Кварки – частицы, из которых состоят адроны. К середине шестидесятых годов число обнаруженных сильновзаимодействующих элементарных частиц – адронов перевалило за 100. Возникла уверенность, что наблюдаемые частицы не отражают предельный элементарный уровень материи.
В 1964 году независимо друг от друга М. Гелл-Манн и Д. Цвейг предложили модель кварков - частиц, из которых могут состоять адроны. Появление такой модели было вполне естественным. Эксперименты по рассеянию электронов на нуклонах показали, что нейтрон и протон в отличие от электрона имеют сложную структуру. Поэтому гипотеза о новых фундаментальных частицах, из которых можно строить адроны, казалась вполне правдоподобной. Для того чтобы объяснить наблюдаемые свойства адронов, кваркам пришлось приписать довольно необычайные свойства. Кварки должны иметь дробный электрический заряд +2/3 или -1/3. Барионы "конструировались" из трех кварков, мезоны "конструировались" из кварка и антикварка. Все обнаруженные до 1974 г. адроны можно было описать, составляя их из кварков всего лишь трех типов - u, d, s. При этом трехкварковая модель адронов казалась достаточно замкнутой - практически каждой комбинации кварков соответствовала экспериментально наблюдаемая частица.
1974 год завершился для физиков сенсацией. Одновременно две группы физиков объявили о наблюдении новой частицы. Теперь ее называют. Масса обнаруженной частицы ~3.1 ГэВ. Причиной сенсации было необычайно большое время жизни. Оказалось, что ее время жизни почти в 1000 раз больше, чем у известных частиц такой массы. Дальнейшие исследования показали, что причиной такого долгожития является то, что в ее состав входит новый неизвестный ранее с-кварк, названный очарованным кварком. Было высказано предположение, что это мезон, состоящий из с-кварка и с-антикварка, т.е. это частица со скрытым очарованием. Так же как с s-кварком связано квантовое число s - странность, с-кварк несет новое квантовое число c, названное "очарованием". Очарованный кварк должен порождать новое семейство адронов, имеющих в своем составе с-кварк или с-антикварк. Все эти частицы тяжелые, т.к. масса очарованного кварка больше массы странного кварка. Итак кварков стало 4, но на этом открытие новых кварков не завершилось.
В 1977 году были открыты нейтральные мезоны с массами около 10 ГэВ. Они получили название ипсилон-мезонов. Так же как и -мезоны они наблюдались в реакции образования мюонных пар в протон-ядерных столкновениях и на электронно-позитронных коллайдерах и также как -мезоны они долго живущие (ширина распада -мезона 53 кэВ). Это означало открытие пятого кварка b (от beauty). В состав -мезона входят b-кварк и b-антикварк и он обладает скрытой красотой.
После почти двадцатилетних поисков, в 1995 году был открыт шестой, самый "тяжелый" кварк - t-кварк.
Таким образом, на этом этапе развития наших представлений о структуре материи на первый план выходят "новые элементарные частицы" - кварки. Все адроны состоят из шести кварков и есть достаточно серьезные основания считать, что их не должно быть больше.
Каждый тип кварка имеет еще одно квантовое число - цвет, которое может принимать три значения - красный, синий и зеленый. Это чисто условные названия. Главное, что каждый кварк имеет еще три дополнительных квантовых числа. Гипотеза о существовании цвета у кварков, впервые высказанная в 1965 году независимо Н. Боголюбовым, Б. Струминским, А. Тавхелидзе и М. Ханом, Й. Намбу, была впоследствии подтверждена в большом количестве экспериментов. Существует цветовая симметрия сильных взаимодействий. Сильное взаимодействие кварка не зависит от его цветового состояния, т.е. оно одинаково для всех трех цветов. Поскольку адроны состоят из кварков, то структура адронов в основном определяется сильным и электромагнитным взаимодействием кварков.
