Как ученые нашли кварки

Кварк (q)
Протон как структура из двух u-кварков и одного d-кварка
Состав	фундаментальная частица
Семья	фермион
Поколение	есть кварки всех 3 поколений[⇨]
Участвует во взаимодействиях	гравитационное[1], слабое, сильное, электромагнитное
Античастица	антикварк (q)
Кол-во типов	6[2] (нижний, верхний, странный, очарованный, прелестный, истинный)
Теоретически обоснована	М. Гелл-Манном и, независимо от него, Дж. Цвейгом в 1964 году[3]
Обнаружена	SLAC (~1968)
Квантовые числа
Электрический заряд	Кратен e/3[⇨]
Цветной заряд	r, g, b
Барионное число	1/3[4]
Спин	½[5] ħ
Медиафайлы на Викискладе

Кварк — элементарная частица и фундаментальная составляющая материи. Кварки объединяются в составные частицы, называемые адронами, наиболее стабильными из которых являются протоны и нейтроны, компоненты атомных ядер^[6]. Всё обычно наблюдаемое вещество состоит из верхних кварков, нижних кварков и электронов. Из-за явления, известного как удержание цвета, кварки никогда не встречаются изолированно; их можно найти только внутри адронов, которые включают барионы (такие как протоны и нейтроны) и мезоны, или в кварк-глюонной плазме^{[7][8][nb 1]}. По этой причине много информации о кварках было получено из наблюдений за адронами.^[⇨]

Кварки обладают различными внутренними^[en] свойствами, включая электрический заряд,^[⇨] массу,^[⇨] цветовой заряд и спин.^[⇨] Это единственные элементарные частицы в Стандартной модели физики элементарных частиц, которые участвуют во всех четырёх фундаментальных взаимодействиях (электромагнитном, гравитационном, сильном^[⇨] и слабом),^[⇨] а также единственные известные частицы, электрические заряды которых не целые числа кратные элементарному заряду.^[⇨]

Существует шесть типов кварков, известных как ароматы: верхний, нижний, очарованный, странный, истинный и красивый^[4][9]. У верхних и нижних кварков самые низкие массы среди всех кварков. Более тяжёлые кварки быстро превращаются в верхние и нижние кварки в процессе распада частиц^[en]: перехода из состояния с большей массой в состояние с меньшей массой. Из-за этого верхние и нижние кварки, как правило, стабильны и наиболее распространены во Вселенной, в то время как странные, очарованные, истинные и красивые кварки могут образовываться только в столкновениях с высокой энергией частиц (например, с участием космических лучей и в ускорителях частиц). Для каждого аромата кварка существует соответствующий тип античастицы, известный как антикварк, который отличается от кварка только тем, что некоторые его свойства (например, электрический заряд) имеют одинаковую величину, но противоположный знак.^[⇨]

Кварковая модель была независимо предложена физиками Мюрреем Гелл-Манном и Джорджем Цвейгом в 1964 году^[10][3], которые ввели их в физику как часть схемы упорядочения свойств адронов, хотя в то время было мало доказательств их физического существования до экспериментов по глубоко неупругому рассеянию в Стэнфордском центре линейных ускорителей в 1968 году^[11][12]. Эксперименты с ускорительной программой предоставили доказательства существования всех шести разновидностей кварков. Истинный кварк, впервые обнаруженный в лаборатории Ферми в 1995 году, был открыт последним^[10].^[⇨]

Классификация[править | править код]

Стандартная модель — это теоретическая основа, описывающая все известные элементарные частицы. Эта модель содержит шесть сортов или ароматов кварков^[13] (q): верхний (u), нижний (d), странный (s), очарованный (c), прелестный (b)^[14] и истинный (t)^[9][15]. Античастицы кварков называются антикварками и обозначаются чертой над символом соответствующего кварка, например u для верхнего антикварка. Как и антивещество в целом, антикварки имеют ту же массу, среднее время жизни и спин, что и их соответствующие кварки, но электрический заряд и другие заряды имеют противоположные знаки^[16].

Кварки — это частицы со спином 12^[en], то есть фермионы в соответствии с теоремой Паули о связи спина со статистикой. Они подчиняются принципу запрета Паули, который гласит, что никакие два идентичных фермиона не могут одновременно занимать одно и то же квантовое состояние. В отличие от бозонов (частиц с целым спином), любое количество которых может находиться в одном и том же состоянии^[17]. В отличие от лептонов кварки обладают цветовым зарядом, который заставляет их вступать в сильное взаимодействие. В результате притяжения между различными кварками образуются составные частицы, известные как адроны^[18].^[⇨] Независимо друг от друга гипотезу о том, что каждый кварк обладает тремя различными цветовыми состояниями, высказали в 1965 году советские физики Н. Н. Боголюбов, Б. В. Струминский, А. Н. Тавхелидзе, американский — М. Хан^[en] и японский — И. Намбу. В 1964 году подобную гипотезу высказал американский физик О. Гринберг^[en] в другом виде^[19].

Кварки, определяющие квантовые числа адронов, называются валентными кварками^[20]; кроме того, любой адрон может содержать неопределённое число виртуальных пар кварков и антикварков, которые могут рождаться на короткое время согласно принципу неопределённости и формировать море кварковых пар, не влияющих на его квантовые числа^[20][21].^[⇨] Есть два семейства адронов: барионы с тремя валентными кварками и мезоны с валентным кварком и антикварком^[22]. Наиболее распространёнными барионами являются протон и нейтрон, строительные блоки атомного ядра^[23]. Известно большое количество адронов (список барионов и список мезонов), большинство из них различаются по своему кварковому составу и свойствам, зависящих от составляющих их кварков. Существование экзотических адронов с большим количеством валентных кварков, таких как тетракварки (qqqq) и пентакварки (qqqqq), предполагалось с самого начала кварковой модели^[24], но не было обнаружено до начала XXI века^{[25][26][27][28]}.

Элементарные фермионы сгруппированы в три поколения, каждое из которых состоит из двух лептонов и двух кварков. В первое поколение входят верхние и нижние кварки, второе — странный и очарованный кварки и третье — прелестный и истинный кварки. Все поиски четвёртого поколения кварков и других элементарных фермионов потерпели неудачу^[29][30], и есть веские косвенные доказательства того, что существует не более трёх поколений^{[nb 2][31][32][33]}. Частицы более высокого поколения обычно имеют бо́льшую массу и меньшую стабильность, что приводит к их распаду^[en] на частицы более низкого поколения посредством слабых взаимодействий. В природе обычно встречаются только кварки первого поколения (верхние и нижние). Более тяжёлые кварки могут образовываться только в столкновениях с высокой энергией (например, при столкновениях с космическими лучами) и быстро распадаться; однако считается, что они присутствовали в течение первых долей секунды после Большого взрыва, когда Вселенная находилась в чрезвычайно горячей и плотной фазе (эпоха кварков). Исследования более тяжёлых кварков ведутся в искусственно созданных условиях, например в ускорителях частиц^[34].

Обладая электрическим зарядом, массой, цветовым зарядом и ароматом, кварки являются единственными известными элементарными частицами, которые участвуют во всех четырёх фундаментальных взаимодействиях современной физики: электромагнетизме, гравитации, сильном взаимодействии и слабом взаимодействии^[23]. Гравитация слишком слаба, чтобы иметь отношение к взаимодействиям отдельных частиц, за исключением крайних значений энергии (планковская энергия) и масштабов расстояний (планковская длина). Однако, поскольку успешной квантовой теории гравитации не существует, гравитация не описывается Стандартной моделью^[13][35].

