Странные кварки

Странные кварки — это элементарные частицы, относящиеся к классу кварков, обладающие электрическим зарядом −1/3e и квантовым числом «странность» (S = −1). Они являются одними из шести типов кварков в Стандартной модели физики элементарных частиц, входя во второе поколение материи. Странные кварки — нестабильные частицы, которые в свободном состоянии не наблюдаются, но входят в состав адронов, таких как каоны и гипероны.

История открытия

Концепция странности была введена в 1953 году американскими физиками Мюрреем Гелл-Манном и Кадзухико Нисидзимой для объяснения необычного поведения частиц, образующихся в ядерных реакциях при высоких энергиях. Эти частицы, названные «странными», рождались парами (ассоциативное рождение), но распадались медленно, с характерным временем порядка 10⁻¹⁰ секунды, что было значительно дольше типичных ядерных процессов (10⁻²³ секунды). Для описания этого явления было введено квантовое число «странность», сохраняющееся в сильных взаимодействиях, но не сохраняющееся в слабых.

В 1964 году Гелл-Манн и независимо Джордж Цвейг предложили кварковую модель, в которой странные частицы объяснялись наличием в их составе нового типа кварка — странного кварка (s-кварка). Экспериментальное подтверждение существования странных кварков было получено в 1960-х годах при изучении глубоко неупругого рассеяния электронов на протонах в Стэнфордском центре линейных ускорителей (США), а также при анализе спектров адронов.

Основные свойства

Странные кварки обладают следующими фундаментальными характеристиками:

• Электрический заряд: −1/3 элементарного заряда (e).
• Масса: в свободном состоянии — около 95–100 МэВ/c² (по разным оценкам, от 80 до 130 МэВ/c²), что примерно в 20 раз больше массы верхнего кварка, но значительно меньше массы очарованного кварка.
• Спин: 1/2 (фермион).
• Цветовой заряд: участвуют в сильном взаимодействии, несут один из трёх цветовых зарядов (красный, зелёный, синий).
• Квантовое число странность: S = −1 (для антикварка — S = +1).
• Изоспин: I = 0 (не участвует в сильном изоспиновом взаимодействии).

Время жизни свободных странных кварков в составе адронов определяется слабым взаимодействием. Например, нейтральный каон (K⁰, состоящий из d- и s-кварков) имеет время жизни около 8,9×10⁻¹¹ секунды, а заряженный каон (K⁺, состоящий из u- и s-кварков) — около 1,2×10⁻⁸ секунды.

Роль в Стандартной модели

В Стандартной модели физики элементарных частиц странные кварки относятся ко второму поколению кварков, наряду с очарованными кварками. Они участвуют во всех четырёх фундаментальных взаимодействиях:

• Сильное взаимодействие: странные кварки обмениваются глюонами, удерживаясь внутри адронов. Это взаимодействие сохраняет странность.
• Слабое взаимодействие: именно оно отвечает за распад странных частиц, изменяя странность на единицу (например, s → u + e⁻ + ν̄ₑ). Время жизни странных частиц определяется слабым взаимодействием.
• Электромагнитное взаимодействие: странные кварки несут электрический заряд, поэтому участвуют в электромагнитных процессах, например, в фотонном излучении.
• Гравитационное взаимодействие: пренебрежимо мало на масштабах элементарных частиц.

Странные кварки являются единственными кварками, которые могут образовывать стабильные или долгоживущие адроны (например, каоны, гипероны) без участия более тяжёлых кварков. Это делает их ключевыми для изучения слабого взаимодействия и нарушения CP-симметрии.

