Кварк

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Шаблон:Информация о частице Кварк — бесструктурная элементарная частица и фундаментальная составляющая материи. Кварки объединяются в составные частицы, называемые адронами, наиболее стабильными из которых являются протоны и нейтроны, компоненты атомных ядер<ref>Шаблон:Cite encyclopedia Шаблон:Cite web</ref>. Всё обычно наблюдаемое вещество состоит из верхних кварков, нижних кварков и электронов. Из-за явления, известного как удержание цвета, кварки никогда не встречаются изолированно; их можно найти только в составе адронов, которые включают барионы (такие как протоны и нейтроны) и мезоны, или в кварк-глюонной плазме<ref name="HyperphysicsConfinment">Шаблон:Cite web</ref><ref name="HyperphysicsBagModel">Шаблон:Cite web</ref><ref group="nb">Имеется также теоретическая возможность существования более экзотических фаз кварковой материи.</ref>. По этой причине много информации о кварках было получено из наблюдений за адронамиШаблон:Переход.

Кварки обладают различными Шаблон:Iw свойствами, включая электрический зарядШаблон:Переход, массуШаблон:Переход, цветовой заряд и спинШаблон:Переход. Это единственные элементарные частицы в Стандартной модели физики элементарных частиц, которые участвуют во всех четырёх фундаментальных взаимодействиях (электромагнитном, гравитационном, сильномШаблон:Переход и слабом)Шаблон:Переход, а также единственные известные частицы, электрические заряды которых — не целые числа, кратные элементарному зарядуШаблон:Переход.

Существует шесть типов кварков, известных как ароматы: нижний, верхний, странный, очарованный, прелестный, истинный<ref name=FE /><ref name="HyperphysicsQuark">Шаблон:Cite web</ref>. У верхних и нижних кварков самые малые массы среди всех кварков. Более тяжёлые кварки быстро превращаются в верхние и нижние кварки в процессе Шаблон:Iw: перехода из состояния с большей массой в состояние с меньшей массой. Из-за этого верхние и нижние кварки, как правило, стабильны и наиболее распространены во Вселенной, в то время как странные, очарованные, прелестные и истинные кварки могут образовываться только в столкновениях с высокой энергией частиц (например, с участием космических лучей и в ускорителях частиц). Для каждого аромата кварка существует соответствующий тип античастицы, известный как антикварк, который отличается от кварка только тем, что некоторые его свойства (например, электрический заряд) имеют одинаковую величину, но противоположный знакШаблон:Переход.

Кварковая модель была независимо предложена физиками Мюрреем Гелл-Манном и Джорджем Цвейгом в 1964 году<ref name="bre">Шаблон:БРЭ</ref><ref name="Carithers">Шаблон:Cite journal</ref>, которые ввели их в физику как часть схемы упорядочения свойств адронов, хотя в то время было мало доказательств их физического существования до экспериментов по глубоко неупругому рассеянию в Стэнфордском центре линейных ускорителей в 1968 году<ref name="Bloom">Шаблон:Cite journal</ref><ref name="Breidenbach">Шаблон:Cite journal</ref>. Эксперименты с ускорительной программой предоставили доказательства существования всех шести разновидностей кварков. Истинный кварк, впервые обнаруженный в лаборатории Ферми в 1995 году, был открыт последним<ref name="Carithers" />Шаблон:Переход.

Классификация

Шаблон:Main

Шесть частиц Стандартной модели — кварки показаны фиолетовым цветом. Каждый из первых трёх столбцов образует поколение частиц материи. Масса, заряд и спин указаны для каждой частицы.

Стандартная модель — это теоретическая основа, описывающая все известные элементарные частицы. Эта модель содержит шесть сортов или ароматов кварковШаблон:Sfn (Шаблон:SubatomicParticle): верхний (Шаблон:SubatomicParticle), нижний (Шаблон:SubatomicParticle), странный (Шаблон:SubatomicParticle), очарованный (Шаблон:SubatomicParticle), прелестный (Шаблон:SubatomicParticle)<ref>Шаблон:Cite web</ref> и истинный (Шаблон:SubatomicParticle)<ref name="HyperphysicsQuark" /><ref>Шаблон:Cite web</ref>. Античастицы кварков называются антикварками и обозначаются чертой над символом соответствующего кварка, например Шаблон:SubatomicParticle для верхнего антикварка. Как и антивещество в целом, антикварки имеют ту же массу, среднее время жизни и спин, что и их соответствующие кварки, но электрический заряд и другие заряды имеют противоположные знаки<ref>Шаблон:Cite book Шаблон:Cite book</ref>.

Кварки — это частицы со Шаблон:Iw, то есть фермионы в соответствии с теоремой Паули о связи спина со статистикой. Они подчиняются принципу запрета Паули, который гласит, что никакие два идентичных фермиона не могут одновременно занимать одно и то же квантовое состояние (в отличие от бозонов, частиц с целым спином, любое количество которых может находиться в одном и том же состоянии<ref> Шаблон:Cite book</ref>). В отличие от лептонов кварки обладают цветовым зарядом, который заставляет их вступать в сильное взаимодействие. В результате притяжения между различными кварками образуются составные частицы, известные как адроныШаблон:SfnШаблон:Переход. Независимо друг от друга гипотезу о том, что каждый кварк обладает тремя различными цветовыми состояниями, высказали в 1965 году советские физики Н. Н. Боголюбов, Б. В. Струминский, А. Н. Тавхелидзе, американский — Шаблон:Iw и японский — И. Намбу. В 1964 году подобную гипотезу высказал американский физик Шаблон:Iw в другом виде<ref name="Герштейн">Шаблон:Статья</ref>.