Более полный обзор свойств шести ароматов кварка представлены в таблице ^[⇨].

История[править | править код]

Кварковая модель была независимо предложена физиками Мюрреем Гелл-Маном^[36] и Джорджем Цвейгом^[37][38] в 1964 году^[10]. Предложение поступило вскоре после того, как Гелл-Ман в 1961 году сформулировал систему классификации частиц, известную как Восьмеричный путь, или, выражаясь более техническими терминами, ароматическую симметрию SU(3), оптимизирующую её структуру^[39]. В том же году физик Юваль Неэман независимо разработал схему, аналогичную Восьмеричному Пути^[40][41]. До кварковой модели имелись другие модели адронов. Например, модель Сакаты с базисом, состоящим и p, n, Λ и их античастиц, описывала все мезоны и барионы, известные на момент публикации^[42][43]. Модель Гольдгабера использовала p, n, и Κ^−[44]. Впоследствии базис расширили до четырёх частиц (и четырёх античастиц)^[45].

Во время зарождения кварковой теории «зоопарк частиц^[en]» включал множество адронов, среди прочих частиц. Гелл-Манн и Цвейг утверждали, что они не являются элементарными частицами, а состоят из комбинаций кварков и антикварков. Их модель включала три разновидности кварков: верхний, нижний и странный, которым они приписывали такие свойства, как спин и электрический заряд^[36][37][38]. Первоначальная реакция физического сообщества на это предложение была неоднозначной. Были особые разногласия по поводу того, был ли кварк физической сущностью или простой абстракцией, используемой для объяснения концепций, которые в то время не были полностью поняты^[46][47].

Менее чем через год были предложены расширения модели Гелл-Манна — Цвейга. Шелдон Глэшоу и Джеймс Бьёркен предсказали существование четвёртого аромата кварка, который они назвали очарованным. Увеличение числа кварков позволило лучше описать слабое взаимодействие (механизм, позволяющий кваркам распадаться), уравняло число известных кварков с числом известных лептонов и подразумевало массовую формулу, которая правильно воспроизводила массы известных мезонов^[48].

В 1968 году эксперименты по глубоко неупругому рассеянию электронов высокой энергии на протонах в Стэнфордском центре линейных ускорителей (SLAC) показали, что протон содержит гораздо меньшие точечные объекты и, следовательно, не является элементарной частицей^{[49][11][12][50]}. В то время физики не хотели твёрдо отождествлять эти объекты с кварками, вместо этого называя их «партонами» — термин, придуманный Ричардом Фейнманом^{[20][51][52][53]}. Объекты, которые наблюдались в SLAC, позже будут идентифицированы как верхние и нижние кварки по мере открытия других ароматов^[54].

Существование странного кварка было косвенно подтверждено экспериментами SLAC по рассеянию: он не только был необходимым компонентом трёхкварковой модели Гелл-Мана и Цвейга, но и дал объяснение каона (K) и пиона (π) — адронов, открытых в космических лучах в 1947 году^[55].

В статье 1970 года Глэшоу, Иоаннис Илиопулос и Лучано Майани представили механизм GIM^[en] (названный по их инициалам), для объяснения экспериментального отсутствия наблюдения изменяющих аромат нейтральных токов^[en]. Эта теоретическая модель требовала существования ещё не открытого очарованного кварка^[56][57]. Число предполагаемых ароматов кварков выросло до нынешних шести в 1973 году, когда Макото Кобаяси и Тосихидэ Маскава заметили, что экспериментальное наблюдение нарушения СР-инвариантности можно объяснить, если бы существовала другая пара кварков^{[nb 3][58]}.

Очарованные кварки были получены почти одновременно двумя командами в ноябре 1974 года (см. Ноябрьская революция) — одной в SLAC под руководством Бертона Рихтера, а другой в Брукхейвенской национальной лаборатории под руководством Сэмюэля Тинга. Очарованные кварки наблюдались связанными^[en] с очарованными антикварками в мезонах. Обе стороны присвоили открытому мезону два разных символа, J и ψ; таким образом, он стал официально известен как J/ψ мезон. Это открытие окончательно убедило физическое сообщество в правильности кварковой модели^[53].

В последующие годы появился ряд предложений по расширению кварковой модели до шести кварков. Из них в статье 1975 года Хаима Харари^[59] впервые были введены термины «истинный» и «прелестный» для дополнительных кварков^[60].

В 1977 году группа учёных из Фермилаба во главе с Леоном Ледерманом наблюдала прелестный кварк^[61][62]. Это был сильный индикатор существования истинного кварка, так как прелестный кварк в таком случае не имел бы партнёра. Лишь в 1995 году истинный кварк был наконец обнаружен, также группами CDF^[en][63] и DØ^[en][64] в Фермилабе^[10]. Его масса оказалась намного больше, чем ожидалось^[65], почти такая же, как у атома золота^[66].

Доказательства существования кварков[править | править код]

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^[47][67].

Причины, по которым кварки считаются реально существующими объектами:

• 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^[68][69].
• 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^[67].
• 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)^[67][70].
• 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^[71].
• С наступлением эры ускорителей высокой энергии стало возможным изучать распределение импульса внутри, например, протона. Выяснилось, что импульс в протоне не распределён равномерно, 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^[72][73].
• 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^[67].
• 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^[74].
• При столкновениях протонов с высокими энергиями экспериментально наблюдается аннигиляция кварка одного протона с антикварком другого протона с образованием пары мюон-антимюон (процесс Дрелла — Яна)^[75].
• Кварковая модель с позиций взаимодействия кварков между собой при помощи глюонов хорошо объясняет расщепление масс между членами декуплета  —  —  — ^[76].
• Кварковая модель хорошо объясняет расщепление масс между ^[77].
• Кварковая модель предсказывает для отношения магнитных моментов протона и нейтрона величину что находится в хорошем соответствии с экспериментальным значением −1,47. Для отношения магнитных моментов гиперона и протона теория кварков предсказывает величину , что также находится в хорошем соответствии с экспериментальным значением −0,29 ± 0,05^[78].
• Есть и много других экспериментальных подтверждений кварковой модели строения адронов^[79].

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^[80].

Этимология[править | править код]

Некоторое время Гелл-Ман не мог определиться с фактическим написанием термина, который он намеревался ввести, пока не нашёл слово кварк в книге Джеймса Джойса 1939 года «Поминки по Финнегану» со строчкой «Три кварка для мистера Марка»^[81][82]:

– Three quarks for Muster Mark!
Sure he hasn’t got much of a bark
And sure any he has it’s all beside the mark.

Существует версия, что слово кварк — это устаревшее английское слово, означающее каркать^[83], а процитированные выше строки о птичьем хоре, насмехающемся над королем Корнуолла Марком в легенде о Тристане и Изольде^[84]. Однако широко распространено предположение, особенно в немецкоязычных частях мира, что Джойс взял это слово от слова Quark^[85], немецкого слова славянского происхождения, которое обозначает молочный продукт^[86], но также является разговорным термином для «тривиальной чепухи»^[87]. В легенде говорится, что он услышал его во время путешествия в Германию на крестьянском рынке во Фрайбурге^[88][89]. Однако некоторые авторы защищают возможное немецкое происхождение слова Джойса «кварк»^[90]. Гелл-Ман подробно остановился на названии кварка в своей книге 1994 года «Кварк и ягуар»^[91].
Цвейг предпочитал имя туз (англ. ace) для частицы^[92], которую он теоретизировал, но терминология Гелл-Мана стала известна после того, как кварковая модель стала общепринятой^[93].

