8.3.5. Кварковая модель адронов

В 1964 г. М.Гелл-Манн и Дж. Цвейг независимо друг от друга выдвинули идею о том, что наблюдаемые адроны построены из частиц необычной природы – кварков, несущих спин ½, обладающих сильным взаимодействием, но в то же время не принадлежащих классу адронов. Идея кварков была подсказана математической структурой представлений унитарных групп. Кроме того, эксперименты по глубоконеупругому рассеянию электронов на нуклонах показали, что нейтрон и протон в отличие от электрона имеют сложную структуру. Поэтому гипотеза о новых фундаментальных частицах, из которых можно строить адроны, казалась вполне правдоподобной.

Выявленные экспериментами 60-х годов супермультиплеты, состоящие из обычных и странных адронов, приводили к выводу, что все адроны построены из трех кварков, обозначаемых буквами (верхний кварк, от англ. ), (нижний кварк, от англ. ), (странный кварк, от англ. ). Для того чтобы объяснить наблюдаемые свойства адронов, кваркам пришлось приписать довольно необычайные свойства. Кварки должны иметь дробный электрический заряд +2/3 или -1/3, а также дробный барионный заряд Барионы "конструировались" из трех кварков, мезоны "конструировались" из кварка и антикварка. Все обнаруженные до 1974 г. адроны можно было описать, составляя их из кварков всего лишь трех типов - u, d, s. При этом трехкварковая модель адронов казалась достаточно замкнутой – практически каждой комбинации кварков соответствовала экспериментально наблюдаемая частица. Последующее обнаружение пси-частиц, а затем ипсилон частиц, очарованных и прелестных адронов, показали, что для объяснения их свойств трех кварков недостаточно, необходимо допустить существование еще двух типов кварков (очарованный кварк, от англ. ) и (прелестный или красивый кварк, от англ. ), несущих новые квантовые числа: очарование и прелесть. Согласно теоретическим моделям, следовало ожидать существование еще одного – шестого - кварка (истинного кварка, от англ. ), который был обнаружен в 1995 г.

    Таким образом, на данном этапе развития наших представлений о структуре материи на первый план выходят "новые элементарные частицы" - кварки. Все адроны состоят из шести кварков и есть достаточно серьезные основания считать, что их не должно быть больше. Все кварки являются фермионами.

Кварки u, c, t называются верхними (их электрический заряд равен + 2/3 e), кварки d, s, b – нижними (их электрический заряд равен ‒ 1/3 e), где e - элементарный электрический заряд. Дробный электрический заряд является характерной особенностью кварков, у других известных элементарных частиц он не встречается. Типы кварков различаются значениями присущих им квантовых чисел и массами. Типы кварков характеризуются также значениями следующих внутренних квантовых чисел: изотопического спина I и его проекции I_s, странности S, очарования C, красоты b и истинности t, которые определяют так называемый аромат кварка. Аромат – в теории элементарных частиц – характеристика типа кварков. Каждому из шести известных типов кварков отвечает свой аромат (например, странность, очарование, прелесть). Аромат сохраняется в сильном и электромагнитном взаимодействиях и не сохраняется в слабом.

   Кварки имеют еще одну особую квантовую характеристику – цвет. Каждый тип кварка представлен тремя разновидностями, отличающимися друг от друга характеристикой, названной цветом. Кварки могут находиться в трёх различных цветовых состояниях независимо от их аромата. Цветовые состояния кварков называют красным , синим и зелёным Антикварки обладают антицветом . Комбинация двух кварков с противоположным цветом («цвет» - «антицвет») образует мезоны, а трёх кварков с определённым сочетанием цветов, дающих в сумме «белый» цвет – барионы. Это чисто условные названия. Главное, что каждый кварк имеет еще три дополнительных квантовых числа. Гипотеза о существовании цвета у кварков, впервые высказанная в 1965 году независимо Н. Боголюбовым, Б. Струминским, А. Тавхелидзе и Ханом, Й. Намбу, была впоследствии подтверждена в большом количестве экспериментов. Существует цветовая симметрия сильных взаимодействий. Сильное взаимодействие кварка не зависит от его цветового состояния, т.е. оно одинаково для всех трех цветов. Поскольку адроны состоят из кварков, то структура адронов в основном определяется сильным и электромагнитным взаимодействием кварков.

Все адроны состоят из шести кварков и есть достаточно серьезные основания считать, что их не должно быть больше. Квантовые числа кварков приведены в таблице.

