Кварки. Элементарные частицы. Свойства кварков. Кварки и восьмеричный путь

Кварк - частица со спином 1/2 и дробным электрическим зарядом, являющаяся составным элементом адронов. Это название было заимствовано М. Гелл-Маном в одном из романов Дж. Джойса. По-немецки «кварк» - «творог», но в романе это слово означает нечто двусмысленное и таинственное; герою снится сон, где чайки кричат: «Три кварка для мастера Марка». Термин вошел в научный обиход, возможно, потому, что соответствовал двусмысленной и таинственной роли кварков в физике.

Все известные адроны состоят либо из пары кварк - антикварк (мезоны), либо из трех кварков (барионы). Кварки (и антикварки) удерживаются внутри адронов глюонным полем. Помимо спина кварки имеют еще две внутренние степени свободы - «аромат» и «цвет».

Каждый кварк может находиться в одном из трех «цветовых» состояний, которое условно называют «красным», «синим» и «желтым». Эта терминология введена для удобства и не имеет отношения к оптическим свойствам - все три «цветовых» состояния одинаково поглощают и испускают кванты света. Массы всех цветовых состояний также строго одинаковы.

Что касается «ароматов», то их известно пять и предполагается наличие шестого. Свойства кварков с различными «ароматами» различны, и поэтому их обозначают различными буквами, в порядке возрастания массы: , с, . Последний -кварк настолько тяжел, что его пока не удалось наблюдать. Заряды , -кварков равны - , а заряды остальных кварков равны 2/ 3 в единицах заряда протона.

Подсчитаем полное число внутренних степеней свободы. Каждый кварк и, d, s, с, может быть окрашен в любой из трех цветов, иметь по два спиновых состояния и по два зарядовых состояния (частица и античастица). Это дает 6х3х2х2, т. е. 72 варианта.

Обычное вещество состоит из легчайших и -кварков, входящих в состав нуклонов ядер (см. Ядро атомное). Более тяжелые кварки создаются искусственно в экспериментах на ускорителях заряженных частиц или наблюдаются в космических лучах.

Слова «создаются» и «наблюдаются» нуждаются в оговорке. Ни один кварк - ни легкий, ни тяжелый - ни разу не был зарегистрирован в свободном виде, несмотря на многолетние поиски. Кварки можно наблюдать только внутри адронов.

При попытке выбить кварк из адрона происходит следующее. Вылетающий кварк рождает на своем пути из вакуума пары кварк - антикварк, расположенные в порядке убывания скоростей. Один из медленных кварков занимает место исходного, а тот образует вместе с остальными рожденными кварками и антикварками струю адронов (см. рис.).

При этом либо тройки кварков соединяются в барионы, либо пары кварк - антикварк - в мезоны. Почему же невозможны другие комбинации, и в частности одиночный кварк? Эта загадка пока еще не разгадана наукой (см. Адроны, Сильные взаимодействия).

Кварки участвуют во всех известных взаимодействиях - гравитационных, слабых, электромагнитных и сильных. Неизвестно, из чего состоят сами кварки; возможно, они элементарны. Их собственный размер, во всяком случае, меньше см.

Участвует во взаимодействиях гравитационное ,
слабое , сильное , электромагнитное 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 /3 Цветной заряд r, g, b Барионное число 1/3 Спин ½ ħ

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 - античастица с противоположными квантовыми числами .

Свойства кварков

Символ	Название		Заряд	Масса
	рус.	англ.
Первое поколение
d	нижний	down	− 1 / 3	4,8 ± 0,5 ± 0.3 МэВ / ²
u	верхний	up	+ 2 / 3	2,3 ± 0,7 ± 0.5 МэВ/c²
Второе поколение
s	странный	strange	− 1 / 3	95±5 МэВ/c²
c	очарованный	charm (charmed )	+ 2 / 3	1275 ± 25 МэВ /c²
Третье поколение
b	прелестный	beauty (bottom )	− 1 / 3	4180 ± 30 МэВ/c²
t	истинный	truth (top )	+ 2 / 3	174 340 ± 650 МэВ/c²

В силу неизвестных пока причин, кварки естественным образом группируются в три так называемые поколения (они так и представлены в таблице). Кварки имеют дробный электрический заряд , а в каждом поколении один кварк обладает зарядом + 2 3 {\displaystyle +{\frac {2}{3}}} , а другой − 1 3 {\displaystyle -{\frac {1}{3}}} . Кварки одного поколения были бы неразличимы, если бы не поле Хиггса . Подразделение на поколения распространяется также и на лептоны .

Кварки порождаются глюонами только парой кварк-антикварк .

