История открытия кварков

История открытия кварков. К середине шестидесятых годов число обнаруженных сильновзаимодействующих элементарных частиц - адронов перевалило за 100. Возникла уверенность, что наблюдаемые частицы не отражают предельный элементарный уровень материи. В 1964 году независимо друг от друга М. Гелл-Манн и Д. Цвейг предложили модель кварков - частиц, из которых могут состоять адроны.

Эксперименты по рассеянию электронов на нуклонах показали, что нейтрон и протон в отличие от электрона имеют сложную внутреннюю структуру.

Поэтому гипотеза о новых фундаментальных частицах, из которых можно строить адроны, казалась вполне правдоподобной. Однако для того чтобы объяснить наблюдаемые свойства адронов, кваркам пришлось приписать довольно необычайные свойства. Кварки должны были иметь дробный электрический заряд 23 или -13. u-кварк имеет электрический заряд 23, d- и s-кварки имеют электрические заряды 13. Барионы конструировались из трех кварков, мезоны конструировались из кварка и антикварка. Все обнаруженные до 1974 г. адроны можно было описать, составляя их из кварков всего лишь трех типов - u, d, s. Так, например, протон состоит из uud кварков, нейтрон состоит из udd кварков. -гиперон - из uds. K мезон состоит из. K- мезон - из кварков.

При этом трехкварковая модель адронов казалась достаточно замкнутой - практически каждой комбинации кварков соответствовала обнаруженная частица. 1974 год завершился для физиков сенсацией.

Одновременно две группы физиков объявили о наблюдении новой частицы. Теперь ее называют -мезоном. Масса обнаруженной частицы была 3,1 ГэВ. Причиной сенсации было необычайно большое время жизни -мезона. Оказалось, что ее время жизни почти в 1000 раз больше, чем у известных частиц такой массы. Дальнейшие исследования показали, что причиной такого долгожития является то, что в ее состав входит новый неизвестный ранее с-кварк, названный очарованным кварком. Было высказано предположение, что это мезон, состоящий из с-кварка и с-антикварка, т.е. это частица со скрытым очарованием.

Так же как с s-кварком связано квантовое число s - странность, с-кварк несет новое квантовое число c, названное charm или очарование. Очарованный кварк должен порождать новое семейство адронов, имеющих в своем составе с-кварк или -антикварк. Все эти частицы тяжелые, т.к. масса очарованного кварка больше массы странного кварка. Так кварков стало 4, но на этом открытие новых кварков не завершилось.

В 1977 году были открыты нейтральные мезоны с массами около 10 ГэВ. Они получили название ипсилон-мезонов. Так же как и -мезоны они наблюдались в реакции образования мюонных пар в протон-ядерных столкновениях и на электронно-позитронных коллайдерах и также как -мезоны они были долгоживущие ширина распада -мезона 53 кэВ. Это означало открытие пятого кварка b от bottom. В состав -мезона входят b-кварк и -антикварк и он обладает скрытой красотой.

После почти двадцатилетних поисков, в 1995 году был открыт шестой, самый тяжелый кварк - t-кварк. Таким образом, на этом этапе развития наших представлений о структуре материи на первый план выходят новые элементарные частицы - кварки. Все известные в настоящее время адроны могут быть сконструированы из этих шести кварков. Каждый кварк имеет еще одно квантовое число цвет, которое может принимать три значения красный, синий, зеленый.

Это чисто условные названия. Главное, что каждый кварк имеет еще одно дополнительное квантовое число, которое может принимать три значения. Сильное взаимодействие кварка не зависит от его цветового состояния, т.е. оно одинаково для всех трех цветов. Так появилась еще одна симметрия цветовая симметрия сильного взаимодействия. Передний край физики микромира сместился на новый уровень - в область физики кварков и лептонов. На современном уровне познания кварки и лептоны считаются фундаментальными частицами вещества.

