§ 6.6. Модель кварков. Фундаментальные фермионы.

В настоящее время уровень элементарных частиц расщеплен на группу адронов и группу фундаментальных частиц. К числу последних относятся, в частности, лептоны. Адроны, согласно современным воззрениям, являются составными частицами.

Первым косвенным указанием на это может служить хотя бы то, что их очень много –несколько сотен. Далее, большинство адронов являются резонансами – крайне нестабильными частицами. Но, главное, у адронов была обнаружена внутрен­няя структура. Уже из результатов опытов по упругому рассеянию электронов на нуклонах, проведенных в 50 – 60-е годы, следовало, что радиусы протона и нейтрона отличны от нуля:

(6.6.1)

При этом электрический заряд и магнитный момент распределены в них неравномерно: они спадают от центра к периферии по экспоненциальному закону (у нейтрона рас­пределение электрического заряда отсутствует). Так, плотность электрического заряда протона хорошо описывается следующей экспериментально найденной формулой:

(6.6.2)

где плотность в центре нуклона, a = 0.23 Фм.

Мало того, опыты по неупругому рассеянию электронов на нуклонах, выполненные в 60 – 70-е годы, выявили зернистую структуру протона и нейтрона.

Практически доказано, что все адроны состоят из кварков — весьма необычных по своим свойствам фундаментальных частиц, у которых имеются и античастицы — ан­тикварки.

В частности, электрические заряды кварков и антикварков имеют дробные (в единицах элементарного заряда е) значения, кратные ¹/₃. Гипотеза кварков сфор­мулирована в 1964 г., когда Гелл-Ман и Цвейг ввели унитарный триплет, частицы которого и были названы кварками. В то время были известны только «обычные» и странные адроны, и для их построения хватало кварков (и антикварков) трех сортов, которые обозначают символами и, d, s (up – «верхний», down – «нижний», strange – «странный»). Кварк s является изосинглетом с Т= 0, но зато у него есть странность s = – 1. Вид введенного Гелл-Маном и Цвейгом унитарного триплета приведен на рис. 6.4.

Теперь можно было сказать, что «обычные» частицы – это такие, которые содержат в своем составе только кварки и и d (или антикварки и ), а в состав странных частиц обязательно входит хотя бы один кварк s (или антикварк ).

Характеристики введенных кварков приведены в Таблице 6.2.

Таблица 6.2. Кварки унитарного триплета

Кварк	Символ	B	J	Y	T	TZ	s
верхний	u	+1/3	1/2	+1/3	+1/2	+1/2	0
нижний	d	+1/3	1/2	+1/3	+1/2	–1/2	0
странный	s	+1/3	1/2	–2/3	0	0	–1

Пространственная четность η_p всех кварков равна +1.

Чуть позже был установлен принцип кварк-лептпонной симметрии: каждому кварку должен отвечать некоторый лептон, и наоборот. Но кварков сначала ввели три (u, d, s), а лептонов было известно уже четыре . Чтобы не нарушалась кварк-лептонная симметрия, пришлось постулировать существование еще и «очарован­ного» (charm) кварка c, а вместе с ним существование и целого семейства «очарован­ных» частиц, включающих этот кварк. Эти теоретически предсказанные частицы действительно были зарегистрированы во второй половине 70-х годов. Их открытие явилось триумфом всей кварковой схемы в целом, и после этого она из теоретической гипотезы превратилась практически в реальность.

Но потом появились еще два лептона ( ), которым должны соответствовать два новых кварка: «прелестный» (beauty) b и «истинный» (truth) t. Можно считать, что вместе с последовавшим в 70 – 80-е годы открытием нескольких частиц, облада­ющих прелестью, был открыт и b- кварк. Что касается семейства «истинных» частиц (шестого кварка t), то ни одна из них пока не зарегистрирована. Скорее всего это связано с тем, что частицы, содержащие t- кварк, должны обладать очень большими массами ~ 100 ГэВ и их не удается генерировать с помощью существующих ускори­телей.

Итак, в настоящее время считается, что имеются кварки шести типов, которые, подобно лептонам, образуют три дублета, или поколения (и, d), (с, s), (t, b). Имеется также три дублета антикварков, значения квантовых чисел которых (кроме, разумеется, спина и изоспина) противоположны по знаку значениям соответствующих квантовых чисел кварков. Характеристики кварков приведены в табл. 6.3.

Таблица 6.3. Кварки

Тип кварка	Символ	B	J	q	T	TZ	C	s	t	b
верхний	u	+1/3	½	+2/3	½	+1/2	0	0
нижний	d	+1/3	½	-1/3	½	–1/2	0	0
очарованный	c	+1/3	½	+2/3	0	0	+1	0
странный	s	+1/3	½	-1/3	0	0	0	–1
истинный	t	+1/3	½	+2/3	0	0	0	0	+1
прелестный	b	+1/3	½	-1/3	0	0	0	0		+1

Пространственная четность η_p всех кварков равна +1.

Принципы построения адронов из кварков следующие:

• каждый мезон М строится из одного кварка q и одного антикварка ,

(6.6.3)

• каждый барион В – из трех кварков q:

(6.6.4)

Так как у реально регистрируемых барионов, по определению, барионный заряд равен +1, то каждому кварку необходимо приписать его дробное значение + 1/3 (У антиквар­ков В= –1/3 ). Любой данный адрон легко построить из кварков, зная его квантовые числа и пользуясь «формулами» (6.6.3), (6.6.4) и табл. 6.3. Кварковый состав некоторых групп адронов приведен ниже.