Реальность кварков

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 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. 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 .
• 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 .
• 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. Эксперименты подтвердили, что, например, для протона скорость получается точно такая, какая ожидается для объекта, состоящего из трёх кварков .
• При столкновениях протонов с высокими энергиями экспериментально наблюдается аннигиляция кварка одного протона с антикварком другого протона с образованием пары мюон-антимюон (процесс Дрелла - Яна) .
• Кварковая модель с позиций взаимодействия кварков между собой при помощи глюонов хорошо объясняет расщепление масс между членами декуплета Δ − − Σ − − Ξ − − Ω − {\displaystyle \Delta ^{-}-\Sigma ^{-}-\Xi ^{-}-\Omega ^{-}} .
• Кварковая модель хорошо объясняет расщепление масс между Ξ − − Ξ 0 {\displaystyle \Xi ^{-}-\Xi ^{0}} .
• Кварковая модель предсказывает для отношения магнитных моментов протона и нейтрона величину μ P μ N = − 3 2 , {\displaystyle {\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 μ Λ μ P = − 1 3 {\displaystyle {\frac {\mu _{\Lambda }}{\mu _{P}}}=-{\frac {1}{3}}} , что также находится в хорошем соответствии с экспериментальным значением −0,29 ± 0,05 .
• Есть и много других экспериментальных подтверждений кварковой модели строения адронов .

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 .

Открытые вопросы

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

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

Название

См. также

Примечания

1. Удивительный мир внутри атомного ядра Вопросы после лекции (неопр.) .
2. КВАРКИ Большая Российская Энциклопедия (неопр.) .
3. Кварки и восьмеричный путь
4. кварки
5. КВАРКИ Кварковая структура адронов
6. Основные понятия и законы физики и свойства элементарных частиц материи Лев Окунь Электромагнитное взаимодействие Нейтральные частицы.
7. Физика элементарных частиц в преддверии запуска Большого адронного коллайдера В. А. Рубаков Научно-популярная лекция для школьников, ФИАН, 25 сентября 2008 года
8. Классификация адронов Кварки и их свойства
9. Э. Э. Боос, О. Брандт, Д. Денисов, С. П. Денисов, П. Граннис. Top-кварк (к 20-летию открытия) // УФН . - 2015. - Т. 185 . - С. 1241–1269 . - DOI :10.3367/UFNr.0185.201512a.1241 .
10. На берегу океана непознанного: иллюзия простоты
11. «Частица на краю Вселенной». Глава из книги Шон Кэрролл Симметрии слабых взаимодействий
12. Игорь Иванов, кандидат физико-математических наук (Институт математики СО РАН, Новосибирск, и Льежский университет, Бельгия). Анатомия одной новости, или Как на самом деле физики изучают элементарные частицы: Почему кварки не бывают свободными . - Элементы.ру.
13. , с. 40.
14. Герасимов С. Б. Цвейга правило // Физическая энциклопедия : [в 5 т.] / Гл. ред. А. М. Прохоров . - М. : Большая российская энциклопедия, 1999. - Т. 5: Стробоскопические приборы - Яркость. - С. 418. - 692 с. - 20 000 экз. - ISBN 5-85270-101-7 .

Кварки
Quarks

Кварки - бесструктурные точечные частицы со спином 1/2ћ, участвующие в сильном взаимодействии (как и во всех остальных) и являющиеся элементарными составляющими всех адронов.
Существует шесть типов кварков, обозначаемых буквами u, d, s, c, b, t (от английских слов up, down, strange, charmed, bottom, top). Говорят о шести “ароматах” кварков. Каждый кварк имеет барионное число В = + 1/3 и дробный электрический заряд. Кварки u, c, t имеют заряд +2/3, а кварки d, s, b, - заряд –1/3 (в единицах элементарного заряда е = 1.6 . 10 -19 Кл). Кварки имеют массы. Самый лёгкий кварк u (его масса несколько МэВ/с 2), самый тяжёлый – t (его масса 174 ГэВ/с 2).

Характеристики кварков
Характеристика	Тип кварка
Электрический заряд Q
Барионное число B
Четность P
Изоспин I
Проекция изоспина I 3
Странность S
Масса в составе адрона, ГэВ
Масса свободного кварка, ГэВ			0.095+ 0.025	1.25+ 0.1

Из кварков состоят все адроны: барионы и мезоны – обширный класс элементарных частиц, участвующих в сильном взаимодействии и имеющих внутреннюю структуру и размеры около 10 -13 см. Сами кварки на современном уровне знаний бесструктурны (как и лептоны), т.е. ведут себя как точечные частицы. Их размер не более 10 -17 см. Кварки не наблюдают в свободном состоянии. Они “заперты” в адронах. Их присутствие в адронах надёжно установлено многочисленными экспериментами. В соответствии с современными концепциями кварки невозможно выбить из адрона.
Каждый из шести кварков обладает присущим только ему специфическим квантовым числом (ароматом). Так s-кварк имеет квантовое число “странность”, равное –1, с-кварк – квантовое число “очарование”, равное + 1 и т.д. У каждого кварка есть античастица – антикварк. Антикварки имеют противоположные знаки электрического заряда, барионного квантового числа и ароматов. Так античастица с-кварка, обозначаемая , имеет заряд –2/3, барионное число В = –1/3 и квантовое число “очарование” –1.
Все адроны состоят из кварков: барионы – из трёх кварков, мезоны – из кварка и антикварка. Так, протон состоит из двух u-кварков и одного d-кварка (p = uud), нейтрон – из двух d-кварков и одного u-кварка (n = udd).

Протон и нейтрон – барионы. Кварковая структура пи-мезонов π + и π - следующая: π + = u, π - = d (черта сверху обозначает античастицу).

