Gourt Home::Gourt :: Кварк
| название | заряд | масса | |
| Первое поколение | |||
|---|---|---|---|
| d | нижний (down) | −1/3 | ~ 4 МэВ |
| u | верхний (up) | +2/3 | ~ 6 МэВ | Второе поколение |
| s | странный (strange) | −1/3 | 150 МэВ |
| c | очарованный (charm) | +2/3 | 1.5 ГэВ | Третье поколение |
| b | прелестный (beauty, bottom) | −1/3 | 4.5 ГэВ |
| t | истинный (true, top) | +2/3 | 175 ГэВ |
Гипотеза о том, что адроны построены из специфических субъединиц, была впервые выдвинута М. Гелл-Маном (M. Gell-Mann) и, независимо от него, Дж. Цвейгом (G. Zweig) в 1964 году. Само слово «кварк» было заимствовано М. Гелл-Маном из романа Дж. Джойса «Поминки по Финнегану», где в одном из эпизодов звучит фраза «Три кварка для мистера Марка!» Дж. Цвейг же называл их тузами, но данное название не прижилось и забылось.
Свойства кварков
В силу неизвестных пока причин, кварки естественным образом группируются в три поколения (они так и представлены в таблице). В каждом поколении один кварк обладает зарядом +2/3, а другой — −1/3. Подразделение на поколения распространяется также и на лептоны.
Кварки участвуют в сильных, слабых и электромагнитных взаимодействиях. Сильные взаимодействия (обмен глюоном) могут изменять цвет кварка, но не меняют его аромат. Слабые взаимодействия, наоборот, не меняют цвет, но могут менять аромат. Необычные свойства сильного взаимодействия приводят к тому, что одиночный кварк не может удалиться на какое-либо заметное расстояние от других кварков, а значит, не могут наблюдаться в свободном виде (явление, получившее название конфайнмент). Разлететься могут лишь бесцветные комбинации кварков — адроны.
Реальность кварков
Из-за непривычного свойства сильного взаимодействия — из-за конфайнмента — часто неспециалистами задаётся вопрос: а откуда мы уверены, что кварки существуют, если их никто никогда не увидит в свободном виде? Может, они — лишь математическая абстракция, и протон вовсе не состоит из них?
Логика в том, чтоб называть кварки реально существующими объектами, такова.
- Во-первых, в 1960-х годах стало ясно, что все многочисленные адроны подчиняются более-менее простой классификации: сами собой объединяются в мультиплеты и супермультиплеты. Иными словами, при описании всех этих мультиплетов требуется очень небольшое число свободных параметров. То есть, все адроны обладают небольшим числом степеней свободы: все барионы с одинаковым спином обладают тремя степенями свободы, а все мезоны — двумя. Первоначально гипотеза кварков как раз и заключалась в этом наблюдении, и слово «кварк», по сути, было краткой формой фразы «суб-адронная степень свободы».
- Далее, при учете спина оказалось, что каждой такой степени свободы можно приписать спин 1/2 и, кроме того, каждой паре кварков можно приписать орбитальный момент — словно они и есть частицы, которые могут вращаться друг относительно друга. Из этого предположения возникло стройное объяснение и всему разнообразию спинов адронов, а также их магнитных моментов.
- Далее, с открытием новых частиц выяснилось, что никаких модификаций теории не требуется: каждый новый адрон удачно вписывался в кварковую конструкцию без каких-либо её перестроек.
- Как проверить, что заряд у кварков действительно дробный? Кварковая модель предсказывала, что при аннигиляции высокоэнергетических электрона и позитрона будут рождаться не сами адроны, а сначала пары кварк-антикварк, которые потом уже превращаются в адроны. Результат расчёта течения такого процесса напрямую зависел от того, каков заряд рождённых кварков. Эксперимент полностью подтвердил эти предсказания.
- С наступлением эры ускорителей высокой энергии стало возможным изучать распределение импульса внутри, например, протона. Выяснилось, что импульс в протоне не распределён равномерно по нему, а частями сосредоточен в отдельных степенях свободы. Эти степени свободы назвали «партонами», от английского слова part — «часть». Более того, оказалось, что партоны, в первом приближении, обладают спином 1/2 и теми же зарядами, что и кварки. С ростом энергии оказалось, что количество партонов растёт, но такой результат и ожидался в кварковой модели при сверхвысоких энергиях.
- С повышением энергии ускорителей стало возможным также попытаться выбить отдельный кварк из адрона в высокоэнергетическом столкновении. Кварковая теория давала чёткие предсказания, как должны были выглядеть результаты таких столкновений — в виде струй. Такие струи действительно наблюдались в эксперименте. Заметим, что если бы протон ни из чего не состоял, то струй бы заведомо не было.
В целом, можно сказать так: гипотеза кварков и всё, что из неё вытекает (в частности, КХД), является наиболее консервативной гипотезой относительно строения адронов, которая способна объяснить имеющиеся экспериментальные данные. Попытки обойтись без кварков тут же наталкиваются на трудности с описанием всех тех многочисленных экспериментов, которые очень естественно описывались в кварковой модели. Какой-либо жизнеспособной альтернативы кварковой модели строения вещества на сегодняшний день не известно.
Открытые вопросы
Самые естественные вопросы касательно кварков:
- почему ровно три цвета?
- почему ровно три поколения кварков?
- случайно ли совпадение числа цветов и числа поколений?
- случайно ли совпадение этого числа с размерностью пространства в нашем мире?
- откуда берётся такой разброс в массах кварков?
- из чего состоят кварки?
Ни на один из этих вопросов ответа пока нет.
Впрочем, история с адронами и кварками, а также симметрия между кварками и лептонами, наводит на подозрение, что кварки могут сами состоять из чего-то более простого. Рабочее название для гипотетических частиц-составляющих кварков — преоны. С точки зрения эксперимента, до сих пор никаких подозрений на неточечную структуру кварков не возникало. Однако попытки построить такие теории делаются независимо от эксперимента. К сожалению, серьёзного успеха в этом направлении пока нет.
Другой подход состоит в построении теории Великого Объединения. Польза от такой теории была бы не только в объединении сильного и электрослабого взаимодействий, но и в едином описании лептонов и кварков. Несмотря на активные исследования, построить такую теорию пока не удалось.
Ссылки
Всю известную на сейчас экспериментальную информацию о кварках можно найти на сайте Particle Data Group, на странице, посвящённой кваркам.
Элементарные частицы | Фермионы
كوارك | Кварк | Quark | Kvark | Kvark (fysik) | Quark (Physik) | Κουάρκ | Quark | Kvarkoj | Quark | کوارک | Kvarkki | Quark | Cuarc | קווארק | Kvark | Quark (particella) | クォーク | 쿼크 | Kvarkas | Quark | Kvark | Kvark | Kwark | Quark | Quark | Quark | Kvark | Kvark | Кварк | Kvark | Кварк | Quark | 夸克
"Кварк"