Кварковая теория адронов

В зависимости от типа взаимодействий, все элементарные частицы можно разделить на две группы: адроны (сильные, тяжелые, сложные частицы) и лептоны (легкие частицы). У адронов происходят все четыре типа взаимодействий: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное, а у лептонов происходят все типы взаимодействий, кроме сильного типа. В отличие от известных лептонов (всего 12 видов), существует несколько сотен видов адронов. Адроны сложные частицы, они построены из более мелких частиц. Адроны встречаются в двух разновидностях – электрически заряженных и нейтральных. Среди адронов наиболее известны и широко распространены нейтрон и протон. Остальные адроны являются мимолетными и распадаются, либо менее чем в миллионную долю (10^-9) секунды, за счет слабого взаимодействия, либо гораздо быстрее (за время порядка 10^-23с) – за счет сильного взаимодействия. Начиная с 50-х годов, физики начали классифицировать ЭЧ по трем важным характеристикам: массе, заряду и спину. Решающий шаг в раскрытии тайны адронов был сделан в 1963 г., когда Мари Гелл-Манн и Джордж Цвейг из калифорнийского технологического института предложили теорию кварков.

Согласно этой теории все адроны построены из более мелких частиц, так называемых кварков. Кварки могут соединяться друг с другом одним из двух способов: либо тройками, либо парами - кварк и антикварк. Из трех кварков состоят тяжелые частицы – барионы. Нейтроны и протоны относятся к барионам. Из кварка и антикварка образуются частицы, получившие название мезоны – «промежуточные частицы». Мезоны занимают по массе промежуточное положение между электронами и протонами. Все известные тогда (1963) адроны можно было построить, при помощи трех типов кварков («ароматов»): 1) u (от up - верхний), 2) d (от down - нижний) и 3) s (от stange - странный). Напр., протон состоит из двух u- и одного d-кварков (uud), а нейтрон из двух d-кварков и одного u-кварка (ddu).

Кварки несут дробный электрический заряд. Они обладают зарядом величиной ±е/3 и 2е/3, где е =1,6ּ10^-19Кл – заряд электрона. Комбинация из двух или трех кварков должна иметь суммарный заряд, равный нулю или единице. Все кварки имеют спин s_k = ± (1/2)ћ, поэтому они относятся к фермионам. Массы кварков не установлены, энергия связи их в адроне сравнима с массами самих кварков. Однако установлено следующее неравенство: m_d ≤ m_u < m_s. При слабом взаимодействии кварков, изменяется их аромат. При распаде нейтрона один из d-кварков превращается в u-кварк, а избыток заряда уносит рождающийся электрон: n→р+е^-+ .

«Странные» частицы получили такое название потому, что они рождаются при сильном взаимодействии, а распадаются при слабом. Они не могут распадаться за счет сильного взаимодействия, т.к. сильное взаимодействие не может изменять аромат кварков – на это способно только слабое взаимодействие. Это странное поведение стало причиной их названия.

Авторам теории кварков удалось из различных комбинаций кварков u, d и s получить все известные в те времена адроны:

Барионы	Мезоны

№ пп	Комби-нация кварков	Название частиц	Обозначение	№ пп	Комби- нация кварв	Назва-ние частиц	Обоз-наче-ние

	uud	Протон	p		ud	Пион плюс	⁺
	udd	Нейтрон	n		d	Пион минус	^-
	{du}s*	Сигма ноль	ε⁰		d	Каон ноль	К⁰
	dds	Сигма минус	ε^-		u	Каон плюс	К⁺
	uus	Сигма плюс	ε⁺		s	Каон минус	К^-
	uss	Кси ноль	Θ⁰		sd	Антика.ноль
	dss	Кси минус	Θ^-	* - { } – кварк
	[ud]s**	Лямбда		**- [ ] - антикварк

Трем ароматам кварков u, d и s соответствуют заряды +2е/3, -е/3 и +е/3. Заряд кварков назван «цветом». В 1969 году теорию кварков экспериментально подтвердили американские ученые. Для этого ученые использовали трехкилометровый ускоритель электронов. Электрон, разогнанный до энергии 2ּ10¹⁰эВ, направили к протону. Опыты показали, что некоторые электроны отскакивают от них под самыми невероятными углами. Следовательно, заряд в протоне не распределен равномерно, а сосредоточен в крохотных твердых вкраплениях, т.е. в кварках. Это был триумф теории кварков.

В 1974 г., с интервалом, несколько дней, две группы американских физиков независимо друг от друга объявили об открытии нового адрона, который получил название пси () частицы. Всевозможные комбинации из u, d и s кварков и их антикварков были уже «израсходованы».

Проблему удалось решить при помощи существования четвертого аромата, т.е. кварка. Его назвали «очарованный» (charm) кварк, т.е. с-кварк. Выяснили, что частица - это мезон, который состоит из «очарованного» кварка и «очарованного» антикварка. Затем удалось обнаружить, что все «очарованные» частицы очень тяжелые. Следовательно, «очарованный» кварк оказался значительно тяжелее странного кварка.

В 1977 году ученые обнаружили новую частицу, отличающуюся от всех предыдущих. Ее назвали ипсилон-мезон, который можно построить при помощи пятого кварка, «красивого» (beauty – красота или прелесть). Ипсилон-мезон состоит из b-кварка и -антикварка, т.е. . «Красивый» кварк (b-кварк) оказался тяжелее, чем другие кварки.

Большинство физиков считают кварки подлинно ЭЧ – точечными, неделимыми и не обладающими внутренней структурой. В этом отношение они напоминают лептоны. По всей вероятности между лептонами и кварками существует глубокая взаимосвязь. Эта мысль исходит из сравнения свойств лептонов и кварков (см. табл.):

	Лептоны	е^-	ν_е		ν_μ		ν_τ
	Кварки	u	d	c	s	t	b

Лептоны можно сгруппировать попарно, поставить каждому заряженному лептону соответствующее нейтрино. Кварки также можно сгруппировать по парам: u-d, c-s, t-b. Для полной аналогии необходимо обнаружить лептонное нейтрино (ν_τ) и шестой аромат кварков, получивший название истинного (truth) кварка, т.е. t-кварк. Получено сообщение (1994 г.) о том, что обнаружена частица, которую можно построить, при помощи t -кварка.

Вопросы для самоконтроля

1. На какие две группы делятся все элементарные частицы, в зависимости от типа взаимодействия?

2. Чем отличаются адроны от лептонов?

3. Какие частицы среди адронов наиболее известны и широко распространены?

4. Начиная, с каких годов, физики начали классифицировать элементарные частицы?

5. В каком году, Мари Гелл-Манн и Джордж Цвейг создали теорию кварков?

6. Какие частицы образуются, когда кварки соединяются тройками?

7. Какие частицы образуются, когда кварки соединяются парами?

8. Как иначе называют типы кварков?

9. Какие типы кварков, т.е. «ароматы» установила наука?

10. Из каких видов кварков состоит протон?

11. Из каких видов кварков состоит нейтрон?