Представленные на рис.1 фундаментальные фермионы, обладающие спином ½, представляют собой «первокирпичики» вещества. Они представлены лептонами (электронами e, нейтрино и др.) – частицами не участвующими в сильных ядерных взаимодействиях, и кварками, которые участвуют в сильных взаимодействиях. Из кварков состоят ядерные частицы – адроны (протоны, нейтроны и мезоны). Каждая из этих частиц имеет свою античастицу, которая должна быть помещена в ту же клетку. Обозначение античастицы отличается знаком «тильда» (~).
Из шести разновидностей кварков или шести ароматов электрическим зарядом 2/3 (в единицах элементарного заряда e) обладают верхний (u), очарованный (c) и истинный (t) кварки, а зарядом –1/3 – нижний (d), странный (s) и красивый (b) кварки. Антикварки с теми же ароматами будут обладать электрическими зарядами –2/3 и 1/3, соответственно.
Фундаментальные частицы | |||||||||||||||||||
Фундаментальные фермионы (полуцелый спин) | Фундаментальные бозоны (целый спин) | ||||||||||||||||||
Лептоны | Кварки | ||||||||||||||||||
n e | nm | nt | u | c | t | 2/3 | Сильное | Эл.-магнитное | Слабое | Гравитационное | |||||||||
e | m | t | –1 | d | s | b | –1/3 | 8 g J = 1 m = 0 | g J = 1 m = 0 | W ± ,Z 0 J = 1 m @100 | G J = 2 m = 0 | ||||||||
I | II | III | I | II | III | ||||||||||||||
Электрослабое взаимодействие | |||||||||||||||||||
Великое объединение | |||||||||||||||||||
Суперобъединение | |||||||||||||||||||
Рис. 1
|
|
В квантовой хромодинамике (теории сильного взаимодействия), кваркам и антикваркам приписываются заряды сильного взаимодействия трех типов: красный R (антикрасный ); зеленый G (антизеленый ); синий B (антисиний ). Цветовое (сильное) взаимодействие связывает кварки в адронах. Последние делятся на барионы, состоящие из трех кварков, и мезоны, состоящие из двух кварков. Например, протоны и нейтроны, относящиеся к барионам, имеют следующий кварковый состав:
p = (uud) и , n = (ddu) и .
Для примера приведем состав триплета пи-мезонов:
|
|
, ,
Легко видеть из этих формул, что заряд протона равен +1, а у антипротона он равен –1. Нейтрон и антинейтрон имеют нулевой заряд. Спины кварков в этих частицах складываются так, что суммарные их спины равны ½. Возможны и такие комбинации из этих же кварков, у которых суммарные спины равны 3/2. Такие элементарные частицы (D++, D+, D0, D–) обнаружены и относятся к резонансам, т.е. короткоживущим адронам.
Известный процесс радиоактивного b-распада, который представлен схемой
n ® p + e + ,
с точки зрения теории кварков выглядит как
(udd) ® (uud) + e + или d ® u + e + .
Несмотря на многократные попытки обнаружить в опытах свободные кварки не удалось. Это говорит о том, что кварки, по всей видимости, проявляются только в составе более сложных частиц (пленение кварков). Полного объяснения этого явления на сегодняшний день не дано.
Из рис.1 видно, что между лептонами и кварками существует симметрия, называемая кварк-лептонной симметрией. Частицы верхней строчки имеют заряд на единицу больше чем частицы нижней строчки. Частицы первого столбца относятся к первому поколению, второго – ко второму поколению, а третьего столбца – к третьему поколению. Собственно кварки c, b и t были предсказаны на основе этой симметрии. Окружающая нас материя состоит из частиц первого поколения. Какова роль частиц второго и третьего поколений? Окончательного ответа на этот вопрос пока нет.