Кварки, определяющие квантовые числа адронов, называются валентными кваркамиШаблон:Sfn; кроме того, любой адрон может содержать неопределённое число виртуальных пар кварков и антикварков, которые могут рождаться на короткое время согласно принципу неопределённости и формировать море кварковых пар, не влияющих на его квантовые числаШаблон:Sfn<ref> Шаблон:Cite book</ref>Шаблон:Переход. Есть два семейства адронов: барионы с тремя валентными кварками и мезоны с валентным кварком и антикварком<ref>Раздел 6.1. в Шаблон:Cite book</ref>. Наиболее распространёнными барионами являются протон и нейтрон, строительные блоки атомного ядра<ref name="Knowing"> Шаблон:Cite book</ref>. Известно большое количество адронов (список барионов и список мезонов), большинство из них различаются по своему кварковому составу и свойствам, зависящих от составляющих их кварков. Существование экзотических адронов с большим количеством валентных кварков, таких как тетракварки (Шаблон:SubatomicParticleШаблон:SubatomicParticleШаблон:SubatomicParticleШаблон:SubatomicParticle) и пентакварки (Шаблон:SubatomicParticleШаблон:SubatomicParticleШаблон:SubatomicParticleШаблон:SubatomicParticleШаблон:SubatomicParticle), предполагалось с самого начала кварковой модели<ref name="PDGTetraquarks">Шаблон:Cite journal</ref>, но не было обнаружено до начала XXI века<ref name="Belletetra"> Шаблон:Cite journal</ref><ref name="Belletetrapress">Шаблон:Cite press release</ref><ref name="LHCbtetra"> Шаблон:Cite journal</ref><ref name="LHCbpenta"> Шаблон:Cite journal</ref>.

Элементарные фермионы сгруппированы в три поколения, каждое из которых состоит из двух лептонов и двух кварков. В первое поколение входят верхние и нижние кварки, второе — странный и очарованный кварки и третье — прелестный и истинный кварки. Все поиски четвёртого поколения кварков и других элементарных фермионов потерпели неудачу<ref>Шаблон:Cite journal</ref><ref>Шаблон:Cite journal</ref>, и есть веские косвенные доказательства того, что существует не более трёх поколений<ref group="nb">Основное свидетельство основано на ширине резонанса Z0-бозона, который ограничивает массу нейтрино 4-го поколения величиной более ~45 ГэВ/c2, что будет сильно контрастировать с нейтрино трёх других поколений, массы которых не могут превышать 2 МэВ/c2.</ref><ref>Шаблон:Cite journal</ref><ref>Шаблон:Cite journal</ref><ref> Шаблон:Cite book</ref>. Частицы более высокого поколения обычно имеют бо́льшую массу и меньшую стабильность, что приводит к их Шаблон:Iw на частицы более низкого поколения посредством слабых взаимодействий. В природе обычно встречаются только кварки первого поколения (верхние и нижние). Более тяжёлые кварки могут образовываться только в столкновениях с высокой энергией (например, при столкновениях с космическими лучами) и быстро распадаться; однако считается, что они присутствовали в течение первых долей секунды после Большого взрыва, когда Вселенная находилась в чрезвычайно горячей и плотной фазе (эпоха кварков). Исследования более тяжёлых кварков ведутся в искусственно созданных условиях, например в ускорителях частиц<ref> Шаблон:Cite book</ref>.

Обладая электрическим зарядом, массой, цветовым зарядом и ароматом, кварки являются единственными известными элементарными частицами, которые участвуют во всех четырёх фундаментальных взаимодействиях современной физики: электромагнетизме, гравитации, сильном взаимодействии и слабом взаимодействии<ref name="Knowing"/>. Гравитация слишком слаба, чтобы иметь отношение к взаимодействиям отдельных частиц, за исключением крайних значений энергии (планковская энергия) и масштабов расстояний (планковская длина). Однако, поскольку успешной квантовой теории гравитации не существует, гравитация не описывается Стандартной модельюШаблон:SfnШаблон:Sfn.

Более полный обзор свойств шести ароматов кварка представлены в таблице Шаблон:Переход.

История

Файл:MurrayGellMannJI1.jpg
Мюррей Гелл-Манн (2007)
Файл:George Zweig.jpg
Джордж Цвейг (2015)
Файл:Charmed-dia-w.svg
Траектории частиц (мюоны, протоны, пионы, электроны) в магнитном поле после распада Шаблон:Iw в пузырьковой камере, которое привело к открытию Шаблон:SubatomicParticle бариона, в Брукхейвенской национальной лаборатории в 1974 году. Пунктиром показаны нейтральные частицы.

Кварковая модель была независимо предложена физиками Мюрреем Гелл-Маном<ref name="Gell-Man1964"> Шаблон:Cite journal</ref> и Джорджем Цвейгом<ref name="Zweig1964a">Шаблон:Cite journal</ref><ref name="Zweig1964b">Шаблон:Cite journal</ref> в 1964 году<ref name="Carithers"/>. Предложение поступило вскоре после того, как Гелл-Ман в 1961 году сформулировал систему классификации частиц, известную как Восьмеричный путь, или, выражаясь более техническими терминами, ароматическую симметрию SU(3), оптимизирующую её структуру<ref>Шаблон:Cite book
Оригинал: Шаблон:Cite book Шаблон:Wayback</ref>. В том же году физик Юваль Неэман независимо разработал схему, аналогичную Восьмеричному Пути<ref> Шаблон:Cite book
Оригинал: Шаблон:Cite journal</ref><ref> Шаблон:Cite book</ref>. До кварковой модели имелись другие модели адронов. Например, модель Сакаты с базисом, состоящим из p, n, Λ и их античастиц, описывала все мезоны и барионы, известные на момент публикации<ref>Шаблон:Статья</ref>Шаблон:Sfn. Модель Гольдгабера использовала p, n, и Κ−Шаблон:Sfn. Впоследствии базис расширили до четырёх частиц (и четырёх античастиц)<ref>Шаблон:Статья</ref>.

