Free Student HQ / FSHQ / "Штаб-Квартира свободного Студента"

Кварки. Охота за кварками

Выше мы уже говорили, что все элементарные частицы можно построить мз трех сакатонов, т. е. нейтрона, протона и А-частицы. В 1964 г. Гелл-Манн и независимо от него Цвейг предложили использовать другой барионный триплет, состоящий из трех гипотетических частиц с совершенно необычными свойствами. Гелл-Манн назвал свои частицы кварками, заимствуя это название из литературного произведения Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану». Цвейг свои частицы решил назвать асами. Победил термин кварк. В настоящее время кварковая модель элементарных частиц объясняет очень многие свойства элементарных частиц, хотя, конечно, загадки все равно остаются.

Кварковая модель очень проста и дает хороший способ коррелировать тнежду собой многие факты, известные в отношении адронов. При введении в рассмотрение кварков мы должны ответить на следующие вопросы. Что может явиться простейшими строительными блоками, или кирпичиками, из которых можно построить элементарные частицы? Каковы квантовые числа частиц, являющихся строительными блоками, и сколько их требуется иметь? Разумеется, ответы, которые мы дадим на эти вопросы, произвольны, но, оказывается, другие способы приписывания квантовых чисел кваркам приводят практически к тем же физическим предсказаниям, что и выбранный нами. Важными предположениями кварковой модели являются следующие:

Кварки должны быть фермионами. Только из фермионов можно построить и фермионы, и бозоны.

По аналогии с первоначальной идеей Ферми — Янга предположим, что бозоны являются кварк-антикварковыми парами: бозон = qq∼.

Будем считать также, что любой фермион, не являющийся исходным кварком, должен состоять по меньшей мере из трех кварков: фермион — qqq.

Не исключено, что в природе существуют частицы, составленные из большего числа кварков; например, бозоны, которые содержат по две пары кварков и антикварков qqqq, или фермионы, которые построены из пяти кварков qqqqq. Мы ограничимся, однако, здесь рассмотрением только двух простейших систем qq и qqq.

Для построения нестранных частиц с электрическими зарядами О и ± 1 требуется иметь по крайней мере два кварка. (Так как мы предполагаем, что кварки — фермионы, то, говоря о «двух кварках», мы подразумеваем, что существуют также и два соответствующих им «антикварка», отличные от этих кварков.) Два нестранных кварка могли бы либо каждый по себе образовать изоспиновый синглет, либо быть компонентами одного изоспинового дублета. Следует считаться с тем, что из двух частиц с I = 0 невозможно построить мезон с I = 1, например пион. Мы считаем, что два нестранных кварка должны быть компонентами изоспинового дублета, Для построения странных мезонов и странных барионов требуется иметь по крайней мере один странный кварк. Наименьшее число кварков, необходимых для построения странных и нестранных адронов, таким образом, равно трем. Мы действительно убедимся далее, что трех кварков и трех антикварков достаточно для построения всех элементарных частиц.

Странный кварк только один, и поэтому он должен быть изоспиновым синглетом. Триплет кварков состоит, таким образом, из нестранного изоспинового дублета I = ½ и из странного изоспинового синглета I = 0. Квантовые числа изоспина и странности трех кварков, входящих в триплет, соответствуют квантовым числам протона, нейтрона и Λ-частицы, и мы запишем соответствующие кварки в виде qp, qn и qλ соглашению, странность qλ принимается равной — 1, так же как и для частицы Λ°.

По аналогии c p, n и Λ° примем, что пространственно-временные квантовые числа J, π; и A каждого из трех кварков одни и те же. Тогда, получим

Квантовые числа трех кварков приведены в табл. 1. Весьма примечательными особенностями кварков являются дробные барионные числа и дробные электрические заряды. Эти свойства ставят кварки в уникальное положение среди других элементарных частиц. Если кварки когда-нибудь и будут обнаружены, то их, конечно, не спутают ни с какими другими частицами.