Ароматы кварков получили свои названия по нескольким причинам. Верхние и нижние кварки названы в честь верхних и нижних компонент изоспина^[94]. Странные кварки получили своё название, потому что они были обнаружены как компоненты странных частиц^[en], обнаруженных в космических лучах за много лет до того, как была предложена кварковая модель; эти частицы считались «странными», потому что они имели необычно долгое время жизни^[95]. Глэшоу, который совместно с Бьёркеном предложил очарованный кварк, говорил: «Мы назвали нашу конструкцию „очарованным кварком“, потому что мы были очарованы и довольны симметрией, которую он привнёс в субъядерный мир»^[96]. Названия «боттом» и «топ»^[97], придуманные Харари, были выбраны потому, что они являются «логическими партнёрами для верхних и нижних кварков»^[59][60][95]. Альтернативные названия боттом и топ кварков — «прелесть» и «истинный» соответственно^[101], но эти имена несколько вышли из употребления^[102]. Хотя «правда» (для истинного кварка) так и не прижилась, ускорительные комплексы, предназначенные для массового производства низших кварков, иногда называют «фабриками прелести»^[103].

Характеристики[править | править код]

Электрический заряд[править | править код]

Кварки имеют дробные значения электрического заряда — либо −13 или +23 элементарного электрического заряда (е), в зависимости от аромата. Верхние, очарованные и истинные кварки (вместе именуемые верхними кварками) имеют заряд +23 е; нижние, странные и прелестные кварки (нижние кварки) имеют заряд −13 е. Антикварки имеют заряд, противоположный соответствующим им кваркам; верхние антикварки имеют заряды −23 е, и нижние антикварки имеют заряды +13 е. Поскольку электрический заряд адрона представляет собой сумму зарядов составляющих его кварков, все адроны имеют целочисленные заряды: сочетание трёх кварков (барионов), трёх антикварков (антибарионов) или кварка и антикварка (мезонов) всегда приводит к заряду, выражаемому целым числом^[104]. Например, адронные составляющие атомных ядер, нейтроны и протоны, имеют заряды 0 е и +1 е соответственно; нейтрон состоит из двух нижних кварков и одного верхнего кварка, а протон — из двух верхних кварков и одного нижнего кварка^[23].

Спин[править | править код]

Основная статья: Спин

Спин — это внутреннее свойство элементарных частиц, а его направление — важная степень свободы. Иногда его визуализируют как вращение объекта вокруг собственной оси (отсюда и название «спин» от англ. spin), хотя это понятие несколько ошибочно на субатомных масштабах, поскольку считается, что элементарные частицы имеют точечную форму^[105].

Спин представляется вектором, длина которого измеряется в единицах приведённой постоянной Планка ħ. Для кварков измерение компоненты вектора спина вдоль любой оси может дать только значения +ħ2 или −ħ2; по этой причине кварки классифицируются как частицы со спином 12^[106]. Составляющая спина вдоль заданной оси — условно оси z — часто обозначается стрелкой вверх ↑ для значения +12 и стрелкой вниз ↓ для значения −12, размещённый после символа аромата. Например, верхний кварк со спином +12 z обозначается как u↑^[107].

Слабое взаимодействие[править | править код]

Кварк одного аромата может превратиться в кварк другого аромата только посредством слабого взаимодействия, одного из четырёх фундаментальных взаимодействий в физике элементарных частиц. Поглощая или испуская W-бозон, любой верхний кварк (верхний, очарованный и t-кварк) может превратиться в любой нижний кварк (нижний, странный и b-кварк) и наоборот. Этот механизм трансформации аромата вызывает радиоактивный процесс бета-распада, в котором нейтрон (n) «расщепляется» на протон (p), электрон (e−
) и электронное антинейтрино (ν
e) (см. рисунок). Это происходит, когда один из нижних кварков в нейтроне (ud) распадается на верхний кварк, испуская виртуальный W−
бозон, превращающий нейтрон в протон (ud). W−
бозон затем распадается на электрон и электронное антинейтрино^[108].

n	→	p	+	e−	+	ν e	(Бета распад в адронных обозначениях)
udd	→	uud	+	e−	+	ν e	(Бета распад в кварковых обозначениях)

И бета-распад, и обратный ему процесс обратного бета-распада^[en] обычно используются в медицинских приложениях, таких как позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ)^[109], и в экспериментах по обнаружению нейтрино^[110].

Хотя процесс трансформации аромата одинаков для всех кварков, каждый кварк предпочитает трансформироваться в кварк своего собственного поколения. Относительные тенденции всех преобразований аромата описываются математической таблицей, называемой матрицей Кабиббо — Кобаяши — Маскавы (матрица СКМ). При условии унитарности приблизительные величины элементов матрицы CKM^[111]:

где V_ij представляет тенденцию кварка аромата i превращаться в кварк аромата j (или наоборот)^{[nb 4]}.

Существует эквивалентная матрица слабого взаимодействия для лептонов (правая часть бозона W на приведённой выше диаграмме бета-распада), называемая матрицей Понтекорво — Маки — Накагавы — Сакаты (матрица PMNS)^[112]. Вместе матрицы CKM и PMNS описывают все преобразования ароматов, но связи между ними пока не ясны^[113].

Сильное взаимодействие и цветовой заряд[править | править код]

Согласно квантовой хромодинамике (КХД), кварки обладают свойством, называемым цветовым зарядом. Существует три типа цветового заряда, условно обозначенные синим, зелёным и красным^{[nb 5]}. Каждый из них дополняется антицветом — антисиним, антизелёным и антикрасным . Каждый кварк несёт цвет, а каждый антикварк несёт антицвет^[114].

Система притяжения и отталкивания между кварками, заряженными различными комбинациями трёх цветов, называется сильным взаимодействием, которое опосредовано переносится частицами, известными как глюоны; это подробно обсуждается ниже. Теория, описывающая сильные взаимодействия, называется квантовой хромодинамикой (КХД). Кварк, который будет иметь одно значение цвета, может образовать связанную систему^[en] с антикварком, несущим соответствующий антицвет. Результатом притяжения двух кварков будет цветовая нейтральность: кварк с цветовым зарядом ξ плюс антикварк с цветовым зарядом −ξ приведут к цветовому заряду 0 (или «белому» цвету) и образованию мезона. Это аналогично аддитивной цветовой модели в базовой оптике. Точно так же комбинация трёх кварков, каждый с разными цветовыми зарядами, или трёх антикварков, каждый с антицветными зарядами, приведёт к тому же «белому» цветовому заряду и образованию бариона или антибариона^[115].

