Кварки.

Существенно новый шаг в разработке теории элементарных частиц был сделан в результате выдвижения в 1964 г. американскими физиками М. Гелл-Манном и Г. Цвейгом гипотезы о существовании кварков.

Кварками назвали предполагаемые «настоящие элементарные частицы», из которых состоят все мезоны, барионы и резонансы.

Сначала возможная картина построения частиц из кварков казалась довольно простой: все известные барионы и резонансы (а их несколько сотен!) можно было представить состоящими всего из трех кварков! Правда, предсказанные свойства этих гипотетических частиц оказались довольно неожиданными. Например, их электрические заряды должны быть равными элементарного электрического заряда! Частиц с такими зарядами никто в экспериментах не обнаруживал.

Как могут быть составлены элементарные частицы с целыми элементарными электрическими зарядами и нейтральные частицы из кварков с дробными электрическими зарядами, показывает рисунок 124. На нем буквами и обозначены три кварка. Эти обозначения происходят от английских слов up — вверх, down — вниз, strange — странный. Однако из этих трех кварков построить все многообразие мира элементарных частиц не удалось. Были обнаружены такие частицы, для объяснения свойств которых пришлось предположить существование еще трех кварков. Эти кварки обозначают буквами и (От английских слов charm — очарование, beauty — прелесть, красота, truth — истина.) Но и шести кварков оказалось мало, так как у каждой элементарной частицы есть античастица, у каждого из шести кварков есть свой антикварк. Таким образом, кварков оказывается уже 12. Но и это еще не все. При изучении свойств атомов, атомных ядер и элементарных частиц установлен один из фундаментальных законов физики: в одной системе взаимосвязанных частиц никогда не существуют хотя бы две частицы с тождественными параметрами, если эти частицы обладают полуцелым спином. Этот физический закон называют принципом Паули.

Все кварки обладают спином, равным поэтому к ним относится принцип запрета Паули. Однако некоторые элементарные частицы состоят из трех одинаковых кварков. Например, омега-минус-гиперон состоит из трех -кварков. Нет никаких оснований для сомнений в применимости принципа Паули к системам из кварков. Поэтому следовало сделать вывод, что три -кварка, входящие в состав -гиперона, в действительности не тождественны, а отличаются друг от друга какими-то свойствами, до сих пор неизвестными в физике. Эти новые, неизвестные ранее свойства назвали цветовыми зарядами или цветами кварков. Эти цвета, конечно, никак не связаны с обычными

Рис. 124 (см. скан)

оптическими цветами тел; они лишь условно обозначают существование трех различных типов зарядов у кварков.

Обычно цветовые заряды называют красным, синим и желтым цветами кварков. Антикварки соответственно обладают антикрасным, антисиним и антижелтым цветами. Существование таких элементарных частиц, как омега-гиперон, ставит и другую проблему: какими силами связываются между собой три кварка с одинаковыми электрическими зарядами? И эта проблема разрешается, если предположить, что между кварками с разными цветовыми зарядами действуют силы притяжения, обусловленные цветовым взаимодействием. Теорию, которая описывает цветовые взаимодействия кварков, называют квантовой хромодинамикой. С учетом того, что каждый из шести кварков обладает тремя разными цветовыми зарядами, число различных кварков оказывается равным 18, а общее число кварков и антикварков — 36.

Гипотеза о существовании кварков полностью объясняла все основные свойства мезонов и барионов, но она встретилась и с рядом принципиальных трудностей. Во-первых, попытки отыскать хотя бы один свободный кварк с дробным электрическим зарядом в природе или освободить из недр элементарных частиц при их столкновениях неизменно оканчивались неудачей. Однако серия неудач в поисках свободных кварков не привела к отказу от гипотезы о существовании кварков. Изучение особенностей элементарных частиц в опытах, сходных с опытами Резерфорда по наблюдению рассеяния альфа-частиц, но при более высоких энергиях, показало, что внутри протонов и нейтронов, как и внутри атомов, большая часть пространства пуста и существуют частицы очень малых размеров и большой массы, на которых происходит рассеяние пролетающих частиц. Невозможность освобождения одиночного кварка из элементарной частицы получает следующее объяснение.