Помимо всех перечисленных характеристик кварки обладают ещё одной специфической внутренней характеристикой, называемой цветовым зарядом или просто “цветом”. Сильные взаимодействия между кварками обусловлены наличием у кварков этих цветовых зарядов. Цвет кварка может принимать одно из трёх значений и их условились обозначать теми же терминами, что и оптические цвета, например, красный, зелёный и синий, хотя смысл этих названий другой. Таким образом, кварк каждого аромата может быть красным, зелёным или синим. Кварк одного цвета может перейти в кварк другого цвета, испустив цветной глюон – частицу, являющуюся переносчиком сильного взаимодействия. Сильное взаимодействие между кварками – это обмен ими цветом посредством обмена глюонами. Кварки в адронах находятся в таких цветовых состояниях, что суммарный цветовой заряд адрона равен нулю. Говорят, что адроны бесцветные или белые.
Квантовое число цвет обеспечивает необходимую антисимметрию волновой функции адронов, состоящих из одинаковых кварков, что согласуется с принципом Паули. С учётом квантового числа цвет, принимающего три значения, структуры барионов и мезонов записываются в виде

Только лишь год назад Питер Хиггс и Франсуа Энглер получили Нобелевскую премию за работу, которая была посвящена исследованию Это может показаться нелепым, но свои открытия ученые сделали еще полвека назад, но до сего дня им не придавали хоть сколь-нибудь большого значения.

В 1964 году еще два талантливых физика тоже выступали со своей новаторской теорией. Сперва она также не привлекла практически никакого внимания. Это странно, так как описывала она структуру адронов, без которых невозможно ни одно сильное межатомное взаимодействие. Это была теория кварков.

Что это такое?

Кстати, что такое кварк? Это одна из важнейших составных частей адрона. Важно! Эта частица обладает «половинным» спином, фактически являясь фермионом. В зависимости от цвета (об этом ниже) заряд кварка может быть равен трети или двум третям от заряда протона. Что касается цветов, то их насчитывается шесть (поколения кварков). Нужны они для того, чтобы не нарушался принцип Паули.

Основные сведения

В составе адронов данные частицы находятся на расстоянии, не превышающем значение конфайнмента. Объясняется это просто: они обмениваются векторами калибровочного поля, то есть глюонами. Почему так важен кварк? Глюонная плазма (насыщенная кварками) - это состояние вещества, в котором находилось все мироздание сразу после большого взрыва. Соответственно, существование кварков и глюонов - прямое подтверждение того, что он действительно был.

Они также имеют свой цвет, а потому во время движения создают свои виртуальные копии. Соответственно, при увеличении расстояния между кварками сила взаимодействия между ними значительно увеличивается. Как можно догадаться, при минимальном расстоянии взаимодействие практически исчезает (асимптотическая свобода).

Таким образом, любое сильное взаимодействие в адронах объясняется переходом глюонов между кварками. Если же говорить о взаимодействиях между адронами, то они объясняются передачей пи-мезонного резонанса. Проще говоря, косвенно все опять-таки сводится к обмену глюонами.

Сколько кварков входит в состав нуклонов?

Каждый нейтрон состоит из пары d-кварков, а таже единственного u-кварка. Каждый протон, напротив, - из единственного d-кварка и пары u-кварков. К слову говоря, буквы ставятся в зависимости от квантовых чисел.

Поясним. К примеру, бета-распад объясняется как раз таки превращением одного из однотипных кварков в составе нуклона в другой. Чтобы было лучше понятно, в виде формулы сей процесс можно записать вот так: d = u + w (это нейтронный распад). Соответственно, протонный записывается несколько иной формулой: u= d + w.

Кстати говоря, именно последним процессом объясняется постоянный поток нейтрино и позитронов из крупных звездных скоплений. Так что в мало столь важных частиц, какой является кварк: глюонная плазма, как мы уже и говорили, подтверждает факт большого взрыва, а исследования этих частиц позволяют ученым лучше узнать саму суть того мира, в котором мы живем.

Что меньше кварка?

Кстати, а из чего состоят кварки? Их составной частицей являются преоны. Частицы эти очень малы и плохо изучены, так что даже на сегодняшний день о них известно не очень много. Вот что меньше кварка.

Откуда они взялись?

На сегодняшний день наиболее распространены две гипотезы формирования преонов: теория струн и теория Бильсона-Томпсона. В первом случае возникновение данных частиц объясняется осцилляцией струн. Вторая гипотеза предполагает, что их появление вызвано возбужденным состоянием пространства и времени.

Интересно, что во втором случае явление вполне можно описать, пользуясь матрицей параллельного переноса вдоль кривых спиновой сети. Свойства этой самой матрицы и предопределяют таковые для преона. Вот из чего состоят кварки.

Подводя некоторые итоги, можно сказать, что кварки - своеобразные «кванты» в составе адронов. Впечатлены? А сейчас мы поговорим о том, как вообще был открыт кварк. Это весьма увлекательная история, которая, ко всему прочему, полнее раскрывает некоторые нюансы, описанные выше.