В современной физике элементарных частиц калибровочные симметрии — разновидность группы симметрии — связывают взаимодействия между частицами (см. Калибровочные теории). Цвет SU(3) (обычно сокращенно SU(3)_c) представляет собой калибровочную симметрию, которая связывает цветовой заряд в кварках и является определяющей симметрией квантовой хромодинамики^[116]. Подобно тому, как законы физики не зависят от того, какие направления в пространстве обозначены x, y и z, и остаются неизменными, если оси координат поворачиваются в новую ориентацию, физика квантовой хромодинамики не зависит от направления в трёхмерном цветовом пространстве определяемого на базисе синего, красного и зелёного. Преобразования цвета SU(3)_c соответствуют «вращениям» в цветовом пространстве (которое является комплексным пространством). Каждый аромат кварка f, каждый с подтипами f_B, f_G, f_R, соответствующими цветам кварков^[117], образует триплет: трёхкомпонентное квантовое поле, которое преобразуется в соответствии с фундаментальным представлением группы SU(3)_c^[118]. Требование, чтобы SU(3)_c было локальным, то есть чтобы его преобразования могли меняться в пространстве и во времени, определяет свойства сильного взаимодействия. В частности, это подразумевает существование восьми типов глюонов, которые действуют как переносчики взаимодейсвия^[116][119].

Масса[править | править код]

Два термина используются для обозначения массы кварка: масса токового кварка^[en] относится к массе самого кварка, а масса конституентного кварка^[en] относится к массе токового кварка плюс массе поля глюонных частиц, окружающих его^[120]. Эти массы обычно имеют очень разные значения. Большая часть массы адрона происходит от глюонов, которые связывают составляющие его кварки вместе, а не от самих кварков. Хотя глюоны по своей природе безмассовы, они обладают энергией — энергией связи квантовой хромодинамики^[en], что сильно влияет на общую массу адрона (см. Масса в специальной теории относительности). Например, протон имеет массу примерно 938 МэВ/с², из которых масса покоя его трёх валентных кварков составляет только около 9 МэВ/с²; большую часть остатка можно отнести к энергии поля глюонов^[121][122] (см. нарушение киральной симметрии^[en]). Стандартная модель утверждает, что масса элементарных частиц определяется механизмом Хиггса, который связан с бозоном Хиггса. Есть надежда, что дальнейшие исследования причин большой массы t-кварка ~173 ГэВ/с², что почти равно массе атома золота^[121][123], может дать больше информации о происхождении массы кварков и других элементарных частиц^[124].

Размер[править | править код]

В КХД кварки считаются точечными объектами нулевого размера. По состоянию на 2014 год экспериментальные данные показывают, что они не больше, чем 10⁻⁴ размера протона, то есть меньше 10⁻¹⁹ метров^[125].

Таблица свойств[править | править код]

В следующей таблице приведены основные свойства шести кварков. Квантовые числа аромата (изоспин (I₃), очарование (C), странность (S, не путать со спином), истинность (T) и прелесть или красота (B’)) присваиваются определённым ароматам кварков и обозначают качества кварковых систем и адронов. Барионное число (B) равно +13 кварков, так как барионы состоят из трёх кварков. Для антикварков электрический заряд (Q) и все ароматические квантовые числа (B, I₃, C, S, T и B′) имеют противоположный знак. Масса и полный угловой момент (J, равный спину для точечных частиц) не меняют знака для антикварков^[4].

Ароматы кварков^[121][4]

Частица	Масса (МэВ/с2)*	J	B	Q (е)	I3	C	S	T	B′	Античастица
Имя	Символ	Имя	Символ
Первое поколение
верхний[126] (англ. up)	u	2,3 ± 0,7 ± 0,5	12	+13	+23	+12	0	0	0	0	антиверхний	u
нижний[126] (англ. down)	d	4,8 ± 0,5 ± 0,3	12	+13	−13	−12	0	0	0	0	антинижний	d
Второе поколение
очарованный[127] (англ. charm)	c	1275 ± 25	12	+13	+23	0	+1	0	0	0	антиочарованный	c
странный[126] (англ. strange)	s	95 ± 5	12	+13	−13	0	0	−1	0	0	антистранный	s
Третье поколение
истинный[128] (англ. top, truth)	t	173 210 ± 510 ± 710 *	12	+13	+23	0	0	0	+1	0	антиистинный	t
прелестный[127] (англ. bottom, beauty)	b	4180 ± 30	12	+13	−13	0	0	0	0	−1	антипрелестный	b

J — полный угловой момент, B — барионное число, Q — электрический заряд,
I₃ — изоспин, C — очарование, S — странность, T — истинность, B′ = прелесть, красота.
* Обозначения, такие как 173 210 ± 510 ± 710, в случае t-кварка, обозначает два типа неопределённости измерения: первая неопределённость носит статистический^[en] характер, а вторая — систематический.

Взаимодействующие кварки[править | править код]

Как описано в квантовой хромодинамике, носителями сильного взаимодействия выступают глюоны — безмассовые векторные калибровочные бозоны. Каждый глюон несёт один цветовой заряд и один антицветовой заряд. В стандартной структуре взаимодействия частиц (часть более общей формулировки, известной как теория возмущений) глюоны постоянно обмениваются между кварками посредством виртуального процесса испускания и поглощения. Когда глюон передаётся между кварками, у обоих происходит изменение цвета; например, если красный кварк испускает красно-антизелёный глюон, то он становится зелёным, а если зелёный кварк поглощает красно-антизелёный глюон, то он становится красным. Поэтому при постоянном изменении цвета каждого кварка их сильное взаимодействие сохраняется^{[129][130][131]}.

Поскольку глюоны несут цветовой заряд, они сами способны излучать и поглощать другие глюоны. Это вызывает асимптотическую свободу: по мере сближения кварков хромодинамическая сила связи между ними ослабевает^[132]. И наоборот, по мере увеличения расстояния между кварками сила связи усиливается. Цветовое поле становится напряжённым, подобно эластичной ленте при растяжении, и спонтанно создаётся больше глюонов соответствующего цвета, чтобы усилить поле. При превышении определённого порога энергии создаются пары кварков и антикварков. Эти пары связываются с разделяющимися кварками, вызывая образование новых адронов. Это явление известно как ограничение цвета: кварки никогда не появляются изолированно^[133][134]. Этот процесс адронизации происходит до того, как кварки, образованные при столкновении при высоких энергиях, смогут взаимодействовать каким-либо другим образом. Единственным исключением является t-кварк, который может распасться до того, как адронизируется^[135].

Морские кварки[править | править код]

Адроны содержат наряду с валентными кварками (q
v), которые дают вклад в квантовые числа, виртуальные кварк-антикварковые (qq) пары, известные как морские кварки (q
s), которые существуют достаточно долгое время в частицах, движущихся близко к световой скорости^[136]. Морские кварки образуются, когда расщепляется глюон цветового поля адрона; этот процесс также работает в обратном направлении, поскольку при аннигиляции двух морских кварков образуется глюон. Результатом является постоянный поток расщеплений и создания глюонов, в просторечии известный как «море»^[137]. Морские кварки намного менее стабильны, чем их валентные аналоги, и они обычно аннигилируют друг с другом внутри адрона. Несмотря на это, морские кварки могут при определённых обстоятельствах адронизироваться в барионные или мезонные частицы^[138].

Другие фазы кварковой материи[править | править код]

В достаточно экстремальных условиях кварки могут выйти из связанных состояний и распространяться как термализованные «свободные» возбуждения в большей среде. В ходе асимптотической свободы сильное взаимодействие ослабевает при повышении температуры. В конце концов, ограничение цвета будет фактически нарушено в чрезвычайно горячей плазме свободно движущихся кварков и глюонов. Эта теоретическая фаза материи называется кварк-глюонной плазмой^[141].