Они имеют полуцелый спин и являются фермионами. 2. Основные положения составной модели адронов - модели кварков - Все сильновзаимодействующие частицы состоят из кварков кварки являются фермионами по современным представлениям они бесструктурны Кварки имеют внутренние квантовые числа электрический заряд Q, спин 12, четность P, барионное число B, изоспин I, проекцию изоспина I3, странность s, шарм c, bottomness b, topness t совокупность этих внутренних квантовых чисел, характеризующих определенный тип кварка, называется также ароматом кварка, цвет Квантовые числа кварков определяют характеристики адронов Барионы фермионы с барионным числом B 1 строятся из трех кварков Антибарионы фермионы с барионным числом B -1 строятся из трех антикварков Мезоны бозоны с барионным числом B 0 строятся из кварка и антикварка Число цветов кварков равно трем - красный, зеленый, синий Известные барионы и мезоны бесцветны Кварки в адронах связаны глюонами Кварки участвуют в электромагнитных взаимодействиях, излучая или поглощая -квант, при этом не изменяется ни цвет, ни тип аромат кварков см. рис. 1. Рис. 1. Вершина электромагнитного взаимодействия кварков - Кварки участвуют в слабых взаимодействиях, излучая или поглощая или Z-бозоны, при этом может изменяться тип аромат кварка, но цвет кварка при этом остается без изменения см. рис. 2. Рис. 2. Вершины слабого взаимодействия кварков - Кварки участвуют в сильных взаимодействиях, излучая или поглощая глюон g, при этом изменяется цвет кварка, а его тип аромат остается неизменным см. рис. 3. Рис. 3. Вершина сильного взаимодействия кварков - Каждому адрону приписывается определенная внутренняя четность. Внутреннюю четность адрона легко получить, воспользовавшись следующими правилами Правило 1. Четность кварка равна 1 и не зависит от типа кварка.

Правило 2. Четность антикварка равна -1 и не зависит от типа кварка.

Правило 3. Внутренняя четность адрона равна произведению четностей входящих в его состав кварков, умноженному на, где L-орбитальные моменты кварков в составе адрона, т.е. совершенно аналогично тому, как получается четность состояний в модели оболочек для системы нуклонов.

Кварковая модель позволяет качественно описать структуру адронов, получить их квантовые числа.

Особое место занимают мезоны для которых кварковая модель позволяет количественно рассчитать спектры масс. Это семейства мезонов, состоящие из тяжелых кварков - чармоний и боттомоний. Спектры их подобны спектрам водородоподобных атомов. Изучение подобных систем кваркония позволяет получить важную информацию о природе сильного взаимодействия.

На рис. 4 показана система уровней чармония и переходы между ними. Характерный масштаб возбуждения составляет сотни МэВ, что существенно меньше массы с-кварка. Следовательно, можно воспользоваться тем, что движение нерелятивистское и для описания кваркония использовать уравнение Шредингера. В таком подходе кварконий можно рассматривать как систему двух кварков, движущихся в потенциале Vr. Состояния кваркония и волновые функции определяются как решения станционарного уравнения Шредингера.

Рис. 4. Система уровней чармония и переходы между состояниями Для описания спектроскопии кваркония удалось найти простой потенциал Vr. На малых расстояниях r 10-13 см потенциал, аналогично кулоновскому имеет вид Vr 1r. Поскольку кварки не наблюдаются в свободном состоянии, потенциал должен их эффективно запирать на расстояниях масштаба радиуса адрона 10-13 см, т.е. на больших расстояниях потенциал должен расти Vr r. Потенциал имеет вид, где константы.

Константы удалось подобрать так, что потенциал одновременно хорошо описывает спектры масс как, так и. Частицы, которые связывают между собой кварки в адроны, были названы глюонами. Глюоны являются квантами сильного поля. Глюоны являются бозонами и имеют спин 1. Однако в отличие от фотонов, для того чтобы быть переносчиками цветового взаимодействия они должны обладать цветом и антицветом.

Число различных типов глюонов 8, так как одна цветовая комбинация является бесцветной, т.е. не имеет цветового заряда. По аналогии с квантовой электродинамикой теория взаимодействия цветных объектов была названа квантовой хромодинамикой. Взаимодействие между кварками путем обмена глюонами является истинно сильным взаимодействием. В отличие от фотонов, которые электрически нейтральны, глюоны имеют цветовой заряд, поэтому должны сами испускать и поглощать глюоны. Это приводит к принципиально новому поведению системы кварков и глюонов.

При увеличении расстояния между кварками и глюонами их энергия взаимодействия возрастает. В результате не наблюдается свободных кварков и глюонов они заперты внутри бесцветных адронов конфайнмент. Ядерное взаимодействие между нуклонами является производным от истинно сильного взаимодействия, по аналогии с силами Ван-дер-Ваальса, связывающими атомы в молекулы и являющимися производными от истинно электромагнитных взаимодействий, действующих между заряженными частицами. 3.