединении сильного и электрослабого взаимодействий, но и в едином описании лептонов и кварков. Несмотря на активные усилия, построить такую теорию также пока не удалось.

Альтернативные модели

  • Модель Сакаты (Shoichi Sakata), известная также как модель Ферми — Янга — Сакаты. Базис — p, n, Λ и их античастицы. Описывала все мезоны и барионы, известные на момент публикации.[22] Впоследствии базис расширялся до 4 частиц.[23]
  • Барионные-антибарионные нонеты.[24]

См. также

Примечания

Шаблон:Примечания

Литература

Ссылки

Шаблон:Навигация

Шаблон:Библиоинформация Шаблон:^v

Шаблон:Частицы

  1. 1,0 1,1 1,2 1,3 Шаблон:Cite web
  2. Шаблон:Книга
  3. Шаблон:Статья
  4. Основные понятия и законы физики и свойства элементарных частиц материи Лев Окунь Электромагнитное взаимодействие Нейтральные частицы.
  5. Физика элементарных частиц в преддверии запуска Большого адронного коллайдера В. А. Рубаков Научно-популярная лекция для школьников, ФИАН, 25 сентября 2008 года
  6. Классификация адронов Кварки и их свойства
  7. Шаблон:Статья
  8. На берегу океана непознанного: иллюзия простоты
  9. «Частица на краю Вселенной». Глава из книги Шон Кэрролл Симметрии слабых взаимодействий
  10. Ошибка цитирования Неверный тег <ref>; для сносок elementyGrav не указан текст
  11. Игорь Иванов, кандидат физико-математических наук (Институт математики СО РАН, Новосибирск, и Льежский университет, Бельгия). Анатомия одной новости, или Как на самом деле физики изучают элементарные частицы: Почему кварки не бывают свободными. — Элементы.ру.
  12. Шаблон:ФЭ
  13. Аннигиляция
  14. Шаблон:ФЭ
  15. Кварковая модель адронов Невылетание кварков
  16. КАЛИБРОВОЧНЫЕ БОЗОНЫ Глюоны
  17. Шаблон:Статья Шаблон:ArXiv
  18. Элементы — новости науки: Результаты ALICE по асимметрии протонов и антипротонов ставят точку в давнем споре Шаблон:Wayback
  19. Ахиезер А. И., Рекало М. П. Кварковая модель и процессы взаимодействия адронов // Проблемы теоретической физики. Сборник, посвящённый Николаю Николаевичу Боголюбову в связи с его шестидесятилетием. - М., Наука, 1969. - Тираж 4000 экз. - c. 197-216
  20. Кваркам — полвека Алексей Левин «Троицкий вариант» № 11(155), 3 июня 2014 года От недоверия к принятию
  21. Шаблон:Cite web
  22. S. Sakata. On a composite model for new particles Progr. Theor. Phys. 16 (1956), 686
  23. Y. Katayama, K. Matumoto, S. Tanaka, E. Yamada. Possible unified models of elementary particles with two neutrinos. Progr. Theor. Phys. 28 (1962), 675
  24. C. Z. Yuan, X. H. Mo, P. Wang. Baryon-antibaryon nonets Шаблон:Wayback
  25. Крошечные капли кварк-глюонной плазмы образуются и в несимметричных ядерных столкновениях


Ошибка цитирования Для существующих тегов <ref> группы «~» не найдено соответствующего тега <references group="~"/> или пропущен закрывающий тег </ref>