Во время зарождения кварковой теории «Шаблон:Iw» включал множество адронов, среди прочих частиц. Гелл-Манн и Цвейг утверждали, что они не являются элементарными частицами, а состоят из комбинаций кварков и антикварков. Их модель включала три разновидности кварков: верхний, нижний и странный, которым они приписывали такие свойства, как спин и электрический заряд<ref name="Gell-Man1964"/><ref name="Zweig1964a"/><ref name="Zweig1964b"/>. Первоначальная реакция физического сообщества на это предложение была неоднозначной. Были особые разногласия по поводу того, был ли кварк физической сущностью или простой абстракцией, используемой для объяснения концепций, которые в то время не были полностью поняты<ref> Шаблон:Cite book</ref>Шаблон:Sfn.

Менее чем через год были предложены расширения модели Гелл-Манна — Цвейга. Шелдон Глэшоу и Джеймс Бьёркен предсказали существование четвёртого аромата кварка, который они назвали очарованным. Увеличение числа кварков позволило лучше описать слабое взаимодействие (механизм, позволяющий кваркам распадаться), уравняло число известных кварков с числом известных лептонов и подразумевало массовую формулу, которая правильно воспроизводила массы известных мезонов<ref> Шаблон:Cite journal</ref>.

В 1968 году эксперименты по глубоко неупругому рассеянию электронов высокой энергии на протонах в Стэнфордском центре линейных ускорителей (SLAC) показали, что протон содержит гораздо меньшие точечные объекты и, следовательно, не является элементарной частицейШаблон:Sfn<ref name="Bloom"/><ref name="Breidenbach"/><ref> Шаблон:Cite web</ref>. В то время физики не хотели твёрдо отождествлять эти объекты с кварками, вместо этого называя их «партонами» — термин, придуманный Ричардом ФейнманомШаблон:Sfn<ref>Шаблон:Cite journal</ref><ref> Шаблон:Cite journal</ref><ref name="Griffiths"> Шаблон:Cite book</ref>. Объекты, которые наблюдались в SLAC, позже будут идентифицированы как верхние и нижние кварки по мере открытия других ароматов<ref> Шаблон:Cite book</ref>.

Существование странного кварка было косвенно подтверждено экспериментами SLAC по рассеянию: он не только был необходимым компонентом трёхкварковой модели Гелл-Мана и Цвейга, но и дал объяснение каона (Шаблон:SubatomicParticle) и пиона (Шаблон:SubatomicParticle) — адронов, открытых в космических лучах в 1947 году<ref> Шаблон:Cite book</ref>.

В статье 1970 года Глэшоу, Иоаннис Илиопулос и Лучано Майани представили Шаблон:Iw (названный по их инициалам), для объяснения экспериментального отсутствия наблюдения Шаблон:Iw. Эта теоретическая модель требовала существования ещё не открытого очарованного кварка<ref> Шаблон:Cite journal</ref><ref> Шаблон:Cite book</ref>. Число предполагаемых ароматов кварков выросло до нынешних шести в 1973 году, когда Макото Кобаяси и Тосихидэ Маскава заметили, что экспериментальное наблюдение нарушения СР-инвариантности можно объяснить, если бы существовала другая пара кварков<ref group="nb">Нарушение CP-инвариантности — это явление, из-за которого слабые взаимодействия ведут себя по-разному, когда левое и правое меняются местами (P-симметрия) и частицы заменяются соответствующими им античастицами (C-симметрия).</ref><ref name="KM"> Шаблон:Cite journal</ref>.

Очарованные кварки были получены почти одновременно двумя командами в ноябре 1974 года (см. Ноябрьская революция) — одной в SLAC под руководством Бертона Рихтера, а другой в Брукхейвенской национальной лаборатории под руководством Сэмюэля Тинга. Очарованные кварки наблюдались связанными с очарованными антикварками в мезонах. Обе стороны присвоили открытому мезону два разных символа, Шаблон:Mvar и Шаблон:Mvar; таким образом, он стал официально известен как [[J/ψ-мезон|Шаблон:SubatomicParticle мезон]]. Это открытие окончательно убедило физическое сообщество в правильности кварковой модели<ref name="Griffiths"/>.

В последующие годы появился ряд предложений по расширению кварковой модели до шести кварков. Из них в статье 1975 года Хаима Харари<ref name="Harari"> Шаблон:Cite journal</ref> впервые были введены термины «истинный» и «прелестный» для дополнительных кварков<ref name="StaleyTopBottomNames">Шаблон:Cite book Шаблон:Cite book</ref>.

В 1977 году группа учёных из Фермилаба во главе с Леоном Ледерманом наблюдала прелестный кварк<ref> Шаблон:Cite journal</ref><ref> Шаблон:Cite book</ref>. Это был сильный индикатор существования истинного кварка, так как иначе прелестный кварк не имел бы партнёра. Лишь в 1995 году истинный кварк был наконец обнаружен, также группами Шаблон:Iw<ref name="CDF-1995"> Шаблон:Cite journal</ref> и Шаблон:Iw<ref name="D0-1995"> Шаблон:Cite journal</ref> в Фермилабе<ref name="Carithers"/>. Его масса оказалась намного больше, чем ожидалось<ref> Шаблон:Cite book</ref>, почти такая же, как у атома золота<ref name="BNLTop">Шаблон:Cite web</ref>.

Доказательства существования кварков

Из-за контринтуитивного свойства сильного взаимодействия — конфайнмента — для неспециалиста зачастую нетривиально существование кварков: поскольку их невозможно увидеть в свободном виде, возникает сомнение, не являются ли они лишь математической абстракциейШаблон:SfnШаблон:Sfn.

