Кварк

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Кварк
Символ: q
Состав: бесструктурны
Семья: Фермион
Поколение: Есть кварки всех 3 поколений[⇨]
Участвует во взаимодействиях: Слабое взаимодействие,
Сильное взаимодействие,
Электромагнитное,
Гравитационное[1]
Античастица: Антикварк (q)
Теоретически обоснована: М. Гелл-Манном и, независимо от него, Дж. Цвейгом в 1964 году.
Обнаружена: SLAC (~1968)
Кол-во типов: 6 (Нижний, верхний, странный, очарованный, прелестный, истинный)
Квантовые числа:
Электрический заряд: Кратен e/3[⇨]
Цветной заряд: r, g, b
Спин: ½~\hbar

Кварк — фундаментальная частица в Стандартной модели, обладающая электрическим зарядом, кратным e/3, и не наблюдающаяся в свободном состоянии, но входящая в состав адронов (сильновзаимодействующих частиц, таких как протоны и нейтроны). Кварки являются бесструктурными, точечными частицами; это проверено вплоть до масштаба примерно 5·10−18 м, что примерно в 20 тысяч 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 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.

Мезон Мезон Барион Нуклон Кварк Лептон Электрон Адрон Атом Молекула Фотон W- и Z-бозоны Глюон Гравитон Электромагнитное взаимодействие Слабое взаимодействие Сильное взаимодействие Гравитация Квантовая электродинамика Квантовая хромодинамика Квантовая гравитация Электрослабое взаимодействие Теория великого объединения Теория всего Элементарная частица Вещество Бозон Хиггса
Краткий обзор различных семейств элементарных и составных частиц, и теории, описывающие их взаимодействия. Фермионы — слева, бозоны — справа. (пункты на картинке кликабельны)

Свойства кварков[править | править вики-текст]

Символ Название Заряд Масса
рус. англ.
Первое поколение
d нижний down 1/3 4,79±0,07 МэВ/c²
u верхний up +2/3 2,01±0,03 МэВ/c²
Второе поколение
s странный strange 1/3 95±5 МэВ/c²
c очарованный charm (charmed) +2/3 1,8 ГэВ/c²
Третье поколение
b прелестный beauty (bottom) 1/3 4,5 ГэВ/c²
t истинный truth (top) +2/3 171 ГэВ/c²

В силу неизвестных пока причин, кварки естественным образом группируются в три так называемые поколения (они так и представлены в таблице). В каждом поколении один кварк обладает зарядом +23, а другой — −13. Подразделение на поколения распространяется также и на лептоны.

Кварки участвуют в сильных, слабых, электромагнитных и гравитационных[1] 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). Разлететься могут лишь «бесцветные» комбинации кварков — адроны. Кварки асимптотически свободны при высоких энергиях.

Математический аппарат теории кварков основан на предположении, что взаимодействия кварков инвариантны относительно группы изоспиновых преобразований SU(3)[2].

Реальность кварков[править | править вики-текст]

Из-за непривычного свойства сильного взаимодействия — конфайнмента — часто неспециалистами задаётся вопрос: а откуда мы уверены, что кварки существуют, если их никто никогда не увидит в свободном виде? Может, они — лишь математическая абстракция, и протон вовсе не состоит из них?

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

  • Во-первых, в 1960-х годах стало ясно, что все многочисленные адроны подчиняются более-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 предсказания[3].
  • 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. part — 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.[4][5].
  • 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. Теория предсказывает, что скорость этого уменьшения зависит от числа кварков, из которых состоит адрон.[источник не указан 1984 дня] Эксперименты подтвердили, что, например, для протона скорость получается точно такая, какая ожидается для объекта, состоящего из трёх кварков[6]. Аналогичное согласие наблюдается и для других адронов[источник не указан 1984 дня].
  • При столкновениях протонов с высокими энергиями экспериментально наблюдается аннигиляция кварка одного протона с антикварком другого протона с образованием пары мюон-антимюон (процесс Дрелла — Яна)[7].
  • Кварковая модель с позиций взаимодействия кварками между собой при помощи глюонов хорошо объясняет расщепление масс между членами декуплета \Delta^{-} - \Sigma^{-} - \Xi^{-} - \Omega^{-}[8].
  • Кварковая модель хорошо объясняет расщепление масс между \Xi^{-} - \Xi^{0}[9].
  • Кварковая модель предсказывает для отношения магнитных моментов протона и нейтрона величину \frac{\mu_{P}}{\mu_{N}}=-\frac{3}{2}, что находится в хорошем соответствии с экспериментальным значением −1,47. Для отношения магнитных моментов гиперона и протона теория кварков предсказывает величину \frac{\mu_{\Lambda}}{\mu_{P}}=-\frac{1}{3}, что также находится в хорошем соответствии с экспериментальным значением −0,29 ± 0,05.[10].

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.

Открытые вопросы[править | править вики-текст]

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)

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[править | править вики-текст]

  • 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.[11] Впоследствии базис расширялся до 4 частиц.[12]
  • Барионные-антибарионные нонеты.[13]

Название[править | править вики-текст]

Слово «кварк» было заимствовано Гелл-Манном из романа Дж. Джойса «Поминки по Финнегану», 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. tvaroh, польск. twaróg — «творог»)[14]. Согласно рассказу ирландского физика Лохлина О’Раферти, 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[15].

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

Примечания[править | править вики-текст]

  1. 1 2 Удивительный мир внутри атомного ядра Вопросы после лекции
  2. Теория кварков, 1971, с. 40
  3. Введение в кварки и партоны, 1982, с. 246
  4. A. V. Belitsky, A. V. Radyushkin. Unraveling hadron structure with generalized parton distributions // Phys. Rept. — 2005. — № 418. — P. 1—387. — arΧivhep-ph/0504030 arΧivhep-ph/0504030
  5. Ядерная физика высоких энергий, 1980, с. 23
  6. Элементы — новости науки: Результаты ALICE по асимметрии протонов и антипротонов ставят точку в давнем споре
  7. Введение в кварки и партоны, 1982, с. 306
  8. Введение в кварки и партоны, 1982, с. 369
  9. Введение в кварки и партоны, 1982, с. 379
  10. Теория кварков, 1971, с. 116
  11. S. Sakata. On a composite model for new particles Progr. Theor. Phys. 16 (1956), 686
  12. Y. Katayama, K. Matumoto, S. Tanaka, E. Yamada. Possible unified models of elementary particles with two neutrinos. Progr. Theor. Phys. 28 (1962), 675
  13. C. Z. Yuan, X. H. Mo, P. Wang. Baryon-antibaryon nonets
  14. В. В. Иванов. Ранние коптские заимствования в славянском // Славянская языковая и этноязыковая системы в контакте с неславянским окружением. — М.: Языки славянской культуры, 2002. — С. 57—58.
  15. H. Leutwyler Insights and puzzles in particle physics // H. Fritzsch and M. Gell-Mann, eds. Fifty Years of Quarks. — Singapore: World Scientific, 2014. — arΧiv1410.4000

Литература[править | править вики-текст]

  • Клоуз Ф. Введение в кварки и партоны. — М.: Мир, 1982. — 438 с.
  • Никитин Ю. П., Розенталь И. Л. Ядерная физика высоких энергий. — М.: Атомиздат, 1980. — 232 с.
  • Коккедэ Я. Теория кварков. — М.: Мир, 1971. — 341 с.

Ссылки[править | править вики-текст]