Введение в ядерную физику / Voprosy_43-48_Elementarnye_chastitsy

Вопрос – 47. Кварковая модель барионов и мезонов. Глюоны. Цвет.

В 60-е годы М. Гелл-Манном и Дж. Цвейгом была выдвинута гипотеза о том, что все частицы, участвующие в сильных взаимодействиях, построены из более фундаментальных частиц – кварков. Все кварки имеют спин, равный 1/2. В настоящее время установлено существование пяти разновидностей кварков: и, d, s, с, b, t.

Кварки и, с и t имеют электрический заряд, равный +2/3, а кварки d, s и b - заряд, равный -1/3. Кварки с зарядом +2/3 принято называть верхними, а с зарядом -1/3 - нижними. Обозначения кварков происходят от английских слов up, down, strange, charm, bottom, top.

Все адроны можно разбить на два больших класса. Одни, называемые барионами, состоят из трех кварков. Барионы - фермионы, у них - полуцелый спин. Другие - называемые мезонами, состоят из кварка и антикварка. Мезоны - бозоны, у них - целый спин.

Адроны также характеризуются квантовыми числами s (странность), c (очарование), b (красота), t (истина), изоспином I и его третьей проекцией I3. Мезоны и барионы можно образовать из кварков различных типов,

составляя их различные комбинации. Например

При этом одному и тому же кварковому составу могут соответствовать различные состояния, отличающиеся ориентациями спинов и изоспинов кварков.

Для согласования кварковой модели адронов с принципом Паули был предложен новый, усложненный вариант модели. Эта модель была предложена в 1965г Н. Н. Боголюбовым, Б. В. Струминским, А. Н. Тавхелидзе в СССР и независимо Й. Намбу, М. И. Ханом в США. В ней каждый из кварков может появляться в трех различных состояниях, идентичных по всем свойствам, кроме нового особого свойства, названного

“цветом” (например, кварки могут быть красными, синими или желтыми). Определенный тип кварков (u, d

или s) часто именуют “ароматом”. Кварки, как говорят, различают по цвету и аромату. Согласно этой терминологии каждый аромат кварка может проявляться в трех различных цветовых состояниях, характеризуемых одинаковыми массами, электрическими зарядами и всеми другими свойствами. Антикварки имеют цвета антижелтый, антисиний, антикрасный. Число различных кварков, включая антикварки, равно: 6 x 2 x 3 = 36.

Чтобы результаты новой кварковой модели согласовались с действительностью, вводится принцип “бесцветности”. Согласно этому принципу все адроны должны быть бесцветными или белыми. Это означает, что каждый барион должен состоять из трех кварков различных цветов. Так как кваркам приписывают основные цвета спектра, то каждая комбинация может быть названа белой, поскольку при смешении основных цветов получается белый цвет. При таком построении барионов принцип Паули выполняется автоматически.

Мезоны также бесцветны: каждый из них состоит из кварка и антикварка, цвета которых дополнительны. Причем цвет и антицвет кварков любого аромата непрерывно меняются. Аналогично цвета кварков в барионах не фиксированы и претерпевают непрерывные изменения. Гипотеза бесцветности однозначно приводит к определенным правилам конструирования барионов и мезонов из кварков и автоматически исключает комбинации из двух или четырех кварков.

Глюоны - частицы со спином J = 1 и нулевой массой переносят сильное цветное взаимодействие между кварками. При испускании или поглощении глюона кварки изменяют свой цвет. При этом остальные квантовые числа кварка и его аромат не изменяются. Глюоны обладают цветом. Из трех цветов (к, с, з) и трех антицветов (, , ) можно составить таблицу возможных комбинаций глюонов

Из элементов, не расположенных на диагонали можно составить 6 различных цветных комбинаций (с, з, к, ...) Из 3 элементов, расположенных на диагонали к, с, з можно построить 3 независимые комбинации (к + с + з), (

к - з), (к + з - 2с). Первая из этих комбинаций (к + с + з) является полностью симметричной по цвету и представляет из себя бесцветный цветовой синглет. Следовательно частица, имеющая такую цветовую комбинацию не может быть переносчиком цвета между кварками. Комбинации (к - з) и (к + з - 2с) не являются симметричными по цвету и вместе с шестью не диагонально расположенными комбинациями

представляют 8 типов глюонов - переносчиков сильного цветного взаимодействия. Взаимодействие глюонов ответственно за удержание кварков внутри адрона. В отличие от константы электромагнитного взаимодействия, константа сильного цветного взаимодействия растет с увеличением расстояния между кварками.

Вопрос – 48. Фундаментальные взаимодействия. Фундаментальные частицы. Лептоны и кварки. Стандартная модель.

Фундаментальные взаимодействия - качественно различающиеся типы взаимодействия элементарных частиц и составленных из них тел. На сегодня достоверно известно существование четырёх фундаментальных взаимодействий, и по мере увеличения интенсивности фундаментальные взаимодействия располагаются в следующем порядке:

●гравитационное - универсальное фундаментальное взаимодействие между всеми материальными телами. Это взаимодействие носит универсальный характер, в нем участвуют все виды материи, все объекты природы, все элементарные частицы. Общепринятой классической (не квантовой) теорией гравитационного взаимодействия является эйнштейновская общая теория относительности.

●слабое - фундаментальное взаимодействие, ответственное, в частности, за процессы бета-распада атомных ядер и слабые распады элементарных частиц. Это взаимодействие является наиболее слабым из фундаментальных взаимодействий, экспериментально наблюдаемых в распадах элементарных частиц, где принципиально существенными являются квантовые эффекты (квантовые проявления гравитационного взаимодействия никогда не наблюдались). Слабое взаимодействие выделяется с помощью следующего правила: если в процессе взаимодействия участвует элементарная частица, называемая нейтрино (или антинейтрино), то данное взаимодействие является слабым.