Точные условия, необходимые для возникновения этого состояния, неизвестны и были предметом множества спекуляций и экспериментов. По оценкам, необходимая температура составляет (1,90 ± 0,02)⋅10¹² К^[142]. Хотя состояние полностью свободных кварков и глюонов так и не было достигнуто (несмотря на многочисленные попытки в ЦЕРНе в 1980-х и 1990-х годах)^[143], недавние эксперименты на Релятивистском коллайдере тяжёлых ионов дали доказательства того, что жидкоподобная кварковая материя демонстрирует «почти совершенную» гидродинамику^[144].

Кварк-глюонная плазма будет характеризоваться большим увеличением числа пар более тяжёлых кварков по отношению к числу пар верхних и нижних кварков. Считается, что в период до 10⁻⁶ секунд после Большого взрыва (кварковая эпоха) Вселенная была заполнена кварк-глюонной плазмой, так как температура была слишком высока для устойчивости адронов^[145].

При достаточно высокой плотности барионов и относительно низких температурах — возможно, сравнимых с температурами в нейтронных звездах — ожидается, что кварковая материя выродится в ферми-жидкость слабо взаимодействующих кварков. Эта жидкость будет характеризоваться конденсацией куперовских пар цветных кварков, тем самым нарушая локальную симметрию SU(3)_c. Поскольку кварковые куперовские пары несут цветовой заряд, такая фаза кварковой материи будет цветовой сверхпроводящей^[en]; то есть цветовой заряд сможет пройти через неё без сопротивления^[146].

Открытые вопросы[править | править код]

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

• почему шесть кварков^[147]?
• почему ровно три цвета^[148]?
• почему ровно три поколения кварков^{[149][150][151][152]}? Этот вопрос связан с проблемой аромата (англ. Flavour puzzle), которая заключается в неспособности современной Стандартной модели объяснить, почему свободные параметры частиц модели имеют определённые значения, и почему существуют определённые значения для углов смешивания в матрицах PMNS и CKM^{[153][154][155]}.
• случайно ли совпадение этого числа с размерностью пространства в нашем мире^[156]?
• откуда берётся такой разброс в массах кварков?^[147][157]
• из чего состоят кварки^[158]? (см. Преоны)^[3]
• как кварки складываются в адроны^[159]?

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^[160].

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^[161].

Примечания[править | править код]

Комментарии

1. ↑ Имеется также теоретическая возможность существования более экзотических фаз кварковой материи.
2. ↑ Основное свидетельство основано на ширине резонанса Z⁰-бозона, который ограничивает массу нейтрино 4-го поколения величиной более ~45 ГэВ/c², что будет сильно контрастировать с нейтрино трёх других поколений, массы которых не могут превышать 2 МэВ/c².
3. ↑ Нарушение CP-инвариантности — это явление, из-за которого слабые взаимодействия ведут себя по-разному, когда левое и правое меняются местами (P-симметрия) и частицы заменяются соответствующими им античастицами (C-симметрия).
4. ↑ Фактическая вероятность распада одного кварка на другой является сложной функцией (среди прочих переменных) массы распадающегося кварка, масс продуктов распада и соответствующего элемента матрицы CKM. Эта вероятность прямо пропорциональна (но не равна) квадрату величины (|V_ij |²) соответствующего элемента матрицы CKM.
5. ↑ Несмотря на свое название, цветовой заряд не связан с цветовым спектром видимого света.

Источники

Литература[править | править код]

Ссылки[править | править код]

• Лекция Мюррея Гелл-Манна, лауреат Нобелевской премии по физике 1969 г.
• Лекция Бертона Рихтера, лауреат Нобелевской премии по физике 1976 г.
• Лекция Сэмюэля Си Тинга, лауреат Нобелевской премии по физике 1976 г.
• Лекция Макото Кобаяши, лауреат Нобелевской премии по физике 2008 г.
• Лекция Тосихидэ Маскава, лауреат Нобелевской премии по физике 2008 г.
• Топ-кварк и частица Хиггса Т. А. Хеппенхаймер — Описание эксперимента ЦЕРНа по подсчету семейств кварков.
• Экспериментальная информация о кварках. Архивировано 10 марта 2008 года. на сайте Particle Data Group.

Открытие кварков произошло элегантно и не принужденно. Можно сказать, что их, как будь то, увидели в микроскоп, по крайней мере принцип тот же.

Это осуществили Джером Фридман, Генри Кендалл и Ричард Тейлор в 1967-1973 годах на Стэнфордском линейном ускорителе (SLAC). Они разгоняли на этом ускорителе электроны, которые начинали излучать фотоны. Излученные фотоны попадали на атомные ядра мишени, где и взаимодействовали с кварками протонов и нейтронов. Ученые следили за частотой взаимодействия фотонов с протонами и нейтронами. Поскольку фотон в то время, да и сейчас, наукой представлялся в виде волны, то и взаимодействие должно быть таким, как на этом рисунке 1.

Так волну, например, представляет Роджер Пенроуз, что можно увидеть в описании эксперимента с двумя щелями. И как-то так получается, что ученые хотя и связывают энергию волны излучения с частотой, иногда подсознательно они предполагают в этой волне той или иной величины амплитуды волны, никак не ассоциируя это с величиной энергии.

Если энергия волны мала, а амплитуда ее большая, то она обогнет протон и зарегистрируется такой фотон в счетчике. Рис. 1, a). Когда энергия волны больше, положение b), то волна (фотон) может обогнуть протон и попасть в счетчик, а может и отразиться от протона и улететь обратно или куда-то в сторону. Но когда фотон приобретает большую энергию и в тоже время становиться много меньшим протона, то он обязательно отразится от протона и не достигнет счетчика.

Если считать, что взаимодействием является ретрансляция (поглощение, а затем излучение) фотона протоном, то видим, что с ростом энергии частота взаимодействий падает. И если протон представляет собой монолит, то отражений от его поверхности происходит максимально большое количество. А если в протоне сделать отверстие по ходу фотонов, то отражений будет меньше, так как часть фотонов будет проскакивать через это отверстие и регистрироваться в счетчике.

Так же ослабление отражения будет в случае не монолитности нуклона, но несколько меньше в случае монолитности. А если в нуклоне не будет вообще отражающего вещества, то отражения не будет вовсе. Но в случае эксперимента, производимого учеными на SLAC, в нуклонах оказалось таких отражающих областей 3 штуки. Примерно, как изображено на рисунке 2.

Получалось так, что некоторые фотоны, излучаемые электронами, отражались от определенных мест, их потом назвали кварками, а другие фотоны проходили через нуклоны и оставляли следы в измерительной камере. Если мишень была установлена в камере, то можно было наблюдать следы всех фотонов и прошедших через мишень, и отразившихся от ее.

Естественно, ученые никаких нуклонов, и тем более отражающих веществ в нуклонах, не видели. Они видели только следы пролетающих частиц, то есть темные полоски различной длины и различных направлений. В некоторых областях плотность этих треков была больше или меньше нежели в других. Там, где этих треков было меньше, ученые и предположили, что эти места чем-то затемнены. Да возможно они и не видели этих зон.

Ученые описали сложившуюся ситуацию каким-то математическим образом. Для этой цели были привлечены физики–теоретики Джеймс Бьеркен и Ричард Фейнман. Которые и просчитали, что частота взаимодействий, налетающих на нуклон частиц, хорошо согласуется с предположением о наличии внутри атомного ядра какой-то непрозрачной для электронов и фотонов структуры. Это и доказывало, что нуклоны не монолитные образования, а состоят из нескольких элементов, то есть кварков. В 1990 г. за это открытие Фридман, Кендалл и Тейлор были удостоены Нобелевской премии.