Изучение особенностей рассеяния частиц при очень высоких энергиях позволяет высказать предположение, что силы цветового взаимодействия между кварками не убывают с расстоянием, как это происходит при сильном взаимодействии частиц, при электромагнитном и гравитационном взаимодействиях тел. Но если цветовые силы не убывают с расстоянием, то работа, совершаемая против действия цветовых сил притяжения, должна линейно возрастать с увеличением расстояния между кварками. Поэтому нельзя указать какое-то конечное значение энергии, которое было бы достаточным для полного разрыва связи между кварками. Цветовые взаимодействия между кварками можно уподобить связи в виде нити, сила упругости в которой остается неизменной при любом растяжении. Но неужели такую нить связи между двумя мельчайшими частицами нельзя разорвать, располагая такими «орудиями», как современные гигантские ускорители заряженных частиц?

Связи между кварками «снаряды» из современных ускорителей разорвать смогли, но это не привело к получению свободных кварков. Дело в том, что для разрыва связей между кварками затрачивается энергия, значительно превосходящая значение энергии, необходимой для «рождения пары» кварк — антикварк. В результате каждый акт вырывания одного свободного кварка из элементарной частицы сопровождается рождением одной или нескольких пар кварк — антикварк. Один из вновь рожденных антикварков соединяется с освобождающимся кварком и образует с ним мезон; второй рожденный кварк возвращается цветовыми силами в исходную элементарную частицу, состав частицы восстанавливается (рисунок на форзаце в конце книги). Если силы цветового взаимодействия так велики и не убывают с расстоянием, то почему же их влияние не обнаруживается в обычных условиях? Почему не заметно их действие между атомными ядрами, между Землей и Солнцем? Ответ на этот

вопрос довольно прост: в каждой элементарной частице, состоящей из трех кварков, обязательно имеются кварки с тремя разными цветами. Эти три цвета взаимно нейтрализуют друг друга. Частица в целом имеет нулевой цветовой заряд, становится бесцветной.

Мезоны, состоящие из кварка и антикварка, также бесцветны, так как цвет в сложении с антицветом дает нулевой цвет, и мезоны в целом бесцветны. Кварковая модель строения элементарных частиц была бы неполной без ответа на вопрос, каким образом осуществляется цветовое взаимодействие между кварками.

Для объяснения цветового взаимодействия кварков оказалось необходимым предположить существование еще одного типа частиц — глюонов. Каждый глюон является носителем двух цветовых зарядов: одного цвета и одного антицвета. При испускании глюона кварк изменяет свой цвет, поглощение глюона также приводит к изменению цвета кварка. Комбинациями из трех цветов и трех антицветов получается восемь разных глюонов. Так как глюоны обладают цветовыми зарядами, их, как и кварки, нельзя получить в свободном виде. Кварки взаимодействуют между собой путем обмена глюонами только на очень коротких расстояниях, порядка

Если в природе 36 кварков и антикварков, 8 глюонов, 12 лептонов и фотон, то общее число «самых элементарных» частиц оказывается равным 57.

Поиски самой простой первоосновы материи вновь привели к открытию качественно новой ступени познания природы, подтвердили справедливость гениального предвидения В. И. Ленина, высказанного еще в 1908 г.: «Электрон так же неисчерпаем, как и атом, природа бесконечна...».

Сейчас обсуждаются вопросы о возможности существования еще более «простых» частиц, из которых состоят кварки и глюоны. Уже открыты еще три частицы, названные бозонами: Эти частицы являются переносчиками взаимодействия между лептонами. Возможно существование гравитона как частицы — переносчика гравитационного взаимодействия.

1. Какие частицы называют элементарными?

2. Назовите основные параметры элементарных частиц.

3. На какие группы делятся элементарные частицы?

4. Что такое спектры элементарных частиц?

5. Что такое кварки?

6. Почему до сих пор не обнаружены свободные кварки?

7. Как осуществляется взаимодействие между кварками?