Гипотеза кварков

Оглавление Введение. 3 Глава 1. Основные характеристики теории кварков. 4 1.1. Открытия сортов (ароматов) кварков. 4 1.2. Цветовые состояния кварков. 5 Глава 2. Взаимодействие между кварками. 6
2.1. Квантовая хромодинамика 6 2.2. Ядерный скейлинг и суперскейлинг. 7 Глава 3. Развитие кварковой теории в будущем. 8 3.1. Кваркглюонная плазма 8 3.2. Модели супергравитации. 9 Заключение. 12 Список использованной литературы 13
Введение Уже давно известно, что вещество состоит из молекул, молекулы - из атомов, которые представляют собой планетарные системы, где электроны по определенным орбитам вращаются вокруг ядер. Сами ядра состоят из элементарных частиц: протонов и нейтронов. Помимо электронов, протонов и нейтронов, из которых построена окружающая нас материя, были открыты другие элементарные частицы и их античастицы. Их число и разнообразие велики, их больше, чем элементов и даже изотопов в Периодической таблице Менделеева. Античастицы обладают той же массой, что и частицы, но с противоположными свойствами или, по-другому, противоположными квантовыми числами. Обилие элементарных частиц и наблюдающиеся симметрии в их свойствах позволили сначала предположить, а затем обнаружить в экспериментах, что большинство элементарных частиц вовсе не элементарны, а состоят из более простых объектов: кварков и антикварков. Кварков всего шесть сортов, правда, в каждом сорте по три кварка, которые отличаются новым квантовым числом, названным цветом. Элементарные частицы бывают только белые, то есть содержат либо пару кварк-антикварк, либо белую комбинацию из трех кварков основных цветов (отсюда условное название цвет). На уровне кварков мы встретились с новым, неожиданным и пока до конца непонятым явлением - конфайментом, невылетанием кварков. Кварки, частицы с дробным электрическим и барионным зарядами и новым квантовым числом - цветом, не могут быть в свободном состоянии, они замкнуты в области порядка размера элементарных частиц. Сила взаимодействия между кварками, обусловленная обменом так называемыми глюонами, растет с расстоянием, как сила в растянутой пружине, что связано с тем, что глюон также имеет цветной заряд. В ряде моделей считается, что кварки "живут" в пузырьках в вакууме и удерживаются поверхностным давлением этих пузырьков. Уже создана теория, так называемая квантовая хромодинамика, которая описывает поведение кварковых систем в вакууме. Квантовохромодинамические расчеты на качественном уровне, а для некоторых случаев (например, водородоподобных систем из двух тяжелых кварков) на точном количественном уровне описывают экспериментальные данные. Понятия о кварках и их свойствах, конечно, непросты и непривычны. Это мировоззренческое достижение современной физики.
Глава 1. Основные характеристики теории кварков. 1.1. Открытия сортов (ароматов) кварков. Физики выяснили, что прежде всего свойства частицы определяются ее способностью (или неспособностью) участвовать в сильном взаимодействии. Частицы, участвующие в сильном взаимодействии, образуют особый класс и называются адронами. Все адроны встречаются в двух разновидностях - электрически заряженные и нейтральные. Среди адронов наиболее известны и широко распространены нейтрон и протон. Остальные адроны короткоживущие и быстро распадаются. Это класс т.н. барионов (тяжелые частицы гипероны) и большое семейство мезонов (мезонные резонансы).Адроны участвуют в сильном, слабом и электромагнитном взаимодействиях. Все атомные ядра построены из протонов и нейтронов. Протонно-нейтронная структура ядер объясняет и все их свойства - спин и статистику ядер, электромагнитные свойства, структурные особенности типа оболочек, энергетические спектры ядер, ядерные реакции, включая деление, особенности рассеяния ядерных частиц и электронов. Из опыта по рассеянию электронов нуклонами следует, что нуклоны в отличие от электронов представляют собой сложные образования. Поэтому естественным представляется желание иметь наподобие протонно-нейтронной картины ядер также и структурную картину адронов, в которой адроны "состоят" из некоторых основных структурных единиц. Адроны разделяются на две большие группы - барионы и мезоны. Они отличаются своими квантовыми числами и в частности спином: барионы имеют полуцелый спин, а мезоны целый спин.