Розділ іі. Кварки 2.1 Відкриття кварка

Тріумфом кварковой моделі є відкриття чарівних частинок. Перша зачарівначастинка була відкрита в 1974 р. двома групами експериментаторів незалежно друг від друга: на протонному прискорювачі в Брукхейвені (США) при бомбардуванні протонами ядер Ве й на прискорювачі із зустрічними електронно-позитронними пучками в Стонфорді (США). Перша група назвала відкриту частку мезоном J, а друга -мезоном ψ. Тому виявлений мезон і одержав подвійну назву J/ ψ. Його маса 3,096 ГеВ. Чудова особливість відкритої частинки полягає в її довговічності. Її ширина 60 кеВ, тоді як звичайна ширина для часток таких енергій 10—70 МеВ, що приблизно на три порядки більша. Цей факт, як і у випадку дивних частинок, вказує на заборону по якомусь новому квантовому числу. У результаті було введено квантове число С, що одержала назва чарівності, або шарму. Йому відповідає новий кварк с. У кварковой моделі чарівність визначається як різниця між числом кварків (с) і антикварків (с). Частинки із шармом, відмінним від нуля, називаються чарівними. Чарівність зберігається при сильних і електромагнітних взаємодіях, але не зберігається при слабких. Розпади зачарованих адронів відбувається за рахунок слабкої взаємодії, при цьому чарівність змінюється на одиницю. J/ψ- мезон побудований із кварка с і антикварка с. Його чарівність дорівнює нулю й відносять його до мезонів зі прихованим зачаруванням. Приховане зачарування в частинок проявляється в тому, що вони легко розпадаються на чарівні частинки, якщо розпад не заборонений законами збереження енергії й імпульсу, а розпади на незачаровані частинки сильно подавлені (тому, що подавлена анігіляція в більш дрібні кварки), тобто відбуваються з малою ймовірністю.

По своїй структурі квантова система сс, називана чармонієм, нагадує атом водню (скоріше, позитронія). Однак останній завжди називається атомом водню незалежно від того, у якому зі збуджених станів він перебуває. Напроти, різні збуджені стани чармонія (і будь-яких інших кваркових систем) домовилися вважати різними частинками й позначати різними символами. Мезон J/ψ є одним зі збуджених станів чармонія. Після нього було відкрито кілька збуджених станів чармонія. Були відкриті і мезони з явним зачаруванням:

D⁺ - cd, D⁰ – cu, F⁺ - sc

D^- - dc, D⁰ – uc, F^- - sc,

1869 Мев 1865 Мев 2021 МеВ

Були відкриті також і зачаровані баріони.

Історія відкриття нового кварка b аналогічна історії відкриття кварка с. В 1977 р. у Батавії (США) був відкритий новий мезон, позначений через Υ. Він виникав при бомбардуванні мішені з міді й свинцю пучком протонів з енергією 400 ГеВ. Цей надважкий мезон при масі т_r характеризується відносно малою шириною ( близько 0,04 МеВ). Властивості нової частинки не укладалися в схему чотирьохкваркової моделі, і довелося ввести п'ятий кварк b, який був названий чарівним, або гарним. (Адрони, у які входить кварк б, називають гарними, або чарівними). Мезон Υ є одним зі збуджених станів зв'язаної системи b b зі спіном 1. Надалі мезон Υ та інші збуджені стани тієї ж системи Υ ', Υ ", Υ "' отримувались в зустрічних електроннопозитронних пучках, а на зустрічних рр - пучках у ЦЕРН (Швейцарія) був також виявлений перший, найлегший «гарний» баріон Λ_b = udb масою 5400 МеВ. Різниця між числами b-кварків і їх антикварків b називається красою. Краса, зберігається при сильних і електромагнітних взаємодіях і може порушуватися при слабких.

Якщо переглянути всі квантові числа для адронів, то легко виявити, що електричний заряд адрона можна обчислити по формулі

Q = T₃ + (1/2)(B+S+C+b)

Зокрема, ця формула застосовна для нуклонів. У них S =C=b=0, B= +1, для протона T₃=+1/2, для нейтрона T₃= -1/2.

Успішна класифікація адронів на основі кваркової моделі з'явилася вагомим аргументом на її користь. Іншим аргументом є досліди по прямому просвічуванню нуклонів і інших адронів високоенергетичними електронами. Процес, що відбувається при цьому, називається глибоконепружнім розсіюванням. Теоретичний аналіз його привів до висновку, що усередині адронів електрони розсіюються на точкових частинках із зарядами +2/3 і -1/3 і спіном 1/2. На цих частинках електрони різко зміняють свої імпульси та енергії, повідомляючи їх кварку, подібно тому як це відбувається з - частинками при розсіюванні на ядрах у досвідах Резерфорда. Про кінцеві розміри кварків ці досвіди нічого не говорять. З них можна дізнатись тільки, що у всякому разі на відстанях від силового центру більше 10^-15 см кварки поводяться ще як безструктурні точкові частинки. Можливо, що за п'ятим кварком b и передбачуваним шостим t будуть відкриті й інші кварки. Можливо, що збільшення числа кварків буде невеликим і обмежене загальними принципами або внутрішніми властивостями симетрії елементарних частинок. Можливо, що й безструктурність кварків відбиває лише досягнутий рівень дослідження цих матеріальних об'єктів.

Численні пошуки вільних кварків, що проводилися на прискорювачах високих енергій, у космічних променях і навколишньому середовищу, виявилися безуспішними. Зокрема, кварки шукали при вимірі заряду краплі по методу Міллікена (1868 -1953). Виявлення крапель із дробовим зарядом свідчило б про присутність кварка, тому, що дробовий заряд кварка не міг би бути скомпенсований цілим зарядом електрона або іона. Такі досліди проводилися в наші часи із набагато більшою точністю, чого не зміг зробити Міллікен.

До негативного результату привів і дуже точний мас-спектроскопічний аналіз води, який дав для верхньої межі відношення числа вільних кварків до протонів величину порядку 10^-27. Зараз більшість фахівців схиляється до того, що у вільному стані кварки не існують.

Отже, кваркова модель припускає, що кварки усередині адронів існують, але досвід змушує визнати, що вилетіти звідти й з'явитися у вільному стані вони не можуть. Таке положення називають англійським словом «конфаймент», яке означає «полон, тюремне ув'язнення». Кварк, що одержав енергію в результаті зіткнення з електроном, не вилітає назовні з адрону, а розтрачує її на утворенні кварк - антикваркових пар, тобто на утворення нових адронів, в основному мезонів.

Однієї із причин неспостерігаємості кварків у вільному стані, можливо, є їх дуже великі маси. Це перешкоджає народженню кварків при тих енергіях, які досягаються на сучасних прискорювачах. Не виключена можливість, що у вільному стані кварки принципово не можуть з'явитися в силу специфіки їх взаємодії. Приводилися досліди експериментального й теоретичного характеру, згідно з якими сили взаємодії між кварками не слабшають із відстанню. Якщо це так, то для відділення їх друг від друга потрібні нескінченно великі енергії, при яких таке відділення робиться неможливим. Все це-тільки припущення, жодною мірою не претендують на достовірність і навіть правдоподібність.