Основные положения составной модели адронов - модели кварков:
- все сильновзаимодействующие частицы состоят из кварков; кварки являются фермионами; по современным представлениям они бесструктурны;
- кварки имеют внутренние квантовые числа: электрический заряд Q, спин 1/2, четность P, барионное число B, изоспин I, проекцию изоспина I3, странность s, шарм c, bottomness b, topness t (совокупность этих внутренних квантовых чисел, характеризующих определенный тип кварка, называется также "ароматом" кварка), цвет;
- квантовые числа кварков определяют характеристики адронов;
- барионы (фермионы с барионным числом B = 1) строятся из трех кварков;
- антибарионы (фермионы с барионным числом B = -1) строятся из трех антикварков;
- мезоны (бозоны с барионным числом B = 0) строятся из кварка и антикварка;
- число цветов кварков равно трем - красный, зеленый, синий;
- известные барионы и мезоны - бесцветны;
- кварки в адронах связаны глюонами;
- кварки участвуют в электромагнитных взаимодействиях, излучая или поглощая - квант, при этом не изменяется ни цвет, ни тип (аромат) кварков
В силу неизвестных пока причин, кварки естественным образом группируются в три, так называемых, поколения. В каждом поколении один кварк обладает зарядом +2/3, а другой — (−1/3). Подразделение на поколения распространяется также и на лептоны.
Кварки участвуют в сильных, слабых и электромагнитных 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 заметное расстояние от других кварков, а значит, кварки не могут наблюдаться в свободном виде (явление, получившее название конфайнмент). Разлететься могут лишь «бесцветные» комбинации кварков — адроны.
Вершина электромагнитного взаимодействия кварков;
кварки участвуют в слабых взаимодействиях, излучая или поглощая или Z-бозоны, при этом может изменяться тип (аромат) кварка, но цвет кварка при этом остается без изменения
Вершины слабого взаимодействия кварков;
кварки участвуют в сильных взаимодействиях, излучая или поглощая глюон g, при этом изменяется цвет кварка, а его тип (аромат) остается неизменным
Вершина сильного взаимодействия кварков;
каждому адрону приписывается определенная внутренняя четность. Внутреннюю четность адрона легко получить, воспользовавшись следующими правилами:
Правило 1. Четность кварка равна +1 и не зависит от типа кварка.
Правило 2. Четность антикварка равна -1 и не зависит от типа кварка.
Правило 3. Внутренняя четность адрона равна произведению четностей входящих в его состав кварков, умноженному на , где L-орбитальные моменты кварков в составе адрона, т.е. совершенно аналогично тому, как получается четность состояний в модели оболочек для системы нуклонов.
Кварковая модель позволяет качественно описать структуру адронов, получить их квантовые числа. Особое место занимают мезоны для которых кварковая модель позволяет количественно рассчитать спектры масс. Это семейства мезонов, состоящие из тяжелых кварков - чармоний (c) и боттомоний (b). Спектры их подобны спектрам водородоподобных атомов. Изучение подобных систем (кваркония) позволяет получить важную информацию о природе сильного взаимодействия.
От всех других Элементарных частиц кварки отличаются тем, что в свободном состоянии они пока не наблюдались, хотя имеются свидетельства их существования в связанном состоянии. Одной из причин ненаблюдения кварков может быть их очень большая масса, что препятствует их рождению при энергиях современных ускорителей. Не исключено, однако, что кварки принципи-ально, в силу специфики их взаимодействия, не могут находиться в свободном состоянии. Существуют доводы теоретического и экспериментального характера в пользу того, что силы, действующие между кварками, не ослабляются с расстоянием. Это означает, что для отделения кварков друг от друга требуется бесконечно большая энергия, или, иначе, возникновение кварков в свободном состоянии невозможно. Невозможность выделить кварки в свободном состоянии делает их совершенно новым типом структурных единиц вещества. Неясно, например, можно ли ставить вопрос о составных частях кварков, если сами кварки нельзя наблюдать в свободном состоянии. Возможно, что в этих условиях части кварков физически вообще не проявляются и поэтому кварки выступают как последняя ступень дробления адронной материи.
Поможем написать любую работу на аналогичную тему