Странные частицы

Сразу после окончания Второй Мировой ученые начали активно исследовать мир субатомных частиц, который до той поры выглядел до примитивного просто (по тем представлениям). Протоны, нейтроны (нуклоны) и электроны образовывали атом. В 1947 году были открыты пионы (а предсказали их существование еще в 1935 году), которые отвечали за взаимное притяжение нуклонов в ядре атомов. Этому событию в свое время была посвящена не одна научная выставка. Кварки еще не были открыты, но момент нападения на их «след» был все ближе.

Нейтрино к тому времени открыты еще не были. Но их явная важность для объяснения бета-распадов атомов была настолько велика, что ученые практически не сомневались в их существовании. Кроме того, уже успели обнаружить или предсказать некоторые античастицы. Оставалась неясна только ситуация с мюонами, которые образовывались при распаде пионов и в дальнейшем переходили в состояние нейтрино, электрона или позитрона. Физики не понимали, для чего вообще нужна эта

Увы, но столь простая и непритязательная модель совсем ненадолго пережила момент открытия пионов. В 1947 году два английских физика, Джордж Рочестер и Клиффорд Батлер, опубликовали одну любопытную статью в научном журнале Nature. Материалом для нее послужило их исследование космических лучей посредством камеры Вильсона, в ходе которого они получили прелюбопытные сведения. На одной из фотографий, отснятых в процессе наблюдения, была отчетлива видна пара треков с общим началом. Так как расхождение напоминало латинскую V, то сразу стало ясно - заряд у этих частиц определенно разный.

Ученые сразу предположили, что эти треки указывают на факт распада некой неизвестной частицы, которая не оставила после себя других следов. Расчеты показали, что ее масса - порядка 500 МэВ, что намного больше этого значения для электрона. Разумеется, исследователи нарекли свое открытие V-частицей. Впрочем, это был еще не кварк. Частица эта еще ждала своего часа.

Все только начинается

С этого открытия все и началось. В 1949 году в таких же условиях был обнаружен след частицы, которая дала начало сразу трем пионам. Вскоре выяснилось, что она, равно как и V-частица — совершенно разные представители семейства, состоящего из четырех частиц. Впоследствии их назвали К-мезонами (каоны).

Пара заряженных каонов имеют массу 494 МэВ, а в случае с нейтральным зарядом - 498 МэВ. Кстати говоря, в 1947 году ученым посчастливилось запечатлеть как раз таки весьма редкий случай распада положительного каона, но в то время они просто не смогли правильно интерпретировать снимок. Впрочем, если быть до конца справедливыми, то вообще-то первое наблюдение каона было сделано еще в далеком 1943 году, но информация об этом едва не затерялась на фоне многочисленных послевоенных научных публикаций.

Новые странности

А дальше ученых ждало еще больше открытий. В 1950 и 1951 годах исследователи из Манчестерского и Мельнбурского университетов сумели отыскать частицы, намного тяжелее протонов и нейтронов. Она снова не имела никакого заряда, но распадалась на протон и пион. Последний, как можно понять, имел отрицательный заряд. Новую частицу обозначили буквой Λ (лямбда).

Чем больше проходило времени, тем больше появлялось вопросов у ученых. Проблема была в том, что новые частицы возникали исключительно при сильных атомных взаимодействиях, быстро распадаясь на известные протоны и нейтроны. Кроме того, они всегда появлялись парами, одиночных проявлений не было никогда. А потому группа физиков из США и Японии предложила использовать в их описании новое квантовое число - странность. Согласно их определению, странность всех прочих известных частиц равнялась нулю.

Дальнейшие изыскания

Прорыв в изысканиях случился только после возникновения новой систематизации адронов. Виднейшей фигурой в этом стал израильтянин Юваль Неэман, который поменял карьеру выдающегося военного на столь же блистательный путь ученого.

Он обратил внимание, что открытые к тому времени мезоны и барионы распадаются, образуя скопление родственных частиц, мультиплеты. Члены каждого такого объединения обладают совершенно одинаковой странностью, но противоположными электрическими зарядами. Так как действительно сильные ядерные взаимодействия от электрических зарядов не зависят совсем, во всем прочем частицы из мультиплета выглядят совершенными близнецами.

Ученые предположили, что за возникновение подобных образований отвечает некая природная симметрия, и вскоре им удалось ее отыскать. Она оказалась простым обобщением спиновой группы SU(2), которой ученые всего мира пользовались для описания квантовых чисел. Вот только к тому времени было известно уже 23 адрона, причем их спины были равны 0, ½ или целой единице, а потому пользоваться такой классификацией не представлялось возможным.

В результате пришлось использовать для классификации сразу два квантовых числа, за счет чего классификация значительно расширилась. Так и появилась группа SU(3), которую еще в начале века создал французский математик Эли Картан. Чтобы определить систематическое положение в ней каждой частицы, учеными была разработана исследовательская программа. Кварк впоследствии легко вошел в систематический ряд, что подтвердило абсолютную правоту специалистов.

Новые квантовые числа

Так ученые подошли к идее использования абстрактных которыми стали гиперзаряд и изотопический спин. Впрочем, с тем же успехом можно брать странность и электрический заряд. Данная схема была условно названа В этом улавливается аналогия с буддизмом, где до достижения нирваны также нужно пройти восемь уровней. Впрочем, все это лирика.