Причины, по которым кварки считаются реально существующими объектами:

  • В 1960-х годах стало ясно, что все многочисленные адроны подчиняются более или 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<ref>Шаблон:Cite web</ref>Шаблон:Sfn.
  • Далее, при учёте спина оказалось, что каждой такой степени свободы можно приписать спин ½ 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 моментовШаблон:Sfn.
  • Более того, с открытием новых частиц выяснилось, что никаких модификаций теории не требуется: каждый новый адрон удачно вписывался в кварковую конструкцию без каких-либо её перестроек (если не считать добавления новых кварков)Шаблон:Sfn<ref>Шаблон:Cite web</ref>.
  • 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 предсказанияШаблон:Sfn.
  • С наступлением эры ускорителей высокой энергии стало возможным изучать распределение импульса внутри, например, протона. Выяснилось, что импульс в протоне не распределён равномерно, а частями сосредоточен в отдельных степенях свободы. Эти степени свободы назвали партонами (от англ. Шаблон:Lang-en2 — часть). Более того, оказалось, что партоны, в первом приближении, обладают спином ½ 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<ref>Шаблон:Статья Шаблон:ArXiv</ref>Шаблон:Sfn.
  • 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 экспериментеШаблон:Sfn.
  • При высокоэнергетических столкновениях адронов вероятность того, что адроны рассеются на некоторый угол без разрушения, уменьшается с ростом величины угла. Эксперименты подтвердили, что, например, для протона скорость получается точно такая, какая ожидается для объекта, состоящего из трёх кварков<ref name="http://elementy.ru/LHC/news?theme=2653111&newsid=431372">Шаблон:Cite web</ref>.
  • При столкновениях протонов с высокими энергиями экспериментально наблюдается аннигиляция кварка одного протона с антикварком другого протона с образованием пары мюон-антимюон (процесс Дрелла — Яна)Шаблон:Sfn.
  • Кварковая модель с позиций взаимодействия кварков между собой при помощи глюонов хорошо объясняет расщепление масс между членами декуплета <math>\Delta^{-}</math> — <math>\Sigma^{*-}</math> — <math>\Xi^{-}</math> — <math> \Omega^{-}</math>Шаблон:Sfn.
  • Кварковая модель хорошо объясняет расщепление масс между <math>\Xi^{-} - \Xi^{0}</math>Шаблон:Sfn.
  • Кварковая модель предсказывает для отношения магнитных моментов протона и нейтрона величину <math>\frac{\mu_{P}}{\mu_{N}}=-\frac{3}{2},</math> что находится в хорошем соответствии с экспериментальным значением −1,47. Для отношения магнитных моментов гиперона и протона теория кварков предсказывает величину <math>\frac{\mu_{\Lambda}}{\mu_{P}}=-\frac{1}{3}</math>, что также находится в хорошем соответствии с экспериментальным значением Шаблон:NobrШаблон:Sfn.
  • Есть и много других экспериментальных подтверждений кварковой модели строения адронов<ref name="Vlad">Ахиезер А. И., Рекало М. П. Кварковая модель и процессы взаимодействия адронов // Проблемы теоретической физики. Сборник, посвящённый Николаю Николаевичу Боголюбову в связи с его шестидесятилетием. — М., Наука, 1969. — Тираж 4000 экз. — c. 197—216</ref>.

В целом, можно сказать, что 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 наталкиваются на трудности с описанием всех тех многочисленных экспериментов, которые очень естественно описывались в кварковой модели. Кварковая модель была признана физическим сообществом в 1976 году<ref>Шаблон:Cite web</ref>.

Этимология

Некоторое время Гелл-Ман не мог определиться с фактическим написанием термина, который он намеревался ввести, пока не нашёл слово кварк в книге Джеймса Джойса 1939 года «Поминки по Финнегану» со строчкой «Три кварка для мистера Марка»<ref>Шаблон:Cite web</ref><ref>Шаблон:Cite book</ref>: Шаблон:Blockquote Существует версия, что слово кварк — это устаревшее английское слово, означающее каркать<ref>Шаблон:Cite dictionary</ref>, а процитированные выше строки о птичьем хоре, насмехающемся над королем Корнуолла Марком в легенде о Тристане и Изольде<ref> Шаблон:Cite book</ref>. Однако широко распространено предположение, особенно в немецкоязычных частях мира, что Джойс усвоил это слово из немецкого во время своего пребывания в Вене. В немецком слово Quark имеет два значения: 1) творог, 2) чепуха. В немецкий же данное слово попало из западнославянских языков (чеш. tvaroh, пол. twaróg — «творог»)<ref>Шаблон:Книга</ref>. Согласно рассказу ирландского физика Шаблон:Iw, Джойс во время пребывания в Германии на сельскохозяйственной выставке услышал рекламный слоган «Drei Mark für Musterquark» («три марки за образцовый творог»), который был им позже перефразирован для романа<ref>Шаблон:Статья</ref><ref>Шаблон:Cite web</ref>. Гелл-Ман подробно остановился на названии кварка в своей книге 1994 года «Кварк и ягуар»<ref name="Murray"> Шаблон:Cite book</ref>. Цвейг предпочитал имя туз (англ. Шаблон:Lang-en2) для частицыШаблон:Sfn, которую он теоретизировал, но терминология Гелл-Мана стала известна после того, как кварковая модель стала общепринятой<ref> Шаблон:Cite book</ref>.

Ароматы кварков получили свои названия по нескольким причинам. Верхние (up, букв. «вверх») и нижние (down, букв. «вниз») кварки названы в честь верхних и нижних компонент изоспина<ref name="sakurai"> Шаблон:Cite book</ref>. Странные кварки получили своё название, потому что они были обнаружены как компоненты Шаблон:Iw, обнаруженных в космических лучах за много лет до того, как была предложена кварковая модель; эти частицы считались «странными», потому что они имели необычно долгое время жизни<ref name="DHPerkins" />. Глэшоу, который совместно с Бьёркеном предложил очарованный кварк, говорил: «Мы назвали нашу конструкцию „очарованным кварком“, потому что мы были очарованы и довольны симметрией, которую он привнёс в субъядерный мир»<ref> Шаблон:Cite book</ref>. Названия bottom (нижний) и top (верхний)Шаблон:Sfn, придуманные Харари, были выбраны потому, что они являются «логическими партнёрами для верхних (up) и нижних (down) кварков»<ref name="Harari"/><ref name="StaleyTopBottomNames"/><ref name="DHPerkins"> Шаблон:Cite book</ref>. Альтернативные названия b- и t-кварка — beautiful (прелестный, красивый) и true (истинный) соответственноШаблон:Refn, но эти имена несколько вышли из употребления<ref> Шаблон:Cite book</ref>. Ускорительные комплексы, предназначенные для массового производства b-кварков, иногда называют «фабриками прелести»<ref>Шаблон:Cite web</ref>, а название «истинный кварк» в английском языке не прижилось.

