Кварки — элементарные частицы вещества¶

Кварки — это фундаментальные элементарные частицы, из которых состоит материя: они входят в состав протонов, нейтронов и других адронов. Вместе с электронами, мюонами, нейтрино и бозонами кварки образуют Стандартную модель — основную теорию физики элементарных частиц. Кварки обладают дробным электрическим зарядом, свойством, нехарактерным для большинства других частиц, и участвуют во всех четырёх фундаментальных взаимодействиях, кроме гравитационного (его вклад на уровне кварков пренебрежимо мал).

¶История открытия

Идея составного строения протона была высказана в 1964 году независимо друг от друга физиками Мюрреем Гелл-Манном и Джорджем Цвейгом. Гелл-Манн предложил назвать новые частицы «кварками» (quarks) — по строке из поэмы Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану», где встречается загадочное слово «three quarks for Muster Mark». Цвейг использовал термин «аксионы», но название Гелл-Мана закрепилось.

До конца 1960-х годов кварки считались чисто математической моделью. Первыми экспериментальными подтверждениями их существования стало открытие омега-минус-гиперона (1964) и глубоконеупругого рассеяния нейтрино на нуклонах (1969, Нобелевская премия 1976 года Ричарду Фейнману и другими). В 1974 году была открыта частица J/ψ, подтвердившая существование «очарованного» кварка, а в 1977-м и 1995-м — «bottom»- и «top»-кварки соответственно.

¶Основные свойства

Каждый кварк характеризуется массой, электрическим зарядом, цветовым зарядом и спином. Спин всех кварков равен 1/2, поэтому они относятся к фермионам.

Кварки u, d и s называют «легкими», остальные три — «тяжёлыми». Верхний и нижний кварки наиболее распространены в природе: из них состоят протоны и нейтроны. Тяжёлые кварки существуют лишь короткое время и образуются, например, в столкновениях на ускорителях или при космических лучах.

¶Кварки в составе нуклонов

Протон состоит из двух верхних и одного нижнего кварка (uud), нейтрон — из одного верхнего и двух нижних (udd). Суммарный заряд кварков точно совпадает с зарядом нуклона: у протона +2/3 + 2/3 − 1/3 = +1, у нейтрона +2/3 − 1/3 − 1/3 = 0.

При этом кварки в нуклоне не покоятся: они непрерывно обмениваются виртуальными глюонами — переносчиками сильного взаимодействия. Более того, в протоне или нейтроне постоянно возникают и аннигилируют пары «кварк-антикварк», так что реальная структура нуклона существенно богаче, чем простая схема из трёх «валентных» кварков.

¶Цветовой заряд и конфинемент

Кварки обладают особой разновидностью заряда, названной «цветом»: он бывает красным, зелёным или синим (у антикварков — соответствующие антицвета). Цвет — не зрительная аналогия, а физическая характеристика, управляющая сильным взаимодействием. Сильная сила описывается квантовой хромодинамикой (КХД).

В отличие от электромагнетизма, сила сильного взаимодействия не ослабевает с расстоянием, а, наоборот, растёт. Это приводит к явлению конфинемента: свободные кварки в природе не наблюдаются, они всегда объединены в цветно-нейтральные системы — мезоны (кварк + антикварк) и барионы (три кварка). Попытка «вырвать» кварк из адрона приводит к появлению новой пары кварк-антикварк и рождению нового адрона, а не к изоляции одиночной частицы.

¶Антикварки

У каждого кварка существует античастица — антикварк с теми же массой и спином, но противоположными зарядом и цветом. Антикварки входят в состав антипротонов, антинейтронов и других антиадронов. Антикварки обнаружены экспериментально: например, антипротон был открыт в 1955 году Эмилио Сегре и Оуэном Чемберленом (Нобелевская премия 1959 года).

¶Роль в Стандартной модели

Кварки — одна из трёх групп фермионов Стандартной модели (наряду с лептонами и нейтрино). Они участвуют в сильном, электромагнитном и слабом взаимодействиях. Слабое взаимодействие позволяет кваркам одного семейства превращаться в другой: так, нижний кварк в бетта-распаде превращается в верхний, что лежит в основе радиоактивного распада ядер.

Все известные на настоящий момент эксперименты подтверждают Стандартную модель, однако теория не объясняет гравитацию, природу тёмной материи и асимметрию вещества и антивещества, что делает поиск новых кварков и их свойств активным направлением физики.

¶Источники

• Гелл-Манн М. «Кварки и лептоны» // Сборник «Новые идеи в физике элементарных частиц», 1965.
• Фейнман Р. «Квантовая электродинамика» и лекции по физике частиц.
• Поверхность А. «Кварки и лептоны» (учебник).
• «Физическая энциклопедия», т. 2.
• Particle Data Group — обзор свойств элементарных частиц.