Характеристики кварков
Характеристика	Тип кварка
	d	u	s	c	b	t
Электрический заряд Q	-1/3	+2/3	-1/3	+2/3	-1/3	+2/3
Барионное число B	1/3	1/3	1/3	1/3	1/3	1/3
Спин J	1/2	1/2	1/2	1/2	1/2	1/2
Четность P	+1	+1	+1	+1	+1	+1
Изоспин I	1/2	1/2	0	0	0	0
Проекция изоспина I3	-1/2	+1/2	0	0	0	0
Странность s	0	0	-1	0	0	0
Charm c	0	0	0	+1	0	0
Bottomness b	0	0	0	0	-1	0
Topness t	0	0	0	0	0	+1
Эффективная масса, ГэВ	≈0.0075	≈0.005	≈0.150	≈1.8	≈5	≈175
Масса "свободного" кварка, ГэВ	~0.006	~0.003	0.08-0.15	1.1-1.4	4.1-4.9	174+5

В таблице приведены лишь «эффективные» массы кварков. Это связано с тем, что кварки в свободном состоянии не наблюдались. Поэтому прямых данных о массах кварков нет. Имеются лишь косвенные оценки величин масс кварков, которые получены из их различных динамических проявлений в характеристиках адронов, а также в различных процессах, происходящих с адронами.

Конфайнмент [англ. confinement – ограничение] – центральная гипотеза современной теории сильных взаимодействий, объясняющая невозможность обнаружения в экспериментах кварков и глюонов, характеризуемых квантовым числом цвет; невылетание (пленение) цветных кварков и глюонов, удержание их внутри бесцветных адронов. Гипотеза удержания цвета состоит в том, что эти частицы могут существовать только в связанном виде внутри адронов: при соединении кварков в адроны они компенсируют свои цветовые заряды и удовлетворяют признаку бесцветности. Считается, что кварки существовали в свободном виде в первые мгновения жизни нашей Вселенной, когда они обладали столь большими энергиями (~ 10¹⁵ ГэВ), что не могли образовываться адроны. По мере расширения Вселенной и охлаждения кварки и антикварки образовали мезоны и барионы.

Подчеркнем основные положения кварковой модели адронов:

• все сильновзаимодействующие частицы состоят из кварков; кварки являются фермионами; по современным представлениям они бесструктурны;

• кварки имеют внутренние квантовые числа: электрический заряд Q, спин 1/2, четность P, барионное число B, изоспин I, проекцию изоспина I₃, странность s, шарм c, bottomness b, topness t (совокупность этих внутренних квантовых чисел, характеризующих определенный тип кварка, называется также "ароматом" кварка), цвет;

• квантовые числа кварков определяют характеристики адронов;

• барионы (фермионы с барионным числом B = 1) строятся из трех кварков;

• антибарионы (фермионы с барионным числом B = -1) строятся из трех антикварков;

• мезоны (бозоны с барионным числом B = 0) строятся из кварка и антикварка;

• число цветов кварков равно трем - красный, зеленый, синий;

• известные барионы и мезоны - бесцветны;

• кварки в адронах связаны глюонами;

• кварки участвуют в электромагнитных взаимодействиях, излучая или поглощая   -квант, при этом не изменяется ни цвет, ни тип (аромат) кварков;

• кварки участвуют в слабых взаимодействиях, излучая или поглощая   или Z-бозоны, при этом может изменяться тип (аромат) кварка, но цвет кварка при этом остается без изменения;

• кварки участвуют в сильных взаимодействиях, излучая или поглощая глюон g, при этом изменяется цвет кварка, а его тип (аромат) остается неизменным.

Приведем кварковый состав некоторых известных барионов и мезонов:

Частица	Состав	Частица	Состав	Частица	Состав

    Кварковая модель позволяет качественно описать структуру адронов, получить их квантовые числа. Особое место занимают мезоны, для которых кварковая модель позволяет количественно рассчитать спектры масс. Это семейства мезонов, состоящие из тяжелых кварков – чармоний ( ) и боттомоний ( ). Спектры их подобны спектрам водородоподобных атомов. Изучение подобных систем (кваркония) позволяет получить важную информацию о природе сильного взаимодействия.

При формултровке кварковой модели кварки рассматривались как гипотетические структурные элементы, позволяющие лписать свойства адронов. В последующие годы были проведены эксперименты, которые позволяют считать кварки реальными материальными образованиями внутри адронов. В 1968 г. были проведены эксперименты по глубоконеупругому рассеянию электронов на нуклонах, напоминающие опыты Резерфорда по рассеянию - частиц на атомах. Эти эксперименты выявили наличие внутри нуклонов точечных заряженных образований с зарядами и Изучение процессов рождения адронов при аннигиляции электронов и позитронов позволило определить спин кварков, который оказался полуцелым. Таким образом, квантовые числа кварков, заданные на основании теоретических соображений, получили экспериментальное подтверждение. Кварки фактически приобрели статус новых элементарных частиц.