Характеристики

Электрический заряд

Шаблон:Main Кварки имеют дробные значения электрического заряда — либо −Шаблон:Дробь2 или +Шаблон:Дробь2 элементарного электрического заряда (е), в зависимости от аромата. Верхние, очарованные и истинные кварки (вместе именуемые верхними кварками) имеют заряд +Шаблон:Дробь2 е; нижние, странные и прелестные кварки (нижние кварки) имеют заряд −Шаблон:Дробь2 е. Антикварки имеют заряд, противоположный соответствующим им кваркам; верхние антикварки имеют заряды −Шаблон:Дробь2 е, и нижние антикварки имеют заряды +Шаблон:Дробь2 е. Поскольку электрический заряд адрона представляет собой сумму зарядов составляющих его кварков, все адроны имеют целочисленные заряды: сочетание трёх кварков (барионов), трёх антикварков (антибарионов) или кварка и антикварка (мезонов) всегда приводит к заряду, выражаемому целым числом<ref>. Шаблон:Cite book</ref>. Например, адронные составляющие атомных ядер, нейтроны и протоны, имеют заряды 0 е и +1 е соответственно; нейтрон состоит из двух нижних кварков и одного верхнего кварка, а протон — из двух верхних кварков и одного нижнего кварка<ref name="Knowing"/>.

Спин

Шаблон:Main Спин — это внутреннее свойство элементарных частиц, а его направление — важная степень свободы. Иногда его визуализируют как вращение объекта вокруг собственной оси (отсюда и название «спин» от англ. Шаблон:Lang-en2), хотя это понятие несколько ошибочно на субатомных масштабах, поскольку считается, что элементарные частицы имеют точечную форму<ref>Шаблон:Cite web</ref>.

Спин представляется вектором, длина которого измеряется в единицах приведённой постоянной Планка ħ. Для кварков измерение компоненты вектора спина вдоль любой оси может дать только значения +Шаблон:Дробь2 или −Шаблон:Дробь2; по этой причине кварки классифицируются как [[Спин 1/2|частицы со спином Шаблон:Дробь2]]<ref> Шаблон:Cite book</ref>. Составляющая спина вдоль заданной оси — условно оси z — часто обозначается стрелкой вверх ↑ для значения +Шаблон:Дробь2 и стрелкой вниз ↓ для значения −Шаблон:Дробь2, размещённый после символа аромата. Например, верхний кварк со спином +Шаблон:Дробь2 z обозначается как u↑<ref> Шаблон:Cite book</ref>.

Слабое взаимодействие

Шаблон:Main

Файл:Beta Negative Decay.svg
Диаграмма Фейнмана бета-распада с течением времени, направленным вверх. Матрица CKM кодирует вероятность распада этого и других кварков.

Кварк одного аромата может превратиться в кварк другого аромата только посредством слабого взаимодействия, одного из четырёх фундаментальных взаимодействий в физике элементарных частиц. Поглощая или испуская W-бозон, любой верхний кварк (верхний, очарованный и t-кварк) может превратиться в любой нижний кварк (нижний, странный и b-кварк) и наоборот. Этот механизм трансформации аромата вызывает радиоактивный процесс бета-распада, в котором нейтрон (Шаблон:SubatomicParticle) «расщепляется» на протон (Шаблон:SubatomicParticle), электрон (Шаблон:SubatomicParticle) и электронное антинейтрино (Шаблон:SubatomicParticle) (см. рисунок). Это происходит, когда один из нижних кварков в нейтроне (Шаблон:SubatomicParticleШаблон:SubatomicParticle) распадается на верхний кварк, испуская виртуальный Шаблон:SubatomicParticle бозон, превращающий нейтрон в протон (Шаблон:SubatomicParticleШаблон:SubatomicParticle). Шаблон:SubatomicParticle бозон затем распадается на электрон и электронное антинейтрино<ref name="SLAC">Шаблон:Cite web</ref>.

Шаблон:SubatomicParticle → Шаблон:SubatomicParticle + Шаблон:SubatomicParticle + Шаблон:SubatomicParticle (Бета распад в адронных обозначениях)
Шаблон:SubatomicParticleШаблон:SubatomicParticleШаблон:SubatomicParticle → Шаблон:SubatomicParticleШаблон:SubatomicParticleШаблон:SubatomicParticle + Шаблон:SubatomicParticle + Шаблон:SubatomicParticle (Бета распад в кварковых обозначениях)

И бета-распад, и обратный ему процесс Шаблон:Iw обычно используются в медицинских приложениях, таких как позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ)<ref>Шаблон:Cite journal</ref>, и в экспериментах по обнаружению нейтрино<ref>Шаблон:Cite journal</ref>.

Файл:Quark weak interactions ru.svg
Силы слабых взаимодействий между шестью кварками. Интенсивности линий определяются элементами матрицы СКМ. Три шара «u», «c» и «t», относящиеся к верхним кваркам, расположены над тремя шарами «d», «s», «b», обозначающие нижние кварки. Широкие линии соединяют верхние и нижние кварки с уровнем серого, указывающим на силу слабого взаимодействия между ними.