[5] Эти структурные единицы носят название кварков, а гипотеза, согласно которой адроны построены из кварков, называется кварковой гипотезой. Теория была впервые выдвинута М. Гелл-Манном (M. Gell-Mann) и, независимо от него Дж. Цвейгом (G. Zweig) в 1964 году.[4] Гелл-Манн и Цвейг, чтобы учесть все известные в 60-е гг. адроны ввели три сорта (аромата) кварков: u, d (от down- нижний) и s. Кварки несут дробный электрический заряд: они обладают зарядом, величина которого составляет либо -1 / 3 или +2 / 3 фундаментальной единицы - заряда электрона.[3] Кроме кварков должны быть введены соответсвующие антикварки. Мезоны строятся из кварка и антикварка, а барионы из трех кварков. Чтобы из кварков можно было строить адроны с целыми и полуцелыми значениями изотопического спина, кварки должны содержать изотопический дублет (u, d), причем проекция изотопического спина u-кварка принимается равной +1/2 (отсюда и его обозначение 'u' от английского 'up' - вверх, т.е. изотопический спин u-кварка ориентирован в положительном направлении - по оси). Чтобы из кварков можно было строить странные адроны, нужно ввести третий кварк - s-кварк - носитель странности (strange - странный). Изотопический спин s-кварка полагается равным нулю. В связи с наличием пси-частиц нужно ввести четвертый кварк. Он несет на себе внутреннее квантовое число, которое принято называть charm и обозначается через с. В связи с наличием ню-частиц нужно ввести пятый кварк. Он обозначается через b (от bottom - дно, а чаще beauty - красота, или прелесть);. В единой теории слабого и электромагнитного взаимодействий вводится еще шестой кварк. Он обозначается буквой t ( от top - верхний) U, d, s, c, b, t - называют сортом или иначе ароматом кварка. Каждый кварк имеет спин, равный 1/2. Чтобы получить состояние с максимальным спином, т.е. в случае трех кварков - со спином 3/2, нужно взять симметричную спиновую волновую функцию. Что касается унитарной волновой функции, то декуплету соответствует симметричная волновая функция (относительно перестановки внутренних квантовых чисел кварков). Но симметрия полной волновой функции системы трех кварков противоречит принципу Паули, согласно которому полновая волновая функция частиц с полуцелым спином должна быть антисимметричной.[5] 1.2. Цветовые состояния кварков. Таким образом, если кварк рассматривать как реальную частицу, то возникает противоречие между предположением, что барионы составлены из кварков и принципом Паули. Чтобы устранить это противоречие, т.е. получить антисимметричную волновую функцию трех кварков, образующих барионы, нужно наряду с гиперзарядом, изотопическим спином и чармом ввести еще одну степень свободы для кварков, которую принято называть цветом. Таким образом, кварки обладают фундаментальной внутренней симметрией, называемой цветовой симметрией. Каждый кварк может находиться в трех различных состояниях, которые называются цветовыми. Можно говорить о красном(r, red), синем(b, blue) и зеленом(g, green) кварках. Цвет как фундаментальная характеристика кварков был введен Н.Н.Боголюбовым, Б.В.Струминским и А.Н.Тавхелидзе и независимо М.Ханом и Й.Намбу в 1965 г.[5] Глава 2. Взаимодействие между кварками. 2.1. Квантовая хромодинамика Взаимодействие между частицами согласно релятивистской теории происходит всегда таким образом, что одна из них создает вокруг себя некоторое поле, которое в свою очередь взаимодействет со второй частичей. Благодаря этому возникает эффект запаздывания во взаимодействии. С каждым полем связаны определенные частицы - кванты этого поля. Поэтому взаимодействие между телами посредством поля означает в квантовой теории обмен частицами поля между телами: первое тело испускает частицу поля, а второе тело поглощает ее; и обратно, второе тело испускает частицу, а первое - поглощает ее. Простейшим примером является электромагнитное взаимодействие между двумя электронами. В этом случае один из электронов создает вокруг себя электромагнитное поле, которое воздействует на второй электрон. С электромагнитным полем связаны частицы фотоны. Поэтому взаимодействие между электронами сводится к обмену между ними фотонами.
