Элементы физики - 9.8.Кварковая гипотеза

Чтобы объяснить существование унитарных мультиплетов, число частиц в них и их свойства, Гелл-Манн и независимо от него Цвейг в 1964 году выдвинули гипотезу, что все адроны построены из трёх истинно элементарных частиц, названных кварками. Кварки обладают спином 1/2, барионным зарядом 1/3 и электрическими зарядами, кратными 1/3e, где: e - элементарный электрический заряд. В связи с такой экзотичностью свойств и с тем, что их три, кварки и получили своё название. Словосочетание «три кварка» встречается в романе Дж.Джойса «Поминки по Финнегану» как таинственный крик чаек, который слышится герою романа во время кошмарного бреда. Основные свойства кварков указаны в таблице 9.8.1.

Кварк	Элементарный заряд Q	Барионный заряд В	Спин	Изотопический спин Т	Странность S
u					0
d					0
s				0	-1
					0
					0
				0	+1

Нетрудно видеть, что, если кваркам приписать свойства в соответствии с таблицей 9.8.1, то достаточно всего трёх кварков и трёх антикварков, чтобы из них, как из деталей «Конструктора», построить любой из указанных выше адронов, причём можно показать, что адроны, «слепленные» из кварков, будут группироваться в те самые супермультиплеты, которые были известны (они рассмотрены нами) в то время. Буквы u, d и s в таблице 9.8.1 – сокращения от общепринятых названий кварков: up – верхний, down – нижний и strange – странный. Позднее в кварковую модель ввели четвёртый, пятый и шестой кварки. Предполагается, что существует ещё один, шестой кварк.

Мезоны образуются из пары кварк-антикварк, а барионы из трёх кварков. В таблице 9.8.2 приведены некоторые из этих образований.

Частица

Состав

Взаимная ориентация спинов кварков

Взаимная ориентация изотопических спинов кварков

Разумность кварковой гипотезы в случае барионного октета (рис. 9.7.1в) очень убедительно иллюстрируется тем, что эта гипотеза объясняет с 2,5%-ной погрешностью экспериментальное значение отношения магнитных моментов нейтрона и протона:

Итак, если сравнить кварки с деталями детского «Конструктора», то следует признать, что эти детали сделаны очень рационально: всего из шести деталей легко складываются все 36 частиц-членов четырёх унитарных мультиплетов. Более того, до 1974 года казалось, что из них можно составить любой из существующих в природе адронов. Однако эта точка зрения не подтвердилась.

В конце 1974 года одновременно в двух лабораториях была открыта новая J/ψ -частица, свойства которой оказались таковы, что их не удалось объяснить в рамках трёхкварковой модели. Для интерпретации этих свойств потребовалось ввести четвёртый кварк – с-кварк, названный очарованным (от слова charm – очарование). с-Кварк имеет

где с – новое квантовое число, названное очарованием.

J/ψ-частица является комбинацией типа

, или, как говорят частицей со скрытым очарованием. с-Кварк оказался вполне равноправной частицей по отношению к остальным трём кваркам.

В 1977 году была открыта ещё одна частица, названная ипсилон-мезоном (Y), свойства которой не укладывались в четырёхкварковую модель. Y-мезон интерпретируется как комбинация вида

, где: b - пятый кварк, названный прелестным (от слова beanty – прелесть). b-кварк имеет следующие свойства:

Наконец, в 1994 году был обнаружен самый тяжёлый t-кварк. Его масса по данным на 1999 год 176±ГэВ. Он имеет следующие свойства:

На основании кварковой гипотезы удаётся объяснить основные закономерности физики адронов: их распределение по унитарным мультиплетам, соотношения между сечениями реакций при высоких энергиях, электромагнитные характеристики адронов, свойства их слабого взаимодействия, масштабную инвариантность, образование частиц с большими поперечными импульсами, адронные струи и ряд других явлений. Однако многочисленные поиски свободных кварков, проводившиеся на ускорителях высокой энергии, в космических лучах и в окружающей среде, оказались пока безуспешными.

Из того, что кварки не найдены, строго говоря, рано делать вывод об их отсутствии, тем более, что результаты проделанных опытов не отрицают существование кварков массой m > 15 mp. В то же время нельзя забывать и о том, что не все гипотезы оказываются верными. В принципе и кварковая модель, несмотря на всё её правдоподобие, может оказаться неверной. Вполне возможно, что симметрия элементарных частиц может столь же логично объясняться каким-то другим неизвестным пока способом.

Наконец, ещё одна возможность, в которую в настоящее время верит большинство физиков, заключается в следующем: кварки существуют, но только в связанном состоянии внутри адронов. Вылететь из адронов и существовать в свободном виде кварки не могут. Рассмотрим эту возможность.

Квантовая хромодинамика. Пленение (confinement) кварков внутри адронов является, пожалуй, главной трудностью кварковой модели. Другая трудность этой модели связана с тем, что она допускает барионные комбинации из трёх тождественных кварков, находящихся в одинаковом состоянии. Например, Ω--гиперон состоит из трёх S-кварков. А это запрещено принципом Паули, согласно которому два (а тем более три) фермиона с одинаковыми квантовыми числами не могут находиться в одном и том же состоянии. Обе эти трудности удалось преодолеть введением ещё одной характеристики кварков, которая условно называется цветом.

Каждый кварк независимо от его типа (u, d, s, c, b, t), который называется ароматом (flavour), имеет три цветовые разновидности, соответствующие трём «основным цветам»: «красному», «синему» и «зелёному».

В состав любого бариона входят обязательно «разноцветные» кварки, так что Ω--гиперон, например, является «бесцветной» («белой») комбинацией вида

, которая не противоречит принципу Паули. Соответственно каждый мезон представляет собой комбинацию кварков и антикварков с «дополнительными» цветами (например, «красный» и «антикрасный» и т.п.), которые также в сумме дают «белый цвет».

Кроме этой функции нового квантового числа цвет играет очень важную роль нового заряда. Согласно современной теории сильных взаимодействий – квантовой хромодинамике, взаимодействие между кварками осуществляется при помощи восьми цветных глюонов (от слова glue – клей), которые являются квантами, т.е. переносчиками сильного взаимодействия между кварками любых ароматов и цветов.

Наличие цветового заряда у глюонов резко отличает их от квантов электромагнитного взаимодействия – фотонов, которые не имеют заряда. В отличие от фотона глюон может испускать новые глюоны, что приводит к росту эффективного заряда кварка с увеличением расстояния и, следовательно, к возрастанию энергии взаимодействия между кварками. В результате кварки не могут освободиться друг от друга (периферическая тюрьма, пленение) и встречаются в природе только в связанном состоянии – в форме «белых», «бесцветных» адронов. Наоборот, на очень малых расстояниях кварки взаимодействуют относительно слабо, и их можно рассматривать как практически свободные частицы (центральная, асимптотическая свобода). Это обстоятельство позволило получить ряд количественных соотношений, подтверждённых экспериментами.