3. Гипотеза кварков.

Элементарные частицы, участвующие в сильных взаимодействиях, называют адронами. Адроны делятся на барионы и мезоны.

Частицы	Примеры	Участвуют во взаимодействиях
Адроны (барионы и мезоны)	Нуклоны (протон, нейтрон), пи-мезоны и др.	Сильные, слабые, электромагнитные
Лептоны	Электрон, электронное нейтрино, мюон, мюонное нейтрино, тау-лептон, тау-нейтрино	Слабые, электромагнитные

В 1964 г. Гелл-Манн и независимо Цвейг предложили гипотезу, согласно которой адроны состоят из более мелких частиц, обладающих дробным зарядом е/3 или 2е/3. Кварки бывают 6 типов (ароматов):

• u – up, +2/3

• d – down,-1/3

• s – strange,-1/3

• c – charm, +2/3

• b – beauty (bottom), -1/3

• t – true (top) +2/3.

Каждый аромат может существовать в одном из 3 состояний, называемых “цветом” - красном, синем или зеленом. Считается, что три цвета вместе дают белый цвет, или, иными словами, не имеют цвета (бесцветны).

У каждого кварка, кроме того, есть своя античастица – антикварк, противоположный по заряду и цвету. Пара “цвет”-“антицвет” также бесцветна. Всего, таким образом, получается 36 различных частиц, из которых можно составить барионы и мезоны.

Каждый барион составлен из 3 кварков таким образом, чтобы в результате цвет получился белым, или бесцветным, например, p = uud, n = udd, мезон – из пары кварк – антикварк, т.е. мезон также бесцветен.

Составляя различные сочетания кварков с учетом требования бесцветности, можно получить все известные элементарные частицы и предсказать свойства еще не открытых частиц. Таким образом были обнаружены, по-видимому, все возможные в природе частицы.

Кварки вступают в сильное взаимодействие, обмениваясь глюонами – квантами соответствующего поля, которые как бы “склеивают” кварки в единую частицу. Известно 8 типов глюонов. Они также обладают цветами. Цвет глюонов смешанный и состоит из пары цвет-антицвет, например, синий – антикрасный. Испуская глюон, кварк меняет свой цвет, но не аромат.

Участвуя в слабом взаимодействии, кварк, напротив, не меняет свой цвет, а аромат меняется. Кварки, как заряженные частицы, участвуют и в электромагнитном взаимодействии, при этом их цвет и аромат сохраняются.

Заметим, что кварки до сих пор экспериментально не обнаружены, возможно, что это нельзя сделать принципиально. Однако теория кварков оказалась эвристичной, хорошо объясняет ранее известные факты и предсказывает новые, поэтому в настоящее время является общепринятой.

4. Элементарные частицы и фундаментальные взаимодействия.

В соответствии с концепцией близкодействия, все фундаментальные взаимодействия обеспечиваются посредством соответствующих полей. Эти поля материальны, т.е. обладают энергией. Квантами этих полей и являются элементарные частицы - переносчики взаимодействий (см. лекцию 4):

• Сильные – глюоны

• Электромагнитные – фотоны

• Слабые – промежуточные векторные бозоны

• Гравитационные - гравитоны

Характерной особенностью этих частиц является целочисленное значение спина (отметим, что частицы, из которых состоит материя, имеют полуцелый спин). Сам акт взаимодействия представляется следующим образом. Одно из взаимодействующих тел испускает соответствующую частицу, которая через некоторое конечное время достигают другого тела и поглощаются им. Противоречия с законом сохранения энергии здесь нет, т.к. такое событие возможно в рамках принципа неопределенностей Гейзенберга. Поэтому частицы – переносчики взаимодействий называют также виртуальными (возможными), подчеркивая, что их испускание возможно, т.е. допускается принципом неопределенности.

Итак, с современной точки зрения, не все элементарные частицы действительно элементарны. Подлинными «фундаментальными» строительными элементами мироздания являются, с одной стороны, не наблюдаемые непосредственно кварки и глюоны, с другой – наблюдаемые лептоны, промежуточные бозоны и фотоны.