Анализ квантовых чисел, приведенных в табл. 1, позволяет сделать некоторые, вполне определенные выводы: Кварки не могут распадаться на известные частицы, поскольку такой распад нарушил бы законы сохранения барионного и электрического зарядов. В результате слабых взаимодействий кварк может распадаться, но обязательно порождая при этом другой кварк. Типы возможных распадов определяются значениями масс отдельных кварков. Если, например, предположить, что странный кварк qλ, самый тяжелый, то вероятными схемами распада могут быть следующие:

Если считать, что массы кварков qp и qn не одинаковы, то более тяжелый кварк может превратиться в более легкий. Самый легкий кварк должен быть, однако, абсолютно стабильным.

Охота за кварками

Существуют ли кварки в природе? С 1964 г. на поиски кварков были направлены значительные усилия многих экспериментальных групп во всем, мире, однако до сих пор не получено никаких убедительных положительных результатов. Поиски трудны прежде всего потому, что не известны массы этих частиц. К счастью, однако, из-за того, что кварки имеют дробные заряды, их идентификация в достаточно точном эксперименте не представит особого труда.

В принципе кварки могут порождаться протонами с высокой энергией в реакциях типа

Пороги этих реакций определяются величинами масс mq кварков, а размеры эффективных сечений — силами, действующими между адронами и кварками. Поскольку ни силы, ни массы кварков нам не известны, поиск их оказывается весьма неопределенным занятием.

Итак, кварки не найдены, и мы не знаем, потому ли, что они не существуют в природе, или потому, что их массы слишком велики, или же вследствие слишком малого сечения их рождения. Высокие энергии, требуемые для рождения массивных кварков, можно люлучить на самых мощных имеющихся в мире ускорителях, в сталкивающихся пучках частиц с высокими энергиями или в космических лучах. Если кварки действительно существуют и если наш мир произошел в результате «большого взрыва», как это считается в настоящее время, то, вероятно, кварки рождались только на самых ранних стадиях образования Вселенной, когда температура была еще чрезвычайно высока, и теперь все вымерли. Возможно, однако, что некоторые из этих «реликтовых» кварков находятся все еще вокруг нас.

Итак, поиск кварков нужно вести на современных ускорителях или в космических лучах. Кроме того, так как по крайней мере один кварк должен быть стабильным, они должны были бы накапливаться в земной коре, в метеоритах или в лунных породах. Кварки можно отличить От других частиц либо по их дробному заряду, либо по точному значению их массы. Если пытаться измерять массы кварков, то необходимо сделать дополнительное предположение об их существовании как стабильных частиц. Если в качестве характерного признака кварков использовать их заряды, то идея их поиска будет совсем проста. Формула показывает, что потеря энергии частицей при прохождении ее в среде пропорциональна квадрату ее заряда. Ионизующая способность кварка с зарядом е/3 должна быть поэтому в 9 раз меньше, чем частицы с единичным зарядом, движущейся в среде с той же скоростью. Если частица летит в среде с релятивистской скоростью, то она создает приблизительно «минимальную ионизацию». Релятивистский кварк с зарядом е/3, следовательно, должен был бы производить лишь 1/9 часть «минимальной ионизации», и поэтому его след должен был бы выглядеть совсем иначе, чем след обычной заряженной элементарной частицы. Кварк с зарядом 2е/3 создавал бы 4/9 «стандартной ионизации».

 

Друзья! FSHQ довольно молодой ресурс, мы группа создателей сайта имеем общее увлечение всей нашей жизни в лице этого проекта, мы пытаемся нести пользу людям. Мы не хотим, и не будем заваливать весь проект огромным количеством рекламы для того чтобы была финансовая возможность строить этот ресурс, потому мы решили обратиться к нашим читателям с просьбой поддержать наш проект, всего 5 рублей, большего не просим. Надеемся, что данная сумма не станет большой потерей для бюджета наших посетителей, эта помощь будет просто неоценима, для проекта это жизнь, а вместе с ним живем и работаем мы. Это очень важно для нас. Спасибо! VISA - 4276020013209090; WebMoney - R256677704329; Z164891118384;

 

Сайт создан в 2012 г. © Все права на материалы сайта принадлежат его автору!
Копирование любых материалов сайта возможно только с разрешения автора и при указании ссылки на первоисточник.
Яндекс.Метрика