Свои работы Неэман и его коллега, Гелл-Манн, напечатали в 1961 году, а количество известных тогда мезонов не превышало семи. Но в своих работах исследователи не побоялись упомянуть о высокой вероятности существования восьмого мезона. В том же 1961 году их теория с блеском подтвердилось. Найденную частицу назвали эта-мезоном (греческая буква η).

Дальнейшие находки и эксперименты с блеском подтвердили абсолютную правильность классификации SU(3). Это обстоятельство стало мощным стимулом для исследователей, которые обнаружили, что стоят на верном пути. Даже сам Гелл-Манн уже не сомневался в том, что в природе существуют кварки. Отзывы о его теории были не слишком положительными, но ученый был уверен в своей правоте.

Вот и кварки!

Вскоре вышла статья «Схематическая модель барионов и мезонов». В ней ученые смогли дальше развить идею систематизации, которая оказалась настолько полезной. Они выяснили, что SU(3) вполне допускает существование целых триплетов фермионов, электрический заряд которых колеблется от 2/3 до 1/3 и -1/3, причем в триплете одна частица всегда отличается ненулевой странностью. Уже небезызвестный нам Гелл-Манн назвал их «элементарные частицы кварки».

Согласно зарядам, он обозначил их как u, d и s (от английских слов up, down и strange). В соответствии с новой схемой, каждый барион образован сразу тремя кварками. Мезоны устроены куда проще. В их состав входит один кварк (это правило незыблемо) и антикварк. Только после этого в научном сообществе стало известно о существовании этих частиц, которым и посвящена наша статья.

Еще немного предыстории

Эта статья, которая во многом предопределила развитие физики на годы вперед, имеет довольно любопытную предысторию. Гелл-Манн думал о существовании такого рода триплетов задолго до ее публикации, но ни с кем не обсуждал свои предположения. Дело в том, что его предположения о существовании частиц, обладающих дробным зарядом, выглядели как бред. Однако после разговора с выдающимся физиком-теоретиком Робертом Сербером он узнал, что его коллега сделал точно такие же выводы.

Кроме того, ученый сделал единственно правильный вывод: существование подобных частиц возможно только в том случае, если они являются не свободными фермионами, а входят в состав адронов. Ведь в этом случае их заряды составляют единое целое! Сперва Гелл-Манн назвал их кворками и даже упомянул о них в MTI, но реакция студентов и преподавателей была весьма сдержанной. А потому ученый очень долго думал о том, стоит ли ему выносить свои исследования на суд публики.

Само слово «кварк» (это звук, напоминающий крик уток) было взято из произведения Джеймса Джойса. Как ни странно, но американский ученый отправил свою статью в престижный европейский научный журнал Physics Letters, так как всерьез опасался того, что редакция аналогичного по уровню американского издания Physical Review Letters не примет ее в печать. Кстати, если вы хотите взглянуть хотя бы на копию той статьи - вам прямая дорога в тот же Берлинский музей. Кварки в его экспозиции не имеются, зато полная история их открытия (точнее, документальные свидетельства) есть.

Начало кварковой революции

Справедливости ради стоит отметить, что практически в то же время до аналогичной мысли дошел ученый из ЦЕРНа, Джордж Цвейг. Сперва его наставником был сам Гелл-Манн, а затем Цвейг также определил реальность существования фермионов, которые обладали дробными зарядами, только назвал их тузами. Более того, талантливый физик также рассматривал барионы как тройку кварков, а мезоны - как комбинацию кварка и антикварка.

Проще говоря, ученик полностью повторил выводы своего учителя, причем совершенно отдельно от него. Его работа появилась даже на пару недель раньше публикации Манна, но только в качестве «домашней заготовки» института. Впрочем, именно наличие двух независимых работ, выводы по которым были практически идентичными, сразу убедило некоторых ученых в верности предложенной теории.

От неприятия к доверию

Но многие исследователи приняли эту теорию далеко не сразу. Да, журналисты и теоретики быстро полюбили ее за наглядность и простоту, но серьезные физики приняли ее только спустя целых 12 лет. Не стоит упрекать их в излишнем консерватизме. Дело в том, что первоначально теория кварков резко противоречила принципу Паули, о котором мы упоминали в самом начале статьи. Если предположить, что в протоне содержится пара u-кварков и единственный d-кварк, то первые должны находиться строго в одном и том же квантовом состоянии. Согласно же Паули, такое невозможно.

Вот тогда-то и появилось дополнительное квантовое число, выраженное в виде цвета (о чем мы также упоминали выше). Кроме того, было совершенно непонятно, как вообще элементарные частицы кварки взаимодействуют друг с другом, почему не встречаются их свободные разновидности. Все эти тайны сильно помогла разгадать Теория Калибровочных полей, которую «довели до ума» только в середине 70-х годов. Примерно в то же время кварковую теорию адронов органично включили в нее.