Взаимодействие между кварками в адронах также носит обменный характер и осуществляется путем обмена между кварками особыми частицами - глюонами, представляющими собой кванты сильного поля, порождаемого кварками. Эти частицы, как бы "склеивают" кварки и антикварки в адронах, и отсюда происходит их название (glue - "клей"). Таким образом, при взаимодействии двух кварков один кварк испускает глюон, а другой - его поглощает. Возникновение глюонных полей связано с существованием цветовой SU(3)c - симметрии. "Склейка" кварков происходит потому, что и кварки и глюоны несут на себе особый "склеиватель" - цветовой заряд. Следует ввести три цветовых заряда (в действительности независимых из них только два). Следуя Х.Джорджи, обозначим их R-G("красный" минус "зеленый"), G-B("зеленый" минус "синий"), B-R("синий" минус "красный"). Величина каждого заряда может принимать три значения 1/2, -1/2, 0. Каждый кварковый цвет имеет свою комбинацию зарядов, например для красного кварка: R-G=1/2, G-B=0, B-R=-1/2. Сумма всех зарядов для каждого кварка равна нулю. Цветовые заряды антикварков противоположны по знаку цветовым зарядам кварка. Связь между кварками с помощью глюонов(G) можно изобразить: r g b r G1+G2 G G g G G1+G2 G b G G G1+G2 В каждом таком процессе взаимодействия выполняется закон сохранения цветового заряда (каждого сорта). Например, красный кварк с зарядом R-G=1/2, испуская глюон с зарядом R-G=1, превращается в зеленый кварк с зарядом R-G=-1/2. Бесцветные глюоны служат для того, чтобы обеспечить взаимодействие кварков одинакового цвета. Казалось бы, их нужно иметь три (красный-красный, зеленый-зеленый, синий-синий), но в действительности достаточно только двух бесцветных глюонов (они обозначены G1,G2), так что имеется восемь глюонов (цветовой октет глюонов). Аналогия между глюонами и фотоном очень велика - как фотон, так и глюоны безмассовы и спин и фотона, и глюона равен единице. Электрически и фотон, и глюоны нейтральны, но в отличие от фотонов глюоны несут специфический цветовой заряд. Так как масса глюонов равна нулю, то радиус взаимодействия кварков, обусловленного обменом глюонами, равен бесконечности, но размеры кварковых систем очень малы(порядка 10E-13 см). Как это происходит - до конца пока не известно (проблема "конфаймента"). В отличие от взаимодействия, обусловленного обменом фотонами и приводящего к отталкиванию между электронами и притяжению между электроном и позитроном, взаимодействие, обусловленное обменом глюонами, приводит всегда к притяжению - как кварка кварком, так и кварка антикварком. Суммарные цветовые заряды мезонов и барионов (с учетом как кварков, так и глюонных связей между ними) всегда равны нулю. Иными словами, адроны - нейтральные системы в смысле цветового заряда, так же, как атомы - нейтральные системы в смысле электрического заряда. Если бы адрон был цветным(а не белым), то он обладал бы нескомпенсированным цветовым зарядом, а так как цветовой заряд является источником глюонного поля, то цветной адрон был бы окружен глюонным полем и его энергия была бы очень большой. По этой причине цветные адроны и не наблюдаются.[5] 2.2. Ядерный скейлинг и суперскейлинг Нуклон, как уже было сказано, состоит из трех разноцветных кварков, не обладающих странностью, шармом и т.д. По современным представлениям, в нуклоне есть еще целое море так называемых морских кварков и антикварков, порождаемых из вакуума глюонами со всеми возможными квантовыми числами. Так вот суперскейлинг, по-видимому, означает, что формы структурных функций, описывающих валентные и морские кварки в ядерной материи, совпадают. На языке термодинамики можно говорить про их равную температуру. Выходы частиц так же как во всех пдобных изученных случаях, демонстрируют другие интересные закономерности. Выходы K+- и p+-мезонов при одинаковых значения a одинаковы. Есть иерархия выходов, и она такова, что участие в составе вылетающей кумулятивной частицы кварков из кваркового моря ядра уменьшает вероятность образования соответствующей частицы пропорционально числу морских кварков (антикварков, странных кварков). Так, в пионах один валентный кварк и один антикварк из моря; в K+-мезоне также, только из моря взят странный антикварк, в K--мезоне два морских кварка (странный кварк и антикварк), в антипротоне три антикварка, в протоне три валентных кварка. Видно, как логично интерпретируются данные о суперскейлинге на кварковом языке, и это одно из свидетельств наличия кварковых степеней свободы в ядрах.[2]