Хотя процесс трансформации аромата одинаков для всех кварков, каждый кварк предпочитает трансформироваться в кварк своего собственного поколения. Относительные тенденции всех преобразований аромата описываются математической таблицей, называемой матрицей Кабиббо — Кобаяши — Маскавы (матрица СКМ). При условии унитарности приблизительные величины элементов матрицы CKM<ref name="PDG2010">Шаблон:Cite journal</ref>:

<math alt="|V_ud| ≅ 0.974; |V_us| ≅ 0.225; |V_ub| ≅ 0.003; |V_cd| ≅ 0.225; |V_cs| ≅ 0.973; |V_cb| ≅ 0.041; |V_td| ≅ 0.009; |V_ts| ≅ 0.040; |V_tb| ≅ 0.999.">

\begin{bmatrix} |V_\mathrm {ud}| & |V_\mathrm {us}| & |V_\mathrm {ub}| \\ |V_\mathrm {cd}| & |V_\mathrm {cs}| & |V_\mathrm {cb}| \\ |V_\mathrm {td}| & |V_\mathrm {ts}| & |V_\mathrm {tb}| \end{bmatrix} \approx \begin{bmatrix} 0.974 & 0.225 & 0.003 \\ 0.225 & 0.973 & 0.041 \\ 0.009 & 0.040 & 0.999 \end{bmatrix},</math>

где Vij представляет тенденцию кварка аромата i превращаться в кварк аромата j (или наоборот)<ref group="nb">Фактическая вероятность распада одного кварка на другой является сложной функцией (среди прочих переменных) массы распадающегося кварка, масс продуктов распада и соответствующего элемента матрицы CKM. Эта вероятность прямо пропорциональна (но не равна) квадрату величины (|Vij |2) соответствующего элемента матрицы CKM.</ref>.

Существует эквивалентная матрица слабого взаимодействия для лептонов (правая часть бозона W на приведённой выше диаграмме бета-распада), называемая матрицей Понтекорво — Маки — Накагавы — Сакаты (матрица PMNS)<ref>Шаблон:Cite journal</ref>. Вместе матрицы CKM и PMNS описывают все преобразования ароматов, но связи между ними пока не ясны<ref> Шаблон:Cite journal</ref>.

Сильное взаимодействие и цветовой заряд

Шаблон:Main

Файл:Hadron colors ru.svg
Все типы адронов имеют нулевой суммарный цветовой заряд. Зелёная и пурпурная («антизелёная») стрелки, уравновешивающие друг друга, создавая бесцветное состояние, представляют мезон; красная, зелёная и синяя стрелки, переходящие в бесцветное состояние, обозначают барион; жёлтая («антисиняя»), пурпурная и голубая («антикрасная») стрелки, переходящие в бесцветное состояние, представляют антибарион.
Файл:Strong force charges.svg
Схема сильных зарядов для трёх цветов кварков, трёх антикварков и восьми глюонов (с двумя перекрывающимися нулевыми зарядами).

Согласно квантовой хромодинамике (КХД), кварки обладают свойством, называемым цветовым зарядом. Существует три типа цветового заряда, условно обозначенные синим, зелёным и красным<ref group="nb">Несмотря на свое название, цветовой заряд не связан с цветовым спектром видимого света.</ref>. Каждый из них дополняется антицветом — антисиним, антизелёным и антикрасным . Каждый кварк несёт цвет, а каждый антикварк несёт антицвет<ref>Шаблон:Cite web</ref>.

Система притяжения и отталкивания между кварками, заряженными различными комбинациями трёх цветов, называется сильным взаимодействием, которое опосредовано переносится частицами, известными как глюоны; это подробно обсуждается ниже. Теория, описывающая сильные взаимодействия, называется квантовой хромодинамикой (КХД). Кварк, который будет иметь одно значение цвета, может образовать связанную систему с антикварком, несущим соответствующий антицвет. Результатом притяжения двух кварков будет цветовая нейтральность: кварк с цветовым зарядом ξ плюс антикварк с цветовым зарядом −ξ приведут к цветовому заряду 0 (или «белому» цвету) и образованию мезона. Это аналогично аддитивной цветовой модели в базовой оптике. Точно так же комбинация трёх кварков, каждый с разными цветовыми зарядами, или трёх антикварков, каждый с антицветными зарядами, приведёт к тому же «белому» цветовому заряду и образованию бариона или антибариона<ref> Шаблон:Cite book</ref>.

В современной физике элементарных частиц калибровочные симметрии — разновидность группы симметрии — связывают взаимодействия между частицами (см. Калибровочные теории). Цвет SU(3) (обычно сокращенно SU(3)c) представляет собой калибровочную симметрию, которая связывает цветовой заряд в кварках и является определяющей симметрией квантовой хромодинамики<ref name="PeskinSchroeder">Part III of Шаблон:Cite book</ref>. Подобно тому, как законы физики не зависят от того, какие направления в пространстве обозначены x, y и z, и остаются неизменными, если оси координат поворачиваются в новую ориентацию, физика квантовой хромодинамики не зависит от направления в трёхмерном цветовом пространстве определяемого на базисе синего, красного и зелёного. Преобразования цвета SU(3)c соответствуют «вращениям» в цветовом пространстве (которое является комплексным пространством). Каждый аромат кварка f, каждый с подтипами fB, fG, fR, соответствующими цветам кварков<ref> Шаблон:Cite book</ref>, образует триплет: трёхкомпонентное квантовое поле, которое преобразуется в соответствии с фундаментальным представлением группы SU(3)c<ref> Шаблон:Cite book</ref>. Требование, чтобы SU(3)c было локальным, то есть чтобы его преобразования могли меняться в пространстве и во времени, определяет свойства сильного взаимодействия. В частности, это подразумевает существование восьми типов глюонов, которые действуют как переносчики взаимодейсвия<ref name="PeskinSchroeder" /><ref>Шаблон:Cite encyclopedia Шаблон:Cite web</ref>.