Но сильнее всего сдерживало развитие теории полное отсутствие хоть каких-то экспериментальных опытов, которые бы подтверждали как само существование, так и взаимодействие кварков между собой и с другими частицами. А они постепенно начали появляться только с конца 60-х годов, когда быстрое развитие технологий позволило провести опыт с «просвечиванием» протонов электронными потоками. Именно эти опыты позволили доказать, что внутри протонов действительно «скрываются» какие-то частицы, которые первоначально назвали партонами. Впоследствии все же убедились, что это не что иное, как истинный кварк, но это произошло только в конце 1972 года.

Экспериментальное подтверждение

Разумеется, для окончательного убеждения научной общественности потребовалось намного больше экспериментальных данных. В 1964 году Джеймс Бьёркен и Шелдон Глэшоу (будущий лауреат Нобелевской премии, кстати) сделали предположение, будто бы может существовать еще и четвертая разновидность кварка, которую они назвали очарованной (charmed).

Именно благодаря этой гипотезе ученые уже в 1970 году смогли объяснить многие странности, которые наблюдались при распаде нейтрально заряженных каонов. Через четыре года сразу две независимых группы американских физиков сумели зафиксировать распад мезона, в состав которого входил как раз один «очарованный» кварк, а также его антикварк. Неудивительно, что это событие сразу окрестили Ноябрьской Революцией. Впервые теория кварков получила более-менее «наглядное» подтверждение.

О важности открытия говорит хотя бы тот факт, что руководители проекта, Сэмюэль Тинг и Бартон Рихтер, уже через два года принимали свою Нобелевскую премию: это событие отражено во многих статьях. С некоторыми из них вы сможете ознакомиться в оригинале, если посетите Нью-Йоркский естественнонаучный музей. Кварки, как мы уже и говорили, - крайне важное открытие современности, а потому и внимания в научной среде им уделяется очень много.

Последний довод

Только в 1976 году исследователи все же нашли одну частицу с ненулевым очарованием, нейтральный D-мезон. Это достаточно сложная комбинация из одного очарованного кварка и u-антикварка. Тут даже закоренелые противники существования кварков вынуждены были признать правоту теории, впервые изложенной более двух десятков лет тому назад. Один из самых известных физиков-теоретиков, Джон Эллис, назвал очарование «рычагом, перевернувшим мир».

Вскоре в перечень новых открытий вошла и пара особо массивных кварков, top и bottom, которые без труда удалось соотнести с уже принятой на то время систематизацией SU(3). В последние годы ученые говорят о том, что существуют так называемые тетракварки, которые некоторые ученые уже успели окрестить «адронными молекулами».

Некоторые выводы и умозаключения

Нужно понимать, что открытие и научное обоснование существования кварков и в самом деле можно смело считать научной революцией. Началом ее можно считать 1947 год (в принципе, 1943), а конец ее приходится на обнаружение первого «очарованного» мезона. Получается, что продолжительность последнего на сегодняшний день открытия такого уровня составляет, ни много ни мало, целых 29 лет (или даже 32 года)! И все это время было потрачено не только ради того, чтобы отыскать кварк! Глюонная плазма как первичный объект во Вселенной вскоре привлекла куда большее внимание ученых.

Впрочем, чем сложнее становится область изучения, тем больше времени требуется для совершения действительно важных открытий. А что касается обсуждаемых нами частиц, то важность такого открытия не сможет недооценивать никто. Изучая строение кварков, человек сможет глубже проникнуть в тайны мироздания. Возможно, что только после полного их исследования мы сможем узнать, как происходил большой взрыв и по каким законам развивается наша Вселенная. Во всяком случае именно их открытие позволило убедить многих физиков в том, что окружающая нас действительность куда сложнее былых представлений.

Вот вы и узнали, что такое кварк. Частица эта в свое время наделала много шума в научном мире, да и сегодня исследователи полны надежд окончательно раскрыть все ее тайны.

Свойства фермионов (массы указаны в условных единицах относительно массы электрона), фактически в физике массы элементарных частиц при расчетах принято указывать в эквивалентной энергии, (Мэв). см. *)
Кварки
Аромат	Масса	Заряд
	338561

Классификация элементарных частиц начала интенсивно развиваться с середины 1950-х годов. Параллельно предпринимались попытки "построить" все известные элементарные частицы из небольшого числа составных частей.

К числу таких попыток можно отнести нелокальную теорию поля Юкавы, единую теорию Гейзенберга и другие. Этим приятным фантазиям не суждено было стать настоящими физическими теориями. Главная причина их неудачи в том, что в них ещё недостаточно учитывались феноменальные свойствах элементарных частиц.

Первый реальный успех в деле классификации элементарных частиц выпал на долю Гелл-Манна и Цвейга, показавших, что все известные к 1964 г. барионы и мезоны (см. дальше) можно составить из трех фундаментальных объектов, названных Гелл-Манном кварками.

После 1964 г. были открыты новые барионы и мезоны , для классификации которых оказалось недостаточно трех кварков, введенных Гелл-Манном и Цвейгом. В настоящее время к трем первоначальным кваркам добавлены ещё три: общее число кварков возросло до шести. Кроме того, принято, что каждый кварк существует в трех "лицах"; если каждое из этих лиц считать за особую частицу, то полное число кварков равно 18. Забегая вперёд, поясним, что барионы образуются как соответствующим образом подобранные комбинации трёх кварков; разным тройкам кварков отвечают разные барионы. Мезоны строятся из двоек (пар) кварков.

