СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ ...............................................................................................................3
В МИРЕ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ .................................................................3
ГИПОТЕЗА О СУЩЕСТВОВАНИИ КВАРКОВ ..................................................4
Супермультиплеты ..................................................................................4
Свойства ...................................................................................................4
Три кошмарные частицы ........................................................................5
Парк, нарк, ларк .......................................................................................5
НОВЫЕ КВАРКИ .....................................................................................................6
с-Кварк (очарованный) ..........................................................................6
b-Кварк (прелестный) ............................................................................6
t-Кварк (правдивый) ..............................................................................6
ПОИСКИ КВАРКОВ ...............................................................................................6
Природные и «самодельные» кварки ...................................................7
Минимальная энергия, необходимая для рождения кварка ...............7
Камера Вильсона ....................................................................................8
Концентрация кварков в водных бассейнах Земли .............................8
Где еще ищут кварки? ............................................................................8
Во что верит большинство физиков?.....................................................9
ПЛЕНЕНИЕ КВАРКОВ ВНУТРИ АДРОНОВ ......................................................9
Цвет и аромат кварков ............................................................................9
Квантовая хромодинамика .....................................................................9
ЗАКЛЮЧЕНИЕ .........................................................................................................10
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ .................................................11
К В А Р К И
Введение понятия «элементарные частицы» в физике связано с идеей отыскания таких неделимых далее частиц, из которых состоит вся материя. Неделимость вначале приписывалась атомам, потом – ядру, затем – нуклонам.
Впервые об элементарных частицах как о составных частях любого атома стали говорить в конце XIX – начале XX столетия. Именно в это время было показано, что атомы могут преобразовываться друг в друга при радиоактивных превращениях. В эти же годы были открыты катодное и рентгеновское излучения, испускание которых различными атомами свидетельствовало о сходном строении всех атомов.
Следующими этапами в познании строения атома было открытие тяжелой заряженной сердцевины атома – атомного ядра (1911 г.) и его составных частей: протона (1919 г.) и нейтрона (1932 г.).
Элементарными частицами современная физика условно называет большую группу мельчайших микрочастиц, не являющихся атомами или атомными ядрами (за исключением протона, который является ядром атома водорода). В настоящее время истинно элементарными, т.е. такими, которые нельзя составить ни из каких других известных нам ныне частиц, являются электрон, позитрон, все виды нейтрино, фотоны и кварки.
В последние годы очень большого успеха достигла классификация сильновзаимодействующих частиц – адронов – на основе кварковой модели. Согласно этой модели (которая была предложена еще в 60-е годы) любой адрон состоит из двух-трех истинно элементарных частиц – кварков – с весьма необычными свойствами. Предполагается, что существует шесть типов (ароматов) кварков (и столько же антикварков), взаимодействие между которыми осуществляется глюонами. Кварки и глюоны имеют специфический заряд, который называется цветом. Каждый тип кварка имеет по три цветовых разновидности, глюоны – восемь.
В настоящее время открыто и исследовано так много элементарных частиц, что для их обозначения уже использованы все свободные буквы греческого алфавита и много букв латинского алфавита. Причем это не означает, что частиц известно столько же, сколько использованных букв. Гораздо больше! Кроме простых букв для обозначения частиц используются буквы со штрихами, со звездочками и с цифрами.
Число открытых элементарных частиц, согласно подсчетам одного физика, удваивается каждые 11 лет и (если так пойдет дальше) через некоторое время превзойдет число физиков! Во всяком случае, в настоящее время число элементарных частиц (включая нестабильные частицы – резонансы) вместе с античастицами в несколько раз превышает число элементов периодической системы Менделеева.
На протяжении последних десятилетий было предпринято несколько попыток навести порядок в мире элементарных частиц. И, пожалуй, самая удачная попытка заключается в гипотезе о существовании нескольких фундаментальных частиц, названных кварками, из которых можно составить («слепить») любую сильновзаимодействующую (а таких подавляющее большинство) частицу, причем такие «составные» частицы будут обладать всеми основными свойствами реальных частиц. Столь необычное название «кварки» заимствовано из книги Джеймса Джойса «Поминки по Финнигану», где встречается словосочетание «три кварка» как таинственный крик чаек, который слышится герою романа в кошмарном бреду.
Кварки были придуманы в 1964 г. американскими физиками Гелл-Маном и независимо Цвейгом для объяснения существующей в природе симметрии в свойствах сильновзаимодействующих частиц – адронов.
