Теоретическая модель кварков

Сущность теории кварков

Теория кварков представляет собой теорию строения адронов. Данная теория возникла ещё в 1960-х гг. К этому времени было открыто уже более ста адронов.

Абсолютно все кварки относятся к фермионам и соответственно имеют спин S.

Авторами гипотезы о кварках явились профессоры Калифорнийского университета М. Гелл-Манн и Д. Цвейг. Термин «кварк» был заимствован из романа Дж. Джойса «Поминки по Финнегану». Персонаж этого романа видел сон, в котором чайки летали и кричали: «Три кварка для мистера Марка!» Понятие «кварк» в переводе с немецкого обозначает «ересь, чепуха», однако создатели теории принимали это понятие как теоретический материальный объект, существование которого наукой к настоящему времени не доказано. Будучи по своей сути лишь гипотезой, кварковая теория способствовала систематизации известных элементарных частиц и предполагала существование новых.

Модели кварков

Существует несколько моделей кварков. Эти элементарные частицы могут соединяться друг с другом парами и тройками. Объединения трёх кварков назвали барионами; к ним отнесли, например, такие известные всем частицы, как протоны и нейтроны.

В результате объединения кварка и антикварка образуются т. н. мезоны. Три антикварка, соединяясь, образуют антибарионы. При образовании всех перечисленных комбинаций дробные заряды кварков суммируются, в результате чего итоговый заряд элементарной частицы становится равным единице или нулю.

Классификация кварков

Все кварки классифицируются по аромату и цвету.

Аромат – это специфическая физическая характеристика кварков. Исследователи выделяют шесть видов кварков, которые различаются по аромату:

• u (up — верхний),
• d (down — нижний),
• s (strange — странный),
• с (charm — очарование),
• b (beauty — прелесть),
• t (top — высший).

Их обозначение соответствует первым буквам их названий.

Также учёные сочли, что кварки имеют какой-либо из цветов: красный, синий или зелёный. К обычным оптическим цветам, имеющим место в макромире, эти цвета не имеют никакого отношения. Цвета кварков также являются условными обозначениями их физических характеристик. Фактически цвет кварка обозначает разновидность заряда сильного ядерного взаимодействия. Таким образом, каждый кварк имеет заряд синего, красного или зелёного цвета. Понятие цвета учёные ввели для того, чтобы теория кварков не противоречила запрету Паули, поскольку в барионах и антибарионах кварки одного и того же аромата во многих случаях оказывались вместе. Так, протон представляет собой комбинацию кварков uud, а в составе нейтрона объединение кварков udd.

Рисунок 1. Объединение кварков в составе протона

Каждый кварк имеет соответствующий антикварк с противоположным цветом (антисиний, антикрасный и антизелёный). Таким образом, модели шести кварков и шести антикварков представляют сбой 12 фундаментальных частиц. Эти частицы способны объяснить всё известное многообразное элементарных частиц, за исключением лептонов.

При соединении кварков и антикварков необходимо соблюдение следующих условий:

1. Сумма электрических зарядов кварков, образующих адрон, должна представлять собой целое число, скомпенсированное до единицы или до нуля.
2. Кварки, объединяясь в адрон, полностью компенсируют собственные «цвета» и получают признак бесцветности. Соединение их цветов соответствует соединению цветов в классической оптике, когда сложение красного, синего и зелёного цветов приводит к бесцветному (белому) цвету. Также белый цвет образует сочетание красного и антикрасного, синего и антисинего, зелёного и антизелёного.

Объединение всех кварков происходит в результате сильного взаимодействия. Частицами-переносчиками, которые обеспечивают это взаимодействие, являются глюоны, «склеивающие» кварки между собой. Некоторые исследователи предполагают, что кварки также участвуют в слабых и электромагнитных взаимодействиях. Вступая в электромагнитные взаимодействия, кварки не изменяют цвет и аромат. При их участии в слабых взаимодействиях происходит изменение аромата кварков, но их цвет сохраняется. Именно в результате слабого взаимодействия происходит распад нейтрона: один из d-кварков в нейтроне превращается в u-кварк, а избыток заряда уносит рождающийся одновременно электрон.

На протяжении длительного времени учёные проводили многочисленные эксперименты, пытаясь обнаружить в них кварки. Однако к настоящему времени сделать этого не удалось. Однако существование кварков было доказано в 1969 году в Стэнфордском университете США. Так, при бомбардировке протонов электронами исследователи обнаружили, что электроны сталкивались с некими твёрдыми вкраплениями и отскакивали от них. Было высказано предположение. что этими твёрдыми вкраплениями и являются кварки.