Классификация и характеристика элементарных частиц. Кварки

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.

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 (2J+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.

Адронами называются элементарные частицы, которые могут участвовать и реально участвуют в сильном взаимодействии. Все они подвержены также электромагнитному, слабому и гравитационному взаимодействиям. Класс адронов самый многочисленный: он насчитывает более 300 частиц (если считать и античастицы). Адроны, согласно современным воззрениям, являются составными частицами. Первым косвенным указанием на это может служить хотя бы то, что их очень много — несколько сотен. Далее, большинство адронов являются резонансами — крайне нестабильными частицами. Но, главное, у адронов была обнаружена внутренняя структура. Уже из результатов опытов по упругому рассеянию электронов на нуклонах, проведенных в 50—60-е годы, следовало, что радиусы протона и нейтрона отличны от нуля.

Адроны состоят из кварков. Кварки комбинируются таким образом, что их дробные заряды в сумме дают целый заряд адрона, т.е. адроны не имеют цветового заряда, хотя его имеют кварки. Все адроны, за исключением протона, — нестабильны, т.е. распадаются на другие частицы. Например, нейтрон распадается на протон, электрон и антинейтрино; K-мезон распадается на два пи-мезона, которые далее распадаются на мюон и нейтрино и т.д.