Этот эксперимент похож на микроскоп с проходящими лучами. Если смотреть в такой микроскоп на бактерию, лежащую на стеклянной подложке, то мы увидим ее силуэт. Также очерчивают контуры более плотных объектов рентгеновское излучение. Может выделить не только контуры косточек человека, но и элементы, например, молекулы ДНК. Такое же выделение контуров элементов нуклонов и произошло в ускорителе. Только в этом случае произошло не визуальное наблюдение этих контуров, а, если можно так сказать, математическое.

А математика, вы знаете, наука точная. Она докопалась до самих глубин и оказалось, что эти силуэты (кварки) не просто одинаковые какие-то комки чего-то там, а обладают различными свойствами, а стало быть и различной структурой, а может быть и состоят из разных субстратов. И уравнения показали наличие не только представленных в таблице кварков: u, d, c, s, t, b, но и их антиподов – антикварков. Те же буквы, только с черточками на верху.

В общем ученые наоткрывали множество таких частиц. Напомню, что в их распоряжении были только треки частиц и величина энергии, при которой рождались эти частицы, а затем многие и распадались. Что делать с этими частицами никто не знал. Я возьму некоторые цитаты из статьи http://nuclphys.sinp.msu.ru/hph/hph2.html#9, которая называется “Структура материи”. Материалы сайта Нобелевского комитета http://www.nobel.se/physics/educational/matter/ Перевод А. А. Богуславского, и посмотрим, что из этого получилось.

“Мюррей Гелл-Манн и Георг Цвейг предположили, что барионы – это частицы, состоящие из трех кварков (qqq), а мезоны – частицы, состоящие из кварка и антикварка (q ). Протон состоит из двух up-кварков и одного down-кварка, нейтрон – из двух down-кварков и одного up-кварка. (up-кварк (верхний кварк) обозначается буквой u, down-кварк (нижний кварк) – буквой d. Слова up и down – просто имена кварков и никакого отношения к понятию “верх” или “низ” не имеют)”. На картинках это выглядит примерно так:

Как видите это только предположение, а не четкий экспериментальный вид.

И “Перед Гелл-Манном и Цвейгом стояли две другие серьезные проблемы, которые нужно было разрешить до принятия их теории. Во-первых, кварки не наблюдались, и никто не мог объяснить этот факт. Во-вторых, можно было предположить различные комбинации кварков, но эти другие комбинации никогда не были обнаружены экспериментально”.

• Чудеса, да и только. “…другие комбинации никогда не были обнаружены экспериментально”, а что первые комбинации были обнаружены экспериментально?

Как их можно обнаружить экспериментально, если их нельзя разделить. Ведь так и пишут Нобелевские лауреаты: “По этой причине кварки нельзя наблюдать в свободном виде по отдельности”. Это прямо жирным шрифтом выделено.

По этой же причине также нет возможности определить величину их зарядов. Совместный заряд можно определить, а как определить заряды объединенных частей. Никак. Если бы эти части разделились, то пропустив их через какое-то поле, можно было бы проследить за отклонениями их траекторий и потом вычислить их заряды.

Но и на этом не кончаются проблемы “Перед Гелл-Манном и Цвейгом”. Возможно они забыли или не знали, а может быть их подвела математика, но в их модели строения нуклонов не учтен фактор бета-распада (слабого взаимодействия). Дело в том, что свободный нейтрон распадается на протон и W-бозон. Масса этого бозона несоизмерима с массой нейтрона и где она находится в нейтроне неизвестно. Это одно темное место. И второе. Этот бозон дальше распадается на электрон и нейтрино. Нейтрино без зарядно, а электрон обладает зарядом. Если верить табличке, то этот заряд в бозоне скомпенсирован противоположным бозоном и в этом случае после распада бозона должен куда-то деваться положительный заряд. Если такой компенсации нет, то отрицательный заряд электрона должен где-то хранится в нейтроне. Где? На этот вопрос тоже надо дать ответ.

И это еще не все проблемы кварков. Вот что я нашел в сети:

”Экзотическими тетракварки называют, потому что изначально считалось, что адроны могут состоять или из пары кварк-антикварк (такой адрон называется мезоном), или из трех кварков (в этом случае адрон называется барионом; барионами являются, например, протон или нейтрон). Барионов и мезонов известно много, и они хорошо изучены. Однако более 50 лет назад было сделано предположение, что существуют адроны, состоящие из четырех и даже пяти кварков — тетракварки и пентакварки. На данный момент экспериментально уже обнаружено четыре пентакварка и около 20 тетракварков», — сообщили в институте”.

Ну и чему верить: в протоне или нейтроне 3 кварка или 4, или 5? Причем все эти модели уверяется подтверждены экспериментально.

А специалисты Хабра пошли еще дальше и представляют нуклоны в виде такой картинки. Адрес информации https://habr.com/ru/post/408201/. Можно не сомневаться, что и такая модель будет подтверждена “эксперементально”.

К середине ХХ в. ученым удалось отыскать множество новых составных частиц атомного ядра — почти все они существовали недолго, зато взаимодействовали с огромной интенсивностью, рассеиваясь одна на другой и предотвращая ядерный распад. Помимо мезонов, в эту обширную группу — группу адронов — вошли барионы (объединяющие в себе нуклоны — протоны и нейтроны — и тяжелые гипероны), а также антибарионы. Они несли в себе разные заряды, у них различались скорость и направление вращения, но их массы явно были как-то связаны с процессом и продуктами распадов. Физики даже попробовали построить модель адронных взаимодействий, классифицировав их по силе столкновений и рассеяний, однако многие зависимости были введены просто как безосновательные правила игры и остались без объяснений, а соответствующие характеристики расположились хаотично.

О том, что адроны можно разделить на семейства, каждому из которых будет отвечать определенная комбинация общих признаков, научный мир узнал от американцев Джорджа Цвейга и Мюррея Гелл-Манна в 1964 г. Независимо друг от друга ученые определили, что признаков (или степеней свободы, или кварков) совсем немного — всего два, но комбинируются они между собой по-разному, и это очень влияет на общую энергию адрона.

Поначалу все думали, будто кварки — просто абстрактные характеристики, ведь воочию их никто не видел. (Кстати, само слово было позаимствовано из романа Дж. Джойса «Поминки по Финнегану», где встречается фраза-каламбур: «Три кварка для мистера Марка».)

Но за последующие четыре года в Стэнфордской лаборатории (SLAC) было завершено создание линейного ускорителя, предназначенного для выбивания заряженных высокоэнергетичных частиц, и ученые поняли: кварки — реальные частицы в составе адронов, и у них есть вполне реальные свойства: электрический заряд, масса, направление и скорость вращения. Подобно тому как протон и электрон удерживаются внутри атома, перебрасываясь мезонами, так и кварки держатся внутри адрона благодаря обмену особым видом частиц — глюонами. И что удивительно, чем дальше расходятся кварки, тем сильнее между ними связь, поэтому ни они, ни глюоны не могут выйти за пределы своего «дома». Такой вот конфайнмент.

Адронная модель по версии Цвейга и Гелл-Манна состояла из двух кварков (up, down, или u, d — верхний и нижний) и их античастиц. Ученые определили, что верхний кварк несет положительный заряд, равный ⅔ протонного, а нижний — отрицательный, и его заряд составляет всего ⅓ заряда протона. Вообще, природа вполне могла бы обойтись только верхним и нижним кварками. Именно они служат стройматериалами для протонов и нейтронов, и при попытке вырвать кварк из родного «дома» тот просто распадается на протон/нейтрон и пион, состоящий опять-таки из этих двух кварков. Потому их стали считать семьей — дублетом — и представлять адроны в виде их комбинаций: барионы, например, как uud или udd, а мезоны — как союзы частицы и античастицы (скажем, uü).