Супермультиплеты
Оказывается, если известные адроны рассортировать по значениям их спина и внутренней четности, то образуется несколько больших групп адронов (в среднем по десятку частиц в одной группе), внутри которых наблюдаются интересные закономерности. Такие группы называют супермультиплетами или унитарными мультиплетами.
В это время можно было вполне четко выделить четыре большие группы частиц.
Мезонные адроны с нулевым спином и отрицательной четностью образуют группу из девяти частиц (нонет). Электрический заряд, странность и масса членов этой девятки закономерно изменяются от частицы к частице. Аналогичную девятку образуют также мезонные адроны со спином, равным единице, и отрицательной четностью. Барионы со спином ½ и положительной четностью образуют сходный октет. Наконец, барионные адроны с оспином 3/2 и положительной четностью составляют десятку – декуплет.
По свойствам девяти известных частиц Гелл-Ман в 1962 г. однозначно предсказал все известные характеристики десятой частицы. Набор параметров для этой частицы: масса, электрический заряд, барионный заряд, странность, изотопический спин, четность, схема рождения, схема распада, время жизни. Этот перечень настолько хорошо характеризует свойства предсказанной частицы, что появилась возможность организовать по-настоящему научный ее поиск. В начале 1964 г. гиперон с предсказанными свойствами был найден. Это, вероятно, самый маленький интервал времени между моментами предсказания и обнаружения «настоящей» (долгоживущей) элементарной частицы.
Закономерности можно проследить также и в других супермультиплетах. Для объяснения закономерностей было предложено несколько различных теорий. Общим для всех этих теорий является предположение о существовании двух разновидностей сильного взаимодействия: очень сильного и умеренно сильного, которые вместе с электромагнитным определяют основные свойства адронов. Очень сильное взаимодействие одинаково для всех членов унитарного мультиплета и определяет главную часть их энергии взаимодействия (а значит, и массы). Умеренно сильное взаимодействие зависит от странности и потому различно для членов разных изотопических мультиплетов, т.е. для частиц, стоящих в разных строках.
Наиболее естественно существование унитарных мультиплетов можно было объяснить, введя в рассмотрение три гипотетические частицы – кварки – с довольно экзотическими свойствами, а именно с дробными барионным и электрическим зарядами. В связи с такой экзотичностью свойств и с тем, что их три, кварки и получили свое необычное название. Словосочетание «три кварка» встречается в романе Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану» как таинственный крик чаек, который слышится герою романа во время кошмарного бреда.
Если кваркам приписывать некоторые известные свойства, то достаточно всего трех кварков и трех антикварков, чтобы из них, как из деталей конструктора, построить любой из перечисленных выше адронов, причем можно показать, что адроны. «слепленные» из кварков, будут группироваться в те самые супермультиплеты, которые были известны в то время.
В более ранней и довольно успешной теории Сакаты в качестве трех основных фундаментальных частиц для построения адронов использовались протон (p), нейтрон (n) и лямбда-частица (^). Поэтому те же самые символы используют и в современной теории для обозначения трех кварков. Назовем эти кварки парком (p), нарком (n) и ларком (^). Кварки не надо путать с адронами, которые обозначаются теми же самыми символами.
Название кварка Символ Q S Y Iz B o
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Парк p +2/3 0 1/3 1/2 1/3 1/2
Нарк n - 1/3 0 1/3 -1/2 1/3 1/2
Ларк ^ - 1/3 - 1 - 2/3 0 1/3 1/2
Q – электрический заряд в единицах заряда электрона;
S – квантовое число странности;
Y – квантовое число гиперзаряда (Y=B+S);
Iz – квантовое число z-компоненты изоспина;
B – барионное число;
о – внутренний момент импульса (спин).
Для всех кварков барионное число B и спин o одинаковы.
Позднее в кварковую модель ввели четвертый и пятый кварки.
Предполагается, что существует еще один, шестой кварк.
Сама тройка кварков (а также тройка антикварков) тоже образует супермультиплет – унитарный триплет.
с-Кварк (очарованный)
В конце 1974 г. одновременно в двух лабораториях была открыта новая частица, свойства которой оказались таковы, что их не удалось объяснить в рамках трехкварковой модели. Для интерпретации этих свойств потребовалось ввести четвертый кварк – с-кварк, названный очарованным ( от слова charm – очарование).