2. Гіпотеза Про існування кварк

В останні роки дуже великого успіху досягла класифікація адронів на основі кваркової моделі. Кварки були придумані в 1964 р. американськими фізиками Гелл-Маном і незалежно від нього Цвейг для пояснення існуючої в природі симетрії у властивостях сільновзаімодействующіх часток - адронів.

Відповідно до цієї моделі, будь-адрон складається з трьох кварків з досить незвичайними властивостями. Передбачається, що існує шість ароматів кварків (і стільки ж антикварков), взаємодія між якими здійснюється глюонами. Кварки і глюони мають специфічний заряд, який називається кольором. Кожен тип кварка має по три колірних різновиди, глюони - вісім.

Ряд експериментальних даних вказує з переконливістю на реальне існування кварків. До їх числа належать результати вивчення розсіювання швидких електронів протонами. Характер розсіювання свідчить про наявність усередині протона трьох точкових розсіюючих центрів з набоями 2/3е і 1/3е, що повністю узгоджується з трехкварковой моделлю протона.

Разом з тим всі спроби спостерігати кварки у вільному стані виявилися безуспішними. Це призвело до висновку, що кварки можуть існувати всередині адронів і в принципі не можуть спостерігатися у вільному стані. З'явився навіть стосовно до кварків термін конфайнмент (від англ. Confinement - «тюремне ув'язнення»).

Причиною конфайнмента є незвичайна поведінка сил взаємодії кварків один з одним. При малих відстанях ці сили вкрай малі, так що кварки виявляються практично вільними (цей стан називається асимптотичної свободою). Проте зі збільшенням відстаней між кварками сили взаємодії дуже швидко ростуть, не дозволяючи кварків вилетіти з адронів.

2.1 Супермультіплети

Виявляється, якщо відомі адрони розсортувати за значеннями їх спина і внутрішньої парності, то утворюється кілька великих груп адронів (в середньому по десятку часток в одній групі), всередині яких спостерігаються цікаві закономірності. Такі групи називають супермультіплетамі або унітарними мультіплета. У цей час можна було цілком чітко виділити чотири великі групи частинок. Мезонні адрони з нульовим спіном і негативною парністю утворюють групу з дев'яти часток (нонет), що складається з унітарної октету і унітарного синглет. Електричний заряд, дивина і маса членів цієї дев'ятки закономірно змінюються від частки до частки (додаток 1). Аналогічну дев'ятку утворюють також мезонні адрони з спіном, рівним одиниці, і негативною парністю (додаток 2). Ядерна фізика зі спіном 1 / 2 і позитивної парності утворюють подібний октет (додаток 3); нарешті, баріонів адрони зі спіном 3 / 2 і позитивної парності складають десятки - декуплет (додаток 4). В останньому випадку закономірність зміни властивостей у часток особливо очевидна.

Всі частинки декуплета розміщені на чотирьох рядках, що характеризуються певними значеннями дивацтва S: 0, -1, -2 і -3. Рядки мають різну довжину і разом утворюють правильний трикутник. На найдовшій нижньому рядку знаходяться чотири члени ізотопічного квартету Δ - частинок, що характеризуються одним і тим же значенням ізотопічного спина Т = 3 / 2. Усі члени цього квартету повинні мати однакову масу з похибкою порядку декількох мегаелектрон-вольт. Другий рядок займає Σ ₁₃₈₅ - триплет резонансів з Т = 1 і близькими масами. У третьому рядку розміщений ізотопічний Ξ ₁₅₃₀ - дублет з Т = 1 / 2, і, нарешті, вершину трикутника вінчає ізотопічний синглет (Т = 0) - Ω ^{- -} гіперон. Електричний заряд частинок, що входять до ізотопічний мультиплет, зростає на одиницю при русі вздовж рядка зліва направо. Кожній вертикалі відповідає певне значення проекції ізотопічного спина. На діагоналях, спрямованих під гострими кутами до осі абсцис, розташовані частинки з однаковим електричним зарядом. І що особливо чудово, різниці середніх значень мас для двох будь-яких сусідніх рядків практично однакові.

Перераховані закономірності настільки переконливі, що вони дозволили Гелл-Ману в 1962 р. однозначно передбачити за властивостями дев'яти відомих частинок всі основні характеристики десятий частинки, що займає верхній кут трикутника.

Легко переконатися, що з розгляду декуплетного трикутника (додаток 4), можна передбачити наступний набір параметрів для цієї частки: маса, електричний заряд, баріонів заряд, дивина, ізотопічний спін, парність, схема народження, схема розпаду, час життя. Цей перелік настільки добре характеризує властивості передвіщеної частинки, що з'явилася можливість організувати по-справжньому науковий її пошук. На початку 1964 р. Ω ^{- -} гіперон з передбаченими властивостями був знайдений. Це, ймовірно, самий маленький інтервал часу між моментами передбачення і виявлення "справжньої" (долгоживущей) елементарної частинки.

Аналогічні закономірності можна простежити також і в інших супермультіплетах (додатки 1 - 3), хоча там вони не такі прості й очевидні, як у випадку декуплета.

Для пояснення закономірностей, що спостерігаються в унітарних мультіплета, було запропоновано декілька різних теорій. Спільним для всіх цих теорій є припущення про існування двох різновидів сильної взаємодії: дуже сильного і помірно сильного, які разом з електромагнітним визначають основні властивості адронів. Дуже сильна взаємодія однаково для всіх членів унітарного мультіплета і визначає головну частину їх енергії взаємодії (а значить, і маси). Помірно сильна взаємодія залежить від несподіванки й тому різному для членів різних ізотопічних мультиплетов. Воно призводить до 10%-ному розбіжності мас цих частинок. Електромагнітна взаємодія залежить від електричного заряду, тому воно різне для частинок, що стоять в одному рядку. У зв'язку зі своєю відносною слабкістю воно призводить лише до невеликого (порядку декількох мегаелектрон-вольт) розбіжності мас у членів даного ізотопічного мультіплета.