Теория кварков

    Теория  кварков

    Значительные  успехи достигнуты в последние годы и в теории сильного взаимодействия, где нуклоны уже перестали  играть роль исходных частиц. Оказалось, что все адроны можно представить  как составные частицы, образованные их так называемых кварков. Эту модель кварков частиц предложили независимо друг от друга М. Гелл-Манн и Д. Цвей. По современным представлениям кварки – гипотетические материальные частицы, их которых состоят все адроны, участвующие в сильном взаимодействии.  Слово «кварк» было заимствовано Гелл-Манном из романа Дж. Джойса «Поминки по Финнегану», где в одном из эпизодов звучит фраза «Three quarks for Muster Mark!» (обычно переводится как «Три кварка для Мастера Мюстера Марка!») Дж. Цвейг называл их тузами, но данное название не прижилось и забылось — возможно, потому, что тузов четыре, а кварков в первоначальной модели было три. Кварки представляют собой истинно элементарные частицы и поэтому бесструктурные.

    А сейчас рассмотрим причины того, что кварки считаются реально существующими объектами. Причины существования таковы:

• Во-первых, в 1960-х годах стало ясно, что все многочисленные адроны подчиняются более-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. Теория предсказывает, что скорость этого уменьшения зависит от числа кварков, из которых состоит адрон. Эксперименты подтвердили, что, например, для протона скорость получается точно такая, какая ожидается для объекта, состоящего из трёх кварков. Аналогичное согласие наблюдается и для других адронов.

    Из  всех этих причин, мы можем быть уверенными, что кварки действительно существуют.

    Кварки  различаются спином, ароматом и цветом. Аромат кварка-это его особая физическая характеристика. Для того чтобы учесть все известные адроны, необходимо было предположить существование шести видов кварков, различающихся ароматом: u (up - верхний), d (down - нижний), s (strange - странный), c (charm - очарование), b (beauty - прелесть) и t(top - верхний). Существует устойчивое мнение, что кварков не должно быть больше. Считается, что каждый кварк имеет один из трех возможных цветов, которые выбраны произвольно: красный, зеленый, синий. Цвет кварка, как и аромат, - условное название для определенной физической характеристики.

    В строении окружающего нас мира наиболее важны u- и d- кварки, из которых построены протоны и нейтроны. Кварки обладают дробным электрическим зарядом. Заряд u-кварка составляет +2/3 элементарного заряда, заряд d-кварка -1/3. Протон состоит их двух u- и одного d-кварка. Нейтрон состоит из одного u- и двух d-кварков. Когда d-кварки внутри нейтрона превращается в u-кварк, заряд нуклона изменяется на (+2/3)-(-1/3)=1, что воспринимается наблюдателем как превращение нейтрона в протон.

    Кварки  не наблюдаются в свободном состоянии  и по современным представлениям принципиально не могут существовать сами по себе вне адронов. Всякая попытка  освободить кварк из «заключения» в  адроне неизбежно заканчивается  рождением пары кварк – антикварк с противоположным цветом (антикрасный, антизеленый и антисиний), образующие в совокупности мезон. Кварки соединяются тройками, образуя барионы (нейтрон, протон), или парами, образуя мезоны. Антикварки, соединясь тройками, соответственно, образуют антибарионы. Мезон состоит из кварка и антикварка. Суммарный цвет объединившихся кварков или антикварков, независимо от того, объединены три кварка (барионы), три антикварка (антибарионы) или кварк и антикварк (мезоны), должен быть белым или бесцветным. Белый цвет дает сумма красного, зеленого, синего или красного - антикрасного, синего - антисинего и т.п. Кварки объединяются между собой благодаря сильному взаимодействию. Взаимодействие между кварками в адроне осуществляется посредством обмена так называемыми глюонами – гипотетическими электрически нейтральными частицами с нулевой массой покоя. Основной вклад в массы протонов и нейтронов дают не кварки, из которых они состоят, а сильное взаимодействие между кварками, обусловленное глюонами. В этом смысле говорят, что глюоны переносят массу, хотя сами ею не владеют. Глюоны также имеют цвета, но в отличие от кварков их цвета смешанные, например красный - антисиний и т.п., т.е. глюон состоит из цвета и антицвета. Испускание или поглощение глюона меняет цвет кварка, но сохраняет аромат.

    Состояние кварков характеризуют рядом  квантовых чисел, получивших экзотические названия, одно из которых – цвет дало название всей науке, описывающей  взаимодействие кварков с глюонами, - квантовая хромодинамика. Гипотеза о существовании таковых базовых частиц, как кварков, решила очень важную задачку о упорядочивании всех узнаваемых к тому времени элементарных частиц. Кроме того, эта гипотеза позволила объяснить эмпирически установленную классификацию андронов.

    Заключние:

    Теория  кварков – это теория строения адронов.  Основная идея этой теории очень проста. Все адроны построены  из более мелких частиц, называемых кварками. Значит, кварки – это более элементарные частицы, чем адроны. Кварки являются гипотетическими частицами, т. к. не наблюдались в свободном расстоянии.

    В целом, можно сказать, что гипотеза кварков и всё, что из неё вытекает, 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. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    Литература:

1. Бутиков Е. И., Кондратьев А. С., Уздин В. М. Физика: Учебн. Пособие: В 3 кн. Кн.3. Строение и свойства вещества. – М. : Физматлит, 2000 – 336с.
2. Михайлова Л. А. : Учебник для вузов. Концепции современного естествознания – СПб.; Питер, 2009. – 335с.
3. Рузавин Р. И. : учебн. : Концепции современного естествознания. – м. ; Проспект, 2009. – 288с.
4. Концепции современного естествознания: 100 экзаменационных ответов /под общей редакцией С. И. Самыгина. – Изд. 6-е, испр. И доп. – Ростов н/Д: Феникс; Ростов н/Д: Издательский центр «Март», 2009. – 235с.