Но еще с конца 1940-х ученые замечали, что космические лучи, встречаясь с земной атмосферой, порождают какие-то странные тяжелые частицы, готовые распасться даже при слабеньком столкновении. Частицы вели себя, по тогдашним понятиям, совершенно неадекватно, и объяснить это можно было лишь предположением, что в них содержится новый тип кварка. Поскольку частицы казались всем странными, и гипотетическая материя, сложенная из них, тоже была бы странной, кварки получили название strange (s). Измерение заряда s-кварка показало, что он составляет треть протонного, и это натолкнуло ученых на мысль, что данный кварк тоже должен иметь партнера, заряженного на две трети.

Кроме того, уже был открыт мюон — близнец электрона, схожий с ним по величине заряда, но превосходящий в 207 раз по массе, и все знали, что у каждой частицы имеется личное нейтрино. Логично было предположить, что электрону и электронному нейтрино в атоме соответствует ядро из верхнего и нижнего кварков — все четыре частицы стабильны и составляют основу любой материи на планете. Тогда у нестойких мюона и мюонного нейтрино тоже должна быть своя кварковая пара, а значит, следует искать «брата» странного кварка. Первый шаг к его «поимке» сделали американцы Шелдон Глэшоу и Джеймс Бьоркен: в 1970 г. они предсказали существование очаровательного кварка (charmed) и даже продемонстрировали, как этот самый кварк участвует в быстрых распадах странных тяжелых мезонов — каонов. (Раньше механизм этого процесса был ученым непонятен.) Странность и очарование, по терминологии квантовых физиков, означали одно и то же свойство кварков — выживание в условиях сильного взаимодействия и разрушение при взаимодействии слабом.

Увы, долгое время ученые не могли найти подтверждение существованию очаровательного кварка: он был слишком тяжелым, и оборудование лабораторий не справлялось с таким великаном. Если странный кварк весил как 0,1 протона, а верхний и нижний и того меньше, то очаровательный был тяжелее протона, следовательно, частицы с одним таким кварком достигали массы полутора протонов, а обладатели пары c-кварк/антикварк завешивали на три протона! Впрочем, с середины 1960-х благодаря новому мощному протонному синхротрону AGS, запущенному в Нью-Йорке на острове Лонг-Айленд, исследователи получили возможность разгонять пучки протонов до огромных скоростей и воссоздавать разные массивные частицы. Вот тогда-то ускользавший c-кварк наконец-то проявил себя.

Правда, случилось это уже в 1974 г., когда американский профессор Сэмюэл Тинг (р. 1936) наблюдал за столкновениями в AGS протонов и ядер бериллия, влекущими рождение пар электронов и позитронов. Сначала Тинг разгонял исходные частицы до энергии свыше 3,5 ГэВ, но потом снизил обороты и заметил, что при разгоне примерно до 3 ГэВ образуется больше электрон-позитронных пар, чем обычно, а их общая энергия составляет 3,1 ГэВ. Это свидетельствовало о распаде неизвестной частицы, которая весит как три протона. Боясь ошибиться, Тинг еще полгода перепроверял полученные результаты, даже не подозревая, что в Стэнфордской лаборатории, на усовершенствованном ускорителе SLAC, полным ходом идут подобные эксперименты.

Правда, эти исследования носили обратный характер: если Тинг сталкивал протоны, чтобы получить позитроны и электроны, то стэнфордский физик Бертон Рихтер (1931—2018) заставлял сталкиваться электроны с позитронами, дабы отследить треки рожденных в результате адронов. Когда общая энергия разгона достигла 3,1 ГэВ, ученый увидел, что адроны стали образовываться живее, а затем нашел среди них каоны и сделал вывод: такие частицы могли появиться только после распада другой тяжелой частицы, внутри которой содержится очаровательный кварк. Далее энергия электронов и позитронов была доведена до 3,105 ГэВ, вследствие чего адроны стали плодиться в сто раз быстрее, чем раньше, и это позволило Рихтеру заключить: «родителями» каонов являются особые мезоны с массой 3,105 ГэВ — ученый назвал их пси-мезонами (ψ-мезон) и, не мешкая, сообщил о своем открытии всем ведущим физикам мира. А на следующий день в его лабораторию приехал Тинг.

Ученые не стали спорить, кому принадлежит первенство в открытии новой частицы (Тинг назвал ее джей-мезоном), и одновременно опубликовали свои доклады в авторитетном научном журнале, а через два года получили Нобелевскую премию — одну на двоих. Так и остался их мезон с двойным именем — джей/пси. А позже выяснилось, что в нем содержатся один очаровательный кварк и один такой же антикварк, степень очарования у них 1 и –1 соответственно, так что очарование самого мезона нулевое.

В 1964 г. американские физики Джеймс Кронин и Вэл Фитч опровергли давнее заблуждение относительно того, что при ядерном распаде образованные частицы и античастицы ведут себя одинаково, только в зеркальном отображении, — вращаются с равной скоростью, одинаковым наклоном оси и пр. Более того, ученые показали, что распады одних и тех же частиц (например, каонов) могут давать разные продукты — в одном случает электроны, а в другом позитроны. И что частицы образуются чаще, чем античастицы. Почему происходит такое нарушение симметрии, попробовали объяснить японские ученые Макото Кобаяши и Тосихидэ Маскава, предположив, что во всем виновато «третье поколение» кварков.

Первый представитель этого поколения был найден в 1977 г., когда пучок протонов направили на медную мишень и разогнали до 400 ГэВ. В итоге образовался ипсилон-мезон (ϒ-мезон), в составе которого обнаружился новый кварк и его антикварк массой около 4,7 ГэВ. Ученые дали им имя «красивые» (beauty), а их способность распадаться при слабых взаимодействиях и стойко выдерживать сильные назвали красотой. Напарника b-кварку подобрали только в 1995 г. — именно тогда был открыт последний, истинный кварк (truth). А уже в новом тысячелетии опытным путем были доказаны догадки японских ученых по поводу того, что именно красивый кварк нарушает симметрию ядерных распадов.

Наш канал в Телеграм

Что такое кварк?

Наука не стоит на месте, и ближе к середине шестидесятых годов общее количество открытых адронов составило больше сотни. Появилась уверенность в том, что данные частицы не являются предельным элементарным уровнем материи.

В 1964 году учеными М.Гелл-Манном и Д.Цвейгом, независимо друг от друга, была разработана модель кварков.

Появление такой модели было ожидаемым и естественным. В результате проведенных экспериментов по рассеиванию электронов на нуклонах было выявлено, что протон и нейтрон имеют сложную структуру, в отличие от электрона. На этом основании появившаяся гипотеза о новых частицах, из которых возможно строить адроны, казалась вполне оправданной.

Слово кварк не имеет точного перевода, и больше означает как нечто странное, непонятное. Цвейгом был предложен другой термин – туз, однако он не прижился.

В настоящее время открыто 6 кварков, каждый из которых имеет свое имя.

Существует гипотеза, согласно которой кварки, кроме того, что играют роль строительного материала для адронов, сами состоят из более мелких простых частиц, которые получили преонов. На данный момент эта гипотеза не подтверждена экспериментально, этот вопрос остается открытым.

