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.
Кварки – это частицы, из которых состоят адроны.
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.
Рисунок 1. Кварки. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
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.
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.
Таким образом, на современном этапе развития представлений о составе материи на первом месте находятся кварки. Все адроны имеют в составе шесть кварков, и предполагается, что больше их быть не должно.
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.
Переносчиками сильного взаимодействия, при помощи которого скрепляются кварки, являются цветовые заряды – глюоны. Взаимодействием кварков и глюонов занимается такая область физики элементарных частиц, как квантовая хромодинамика.
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.
