37.7. Кварки

Большое количество адронов наводит на мысль, что они имеют сложную структуру, т.е. состоят из других частиц, которые получили название фундаментальных. Об этом свидетельствуют также эксперименты, проведенные в 50–60-ых годах, по зондированию внутренней структуры протона и нейтрона пучком быстрых электронов. Оказалось, что по мере удаления от центра протона плотность электрического заряда экспоненциально убывает. Последующие эксперименты проведенных в 60–70-ых годах, показали, что нуклоны имеют зернистую структуру, указывающую на их сложное строение.

В 1964 г. М. Гелл–Манн и независимо от него Д.Цвейг выдвинули гипотезу, согласно которой все адроны состоят из кварков. Первоначально Гелл–Манн и Цвейг ввели в рассмотрение три кварка – верхний u (up), нижний d(down) и странный s (strange), которых было достаточно для объяснения строения известных к тому времени адронов. В последующем, когда были открыты новые частицы, возникла необходимость введения ещё трёх кварков: очарованного c(charm), прелестного b(beauty) и истинного t (truth). Существование шести кварков обосновывается принципом кварк – лептонной симметрии, который состоит в том, что каждому кварку должен соответствовать некоторый лептон, и наоборот.

Совокупность из шести лептонов (e, _e, ^–, _-, ^-–, _ ), шести кварков ( u, d, s. c, b, t ) и соответствующих антилептонов и антикварков образуют семейство фундаментальных частиц. К этому семейству относятся также переносчики фундаментальных взаимодействий (см. § 37.8). Эти частицы по сравнению с адронами находятся на более глубоком уровне строения материи. Хотя теоретики допускают возможность существования ещё более мелких «кирпичиков» материи – преонов, пока нет никаких экспериментальных данных, подтверждающих эту гипотезу.

В табл. 37.2 приведены некоторые характеристики кварков: электрический заряд Q (в единицах элементарного заряда e), барионный заряд B, изотопический спин T, странность S, очарование C, прелесть b, и квантовое число t, которое равно +1 для истинного кварка и нулю для всех остальных. Квантовые числа C, b, t введены для того, чтобы выделить и семейства адронов группы очарованных, прелестных и истинных частиц, имеющих физические свойства, характерные для каждой из таких групп и отсутствующие для остальных частиц.

Таблица 37.2

Тип (аромат) кварка	Q	B	T	Tz	J	S	C	b	T
Верхний – u	+2/3	+1/3	+1/2	+1/2	1/2	0	0	0	0
Нижний – d	-1/3	+1/3	+1/2	-1/2	1/2	0	0	0	0
Странный – s	-1/3	+1/3	0	0	1/2	-1	0	0	0
Очарованный – c	+2/3	+1/3	0	0	1/2	0	+1	0	0
Прелестный – b	-1/3	+1/3	0	0	1/2	0	0	-1	0
Истинный – t	+2/3	+1/3	0	0	1/2	0	0	0	+1

Кварки характеризуются дробными электрическими зарядами, кратными 1/3 величины электрического заряда e. Все кварки являются фермионами, так как имеют полуцелый спин. У антикварков все квантовые числа, указанные в табл.37.2 (за исключением спина J и изоспина T) имеют противоположные знаки.

В соответствии с кварковой моделью каждый мезон состоит из кварка и антикварка, а каждый барион – из трёх кварков.

Зная кварковую структуру адронов (см.табл. 37.1) и используя характеристики кварков, приведенных в табл. 37.2, можно рассчитать квантовые числа любого из адронов. Проиллюстрируем такой расчёт на примере очарованного D⁺–мезона и протона.

D⁺–мезон: D⁺=cd; электрический заряд Q=2/3+1/3=1; барионный заряд B=1/3-1/3=0; спин J=1/2–1/2=0; изотопический спин T=1/2–1/2=0; странность S=0+0=0; очарование C=1+0=1; прелесть b=0+0=0.

Протон: p=uud; электрический заряд Q=2/3+2/3-1/3=1; барионный заряд B=1/3+1/3+1/3=1; спин J=1/2–1/2+12=1|2; изотопический спин T=1/2–1/2+1/2=1/2; странность S=0+0=0; очарование C=1+0=1; прелесть b=0+0=0.

При расчёте спина адрона следует учитывать принцип Паули, запрещающий двум тождественным кваркам находиться в одном и том же квантовом состоянии. В связи с этим при вычислении спина протона было учтено, что спины двух u–кварков направлены в противоположные стороны.

В 1964 г. был открыт ^– – гиперон с кварковой структурой ^– = sss и спином J = 3/2. Такое значение спина ^– – гиперона означает, что спины всех трёх s–кварков параллельны друг другу, что противоречит принципу Паули. Для устранения этой трудности было постулировано, что каждый из трех кварков может находиться в трёх квантовых состояниях. Можно сказать, что существует три сорта кварков каждого из типов, которые обозначили символами R(red– красный), G(green– зелёный), B(blue– голубой). Таким образом, в состав ^– – гиперона входят кварки различных «цветов» (^– = s_R s_G s_B) с параллельными спинами и, поскольку эти кварки рассматриваются как разные частицы, то никакого противоречия с принципом Паули нет.

Квантовая характеристика кварка – цвет не имеет ничего общего с её оптическим аналогом, однако такая аналогия полезна в силу следующих соображений. Если смешать в равной пропорции красный, зелёный и голубой лучи, то получим белый свет. Оказывается, что кварки, входящие в состав бариона, имеют такие цвета, что соответствующая частица становится белой. Антикварку, в отличие от соответствующего кварка, приписываю антицвет, поэтому мезоны также являются бесцветными (белыми).

Таким образом общее количество кварков равно 18: 6 типов (ароматов) u, d, s, c, b, t, каждый из которых имеет три цвета R, G, B. Число антикварков также равно 18.

Лекція 52.

Переносники фундаментальних взаємодiй. Велике об”єднання.

Сучасна картина Всесвiту. Теорiя Великого вибуху.