Теория кварков.

В 1964 году американский ученый Мюррей Гелл-Манн (р. 1929 г.) и швейцарский ученый Георг Цвейг предположили, что адроны должны состоять из простейших структурных частиц – кварков. Кварк – это точечное бесструктурное образование, с размерами менее 10^-18м. Термин «кварк» предложил Гелл-Манн. Он позаимствовал его из романа Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану», где главный герой – король Марк мчится на корабле за Тристаном и Изольдой, а злобные чайки, кружащиеся над Марком, кричат: «Три кварка для мистера Марка». Цвейг предлагал другой термин – «туз», который не прижился.

Согласно теории кварков, существует шесть типов или «ароматов» кварков: u (up – верхний),d (down – нижний),s (strange – странный), c (charming – очаровательный), b (beauty – красавчик), t (truth – правдивый).

Каждый из кварков имеет спин, равный и электрический заряд, равный или заряда электрона.

Каждому кварку соответствует антикварк: u, d, s, c, b, t.

Все барионы состоят из 3 кварков, а мезоны из 1 кварка и 1 антикварка. Например, протон состоит двух кварков u и одного кварка d; нейтрон состоит из двух кварков d и одного кварка u; пи-мезон состоит и з одного кварка u и одного антикварка d.

К аждый кварк может иметь три энергетических состояния или «цвета»: зеленый (1), красный (2), желтый (3). Каждый антикварк может иметь три антицвета: антизеленый (1), антикрасный (2), антижелтый (3). Например, p u₁ u₂ d₃; n d₁ d₂ u₃; π⁺ u₂d_2.

Протон (p) можно рассматривать как «мешок» содержащий два «u» кварка и один «d» кварк. Каждый из кварков в «мешке» окружен своим собственным глюонным облаком. Гюон – это частица-переносчик сильного ядерного взаимодействия (от англ. слова glue, что означает склеивать. Глюоны «склеивают» кварки в барионах и мезонах, а также они «склеивают» протоны и нейтроны в атомном ядре.

При взаимодействии двух протонов (или двух нейтронов, или протона и нейтрона) происходит сближение двух «мешков» с кварками, которые на достаточно малом расстоянии начинают обмениваться глюонами. Глюоны взаимодействуют только с кварками и другими глюонами.

У сильного ядерного взаимодействия есть еще одно необычное свойство – конфайнмент (от англ. слова confinement – ограничение, удержание). Конфайнмент заключается в том, что частицы всегда удерживаются в бесцветных комбинациях. Один кварк не может существовать сам по себе, потому что в этом случае он должен был бы иметь цвет (зеленый, красный или желтый). При попытке «вытащить» один кварк из протона получается мезон, который и наблюдается в опыте. Красный кварк должен быть соединен с желтым и зеленым (чтобы получилась бесцветная комбинация) посредством глюонной струны. Такой триплет оказывается протоном или нейтроном. Если объединяется кварк и антикварк (красный и антикрасный, либо синий и антисиний, либо желтый и антижелтый), то образуется мезон.

Глюоны тоже имеют «цвет» и аналогично кваркам не могут существовать по отдельности из-за конфайнмента. Глюоны должны группироваться таким образом, чтобы в сумме давать белый цвет.

Струны – это глюоны или одномерные порции энергии. Они подобны обычным струнам, только значительно тоньше их; они составляют 10^-21см. Струны могут быть замкнутыми или открытыми, могут иметь различное натяжение, могут вибрировать с разной частотой, могут взаимодействовать друг с другом, могут сливаться, распадаться, колебаться и т.д. Через суперструны можно представить любую частицу, наблюдаемую во вселенной.

Попытки обнаружить кварки в свободном состоянии к успеху не привели. Доказательством существования кварков служит опыт по просвечиванию нуклонов (протонов, нейтронов) электронами, который называется глубоконеупругим рассеянием электронов.

ЛЕКЦИЯ № 10. Основные принципы квантовой механики.

Как показывает история естествознания, свойства элементарных частиц, с которыми столкнулись физики, изучая микромир, не укладываются в рамки традиционных физических теорий. Попытки объяснить микромир с помощью понятий и принципов классической физики потерпели неудачу. Поиски новых понятий и объяснений привели к возникновению новой физической теории – квантовой механики, у истоков которой стояли такие выдающиеся физики как В.Гейзенберг, Н.Бор, М.Планк, Э.Шредингер и др.

Вспомним историю изучения природы света, а точнее непримиримые разногласия между И.Ньютоном и Гюйгенсом. Ньютон рассматривал свет как поток корпускул, а Гюйгенс – как волны, возникающие в особой среде – эфире. В 18 веке разрешить этот спор было невозможно.

В 1900 году М.Планк, как мы помним, обнаруживший дискретные порции энергии (кванты), выразив представление о свете как о потоке квантов или фотонов.

Однако наряду с квантовым представление о свете продолжает развиваться и волновая механика света в работах Луи де Бройля и Э.Шредингера. Луи де Бройлем было открыто подобие между колебанием струны и атомом, испускающим излучение. Атом ведет себя подобно акустическому инструменту, производящему стоячие волны. Луи де Бройль сделал смелое предположение, что движущийся равномерно и прямолинейно электрон – это волна определенной длины. В отношении электрона мы признавали его частицей (были определены его масса и заряд). И, действительно, электрон ведет себя подобно частице, когда он движется в электрическом или магнитном поле. Он же ведет себя и подобно волне, когда дифрагирует, проходя сквозь кристалл или дифракционную решетку.

Изучение специфических свойств микрообъектов началось с экспериментов, в ходе которых было установлено, что микрообъекты в одних опытах обнаруживают себя как частицы (корпускулы), а в других – как волны.