11.13. Кварки

Кварки - элементарные микроскопические частицы, входят в состав всех адронов. К настоящему времени известны кварки: u, d, s, c, b и t.

Последний tкварк пока используется в теории.

Кварки различаются значениями квантовых чисел, массами и т. д. Кварки u, c, t имеют заряд +2/3; кварки d, s, b – заряд –1/3.

Массы кварков: m_u  5 МэВ; m_d  7 МэВ; m_s  150 МэВ; m_c  1,3 ГэВ;

m_b  5 ГэВ; m_t22 ГэВ.

Каждый тип кварка q_i предоставлен тремя разновидностями , у которых квантовые числа и масса одинаковы, но различаются цветом.

Их называют при =1, 2, 3 соответственно красный, желтый, голубой.

Смесь их бесцветна.

Каждый барион состоит из трех кварков, каждый мезон - из кварка и антикварка.

Например, протон = (uud), нейтрон =(udd), плюсмезон ⁺=(u).

Кроме того, каждый барион окружен “морем” виртуальных кварк-антикварковых пар и глюонов. Эксперименты на ускорителях доказали кварковую структуру материи. Кварки в нуклонах можно представить как точечно-подобные бесструктурные частицы размером 10^18 м, окруженные “шубой” из глюонов и кварк-антикварковых пар размером 10^16 м.

Кварки в барионах связаны между собой сильными взаимодействиями и в свободном состоянии не существуют. Однако теория сильных взаимодействий  квантовая хромодинамика -предсказывает существование фазового перехода адронной материи в кварк-глюонную плазму в условиях сильного сжатия и нагревания. Свойства кварков определяют особенности тех барионов, в состав которых они входят. Все три поколения кварков: u и d; s и c; b и t, входили в состав кваркглюонной плазмы в первые моменты после “Большого Взрыва” (10^6 с).

Всем кваркам приписывают барионное число , с тем чтобы барионы имели В = 1.Тип кварка характеризуется значениями внутренних квантовых чисел: изотопического спина (I) и его проекции (I_s); странности (s); очарования (с) и красоты (b), определяющих аромат кварков.

Таблица 11.3

Символ		Название	В	I	Is	s	c	b	t	Q
u d s c b t	верхний нижний странный очарованный красивый истинный			0 0 0 0	 0 0 0 0	0 0 1 0 0 0	0 0 0 1 0 0	0 0 0 0 1 0	0 0 0 0 0 1	0 0

Не исключено, что в аромат могут входить и другие квантовые числа, например, истинность (t), связанная с tкварком (табл. 11.3).

Электрический заряд кварков определяется обобщенной формулой

. (11.33)

Для каждого типа кварка, аромат и электрический заряд одинаковы для всех цветов, т. е. для всех значений .

Особенностью кварков является дробный электрический заряд, кратный (табл. 11.3).

Результаты теории квантовой хромодинамики кварков и глюонов свидетельствуют о необычных свойствах сил взаимодействия между ними.

Невозможность отрыва кварков из адронов обусловлена тем, что все глюоны, испускаемые кварками, сосредоточиваются только вблизи линий, соединяющих кварки, образуя узкую трубку глюонного поля (рис. 11.15).

Так как глюонное поле не рассеивается в окружающее пространство, то глюоны также не вылетают из адронов и поэтому их невозможно зарегистрировать.

Рис. 11.15

Рис. 11.16

Другой отличительной особенностью кварков является ослабление их взаимодействия при уменьшении расстояния между ними (асимптотическая свобода).Изза удержания кварки могут выбиваться только вместе с антикварками. Например, возбуждение бариона состоит в том, что один из кварков бариона начинает удаляться от остальных кварков (рис. 11.16, где кваркбелый кружок, антикваркчерный кружок). По мере удаления кварка энергия возбуждения бариона возрастает и при достижении некоторого порога рождения пары кваркантикваркрождается эта пара. Кварк, возникшей пары притягивается оставшимися двумя кварками бариона и присоединяется к ним, восстанавливая барион в невозбужденном состоянии. Возникший антикварк объединяется с удаляющися кварком, образуя пару, которая регистрируется как мезон, испущенный барионом.

Гипотеза кварков не только объясняет свойства адронов, но и является естественным основанием теории ядерных сил, раскрывающей механизм ядерных взаимодействий. В специальных опытах, подтверждающих гипотезу кварков, обнаружены в адронах точечные образования, называемые партонами.