Кварки — элементарные частицы материи¶

Кварки — это элементарные частицы, являющиеся фундаментальными составляющими материи и одним из двух классов фундаментальных фермионов в Стандартной модели физики элементарных частиц. Кварки обладают дробным электрическим зарядом, свойством «цвета» и участвуют во всех четырёх фундаментальных взаимодействиях, кроме гравитации. В сочетании с другими кварками и глюонами они образуют адроны — барионы (например, протоны и нейтроны) и мезоны.

¶История открытия

Понятие кварка было предложено в 1964 году физиками Мюрреем Гелл-Манном и Джорджем Цвейгом независимо друг от друга. Гелл-Манн использовал термин «кварк» по мотивам фразы из романа Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану» («Три кварка для мистера Марка»), Цвейг же предложил название «аксион». Изначально модель предполагала существование трёх «ароматов» кварков — верхнего (u), нижнего (d) и странного (s), что позволяло объяснить заряды и изоспины адронов.

Открытие первого «странного» кварка (s) было подтверждено экспериментально в 1968 году в Стэнфордском линейном ускорителе (SLAC) при рассеянии электронов на протонах. В 1974 году был обнаружен очарованный кварк (c) в экспериментах по обнаружению мезона J/ψ, за что Бёртон Рихтер и Сэмюэл Тинг получили Нобелевскую премию по физике 1976 года. В 1977 году открыт нижний (b) кварк, а в 1995 году — верхний (t) кварк в экспериментах CDF и DØ на теватроне (Фермилаб); Нобелевская премия 2008 года была присуждена Кобаяси и Масукаве за объяснение нарушения CP-симметрии, связанной с кварками.

¶Классификация кварков

В Стандартной модели существует шесть ароматов кварков, объединённых в три поколения:

Кварки первого поколения (u и d) составляют обычную материю, кварки второго и третьего поколений нестабильны и распадаются на частицы первого поколения.

¶Свойства кварков

¶Цветной заряд

Кварки обладают так называемым «цветным» зарядом — аналогом электрического заряда для сильного взаимодействия. Существует три «цвета»: красный, зелёный и синий, а также антицвета. Все наблюдаемые адроны должны быть «бесцветными» — цвет кварков компенсируется так, что суммарный цвет нейтрален (например, протон состоит из трёх кварков разных цветов).

¶Конфинирование

Кварки не наблюдаются в свободном состоянии: сильное взаимодействие, посредником которого служат глюоны, не ослабевает с расстоянием (в отличие от электромагнитного и гравитационного). При попытке «вырвать» кварк из адрона энергия связи растёт настолько, что из вакуума рождаются новые кварк-антикварковые пары. Этот феномен называется конфинированием и был экспериментально подтверждён.

¶Дробный заряд

Электрический заряд кварков дробный: +2/3 или −1/3 элементарного заряда. Суммарный заряд адронов при этом целочисленный, что подтверждает модель кварковой структуры материи.

¶Роль в ядерной физике

Протон состоит из двух верхних и одного нижнего кварков (uud), нейтрон — из одного верхнего и двух нижних (udd). Сильное взаимодействие между кварками, посредником которого являются глюоны, обеспечивает устойчивость атомных ядер. Масса протона и нейтрона лишь на небольшую долю определяется массами кварков, основная же часть массы возникает из энергии движения кварков и глюонов в соответствии с соотношением Эйнштейна E=mc².

¶Кварки в Стандартной модели

Кварки — единственные известные частицы, участвующие во всех фундаментальных взаимодействиях, кроме гравитации: сильном, слабом и электромагнитном. Их свойства описываются квантовой хромодинамикой (КХД) — теорией сильного взаимодействия. Несмотря на успехи Стандартной модели, остаются открытыми вопросы о происхождении масс кварков, природе кварков как фундаментальных объектов и возможности существования свободных кварков.

¶Источники

• Гелл-Манн М. «Заряды кварков» // Physical Review Letters, 1964.
• Perkins D. «Introduction to High Energy Physics», Cambridge University Press.
• Пескин М., Шрёдер Д. «Введение в квантовую теорию поля», М.: Мир.
• Френкель Я. «Кварки и адроны», М.: Наука.