Таблица 19

Характеристики кварков

7.9. Адронные струи

Аннигиляция позитрона-электрона e+e− происходит в резуль-

тате электромагнитного взаимодействия. Частицы e− и e+ аннигилируют, и рождается виртуальный фотон, который может создать любые частицы с энергией электрона и позитрона:

Еγ = Еe+ + Еe−

В частности, при e+e− могут образоваться пары µ+µ– и qq . Из

закона сохранения энергии и импульса следует, что пара кваркантикварк ( qq ) имеет ту же энергию, что и сталкивающиеся лепто-

ны. Однако кварки являются цветными объектами и не могут существовать в свободном состоянии. Например, если первоначально образовалась пара cc -кварков, то с-кварк, подхватив из вакуума

d -кварк, может образовать D+-мезон, а c -кварк, подхватив из вакуума d-кварк, может образовать D–-мезон. Такой процесс превращения кварков в адроны называется адронизацией. Ниже с помощью диаграммы Феймана показано рождение пар µ+µ– и qq , а также рождение D-мезона (рис. 30).

119

Адронная струя (АС) – это совокупность адронов, летящих в одном направлении. Средний угол раствора струи уменьшается с ростом ее энергии, т.е. адроны сильнее группируются вокруг направления вылета кварка. При энергии струи ≈ 20 ГэВ составляющие струю адроны занимают ≈ 5 % от полного телесного угла. Эксперимент 1975 г. на установках SLAC (США), PETRA (Германия) показал, что наблюдаются струи адронов.

Поскольку адроны имеют целочисленные заряды, то суммарные заряды адронных струй также целочисленны. Однако если повторять один и тот же опыт по рождению струй много раз с определением среднего по событиям электрического заряда струи, то последний оказывается дробным и величина его такая, какая и должна быть у кварков, образующих адронные струи. Наиболее удобным является глубоко неупругое столкновение нейтрино с нуклоном – νN . В таких процессах переносчик слабого взаимодействия заряженный W+ (W–) бозон может поглотиться лишь кварком d (или u) нуклона, превратившись в кварк u (d), который, вылетая из нуклона, дает начало струе адрона:

νµ + d →μ– + u.

Аналогично νµ будет выбирать в нуклоне кварк u и взаимодействовать с ним:

νµ + u →μ– + d.

Конечный кварк (u и d), получив при глубоко неупругом столкновении основную часть энергии νµ ( νµ ), приобретает боль-

шую скорость и вылетает из нуклона в переднюю полусферу в системе центра инерции (СЦИ). Этот кварк называют лидирующим. Оставшиеся два кварка (наблюдательных) – медленные и летят в заднюю полусферу, что приводит к возникновению двух струй адронов, двигающихся в СЦИ в противоположных направлениях. Струя в передней полусфере несет информацию об аромате (заряде) лидирующего кварка (рис. 32).

121

лидир. u-кварк

струя вперед

Рис. 32. Диаграмма рождения адронной струи при столкновении νµ с протоном р

Если поставить опыт так, чтобы с определением зарядов адронов в струе в передней полусфере одновременно идентифицировать заряд мюона, то будем знать, к какому из двух процессов относится конкретное измерение. Усредняя многие измерения, можно проверить, «помнит» ли струя адронов заряд лидирующего кварка. Такой опыт проведен в 1979 г. в США на установке

TEWATRON с Еν =100–200 ГэВ от протонного ускорителя. Оказа-

лось, что средние заряды адронных струй, образующихся в передней полусфере под действием пучка нейтрино, следующие:

Q(νN )= 0,65 ± 0,12 , Q(νN )= −0,33 ± 0,02 ,

т.е. +2/3 и –1/3 для кварков u и d.

7.10. Открытие t -кварков

После открытия b-кварка (пятого) установлено, что он нарушает симметрию в семействе кварков:

Q = + 2/3 u c,

122

Q = – 1/3 d s b.

Появились веские аргументы в пользу существования шестого кварка, самого тяжелого, с зарядом + 2/3. Теоретически установлено, что если масса t-кварка более 85 ГэВ, то основными каналами

распада кварков t и t должны быть распады за счет слабого взаимодействия (рис. 33):

Рис. 33. Каналы распада t-кварка

Бозоны W + , W − распадаются на два лептона (eνe , µ νµ ) или

кварк – антикварковую пару u d (d u ).

Таким образом, при распаде t-кварка должны наблюдаться либо два лептона и одна адронная струя, вызванная b-кварком, либо

три адронные струи, вызванные кварками b, u, d .

В таких распадах можно измерить импульсы всех образующихся частиц за исключением ν . Дополнительным критерием правильности отбора событий может быть равенство эффективной массы двух адронных струй массе W-бозона. Эксперименты по поиску t-кварка были поставлены на теватроне (США). В 1995 г. он был найден в столкновении пучков p и p в схеме образования t из

протона и антипротона. Один из кварков, входящих в состав протона (q), в результате сильного взаимодействия с одним из антикварков (q ) антипротона образует глюон g, который в свою оче-

редь образует пару t t (рис. 34).

123