Основы кварковой теории

Кварковая теория – это теория строения адронов, представляющая собой еще один шаг вглубь материи. Она сформулирована в 1963 г. после того, как было высказано предположение, что все адроны построены из более мелких частиц. Авторами кварковой теории стали Марри Гелл-Манн и Джордж Цвейг из Калифорнийского технологического института. Кварки являются фермионами, так как их спин равен 1/2, вместе с лептонами они на сегодняшний день являются подлинно элементарными частицами, внутренняя структура которых неизвестна.

Основная идея этой теории очень проста. Все адроны построены из более мелких частиц – кварков. Этот термин был выбран совершенно произвольно и демонстрирует своеобразное чувство юмора физиков – авторов этой теории. Слово «кварк» было позаимствовано из романа Д. Джойса «Поминки по Финнегану», герою которого снился сон, в котором летали чайки и кричали: «Три кварка для мистера Марка!» В переводе с немецкого это слово означает «чепуха».

Кварки – это электрически заряженные частицы, причем их заряд – дробное число. Он может быть равен либо –1/3, либо +2/3 заряда электрона. Кварки могут соединяться друг с другом двумя способами – парами и тройками. Соединение трех кварков образует барионы, среди которых всем известны протоны и нейтроны. Соединением кварка и антикварка образуются мезоны, соединением трех антикварков – антибарионы. Большинство образующихся частиц являются барионными и мезонными резонансами. При таком соединении дробные заряды суммируются до нуля или единицы.

Первое время считалось, что кварков всего три типа – их назвали ароматами (ассоциация с обонянием здесь не годится, это квантовое число) – up, down, strange. Но в 1974 г. были открыты новые адроны, для которых уже просто не было свободных кварков. Поэтому число кварков было расширено до шести – добавились ароматы charm, beauty, truth. Ароматы обозначаются первыми буквами своих названий.

Кварки во многих отношениях схожи с лептонами – и те и другие являются подлинно элементарными частицами. Их размеры менее 10^-15 см. Как лептоны можно сгруппировать попарно (лептон и соответствующий ему нейтрино), так же группируются и кварки.

Интересно отметить, что все обычное вещество во Вселенной состоит лишь из двух легчайших лептонов (электрона и электронного нейтрино) и двух легчайших кварков и и d. Если бы все остальные лептоны и кварки внезапно прекратили свое существование, то в окружающем нас мире, по-видимому, очень мало что изменилось. Возможно, более тяжелые лептоны и кварки играют роль дублеров легчайших частиц. Все они нестабильны и быстро распадаются на стабильные частицы.

В описанной схеме обнаруживается принципиальный дефект. Кварки, будучи фермионами, должны подчиняться запрету Паули. Они не могут соединяться вместе, если их состояния одинаковы. А в барионных и антибарионных частицах кварки одного аромата часто оказываются вместе. Например, протон образуется комбинацией кварков uud, а нейтрон – udd. Казалось бы, нарушается запрет Паули. Для устранения этого противоречия ввели предположение, что кварки одного аромата не идентичны, а различаются характером взаимодействия друг с другом. Поэтому для описания кварков ввели еще одно квантовое число. Продолжая шутить, физики назвали его «цветом». Как «аромат» не имеет отношения к запаху, так и «цвет» не имеет ничего общего с общепринятым смыслом этого слова. Не стоит забывать, что размеры кварков намного меньше длины волны видимого света. Введение нового квантового числа оказалось удачным, недавние эксперименты на ускорителях подтвердили, что разделение кварков одного аромата на три цвета – красный, синий, зеленый – отражает действительность.

При объединении кваркэов и антикварков в адроны должны выполняться два условия: -;

– суммарный электрический заряд кварков в адроне должен быть целочисленным, скомпенсированным до нуля или единицы;

– кварки, соединяющиеся в адрон, должны полностью компенсировать свои цветовые заряды и удовлетворять признаку бесцветности (конфайнмент). Это связано с тем, что только кварки проявляют способность к сильному взаимодействию, связанному с цветовыми силами. Адроны таких способностей не имеют в силу своей бесцветности.

Долгое время ученые пытались обнаружить кварки в эксперименте, доводя точность измерений до очень высоких значений. Пришлось признать, что законы нашего мира запрещают существование частиц с дробным электрическим зарядом поодиночке. Но в 1969 г. в Стэнфорде были проведены опыты, доказавшие существование кварков. В ходе экспериментов протон бомбардировался электроном. При этом электроны как бы налетали на крохотные твердые вкрапления и отскакивали от них под самыми невероятными углами. Очевидно, эти твердые вкрапления и были кварками.

Вопросы для обсуждения

1. Какие из выделенных нами структурных уровней организации материи относятся к микромиру, макромиру, мегамиру?

2. Какие агрегатные состояния вещества вы знаете? Сравните свойства вещества в разных агрегатных состояниях.

3. Какие представления о поле и веществе существуют в классической физике? Чем они отличаются от современных взглядов?

4. Что такое корпускулярно-волновой дуализм? Как было сформулировано это понятие?

5. Что сегодня понимается под элементарными частицами? Насколько они элементарны на самом деле?

6. Какие элементарные частицы стабильны? Назовите их другие характеристики.

7. Что такое фермионы и бозоны? Чем они отличаются друг от друга?

8. Что такое запрет Паули? Какую роль он играет в мире?

9. Чем отличаются адроны и лептоны?