Глава 3. Развитие кварковой теории в будущем. 3.1. Кваркглюонная плазма Квантовохромодинамические расчеты показывают, что при определенных температурах и плотностях ядерного вещества оно может перейти в новое состояние - кваркглюонную плазму. Можно построить график таким образом, что свойства флуктонов - температура, если за ее меру считать наклоны спектров кумулятивных частиц, и плотность, если считать его размеры равными размеру нуклонов, - таковы, что флуктон может быть капелькой кваркглюонной плазмы. Кваркглюонная плазма (КГП) - такое состояние вещества, где нет индивидуальных нуклонов, нет отдельных многокварковых мешков. Не исключено, что КГП в природе может быть в очень плотных астрономических объектах и, вероятно, реализовалась в момент первичного взрыва. Сегодня поиски КГП - заманчивая задача многих экспериментаторов в мире. Строятся большие установки, создаются ускорители тяжелых ионов на большие начальные энергии. Идея состоит в том, чтобы при столкновении тяжелых ионов, то есть многих нуклонов, образовалось в области столкновения как можно больше p-мезонов, которые и могут перейти при соответствующих условиях в КГП. Мы не знаем, случится ли такое. Пока при освоенных энергиях убедительного проявления КГП при столкновениях ионов не обнаружилось. Может быть, изучение свойств флуктонов, подаренных природой плотных образований, позволит изучать КГП в краткие моменты существования флуктуаций.
Тут, правда, есть замечания. Кварковые плазмы бывают разные. Вообще говоря, КГП во флуктоне, если она там образуется, - это барионнонасыщенная плазма, а при столкновении ионов небарионнонасыщенная. Флуктон, по определению, не равновесный объект. И неясно пока, можно ли и как применять к нему понятие из равновесной термодинамики, например такое, как температура. В то же время, может быть, флуктуации кварковой материи в ядрах - простейший объект неравновесной термодинамики. Долгое время считалось, что ядро - настолько сложный объект, что его надо изучать, изучив нуклон-нуклонное взаимодействие и сводя его к последнему. Мы уже видели, что нуклон сложен не менее ядра, но он еще не вполне "среда". Может, надо идти от изучения кварков в среде, создавая квантовую хромодинамику сред, подобно тому как есть электродинамика сред с такими понятиями, как показатель преломления среды относительно вакуума, электродинамические потери энергии частицами при прохождении через среду, дисперсия энергетических потерь и т.д. В хромодинамике сред возникают вопросы: чему равен радиус конфаймента в ядерной материи, где присутствуют другие кварки и глюоны, как могут двигаться цветные кварки в ядерной среде, как и где - внутри или на границе ядра - кварки переходят в адроны (сильно взаимодействующие частицы), то есть, адронизуются?[1]
