2. Кварки

Кварки были придуманы в 1964 г. американскими физиками Гелл-Маном и независимо Цвейгом для объяснения существующей в природе симметрии в свойствах сильновзаимодействующих частиц – адронов.

Кварки – общее название для нескольких фундаментальных частиц, из которых можно составить любую сильновзаимодействующую частицу. При этом такие “составные” частицы будут обладать всеми основными свойствами реальных частиц. Следует заметить, что сильновзаимодействующие частицы составляют абсолютное большинство среди всех типов частиц. Столь необычное название “кварки” заимствовано из книги Джеймса Джойса “Поминки по Финнигану”, где встречается словосочетание “три кварка” как таинственный крик чаек, который слышится герою романа в кошмарном бреду.

Гипотеза о существовании таких фундаментальных частиц, как кварков, решила весьма важную задачу об упорядочивании всех известных к тому времени элементарных частиц.

3. Типы кварков и их свойства

Кварки это элементарные частицы, то есть частицы, которые не имеют своей внутренней структуры (по крайней мере так считается).

К настоящему времени было открыто 6 кварков и новых кварков не предвидится.

Из кварков, в частности, состоят протоны (2u+d) и нейтроны (2d+u).

Каждый из шести кварков имеет свое собственное имя и за каждым из них стоит годы попыток его обнаружить - можно написать не один детективный роман на эту тему.

Различные состояния фундаментального представления были названы ароматами. Таких ароматов (или типов кварков), очевидно, три: «верхний» (up или u-кварк), «нижний» (down , d-кварк) и «странный» (strange, s).

Up или u-кварк - «верхний».

Кварк u

Название up

Масса от 1,5 до 5 МэВ

Заряд 2/3

В результате эксперимента, проведённого международным коллективом из 50 учёных под руководством Энн Хейнсон из Калифорнийского университета в Риверсайде, была впервые зарегистрирована субатомная частица — так называемый верхний кварк (или u-кварк). Это открытие позволит учёным сделать ряд фундаментальных выводов, в частности, узнать, за счёт чего тела приобретают массу.

Одна из самых тяжёлых элементарных частиц — верхний кварк — имеет такую же массу, как и атом золота, и является одним из основных "кирпичиков", составляющих материю. Считается, что верхние кварки находились в свободном состоянии после Большого Взрыва, но сейчас их можно получить только в результате проведения опытов в ускорителе при очень высоких энергиях.

Для "ловли" u-кварка Хейнсон и её коллеги на первом этапе работы собрали результаты опытов по столкновению протонов и антипротонов, проводившихся на ускорителе Tevatron (штат Иллинойс) в 2002-2005 годах. Затем они провели анализ столкновений, который помог определить тип частиц, возникающих в ходе реакции.

Когда протон и антипротон сталкиваются с околосветовыми скоростями, при определённых условиях может появиться u-кварк. В свободном состоянии эта частица нестабильна — через доли секунды она распадается, порождая другие частицы. Из-за этого регистрация кварка усложняется, и физики могут судить о его рождении только по возникающим "частицам-наследникам".

Именно таким методом и действовал коллектив Хейнсон. Для того чтобы найти следы распада u-кварка (а значит, и появления самого кварка), учёные регистрировали "электронную подпись" его продуктов распада.

Для этого посредством специального кремниевого детектора определялось пространственное расположение заряженных частиц, сталкивавшихся с ним после того, как кварк распадался. С помощью этого устройства учёным удалось реконструировать траектории частиц, а значит, и узнать, что это за частицы и каковы их энергии.

К началу проведения опыта уже существовала теоретическая модель, предсказывавшая ход событий в результате столкновения, и исследователи, по крайней мере, знали, что и как им искать. По окончании реакции должен был возникнуть всего один верхний кварк, поэтому его регистрация была невероятно сложным делом.

Down , d-кварк- «нижний».

Кварк d

Название down

Масса от 3 до 9 МэВ

Заряд -1/3

Существование d-кварков впервые было предложено в 1964 г., когда Гелл-Манн и Цвейг разработали кварковую модель. Первые экспериментальные доказательства были получены в экспериментах по глубоко неупругому рассеянию в SLAC в 1967 г.

Strange, s-кварк-«странный».

Кварк s

Название strange

Масса от 60 до 170 МэВ

Заряд -1/3

s-кварк принадлежит ко второму поколению. Он — самый лёгкий среди кварков после u-кварка и d-кварка. Первая странная частица (элементарная частица, содержащая странный кварк) — каон — была открыта ещё в 1947 г., но сам s-кварк не был известен, пока Гелл-Манн и Цвейг не разработали кварковую модель в 1964 г.

Charm, c-кварк-« очарованный».

Кварк c

Название charm

Масса от 1,1 до 1,4 ГэВ

Заряд 2/3

В конце 1974 г. одновременно в двух лабораториях была открыта новая частица, свойства которой оказались таковы, что их не удалось объяснить в рамках трехкварковой модели. Для интерпретации этих свойств потребовалось ввести четвертый кварк – с-кварк, названный очарованным ( от слова charm – очарование).

с-Кварк оказался вполне равноправной частицей по отношению к остальным трем кваркам. Комбинируя с-кварк с антикварками u, d, s, можно получить новые мезоны, которые были названы очарованными.

В настоящее время уже обнаружены представители всех очарованных мезонов и некоторые очарованные барионы. На этом основании, казалось бы, можно было считать, что кварковая модель достигла совершенства, т.е. описывает все существующие частицы и не конструирует лишних, не встречающихся в природе.

Botton, b-Кварк (прелестный).

Кварк b

Название bottom

Масса от 4,1 до 4,4 ГэВ

Заряд -1/3

Однако, в 1977 г. была открыта еще одна частица, названная ипсилон-мезоном, свойства которой не укладывались в четырехкварковую модель. Новый, пятый кварк b, названный прелестным (от слова beauty – прелесть, иногда название b-кварка производят от слова botom – низ).

Top, t-Кварк (правдивый).

Кварк t

Название top

Масса от 168 до 178 ГэВ

Заряд 2/3

Наконец, имеются основания считать, что должен существовать еще и шестой кварк t, названный правдивым (от слова truth) или верхним (от слова top). Одним из таких оснований является предсказываемая теорией электрослабого взаимодействия симметрия в числе кварков и лептонов (которых открыто шесть).