§ 129. Кварки

В останні роки виявлена велика кількість нових части­нок з дуже малим часом життя — близько 10 ' с. Ці час­тинки були названі резонансяамн частинками, резонан­сами або резошшалш, Підставою для того, щоб вважати резонанси частинками, є те, що в ряді випадків під час утворення, а також розпаду вони поводять себе як одна частинка з певними характеристиками: електричним і баріонним зарядами, спіном та іншими характеристиками, яких ми не розглядали. Резонанси мають також певні імпульси й енергії.

З відкриттям цих частинок неозначеність поняття «елементарна частинка» стала особливо помітною. Це при­вело до спроб побудувати всі елементарні частинки з яки­хось нових частинок, ще елементарніших за всі відомі досі. До того ж експерименти показали, що адрони (мезони, баріони і резонанси) мають внутрішню структуру. У 1963 р. американські фізики М. Гелл-Манн і Дж. Цвейг неза­лежно один від одного запропонували гіпотезу, згідно якої адрони побудовані з так званих кварків — частинок, які мають заряди, менші за елементарний заряд, тобто мають заряди_: які є дробовими раціональними частинами від є. Три сорти кварків позначаються літерами и, d і s (від англійських слів up (вгору), down (вниз) і sideways (вбік) (з частіше порівнюють із словом strange — дивний). Вва­жається, що кварки мають дробовий електричний заряд,

який дорівнюєабо 2/3 заряду електрона, тобто менший

від заряду, який раніше вважався мінімальним.

Усі відомі на той час адрони теоретично молена було побудувати з кварків трьох типів: и, d і s. Мезони скла­даються з пар кварк — антикварк. Наприклад,-мезон є парою-мезон є парою us. Баріони складаються

з трьох кроків. Наприклад, нейтрон, а антипро-

тон

Незабаром вісля появи гіпотези кварків фізики розпо­чали пошуки цих частввок. Хоча є побічні експеримен­тальні докази їх існування, безпосередньо виявити кварки не удалося. Було висловлено припущення, що кварки зв'язані дуже сильно і не існують у вільному стані (міс­тяться в адронах).

У 1964 р. ряд фізиків ишгдо—в припущення про існування четвертого кварка, виходячи з глибокої симетрії природи, включаючи зв язок кварків з лептонами. Якщо

існують (як вважали в 60-х роках) чотири лептони (елек трон, мюон і два типи нейтрино), то й кварків має буті чотири. Четвертий кварк дістав назву зачарованого. Його електричний заряд повинен дорівнювати + 2/Зе. Крім того, четвертий кварк повинен мати ще одну властивість, яка відрізняє його від решти трьох кварків. Ця нова власти вість, або квантове число, було названо зачаруванням; (або чармом). Передбачалося, що зачарува С збері гається у сильній і електромагнітній взае:^ -діях і не зберігається у слабкій взаємодії. У нового зачарованого кварка, в його антикварка С= — 1.

Між тим з точки зору експерименту необхідності в зачарованому кваркові не виникало. До 1974 р. усі відомі адрони вдавалося пояснити комбінаціями трьох раніше введених кварків. Були відомі адрони, які відповідали всім можливим комбінаціям трьох кварків і парам кварк — антикварк. Однак у 1974 р. було відкрито новий ма­сивний мезон, який дістав назву-мезона або просто Ч^г-мезона. Існузалня цього мезона можна було пояснити за допомогою зачарованого кварка.

Останнім часом експериментально було відкрито т-ме-зон, якому як електрону і мюону, відповідає своє нейтрино. Таким чином, сім'я лептонів у тому вигляді, як вона сього­дні відома, нараховує шість членів. Це порушило б симет рію між лептонами й кварками, які розглядаються як «цеглини світобудови», коли б не два нові кварки. Фізики-теорєтики висунули гіпотезу про існування п'ятого і шос­того кварків. їх назвали -кварками [від англій­ського top (вгору) і bottom (низ)] за аналогією з и- і d-кварками. Дехто визнає за краще називати кварки справжніми (від англійського truth), а-кварки гарними (від англійського beauty).

Незабаром після виникнення моделі кварків була висунута гіпотеза, що кварки мають ще одну властивість (або якість), яка дістала назву колір. Різницю між п'ятьма чи шістьма кварками и, d, s, c, b і t почали називати арома­том. Згідно з існуючими уявленнями, кожен з ароматів кварка може мати три кольори, які звичайно позначають як червоний, зелений і синій. (Звичайно назви власти­востей кварків «колір» і «аромат» не мають нічого спіль­ного з нашими зоровими чи нюховими відчуттями і були примхою їхніх авторів, як і інші терміни в цій новій галузі, наприклад, «зачарування».) Кольори антикварків нази­вають відповідно античервоним, антизеленим і антисинім.

Баріони містять три кварки — по одному кожного кольо­ру; мезони складаються з пари кварк — антикварк певного кольору і відповідного антикольору, тому і баріони, і мезони виявляються «білими» або- «безбарвними».

Згодом з кольором кварка почали зв'язувати взаємодію, яка утримує кварки в адроні. Кожному кварку припи­сують кольоровий заряд, аналогічний до електричного заряду, і сильну взаємодію між кварками часто називають кольоровою взаємодією. Нова теорія сильної взаємодії дістала назву квантової хромодинаміки (від грецького «хромос» — колір). Частинки, які передають взаємодію (аналогічні фотонам в електромагнітній взаємодії) нази­вають глюонами (від англійського— клей). Згідно з теорією, існує вісім глюонів, усі з нульовою масою спо­кою, шість з них мають кольоровий заряд. Таким чином, глюони змінили мезони в ролі частинок, які передають сильну (кольорову) взаємодію.

Слабку взаємодію передають теоретично передбачені -частинки. Ця взаємодія обумовлена «слаб­ким зарядом», який має кожна частинка. Таким чином, кожна елементарна частинка має електричний заряд, слаб­кий заряд, кольоровий заряд і гравітаційну масу (хоча одна чи навіть кілька з цих характеристик можуть дорів­нювати нулю).

У сучасних фізичних теоріях істинно елементарними частинками є фотон, лептони, кварки, глюони,-ча-

стинки. Фотон і лептони спостерігаються на досліді, і нещодавно нарешті вдалося спостерігати-частин-

ки. Досі спостерігалися лише комбінації кварків (баріони, мезони). Досить ймовірно, що кварки не існують у віль­ному стані. З другого боку, деякі фізики вважають, що лептони і кварки не є фундаментальними частинками, а складаються з іще більш фундаментальних частинок. Чи це так, покаже майбутнє.