Кварки — частицы, из которых состоят адроны
Murray Gell-Mann |
George Zweig |
В 1964 году независимо друг от друга М. Гелл-Манн и Д. Цвейг предложили модель кварков — частиц, из которых могут состоять адроны. Появление такой модели было вполне естественным. Эксперименты по 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. Однако для того чтобы объяснить наблюдаемые свойства адронов, кваркам пришлось приписать довольно необычные свойства. Кварки должны иметь дробный электрический заряд +2/3 или -1/3. Барионы «конструировались» из трех кварков, мезоны — из кварка и антикварка.
Кварки
u
d s
Все обнаруженные до 1974 г. адроны можно было описать, составляя их из кварков трех типов
— u, d, s. Модель адронов, состоящих из u-, d-, s-кварков, казалась достаточно замкнутой — практически каждой комбинации кварков соответствовала экспериментально наблюдаемая частица.
Однако расщепить частицы на отдельные кварки оказалось невозможно. Наблюдались только связанные состояния кварка в адронах. Возникла проблема — отсутствие кварков в свободном состоянии.
Кварковаяструктураадронов
p (uud)
n(udd)
Λ(uds)
Ξ0 (uss)
Ξ− (dss)
Q(u) = + 23 e
Q(d, s) = −13 e
Кварки должны иметь дробный электрический заряд
π+ |
|
|
) |
K + |
(us ) |
(ud |
|||||
π− |
(ud) |
K − |
(us) |
||
Кварки имеют спин
J (q) = 12
Кварки. Начало 80-х
Clyde Cowan
Являются ли кварки реальными частицами либо просто математическими измышлениями, нужными только для классификации адронов, ещё неясно. В начале 1970 г. в научных журналах было опубликовано несколько работ, авторы которых заявляли об обнаружении кварков в космических лучах, однако пока это не подтверждено.
Если кварки и в самом деле существуют в природе, то из этого факта мы можем вывести целый ряд замечательных следствий. В частности, космогонические теории и теории источников излучения звёзд придётся коренным образом пересмотреть. Кварки смогут выступать в роли эффективных катализаторов ядерных реакций. Вполне возможно, что по крайней мере один из трёх кварков окажется стабильным и не будет распадаться, а, может быть, и все три будут стабильными.
К. Коэн.
Струи
адронов
e+e− аннигиляция
Одним из способов образования кварков
является процесс e+e−-аннигиляции.
Как на языке диаграмм Фейнмана описать
процесс рождения кварков в результате e+e− - аннигиляции? Механизмы образования qq и
μ+μ− должны быть аналогичными.
Впроцессе рождения адронов в e+e− -
аннигиляции на первом этапе происходит взаимное уничтожение электрона и позитрона с образованием фотона. Затем виртуальный фотон образует кварк-антикварковую пару. Из законов сохранения энергии и импульса следует, что образовавшаяся кваркантикварковая пара имеет ту же энергию, что и сталкивающиеся электрон и позитрон. Однако, так как кварки не могут существовать в свободном состоянии, они подхватывают из вакуума другие кварки, образуя адроны. Из закона сохранения импульса следует, что импульсы адронов должны быть направлены по импульсам первоначально образовавшихся кварков.
e+e− аннигиляция
μ+ |
e+ |
|
μ+ |
e+ |
e− |
γ |
|
μ− |
e− |
μ− |
Для точечных частиц со спином J=1/2 сечение образования фермионов в реакции однофотонной аннигиляции:
dσ |
= |
α2 |
|
+cos |
2 |
θ +(1 |
−β |
2 |
) sin |
2 |
2 |
dΩ |
|
|
|
|
|||||||
4s β 1 |
|
|
|
θ Qf |
|||||||
β - скорость фермионов в конечном состоянии Qf - заряд фермионов в единицах заряда протона
s = (Ee− + Ee+ )2
|
|
При β ≈1 |
|||
σ ≈ |
4πα2 |
Q2f |
= |
86.8 Q2f нбарн |
|
3s |
s (ГэВ2 ) |
||||
|
|
|
|||
Адронныеструи
Кварки являются реальными частицами, т.к. имеются наблюдаемые эффекты их существования на малых расстояниях. Один из таких эффектов проявляется в образовании адронных струй.
Адронная струя — это совокупность адронов летящих в одном направлении. Если бы кварки реально не
существовали, то адроны, рождающиеся в e+e− -
столкновениях, разлетались бы равномерно по всем направлениям. Однако было обнаружено, что струи адронов действительно наблюдаются. Средний угол раствора струи уменьшается с ростом ее энергии, т.е. адроны группируются вокруг направления вылета кварка. При энергии ~20 ГэВ составляющие струю адроны занимают ~5% от полного телесного угла. Адронные струи наблюдаются также в процессах глубоко неупругого рассеяния лептонов на нуклонах и в процессах взаимодействия адронов с большой передачей импульса и энергии. В этом случае динамика процесса взаимодействия адронов эффективно определяется взаимодействием отдельных кварков, входящих в состав адрона. Наблюдение адронных струй — одно из доказательств существования кварков.