Следует иметь ввиду, что согласно законам квантовой механики, элементарные частицы обладают волновыми свойствами и необычность их поведения определяется именно этим. Хотя стандартная модель способна достаточно точно описать все характеристики элементарных частиц, нам их поведение трудно представить только на основании повседневного опыта. Само слово «квантовый» означает «разбитый на части», т.е. дискретный. Поэтому, описывая элементарные частицы мы будем по мере описания перечислять и пояснять некоторые другие специфические характеристики элементарных частиц, которые описывают квантовые состояния частицы.

Основные понятия теории кварков выдвинули американские учёные. Чтобы различить шесть кварков (каждый из которых существует в трех лицах или видах), американские физики наделили кварки свойством, которое они назвали «аромат» . Разумеется, никакого различимого носом запаха кварки не испускают, но считается, что каждый из шести (тройных) кварков «пахнет» по-своему, имеет, так сказать, особый, собственный аромат. В частности, все три лица каждого кварка «пахнут» одинаково, то есть имеют общий для всей троицы единый аромат.

Что такое Аромат (flavor)?

Название для этой характеристики придумали Мюррей Гелл-Манн (Murray Gell-Mann) и Харальд Фрич (Harald Fritzsch), проходя мимо популярного кафе компании Baskin-Robbins с привлекательной рекламой множества сортов мороженого: «Count the Flavors. Where flavor counts» (в переводе, "Оцените ароматы. Аромат имеет значение") в 1968 г. Они пытались придумать новые названия для характеристик квантовых состояний.

В своё время, придумывая названия ароматов, американцы позабавились: они дали такие названия, чтобы не было неприятно нюхать, если бы кварки и в самом деле пахли. Названия даны веселые, смешные, похожие на названия духов в парфюмерной лавке: «очарование», «странность». Обычны названия только первых двух ароматов: «вверх» и «вниз». Однако, постепенно высокохудожественные названия (верхний, нижний, очарованный, странный, а особенно истинный и красивый) вышли из употребления учёных, и они предпочитают называть их просто по первой английской букве. Причём, вместо слов «истинный» (true ) и «красивый» (beauty ), предпочитают использовать слова «самый высокий» (top ) и «самый низкий» (bottom ). Проще уяснить, что т.н. аромат есть ни что иное, как тип кварка (u,d,s,c,b,t ).

К ароматам также относятся другие квантовые характеристики элементарных частиц (сейчас эти характеристики принято называть квантовыми числами): лептонное число (lepton number), барионное число (baryon number), электрический заряд (!), изоспин (или изотопический спин) (isospin), гиперзаряд (hypercharge), слабый гиперзаряд (weak hypercha-rge), слабый изоспин (weak isospin), странность (strangeness), очарование (charm), низменность (topness), высотность (bottomness). Они используются для учёта ряда свойств элементарных частиц.

Чтобы различить три вида (лица), в которые воплощается каждый из шести кварков, пользуются термином «цвет» . Конечно, кварки не имеют никакого видимого цвета. Такое название - просто метка, позволяющая различать «трех близнецов». Ну, а если говорить более строго научно, то цвет или цветовой заряд - это более сложный аналог спина, который характеризует взаимодействие кварков и глюонов . Название этой характеристики было выбрано по аналогии с оптикой, где красный, зеленый и синий цвета при смешении дают белый цвет. Дело в том, что в рамках сильного взаимодействия возможно притяжение либо двух частиц с противоположным цветом (цвет и антицвет), либо трех частиц с определенной комбинацией цветов, которая в сумме даёт «белый» цвет (разумеется, квантовый, а не оптический). Кварк имеет один из 3 цветов, а глюон - один из 8 цветов или антицветов. Откуда? Забегая вперед, сразу поясним.

Глюоны являются переносчиками сильного взаимодействия, именно они и "связывают" кварки между собой. Глюоны имеют не один, а два цветовых индекса (цвет и антицвет). Всего имеется 8 цветных глюонов , поскольку комбинация жж+сс+кк не имеет цветового заряда (т.е. является "белой") и, следовательно, не переносит сильное взаимодействие. В свободном состоянии глюоны не существуют. Они, как и кварки, "заперты" внутри бесцветных адронов . Все остальные элементарные частицы не имеют цвета.

Спин - одна из самых загадочных характеристик, которая демонстрирует, что существует пространство состояний, никак не связанных с перемещением частицы в обычном пространстве. Спин (от англ. to spin - "крутиться") электрона часто сравнивают с угловым моментом «быстро вращающегося волчка». Это неверно, поскольку спин не связан с движением в пространстве в нашем понимании и является внутренней квантовой характеристикой частицы, которая не имеет аналога в классической механике. Спин измеряется целыми и полуцелыми числами, умноженными на постоянную Планка (h/2π ) (хотя для краткости часто это умножение не упоминается). Такой фундаментальный вывод вытекает из релятивистской квантовой теории поля, которая предсказывает, а опыт подтверждает, что S =0; 1/2; 1; 3/2; 2; ...
Частица, обладающая спином J (сейчас принято спин обозначать через J, чтобы не путать с S-кварком), может находиться в (2 J +1) спиновых состояниях. Например, спин J электрона равен 1/2, поэтому у него может быть только два спиновых состояния 2·(1/2)+1, т.е. 1/2 и -1/2.

