Современные представления о строении элементарных частиц. Лептоны, кварки, глюоны. Кварки

В настоящее время считается, что все тяжелые частицы (адроны, мезоны, гипероны) состоят из кварков. Таким образом, именно кварки можно рассматривать как истинно элементарные частицы, своеобразные кирпичики мироздания.

Кварковая модель строения целого класса микрочастиц пре­дложена в 1964 году независимо друг от друга американскими физиками Гелл-Манном и Цвейгом. Гелл-Манн назвал тройку но­вых фундаментальных частиц кварками (от англ. quark), а Цвейг — "эйсами" (от англ асе — "карточный туз").

Что касается названия "кварк", то Гелл-Манн предупредил в своей статье, что это — непонятное восклицание героя одно­го из романов Дж. Джойса — Финигана Вейка. Предложение использовать выкрик Финигана в качестве названия новых фун­даментальных частиц кажется остроумным. Название "кварк" привилось повидимому потому, что оно звучит таинственно, а также вследствие научного авторитета самого Гелл-Манна.

Три кварка, введенные Гелл-Манном и Цвейгом, в настоя­щее время обозначают символами и, » и d. Электрические за­ряды этих кварков 2/3|е|, —1/3|е| и — 1/3|е|. Появление дробных зарядов по отношению к заряду электрона было крайней неожи­данностью для большинства физиков.

Символы и и d произведены от английских слов up, down, означающих, что проекция изоспина направлена "вверх" или "вниз", а символ s — первая буква английского слова strangeness (странность). Попытаемся по аналогии с теорией атомов и атом­ных ядер построить модели систем, образованных из кварков. Поскольку массы кварков, входящих в состав адронов, примерно одинаковы, адроны разумнее сравнивать не с атомами, а с атом­ными ядрами. Эта аналогия приводит нас к формулам

Дальнейшие исследования, выполненные в работах Намбу, Кара, Миямото, Тавхелидзе показали, что нужно ввести три разновид­ности уже известных кварков.

Новые квантовые (1,2,3) числа получили название "цвет", а для старых (u, s, d) принят термин "аромат". Для конкретизации цве­тов пользуются словами "красный", "зеленый", "синий", а для аромата используются старые обозначения u, s, d. Аромат со­храняется в сильных и электромагнитных взаимодействиях.

Дальнейшие исследования физики микромира показали, что существуют, по крайней мере, кварки шести ароматов, которые удобно классифицировать по степеням свободы цвета и аромата следующим образом:

Взаимодействие между кварками осуществляется с помощью глюонов. Это взаимодействие, называемое асимптотически сво­бодным, обладает необычными свойствами. При приближении кварков друг к другу сила взаимодействия между ними стремит­ся к нулю; если же кварки удаляются друг от друга, то она бы­стро возрастает. Как показывает расчет, для того, чтобы ото­рвать кварки друг от друга, надо затратить такое большое ко­личество энергии, что его хватает для образования двух новых кварков. Поэтому кварки в принципе нельзя оторвать друг от друга и в природе они встречаются только парами или тройка­ми. В свободном состоянии кварки не обнаружены. Тяжелые частицы адроны состоят из кварков и антикварков. Приведем примеры. π+-мезон включает в себя кварк и антикварк d и имеет структуру (uđ), π^--мезон (ūd), k⁺-мезон (ds), ∑⁺-гиперон (ииз), ∑°-гиперон (uds), и т.д. Античастицы отличаются от частиц знаками электрических зарядов. Остальные квантовые числа у античастиц так же имеют знак, обратный знаку квантовых чисел частиц. Массы частиц и античастиц в точности совпадают.