Кварки: составные части адронов¶
Кварк — фундаментальная элементарная частица, один из основных строительных блоков материи, из которого состоят адроны — мезоны и барионы, в том числе протон и нейтрон. Кварки обладают дробным электрическим зарядом, участвуют во всех четырёх фундаментальных взаимодействиях, кроме гравитационного, и подчиняются квантовой хромодинамике — теории сильного взаимодействия. Согласно Стандартной модели, кварков шесть «ароматов», объединённых в три поколения.
¶Происхождение термина
Термин «кварк» был предложен американским физиком Мюрреем Гелл-Манном в 1964 году, независимо от него аналогичную модель частиц разработал Джордж Цвейг. Название происходит из поэмы Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану» (1939), где встречается строка «Three quarks for Muster Mark» — «Три кварка для мастера Марка». Гелл-Манн искал короткое, звучное и не несущее смысла обозначение, поскольку изначально кварки рассматривались как абстрактные математические сущности, а не реальные частицы.
¶Основные свойства
Каждый кварк характеризуется рядом квантовых чисел: ароматом (типом), цветовым зарядом, электрическим зарядом, спином 1/2, а также барионным и странным числом. Кварки — это фермионы, они подчиняются статистике Дирака и принципу Паули.
¶Ароматы кварков
В Стандартной модели существует шесть ароматов кварков, объединённых в три поколения:
| Поколение | Кварк | Обозначение | Электрический заряд | Масса (приблизительно) |
|---|---|---|---|---|
| I | верхний (up) | u | +2/3 e | 2,2 МэВ/c² |
| I | нижний (down) | d | −1/3 e | 4,7 МэВ/c² |
| II | очарованный (charm) | c | +2/3 e | 1,27 ГэВ/c² |
| II | странный (strange) | s | −1/3 e | 95 МэВ/c² |
| III | истинный (top) | t | +2/3 e | 173 ГэВ/c² |
| III | прелестный (bottom) | b | −1/3 e | 4,18 ГэВ/c² |
Верхний и нижний кварки образуют первое поколение и составляют протоны и нейтроны. Кварки второго и третьего поколений нестабильны, существуют крайне недолго и обнаруживаются только в высокоэнергетических столкновениях на ускорителях.
¶Цветовой заряд
Кварки несут особый вид заряда, названный цветовым, — красный, зелёный или синий (антикварки — соответствующие антицвета). Цветовой заряд — источник сильного взаимодействия, посредником которого выступают глюоны. Согласно принципу цветовой синглетности, все наблюдаемые частицы должны быть «бесцветными»: либо состоять из трёх кварков с разными цветами (барионы), либо из кварка и антикварка с комплементарными цветами (мезоны).
¶Кварки в составе адронов
Протон состоит из двух верхних и одного нижнего кварков (uud), нейтрон — из одного верхнего и двух нижних (udd). Электрический заряд протона складывается из зарядов кварков: +2/3 + 2/3 − 1/3 = +1. Заряд нейтрона: +2/3 − 1/3 − 1/3 = 0. Однако суммарная масса кварков, входящих в протон, составляет лишь около 1 % его массы — около 99 % массы протона формируется энергией сильного взаимодействия и кинетической энергией кварков и глюонов в соответствии с соотношением E = mc².
¶Экзотические адроны
Помимо обычных барионов и мезонов, квантовая хромодинамика допускает существование частиц с иным кварковым составом. Экспериментально подтверждены тетракварки (четыре кварка), пентакварки (пять кварков), а также барионы, содержащие только кварки одного аромата, — например, омега-минус (sss). В 2015 году коллаборация LHCb на Большом адронном коллайдере объявила о регистрации пентакварков Pc(4380) и Pc(4450).
¶Кварки в России
Развитию теории кварков и квантовой хромодинамики в СССР и России внесли значительный вклад ленинградская школа физиков — В. А. Матвеев, Р. М. Муратов, А. Н. Тавхелидзе, а также Л. Б. Окунь, предложивший понятие «странности». В Институте теоретической физики имени А. А. Льоффа РАН и Объединённом институте ядерных исследований в Дубне проводятся исследования кварковой материи; в ОИЯИ функционирует эксперимент NA61/SHINE, изучающий свойства плотной адронной материи.
¶Открытие кварков
Непосредственное экспериментальное подтверждение существования кварков получено в 1968 году в Стэнфордском линейном ускорителе (SLAC), где при глубоком неупругом рассеянии электронов на протонах были обнаружены точечные центры — по сути, кварки. В 1990 году Нобелевская премия по физике за эти работы была присуждена Джерому Фридману, Генри Кендуэллу и Ричарду Тейлору. Гелл-Манн получил Нобелевскую премию в 1969 году за вклад в классификацию адронов.
Источники:
- Гелл-Манн М. «Симметрия барионов и мезонов» (1964)
- Окунь Л. Б. «Кварки и лептоны»
- «Физика адронов» — сборник статей ОИЯИ
- PDG (Particle Data Group) — обзор свойств элементарных частиц
- Матвеев В. А., Муратов Р. М., Тавхелидзе А. Н. «Новая квантовая числовая характеристика частиц» (1965)