Итак, каждый из 18 кварков имеет собственный аромат и цвет . При помощи цвета мы различаем кварковые лица, «пахнущие» одинаково: существует шесть различных «запахов»-ароматов. Выше мы говорили, что барионы строятся как подходящие комбинации трех кварков. Под словом «подходящая» имеется в виду бесцветная комбинация. То же относится и к парам кварков, из которых строятся мезоны. Комбинации надо выбирать «бесцветными», потому что наблюдаемые реально элементарные частицы не имеют цвета. Например, протон имеет кварковую структуру p=(uud) , т.е. состоит из двух u -кварков и одного d -кварка, нейтрон - n=(udd) , т.е. состоит из одного u -кварка и двух d -кварков.

Сами кварки не существуют в свободном состоянии, они всегда «связаны» между собой в частицах, которые они образуют, по крайней мере, свободных кварков, то есть кварков, сильно отдаленных от всех иных кварков обнаружить не удаётся. Кварки существуют только в связанном состоянии, и явление, приводящее к неразрывности кварковых связей, называется конфайнмент.

Кратко суть конфайнмента (т.е. "удержания", "пленения") состоит в том, что силы, связывающие кварки друг с другом, при удалении не уменьшаются, а возрастают (!). Это приписывается свойствам сильного взаимодействия - глюонного поля, которое связывает кварки внутри адронов. Такой непривычный вывод даёт квантовая хромодинамика - теория, описывающая все свойства адронов и их столкновений. Так, например, при попытке «вырвать» кварк из протона глюонное поле порождает дополнительную кварк-антикварковую пару, и от протона уже отделяется не кварк, а пи-мезон. Пи-мезон уже может улететь сколь угодно далеко от протона, потому что силы между адронами ослабевают с расстоянием.

У элементарных частиц электрический заряд может быть кратным только заряду электрона, т.е равным 0, ±1, ±2, ... за исключением кварков, заряд которых равен -1/3 и +2/3 заряда электрона, но кварки в совокупности образуют частицы только с целочисленным электрическим зарядом. В микромире справедлив закон сохранения электрического заряда, утверждающий, что суммы зарядов частиц до и после взаимодействия равны.

Теперь возникает естественный вопрос: насколько реально существование самих кварков? Экспериментаторы интенсивно искали их, причём самыми разными способами (например, с помощью счетчиков, трековых детекторов и опытов типа опыта Милликена) и в самых различных источниках (на ускорителях, в космическом излучении, в морской воде, в земных породах, в метеоритах и т. п.). Однако все попытки непосредственной регистрации кварков пока оказались безуспешными.

Сейчас общепринята точка зрения, согласно которой кварки, будучи цветными объектами, в принципе не могут существовать в свободном состоянии, а могут находиться только внутри белых частиц - адронов.

В частности, нельзя непосредственно зарегистрировать не только сами кварки q , но и дикварки qq , которые также должны нести некоторый цвет. Теоретическое обоснование конфайнмента цвета (его «удержания», «пленения») внутри адронов находится пока в стадии разработки. Решение проблемы кроется в весьма необычных свойствах сил, действующих между кварками: оказывается, энергия взаимодействия кварков не убывает с ростом расстояния между ними, как мы привыкли считать, а возрастает.

И тем не менее только с помощью кварков удаётся описать и объяснить всё многообразие свойств и превращений адронов, образующих чрезвычайно широкий класс. Мало того, опыты по рассеянию лептонов высоких энергий на протонах и нейтронах позволили измерить экспериментально основные характеристики кварков. Результаты этих опытов однозначно свидетельствуют о том, что кварки внутри адронов действительно есть, что их спин равен именно 1/2, что они обладают дробными электрическими зарядами и существуют в трех цветовых разновидностях.

Опыты по рассеянию электронов и позитронов из встречных пучков позволили почти непосредственно «увидеть» кварки. При столкновении эти частицы превращаются в фотон (виртуальный), который порождает кварк-антикварковую пару. Полный импульс системы равен нулю, а потому кварк и антикварк разлетаются в противоположные стороны. Они не могут существовать в свободном состоянии и «обесцвечиваются»: каждый генерирует большое количество мезонов, летящих преимущественно в его первоначальном направлении. В итоге образуются две достаточно узкие струи мезонов, которые и были зарегистрированы на опыте. Ни одна теоретическая схема, кроме кварковой, не в состоянии объяснить сколько-нибудь естественным способом двухструйную структуру событий и описать характеристики рождающихся мезонов.

Таким образом, принципиальная правильность общих концепций теории кварков сейчас не вызывает никаких сомнений. Кварки несомненно существуют, но только в связанном состоянии. Поэтому сам термин «существование» обрёл в физике микромира несколько неожиданную трактовку, и он требует даже философского переосмысления.