3.2. Модели супергравитации. С созданием квантовой хромодинамики появилась надежда на создание единой теории всех (или хотя бы трех из четырех) фундаментальных взаимодействий. Модели единым образом описывающие хотя бы три из четырех фундаментальных взаимодействий, называются моделями Великого объединения. Теоретические схемы, в рамках которых объединяются все известные типы взаимодействий (сильное, слабое, электромагнитное и гравитационное) называются моделями супергравитации. Опыт успешного объединения слабого и электромагнитного взаимодействий на основе идеи калибровочных полей подсказал возможные пути дальнейшего развития принципа единства физики, объединения фундаментальных физических взаимодействий. Один из них основан на том удивительном факте, что константы взаимодействия электромагнитного, слабого и сильного взаимодействий становятся равными друг другу при одной и той же энергии. Эту энергию называли энергией объединения. При энергии более 1 0 n ГэВ, где n = 1 4 или на расстояниях r В 70-90 -е годы было разработано несколько конкурирующих между собой теорий Великого объединения. Все они основаны на одной и той же идее. Если электрослабое и сильное взаимодействия в действительности представляют собой лишь две стороны великого единого взаимодействия, то последнему также должно соответствовать калибровочное поле с некоторой сложной симметрией. Она должна быть достаточно общей, способной охватить все калибровочные симметрии, содержащиеся и в квантовой хромодинамике и в теории электрослабого взаимодействия. Отыскание такой симметрии - главная задача на пути создания единой теории сильного и электрослабого взаимодействия. Существуют разные подходы, порождающие конкурирующих варианты теорий Великого объединения. Тем не менее все эти гипотетические варианты Великого объединения имеют ряд общих особенностей. Во - первых, во всех гипотезах кварки и лептоны - носители сильного и электрослабого взаимодействий - включаются в единую теоретическую схему. До сих пор они рассматривались как совершенно различные объекты. Во - вторых, привлечение абстрактных калибровочных симметрий приводит к открытию новых типов полей, обладающих новыми свойствами, например способностью превращать кварки в лептоны. В простейшем варианте теории Великого объединения для превращения кварков в лептоны требуется двадцать четыре поля. Двенадцать из квантов эти полей уже известны: фотон, две W -частицы, Z -частица и восемь глюонов. Остальные двенадцать квантов - новые сверхтяжелые промежуточные бозоны, объединенные общим названием Х и У -частицы (с электрическим зарядом 1 / 3 и 4 / 3 ). Эти кванты соответствуют полям, поддерживающим более широкую калибровочную симметрию и перемешивающим кварки с лептонами. Следовательно, кванты этих полей (т.е. Х и У -частицы) могут превращать кварки в лептоны (и наоборот). На основе теорий Великого объединения предсказаны по крайней мере две важных закономерности, которые могут и должны быть проверены экспериментально: нестабильность протона и существование магнитных монополей. Экспериментальное обнаружение распада протона и магнитных монополей могло бы стать веским доводом в пользу теорий Великого объединения. На проверку этих предсказаний направлены усилия экспериментаторов. Но пока еще твердо установленных экспериментальных данных на этот счет нет. Дело в том, что теории Великого объединения имеют дело с энергией частиц выше 1 0 n ГэВ, где n = 1 4 . Это очень высокая энергия. Трудно сказать, когда удастся получить частицы столь высоких энергий в ускорителях. Этим объясняется, в частности, трудность обнаружения Х и У- бозонов. И потому основной областью применения и проверки теорий Великого объединения является космология. Без этих теорий невозможно описать раннюю стадию эволюции Вселенной, когда температура первичной плазмы достигала 1 0 n К, где n = 2 7 . Именно в таких условиях могли рождаться и аннигилировать сверхтяжелые бозоны Х и У. Но объединение трех из четырех фундаментальных взаимодействий - это еще не единая теория в подлинном смысле слова. Ведь остается еще гравитация. Теоретические модели, в которых объединяются все четыре взаимодействия, называются супергравитацией. Супергравитация базируется на идее суперсимметрии, т.