Масса

Шаблон:Main

Файл:Quark masses as balls.svg
Текущие массы кварков для всех шести ароматов в сравнении, как шары пропорциональных объёмов. Протон (серый) и электрон (красный) показаны в левом нижнем углу для масштаба.

Два термина используются для обозначения массы кварка: Шаблон:Iw относится к массе самого кварка, а Шаблон:Iw относится к массе токового кварка плюс массе поля глюонных частиц, окружающих его<ref> Шаблон:Cite book</ref>. Эти массы обычно имеют очень разные значения. Большая часть массы адрона происходит от глюонов, которые связывают составляющие его кварки вместе, а не от самих кварков. Хотя глюоны по своей природе безмассовы, они обладают энергией — Шаблон:Iw, что сильно влияет на общую массу адрона (см. Масса в специальной теории относительности). Например, протон имеет массу примерно 938 МэВ/с2, из которых масса покоя его трёх валентных кварков составляет только около 9 МэВ/с2; большую часть остатка можно отнести к энергии поля глюонов<ref name="PDGQuarks">Шаблон:Cite journal</ref><ref> Шаблон:Cite book</ref> (см. Шаблон:Iw). Стандартная модель утверждает, что масса элементарных частиц определяется механизмом Хиггса, который связан с бозоном Хиггса. Есть надежда, что дальнейшие исследования причин большой массы t-кварка ~173 ГэВ/с2, что почти равно массе атома золота<ref name="PDGQuarks" /><ref> Шаблон:Cite book</ref>, может дать больше информации о происхождении массы кварков и других элементарных частиц<ref>Шаблон:Cite book</ref>.

Размер

В КХД кварки считаются точечными объектами нулевого размера. По состоянию на 2014 год экспериментальные данные показывают, что они не больше, чем 10−4 размера протона, то есть меньше 10−19 метров<ref>Шаблон:Cite web</ref>.

Таблица свойств

Шаблон:Main В следующей таблице приведены основные свойства шести кварков. Квантовые числа аромата (изоспин (I3), очарование (C), странность (S, не путать со спином), истинность (T) и прелесть или красота (B')) присваиваются определённым ароматам кварков и обозначают качества кварковых систем и адронов. Барионное число (B) равно +Шаблон:Дробь2 кварков, так как барионы состоят из трёх кварков. Для антикварков электрический заряд (Q) и все ароматические квантовые числа (B, I3, C, S, T и B′) имеют противоположный знак. Масса и полный угловой момент (J, равный спину для точечных частиц) не меняют знака для антикварков<ref name=FE />. Шаблон:Clear

Ароматы кварков<ref name=FE /><ref name="PDGQuarks"/>
Частица Масса (МэВ/с2)* J B Q (е) I3 C S T B′ Античастица
Имя Символ Имя Символ
Первое поколение
верхнийШаблон:Sfn (англ. Шаблон:Lang-en2) Шаблон:SubatomicParticle Шаблон:Val ± 0,5 Шаблон:Sfrac +Шаблон:Дробь2 +Шаблон:Дробь2 +Шаблон:Дробь2 0 0 0 0 антиверхний Шаблон:SubatomicParticle
нижнийШаблон:Sfn (англ. Шаблон:Lang-en2) Шаблон:SubatomicParticle Шаблон:Val ± 0,3 Шаблон:Sfrac +Шаблон:Дробь2 −Шаблон:Дробь2 −Шаблон:Дробь2 0 0 0 0 антинижний Шаблон:SubatomicParticle
Второе поколение
очарованныйШаблон:Sfn (англ. Шаблон:Lang-en2) Шаблон:SubatomicParticle Шаблон:Val Шаблон:Sfrac +Шаблон:Дробь2 +Шаблон:Дробь2 0 +1 0 0 0 антиочарованный Шаблон:SubatomicParticle
странныйШаблон:Sfn (англ. Шаблон:Lang-en2) Шаблон:SubatomicParticle Шаблон:Val Шаблон:Sfrac +Шаблон:Дробь2 −Шаблон:Дробь2 0 0 −1 0 0 антистранный Шаблон:SubatomicParticle
Третье поколение
истинныйШаблон:Sfn (англ. Шаблон:Lang-en2) Шаблон:SubatomicParticle Шаблон:Val ± 710 * Шаблон:Sfrac +Шаблон:Дробь2 +Шаблон:Дробь2 0 0 0 +1 0 антиистинный Шаблон:SubatomicParticle
прелестныйШаблон:Sfn (англ. Шаблон:Lang-en2) Шаблон:SubatomicParticle Шаблон:Val Шаблон:Sfrac +Шаблон:Дробь2 −Шаблон:Дробь2 0 0 0 0 −1 антипрелестный Шаблон:SubatomicParticle

J — полный угловой момент, B — барионное число, Q — электрический заряд,
 I3 — изоспин, C — очарование, S — странность, T — истинность, B′ = прелесть, красота.
* Обозначения, такие как Шаблон:Val ± 710, в случае t-кварка, описывают два типа неопределённости измерения: первая неопределённость носит Шаблон:Iw характер, а вторая — систематический.

Взаимодействующие кварки

Шаблон:Main Как описано в квантовой хромодинамике, носителями сильного взаимодействия выступают глюоны — безмассовые векторные калибровочные бозоны. Каждый глюон несёт один цветовой заряд и один антицветовой заряд. В стандартной структуре взаимодействия частиц (часть более общей формулировки, известной как теория возмущений) кварки постоянно обмениваются глюонами посредством виртуального процесса испускания и поглощения. Когда глюон передаётся между кварками, у обоих происходит изменение цвета; например, если красный кварк испускает красно-антизелёный глюон, то он становится зелёным, а если зелёный кварк поглощает красно-антизелёный глюон, то он становится красным. Поэтому при постоянном изменении цвета каждого кварка их сильное взаимодействие сохраняется<ref> Шаблон:Cite book</ref><ref name="Veltman45"> Шаблон:Cite book</ref><ref> Шаблон:Cite book</ref>.