Типичный пример слабого взаимодействия - это бета-распад нейтрона:

n p + e- + e,

где n - нейтрон, p - протон, e- - электрон, e - электронное антинейтрино. Следует, однако, иметь в виду, что указанное выше правило совсем не означает, что любой акт слабого взаимодействия обязан сопровождаться нейтрино или антинейтрино. Известно, что имеет место большое число безнейтринных распадов. В качестве

примера можно отметить процесс распада лямбда-гиперона на протон p и отрицательно заряженный пион

π−.

● электромагнитное - существует между частицами, обладающими электрическим зарядом. В электромагнитном взаимодействии участвуют все заряженные тела, все заряженные элементарные частицы. С точки зрения квантовой теории переносчиком электромагнитного взаимодействия является элементарная частица фотон - безмассовый бозон со спином 1. Заряженная частица испускает фотон, в силу чего состояние ее движения изменяется. Другая частица поглощает этот фотон и также изменяет состояние своего движения. В результате частицы как бы чувствуют наличие друг друга. Хорошо известно, что электрический заряд является размерной величиной. Удобно ввести безразмерную константу связи электромагнитного взаимодействия. Для этого надо использовать фундаментальные постоянные и c. В результате приходим к следующей безразмерной константе связи, называемой в атомной физике постоянной тонкой структуры:

α= e2/c ≈1/137.

●сильное - участвуют кварки и глюоны и составленные из них частицы, называемые адронами (барионы и мезоны). Сильное взаимодействие ответственно за устойчивость атомных ядер. Поскольку атомные ядра большинства химических элементов стабильны, то ясно, что взаимодействие, которое удерживает их от распада, должно быть достаточно сильным. Хорошо известно, что ядра состоят из протонов и нейтронов. Чтобы положительно заряженные протоны не разлетелись в разные стороны, необходимо наличие сил притяжения между ними, превосходящих силы электростатического отталкивания. Именно сильное взаимодействие является ответственным за эти силы притяжения.

Фундаментальными называют частицы, которые по современным представлениям не имеют внутренней структуры. В 1963 году М. Гелл-Маном и Цвейгом была предложена идея кварковой структуры адронов. За последние 40 лет эта идея была подтверждена целым рядом экспериментов. Экспериментально открыты 12 фундаментальных фермионов (спин 1/2). Из них 6 лептонов, формирующих 3 поколения:

и 6 кварков, также сгруппированных в 3 поколения:

Тип кварка (u,d,s,c,b,t) принято называть его ароматом (flavor). В таблице 4 перечислены характеристики кварков. Помимо перечисленных в таблице характеристик, кварки обладают еще одним квантовым числом, называемым «цвет» (color). Каждый из 6 ароматов кварков (u,d,c,s,b,t) существует в трех цветовых разновидностях, например: зеленой, синей и красной. Антикварки имеют соответствующий антицвет: антизеленый, антисиний, антикрасный. Адроны «бесцветны», то есть цвета составляющих их кварков перемешаны поровну и в сумме дают отсутствие цвета («белый» цвет).

Кварки в свободном состоянии не наблюдаются, они входят в состав адронов — частиц, участвующих в сильных взаимодействиях. Адроны, имеющие полуцелый спин, называются барионами. Известные барионы состоят из трех кварков (qqq) и имеют барионный заряд B = 1. К числу барионов относятся протон и нейтрон с кварковыми структурами p=(uud), n=(udd).

Частицы, имеющие целый спин, называются мезонами. Они имеют барионный заряд В = 0. Мезоны состоят из кварка и антикварка (q).

Переносчики сильного взаимодействия − глюоны имеют не один, а два цветовых индекса (цвет и антицвет). Всего имеется 8 цветных глюонов, поскольку комбинация з + с + к не имеет цветового заряда (т.е. является «белой») и, следовательно, не переносит сильное взаимодействие. В свободном состоянии глюоны не существуют. Они, как и кварки, «заперты» внутри бесцветных адронов.

Кроме кварков существует еще шесть типов фермионов со спином 1/2, называемых лептонами. Они не участвуют в сильных взаимодействиях. В отличие от кварков, любой из шести лептонов наблюдается в свободном состоянии. Электрон − самый изученный лептон. Два других заряженных лептона − мюон (открыт в 1937 году в космических лучах) и тау-лептон (открыт в 1975 году на ускорителе). Остальные три лептона − это нейтрино, нейтральные частицы с очень большой проникающей способностью и, вероятно, очень малой массой (если она вообще у них есть). Каждому заряженному лептону соответствует свое нейтрино. Для каждого из шести лептонов существует антилептон с такой же массой и противоположным электрическим зарядом и лептонным квантовым числом.

Одной из задач физики является объединение различных взаимодействий в рамках единого описания. В 1960-х годах слабое и электромагнитное взаимодействия были объединены в единую теорию электрослабого взаимодействия. Теория, описывающая с единых позиций электромагнитное и слабое взаимодействия кварков и лептонов, называется Моделью электрослабого взаимодействия Глэшоу-Вайнберга-Салама. Объединение происходит при энергиях порядка энергии покоя Z-бозона, т.е. при энергиях порядка 90 ГэВ. Модель электрослабого взаимодействия вместе с КХД составляют Стандартную Модель (СМ) взаимодействия элементарных частиц. В настоящее время нет ни одного экспериментального факта, противоречащего предсказаниям СМ.