§ 83. Кварки

Частиц, называемых элементарными, стало так много, что возникли серьезные сомнения в их элементарности. Каждая из сильно взаимодействующих частиц характеризуется тремя независимыми аддитивными квантовыми числами: зарядом Q, гиперзарядом Y и барионным зарядом В. В связи с этим появилась гипотез о том, что все частицы построены из трех фундаментальных частиц-носителей этих зарядов. Первая модель подобного рода была предложена японским физиком С. Сакатой, который считал фундаментальными частицами протон р, нейтрон и -гиперон. Однако схема Сакаты оказалась неприменимой в области сильных взаимодействий.

В 1964 г. Гелл-Манн и независимо от него швейцарский физик Цвейг выдвинули гипотезу, согласно которой все элементарные частицы построены из трех частиц, названных кварками.

Этим частицам приписываются дробные квантовые числа, в частности электрический заряд, равный соответственно для каждого из трех кварков. Эти кварки обычно обозначаются буквами и (от английского слова «up», что означает «вверх»), d (down — вниз) и s (strange - странный или sideways — боковой). По аналогии со схемой Сакаты кварки и, d, s иногда обозначаются буквами . Кроме кварков, рассматриваются антикварки (й, d, s). Свойства, приписываемые кваркам, указаны в табл. 83.1 (кварки с, b, t, очарование и цвет обсуждаются ниже)

Мезоны образуются из пары кварк—антикварк, а барионы — из трех кварков. В табл. 83.2 приведены некоторые из этих образований.

Каждому кварку приписывается одинаковый магнитный момент величина которого из теории не определяется. Расчеты, произведенные на основании такого предположения, дают для протона значение магнитного момента а для нейтрона . Таким образом, для отношения магнитных моментов получается значение

превосходно согласующееся с экспериментальным значением (см. § 66).

В дальнейшем систему кварков пришлось расширить. Побудительным мотивом для этого послужило, в частности, то, что связанные состояния из трех кварков типа противоречат принципу Паули. Действительно, из табл. 83.1 и 83.2 видно, что все квантовые числа кварков в этих образованиях одинаковы. Однако, поскольку спин кварков равен в одной системе не может быть не только трех, но даже и двух кварков с одинаковым набором квантовых чисел.

По ряду соображений, в частности, чтобы устранить противоречие с принципом Паули, было введено понятие цвета кварка. Стали говорить, что каждый кварк может существовать в трех «окрашенных» формах: желтой, синей и красной (отметим, что смесь этих цветов дает «нулевой» белый цвет). Тогда, скажем, образующие -гиперон s-кварки имеют неодинаковую окраску, и принцип Паули не нарушается.

Сочетание цветов кварков в адронах должно быть таким, чтобы средний цвет адрона был нулевым (т. е. адрон был «бесцветным»). Например, в состав протона входят кварки: и (желтый), и (синий) и d (красный), В сумме получается нулевой (белый) цвет.

Таблица 83.1.

Таблица 83.2.

Антикварки считаются окрашенными в дополнительные цвета (антицвета), дающие в сумме с цветом нулевой цвет. Соответственно мезоны, состоящие из кварка и антикварка, также имеют нулевой цвет. Антицветом для желтого является фиолетовый цвет, для синего — оранжевый, для красного — зеленый (см. табл. 83.1).

В основном же цвет кварка (подобно знаку электрического заряда) стал выражать различие в свойстве, определяющем взаимное притяжение и отталкивание кварков. По аналогии с квантами полей различных взаимодействий (фотонами в электромагнитных взаимодействиях, -мезонами в сильных взаимодействиях и т. д.) были введены частицы — переносчики взаимодействия между кварками. Эти частицы были названы глюонами (от английского слова glue — клей). Они переносят цвет от одного кварка к другому, в результате чего кварки удерживаются вместе.

В 1974 г. была открыта практически одновременно в двух лабораториях США частица с огромной массой, равной 3,10 ГэВ (более трех масс нуклона). В одной из лабораторий новой частице дали обозначение J, в другой — в связи с чем эту частицу называют -частицей (джей-пси-частицей). Вскоре после того были обнаружены другие яр-частицы с массами 3,69; 3,77 и 4,03 ГэВ, а также семейство -частиц с массами 3,45; 3,51 и 3,55 ГэВ.

Открытие и -частиц послужило подтверждением предложенной ранее модели частиц из четырех кварков. Кроме и, d и s-кварков, в этой модели фигурирует четвертый «очарованный» кварк с (от английского charmed — очарованный). Он обличается От остальных кварков тем, что квантовое число С, Получившее название очарование (его называют также «шарм» или «чарм»), у него равно единице, в то время как для остальных кварков оно равно нулю (см. табл. 83.1). В состав обычных «неочарованных» частиц (мезонов и барионов) -кварк не входит.

Частицы семейств представляют собой различные уровни (состояния) системы (очарованные кварк — антикварк). По аналогии с системой электрон — позитрон (т. е. антиэлектрон), которая называется позитронием, система с? получила название чармоний. -частица (ее называют тайже -мезоном) соответствует первому уровню чармония, остальные -частицы — уровням -частицы — уровням. Найдешцш в 1979 г. в Стэнфорде тяжелый -мезон (с массой 2,98 ГэВ) представляет собой основное состояние парачармония .

Поскольку очарование кварка с и его антикварка равно соответственно квантовое число С системы равно нулю, Говорят, что и -частицы обладают скрытым очарованием.

В 1976 г. были открыты предсказанные теоретически частицы с явным очарованием. Их свойства приведены в табл. 83.3.

Для объяснения свойств открытой в 1976 г. -частицы (ипсилон-частицы) пришлось ввести пятый кварк, получивший обозначение b (bottom — нижний или beauty — прелестный) (см. табл. 83.1). Частицы Т (9,46 ГэВ), Г (10,02 ГэВ), (10,40 ГэВ), (10,55 ГэВ) представляют собой различные уровни системы .

Таблица 83.3.

Недавно выяснилось, что в природе существует шестой очень массивный кварк, обозначаемый буквой t (truth — истинный).

Таким образом, система кварков включает уже кварки шести сортов (ароматов) (u, d, s, с, b, t), каждый из которых существует в трех цветовых разновидностях (желтой, синей и красной).

Идея кварков оказалась весьма плодотворной. Она позволила не только систематизировать уже известные частицы, но и предсказать целый ряд новых. В частности, существование -гиперона и его свойства (см. § 82) были предсказаны с помощью модели кварков. Гипотеза кварков позволила также объяснить многие свойства частиц и связать между собой различные процессы.

Ряд экспериментальных данных указывает с несомненностью на реальное существование кварков. К их числу относятся результаты изучения рассеяния быстрых электронов протонами. Характер рассеяния свидетельствует о наличии внутри протона трех точечных рассеивающих центров с зарядами что полностью согласуется с трехкварковой моделью протона.

Вместе с тем все попытки наблюдать кварки в свободном состоянии оказались безуспешными. Это привело к выводу, что кварки могут существовать только внутри адронов и в принципе не могут наблюдаться в свободном состоянии. Появился даже применительно к кваркам термин конфайнмент (от английского confinement, что означает «тюремное заключение»). Причиной конфайнмента является необычное поведение сил взаимодействия кварков друг с другом.

При малых расстояниях эти силы крайне малы, так что кварки оказываются практически свободными (это состояние называется асимптотической свободой). Однако с увеличением расстояний между кварками силы взаимодействия очень быстро растут, не позволяя кваркам вылететь из адрона.