Поскольку глюоны несут цветовой заряд, они сами способны излучать и поглощать другие глюоны. Это вызывает асимптотическую свободу: по мере сближения кварков хромодинамическая сила связи между ними ослабевает<ref> Шаблон:Cite book</ref>. И наоборот, по мере увеличения расстояния между кварками сила связи усиливается. Цветовое поле становится напряжённым, подобно эластичной ленте при растяжении, и спонтанно создаётся больше глюонов соответствующего цвета, чтобы усилить поле. При превышении определённого порога энергии создаются пары кварков и антикварков. Эти пары связываются с разделяющимися кварками, вызывая образование новых адронов. Это явление известно как ограничение цвета: кварки никогда не появляются изолированно<ref name="Veltman295"> Шаблон:Cite book</ref><ref> Шаблон:Cite book</ref>. Этот процесс адронизации происходит до того, как кварки, образованные при столкновении при высоких энергиях, смогут взаимодействовать каким-либо другим образом. Единственным исключением является t-кварк, который может распасться до того, как адронизируется<ref name="PDB-top-quark">Шаблон:Cite journal</ref>.

Морские кварки

Адроны содержат наряду с валентными кварками (Шаблон:SubatomicParticle), которые дают вклад в квантовые числа, виртуальные кварк-антикварковые (Шаблон:SubatomicParticleШаблон:SubatomicParticle) пары, известные как морские кварки (Шаблон:SubatomicParticle), которые существуют достаточно долгое время в частицах, движущихся близко к световой скорости<ref>Шаблон:Cite web</ref>. Морские кварки образуются, когда расщепляется глюон цветового поля адрона; этот процесс также работает в обратном направлении, поскольку при аннигиляции двух морских кварков образуется глюон. Результатом является постоянный поток расщеплений и создания глюонов, в просторечии известный как «море»<ref> Шаблон:Cite book</ref>. Морские кварки намного менее стабильны, чем их валентные аналоги, и они обычно аннигилируют друг с другом внутри адрона. Несмотря на это, морские кварки могут при определённых обстоятельствах адронизироваться в барионные или мезонные частицы<ref> Шаблон:Cite book</ref>.

Другие фазы кварковой материи

Файл:QCDphasediagram ru.svg
Качественная визуализация фазовой диаграммы кварковой материи. Точные детали диаграммы являются предметом продолжающихся исследований. Кварк-глюонная плазма существует при очень высоких температурах; адронная фаза существует при более низких температурах и барионных плотностях, в частности ядерная материя при относительно низких температурах и промежуточных плотностях; цветовая сверхпроводимость существует при достаточно низких температурах и высоких плотностях<ref name="Ruester"> Шаблон:Cite journal</ref><ref name="Alford"> Шаблон:Cite journal</ref>.

В достаточно экстремальных условиях кварки могут выйти из связанных состояний и распространяться как термализованные «свободные» возбуждения в большей среде. В ходе асимптотической свободы сильное взаимодействие ослабевает при повышении температуры. В конце концов, ограничение цвета будет фактически нарушено в чрезвычайно горячей плазме свободно движущихся кварков и глюонов. Эта теоретическая фаза материи называется кварк-глюонной плазмой<ref> Шаблон:Cite journal</ref>.

Точные условия, необходимые для возникновения этого состояния, неизвестны и были предметом множества спекуляций и экспериментов. По оценкам, необходимая температура составляет Шаблон:Val К<ref> Шаблон:Cite journal</ref>. Хотя состояние полностью свободных кварков и глюонов так и не было достигнуто (несмотря на многочисленные попытки в ЦЕРНе в 1980-х и 1990-х годах)<ref>Шаблон:Cite arXiv</ref>, недавние эксперименты на Релятивистском коллайдере тяжёлых ионов дали доказательства того, что жидкоподобная кварковая материя демонстрирует «почти совершенную» гидродинамику<ref name="RHIC">Шаблон:Cite web</ref>.

Кварк-глюонная плазма будет характеризоваться большим увеличением числа пар более тяжёлых кварков по отношению к числу пар верхних и нижних кварков. Считается, что в период до 10−6 секунд после Большого взрыва (кварковая эпоха) Вселенная была заполнена кварк-глюонной плазмой, так как температура была слишком высока для устойчивости адронов<ref> Шаблон:Cite book</ref>.

При достаточно высокой плотности барионов и относительно низких температурах — возможно, сравнимых с температурами в нейтронных звездах — ожидается, что кварковая материя выродится в ферми-жидкость слабо взаимодействующих кварков. Эта жидкость будет характеризоваться конденсацией куперовских пар цветных кварков, тем самым нарушая локальную симметрию SU(3)c. Поскольку кварковые куперовские пары несут цветовой заряд, такая фаза кварковой материи будет Шаблон:Iw; то есть цветовой заряд сможет пройти через неё без сопротивления<ref> Шаблон:Cite book</ref>.

Открытые вопросы

Шаблон:Seealso В отношении кварков остаются вопросы, на которые пока нет ответа:

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 данных экспериментов, до сих пор никаких подозрений на неточечную структуру кварков не возникало. Однако попытки построить такие теории делаются независимо от экспериментов. Серьёзных успехов в этом направлении пока нет<ref name="D'Souza"> Шаблон:Cite book</ref>.

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 усилия, построить такую теорию также пока не удалосьШаблон:Sfn.

Примечания

Комментарии <references group="nb" />

Источники Шаблон:Примечания

Литература

Шаблон:Refbegin

На русском языке
На английском языке

Шаблон:Refend

Ссылки

Шаблон:Родственные проекты

Шаблон:Внешние ссылки Шаблон:Частицы Шаблон:Джеймс Джойс Шаблон:Хорошая статья

Источник — https://camokathomelab.servebeer.com/mediawiki/index.php?title=Кварк&oldid=3588