Ряд ученых считают, что в пространстве возможно существование кварковых звезд, которые состоят из смеси свободных кварков, образующих кварковую материю. Кварковые звезды могут являться промежуточным звеном между нейтронными звездами и черными дырами.

«Кварки, теория кварков» 👇

Чтобы из кварков получить электрический заряд, равный 0 для нейтрона и положительный заряд для протона, необходимо, чтобы в составе нуклона было не менее двух кварков. Для того, чтобы получить спины для нуклонов ½, необходимо присутствие двух кварков в нуклоне, а спины кварков должны быть полуцелыми. То есть, необходимо, чтобы в нуклоне было три кварка двух типов. барионы составлялись из трех кварков, мезоны – из пары кварк- антикварк. Кварки имеют дробный электрический заряд, который равен или -1/3, или +2/3 заряда электрона.

История открытия кварков

До 1974 года все адроны можно было описать, составив их всего лишь из трех кварков – u,d,s. При этом такая трехварковая модель адронов являлась замкнутой, и каждой комбинации кварков соответствовала экспериментально наблюдаемая частица, лишних частиц не выявлялось.

В 1974 году была открыта новая частица – J/ψ с массой 3,1 ГэВ. Время жизни новой частицы была практически в 1000 раз больше времени жизни частиц такой массы. Это было настоящей сенсацией для науки. Дальнейшие изучения показали, что причиной такой продолжительности жизни частицы является новый с-кварк, который получил название очарованный.

Позже, в 1977 году были открыты ипсилон-мезоны, в состав которых входит неизвестный до этого момента b-кварка, обладающий скрытой красотой. А почти двадцать лет спустя учеными был обнаружен шестой кварк – t-кварк, самый тяжелый из всех кварков.

Каждому типу кварка соответствует еще одно квантовое число – это цвет, который может принимать три значения: красный, синий, зеленый. Эти названия являются условными, важно, что каждый кварк имеет дополнительно три квантовых числа. Такое введение цветовой степени свободы кварков было необходимо для сохранения принципа Паули. Предположение о том, что у кварков существует цвет, впервые было высказано Н. Боголюбовым, Б. Струминским, А. Тавхелидзе и М. Ханом, Й. Намбу в 1965 году, и подтверждено экспериментами.

Теория кварков

Гипотеза о строении адронов, основой которой является то, что адроны состоят из более мелких частиц, получивших название кварков, развилась в теорию кварков. Электрический заряд, который несут кварки, является дробным и равен -1/3 или +2/3 заряда электрона. Комбинация из двух и трех кварков может иметь заряд равный 0 или 1. Спин всех кварков ½, соответственно, кварки являются фермионами. В 60 годы было известно три кварка. Для удобства изучения и основатели теории кварков, физики Гелл-Манн и Цвейг, разделили их на три аромата:

• u – up –верхний
• d – down – нижний
• s-strange –странный.

Есть два способа соединения кварков друг с другом – тройками либо парами кварк-антикварк. Барионы (нейтрон и протон) – тяжелые частицы, построены из трех кварков. Мезоны – более легкие частицы, построены парой кварк-антикварк. Примером является протон, который состоит из двух u- и одного d-кварка (uud), и нейтрон — из двух d-кварков и одного u-кварка (udd). Для того, чтобы комбинация кварков не распалась, необходима сила, способная их удержать. Такой силой является результат сильного взаимодействия, происходящего между самими кварками. То есть, в момент, когда протон притягивается к нейтрону или другому протону, во взаимодействии принимают участие шесть кварков, каждый из которых взаимодействует с остальными. Таким образом, большая часть энергии расходуется на склеивание трех кварков, остальная – на скрепление двух трио кварков друг с другом.

Если квантовая электродинамика – это теория электромагнитного взаимодействия, то квантовая хромодинамика- это теория сильного взаимодействия.

В современной науке большая часть ученых – физиков считают кварки подлинно элементарными частицами, которые являются неделимыми, точечными и не обладают внутренней структурой. То есть, в этом плане кварки схожи с лептонами. В связи с этим, есть предположение, что между этими различными, но схожими по структуре семействами существует взаимосвязь. Исходя из этого, число истинно элементарных частиц, помимо переносчиков фундаментальных взаимодействий, равно 48, из которых лептонов 6 • 2 = 12, кварков (6 • 3) • 2 = 36.

Кварк является элементарной частицей, которая составляет протоны и нейтроны, основные компоненты атомного ядра. Кварки были впервые предложены в 1964 году Американскими физиками Мюрреем Гелл-Манном и Джорджем Цвейгом, как способ объяснения необычных свойств новых частиц, обнаруженных при столкновении высокоэнергетических частиц.

Основные свойства кварков

Кварки имеют электрический заряд и спин, а также другие характеристики, такие как цветовой заряд и вкус. В настоящее время известно шесть различных типов кварков, каждый из которых отличается по массе, заряду и другим свойствам.

Типы кварков

Существует шесть различных типов кварков, которые классифицируются по массе и электрическому заряду. Эти типы кварков называются “вкусами” и включают:

1. Истинный кварк (top quark): Этот кварк является самым тяжелым из всех шести типов кварков и имеет положительный электрический заряд.
2. Прелестный кварк (bottom quark): Этот кварк также имеет отрицательный электрический заряд и более низкую массу, чем верхний кварк.
3. Странный кварк (strange quark): Этот кварк получил свое название из-за его необычного поведения в экспериментах. Он имеет отрицательный электрический заряд и более легкий, чем нижний кварк.
4. Очарованный кварк (charm quark): Этот кварк имеет положительный электрический заряд и более тяжелый, чем странный кварк.
5. Верхний кварк (up quark): Этот кварк является самым легким из всех шести типов кварков и имеет положительный электрический заряд.
6. Нижний кварк (down quark): Этот кварк также имеет отрицательный электрический заряд и более легкий, чем верхний кварк.

Каждый из этих типов кварков может образовывать различные комбинации, чтобы создавать стабильные частицы. Например, протон состоит из двух верхних кварков и одного нижнего кварка, а нейтрон состоит из одного верхнего кварка и двух нижних кварков.

Цветовой заряд кварков

Кварки обладают цветовым зарядом, который является аналогом электрического заряда. Однако, в отличие от электрического заряда, цветовой заряд может быть только “красным”, “зеленым” или “синим”. Это означает, что кварки могут быть красными, зелеными или синими, и что они должны образовывать комбинации цвета “белый” или “нейтральный”, чтобы создавать стабильные частицы.

Связь между кварками

Кварки связаны между собой через силу, называемую сильным взаимодействием. Эта сила является одной из четырех фундаментальных взаимодействий в природе, и она ответственна за удерживание кварков вместе внутри протонов и нейтронов. Сильное взаимодействие также объясняет стабильность атомного ядра.

Открытие кварков

Кварки были открыты экспериментально в 1969 году в коллайдере Стэнфорда-Линейного Ускорителя (SLAC) в США. Эксперимент показал, что протоны и нейтроны не являются элементарными частицами, как ранее считалось, а состоят из кварков.

Кварки являются основными строительными блоками атомных ядер, и они играют важную роль в нашем понимании фундаментальных свойств материи. Несмотря на то, что мы обнаружили кварки больше полувека назад, мы все еще продолжаем исследовать их свойства и взаимодействия, чтобы лучше понимать структуру и функцию Вселенной.