е. такого перехода от глобальной калибровочной симметрии к локальной, который бы позволил переходить от фермионов (носителей субстрата материи) к бозонам (переносчикам взаимодействий, носителям структуры материи) и наоборот. Одна из теоретических моделей сводит воедино 70 частиц со спином 0; 56 частиц со спином 1/2; 28 частиц со спином 1; 8 частиц со спином 3/2 9их назвали гравитино) и 1 частица со спином 2 (гравитон). Все эти частицы объединены единой суперсилой при колоссальной энергии 10n ГэВ (где n=19), которой соответствует температура Т=10n К (где n=32), радиус r=10n см (где n=-33) и плотность r = 10n г/куб. см (где n=94). В теориях суперсимметрии возникла даже идея о введении новых дополнительных измерений (10,11 или даже 26) пространства, которые позволяют описать все проявления свойств вещества и переносчиков взаимодействий. Только три из этих пространств проявляются в нашем мире, а остальные остались скрученными, замкнутыми в масштабе r=10n см (где n=-33). Однако все это весьма предварительные теоретические построения и на пути объединения гравитации с остальными фундаментальными взаимодействиями пока еще много нерешенных проблем. Таким образом, последовательное объединение фундаментальных взаимодействий началось с синтеза электричества и магнетизма в рамках теории Максвелла в ХIХ в. Объединение слабого и электромагнитного взаимодействий получило надежное подтверждение в 1983 г. благодаря открытию W- и Z -частиц. Данных, подтверждающих Великое объединение, пока нет, но их ожидают. Количество идейных предпосылок для создания единой теории всех фундаментальных взаимодействий быстро растет. Возможно, что уже в начале ХХI в. эта величайшая задача всей истории познания материи будет решена. В определенном смысле это означает конец физической науки как науки о фундаментальных основаниях мироздания.
Но не исключены и другие варианты развития физики ХХI в. - открытие новых фундаментальных взаимодействий, новых субкварковых частиц, появление иных трактовок единства материи и др. Особенно значимы на этом пути те необычные представления, которые сейчас складываются там, где микромир оказывается связанным с мегамиром, ультрамалое с ультрабольшим, физика с астрономией и космологией.[3] Заключение В данной работе была рассмотрена тема “Гипотеза кварков”. Вот основные выводы по этой теории : Кварки это элементарные частицы, то есть частицы, которые не имеют своей внутренней структуры (по крайней мере так считается). К настоящему времени открыто 6 кварков Из кварков, в частности, состоят протоны (2u+d) и нейтроны (2d+u). Каждый из шести кварков имеет свое собственное имя, и за каждым из них стоят годы попыток его обнаружить. Кварк Название Масса Заряд u up от 1.5 до 5 МэВ 2/3 d down от 3 до 9 МэВ -1/3 s strange от 60 до 170 МэВ -1/3 c charm от 1.1 до 1.4 ГэВ 2/3 b bottom от 4.1 до 4.4 ГэВ -1/3 t top от 168 до 178 ГэВ 2/3 Гипотеза о том, что адроны построены из специфических субъединиц -- кварков, была впервые выдвинута М. Гелл-Манном (M. Gell-Mann) и, независимо от него Дж. Цвейгом (G. Zweig) в 1964 для того, чтобы хоть как-то упорядочить имеющийся на тот момент зоопарк частиц. С тех пор она получила многочисленные косвенные экспериментальные подтверждения (рассеяние на протоне идет так, как будто протон состоит из трех бесконечно малых центров, на которых идет рассеяние – партонов. Кроме этого гипотеза о существовании кварков сильно упростила классификацию теперь уже не истинно элементарных частиц. Название кварк было введено М. Гелл-Маном. Оно не имеет прямого смыслового значения и было заимствовано из романа Дж. Джойс "Поминки по Финнегану" Для того, чтобы охарактеризовать свойства кварков, пришлось ввести такую характеристику, как "цвет" (экспериментально обнаружено 3 типа , при этом сложение всех "цветов" должно давать "белый" - как в оптике)
Список использованной литературы 1. Кемпфер Ф. Путь в современную физику. М.,1972. 2. Лексин Г.А. Физика. М., 1996. 3. Найдыш В.М. Концепции современного естествознания. М., 2002. 4. Розенталь И.Л. Элементарные частицы и структура Вселенной. М, 1984. 5. Торосян В.Г. Кварки и SU-симметрия.//www.korfo.org.