Большое число элементарных частиц, и в особенности адронов, уже в начале 1950-х гг. побудило физиков заняться поиском закономерностей в распределении их масс и других квантовых чисел. Эти поиски привели Г. Цвейга и М. Гелл-Мана к гипотезе, что все адроны являются комбинациями кварков.
По современным представлениям кварки — гипотетические материальные частицы, из которых состоят все адроны, т.е. частицы, участвующие в сильном взаимодействии. К ним относятся все барионы и мезоны, а также многочисленные нестабильные (резонансные) элементарные частицы. Согласно новой гипотезе, мезоны состоят из кварка и антикварка, барионы (тяжелые частицы, такие, как протон, нейтрон и им подобные) — из трех кварков.
Гипотеза кварков стала необходимой для объяснения динамики различных процессов, в которых участвуют адроны. В первое время с ее помощью удалось упорядочить большой экспериментальный материал, накопленный при исследовании элементарных частиц. При этом удалось выяснить, что реакции, в которых участвуют некоторые адроны, можно объяснить с помощью гипотетических кварков. В 60-х гг. XX в. был предпринят даже эксперимент, напоминающий опыт Резерфорда, который бомбардировал атомы альфа-частицами. Но вместо таких частиц в новом эксперименте осуществлялась бомбардировка протонов электронами высоких энергий. По рассеянию электронов ученые высказали предположение, что протон обладает определенной структурой, элементами которой должны быть кварки.
Хотя гипотеза о кварках теоретически необходима, никакого надежного экспериментального подтверждения их существования, несмотря на многочисленные поиски с помощью ускорителей высоких энергий, в космических лучах и окружающей среде, не было найдено. Это заставило некоторых физиков предположить, что здесь мы встречаемся с принципиально новым явлением природы, которое называют удержанием кварков. Однако это мнение не является общепринятым и встречает различные возражения.
Вначале предполагалось, что существует четыре кварка, но в настоящее время к ним добавлено еще два и, следовательно, допускается существование шести кварков, которые обозначаются символами u (верхний), d (нижний), с (очарованный), s (Странный), t (истинный), b (прелестный). По симметрии им соответствует такое же число антикварков, обозначаемых теми же самыми символами, но с черточкой наверху. В ходе дальнейших исследований выяснилось, что каждый кварк может быть носителем трех разных зарядов сильного взаимодействия, которые сейчас принято называть синим, зеленым и красным цветами. Когда происходит объединение таких кварков в единое целое, то их заряды, или цвета, дают общий белый цвет или, точнее, свет. Эта аналогия заимствована из оптики, где соединение синего, зеленого и красного цветов образует белый свет. Точно так же тяжелые адроны, в частности протон и нейтрон, состоят из кварков трех основных цветов. Мезоны же состоят из одного кварка и одного антикварка. В данном случае используется другая аналогия из оптики, состоящая в том, что основной и дополнительный цвет также дают белый свет. Благодаря этим аналогиям исследование о кварках получило название хромодинамики. Цветовой заряд в хромодинамике, как и в электродинамике, порождает особое поле, названное глюонным (от англ. glue — клей). Кванты такого поля называются глюонами и по свойствам похожи на фотоны, так как лишены массы покоя и зарядов.
Так, например, на рисунке 1 изображена кварковая структура протона и нейтрона.
Поскольку (если отвлечься от электрического заряда) свойства протонов и нейтронов отличаются не очень сильно, принимают, что различие между кварками u и d сводится в основном к различию величин их электрических зарядов.
Кваркам присваивают следующие значения атомного номера Z (число протонов) и массового числа А (A = Z+N, где N-число нейтронов)
u: Z = 2/3, A = 1/3;
d: Z = -1/3, A = 1/3.
Таким образом, при кварковой модели для описания свойств элементарных частиц достаточно допустить существование 18 кварков и 18 антикварков. Поскольку лептоны являются такими же бесструктурными объектами, как и кварки, то к общему числу кварков и антикварков следует добавить число всех лептонов (электрон, мюон, нейтрино и тяжелый лептон) и их антилептонов. Всего, следовательно, получится 44 фундаментальные частицы. Некоторым современным ученым это число кажется также неприемлемым, ибо исследователи стремились построить мироздание на минимальном числе фундаментальных частиц, свойствами которых возможно объяснить бесчисленное многообразие явлений и процессов, происходящих во Вселенной.
Поможем написать любую работу на аналогичную тему