Адроны, содержащие странные кварки

Странные кварки входят в состав большого числа адронов. Основные классы:

Мезоны

Мезоны, содержащие один странный кварк и один антикварк (обычно лёгкий — u или d):

• Каоны (K-мезоны): K⁺ (us̄), K⁰ (ds̄), K⁻ (ūs), K̄⁰ (d̄s). Масса около 494–498 МэВ/c². Каоны — одни из наиболее изученных странных частиц, играют важную роль в физике слабых взаимодействий.
• Фи-мезон (φ): ss̄-состояние. Масса около 1019 МэВ/c². Распадается преимущественно на каоны.
• Странные мезоны с более высокими спинами: например, K(892), K₂(1430).

Барионы

Барионы, содержащие один или несколько странных кварков:

• Лямбда-гиперон (Λ⁰): uds-состояние. Масса около 1116 МэВ/c². Время жизни около 2,6×10⁻¹⁰ секунды.
• Сигма-гипероны (Σ⁺, Σ⁰, Σ⁻): uus, uds, dds-состояния соответственно. Массы около 1189–1197 МэВ/c².
• Кси-гипероны (Ξ⁰, Ξ⁻): uss, dss-состояния. Массы около 1315–1322 МэВ/c².
• Омега-гиперон (Ω⁻): sss-состояние. Масса около 1672 МэВ/c². Открыт в 1964 году, что подтвердило кварковую модель.

Экзотические адроны

Теоретически возможны адроны, содержащие странные кварки в необычных конфигурациях:

• Тетракварки: например, Z(4430)⁺, содержащий s-кварк, обнаруженный в 2007 году.
• Пентакварки: например, Θ⁺(1540), содержащий s-кварк, существование которого остаётся спорным.

Странное вещество и странные звёзды

В астрофизике рассматривается гипотеза существования странного вещества — состояния материи, состоящего из примерно равного количества верхних, нижних и странных кварков. Такое вещество могло бы быть стабильным при высоких давлениях, например, в недрах нейтронных звёзд. Теоретическая модель предполагает, что при достаточной плотности нейтронного вещества часть нижних кварков может превращаться в странные кварки через слабое взаимодействие, образуя «странную кварковую материю».

Гипотетические объекты, состоящие из странного вещества, называются странными звёздами (или кварковыми звёздами). Они могли бы иметь плотность порядка 10¹⁷ кг/м³ и радиус около 10–15 км. Прямых наблюдательных подтверждений существования таких объектов пока нет, но некоторые нейтронные звёзды (например, пульсар PSR J0030+0451) демонстрируют свойства, которые могут объясняться наличием странного кваркового ядра.

Экспериментальные исследования

Странные кварки активно изучаются в экспериментах на ускорителях частиц:

• Большой адронный коллайдер (БАК): в экспериментах ALICE, CMS и ATLAS исследуются столкновения тяжёлых ионов, в которых образуются странные частицы. Изучение их выхода помогает понять свойства кварк-глюонной плазмы.
• Коллайдер RHIC (Релятивистский коллайдер тяжёлых ионов): в США проводятся эксперименты по изучению странных частиц в условиях высокой плотности энергии.
• Эксперименты на фи-фабриках: например, в Институте ядерной физики (Новосибирск, Россия) на установке ВЭПП-2000 изучаются распады фи-мезонов, содержащих ss̄-пары.

В России исследования странных кварков ведутся в Объединённом институте ядерных исследований (ОИЯИ, Дубна) и в Институте теоретической и экспериментальной физики (Москва). В частности, на нуклотроне ОИЯИ изучаются гипероны и каоны, образующиеся в ядерных столкновениях.

Значение для физики

Странные кварки играют ключевую роль в нескольких областях физики:

• Нарушение CP-симметрии: распады нейтральных каонов (K⁰ и K̄⁰) демонстрируют нарушение комбинированной чётности, что было открыто в 1964 году и является одним из немногих известных источников CP-нарушения в природе.
• Кварк-глюонная плазма: в столкновениях тяжёлых ионов при высоких энергиях образуется большое количество странных кварков, что служит индикатором перехода ядерной материи в состояние кварк-глюонной плазмы.
• Стандартная модель: странные кварки являются одним из ключевых элементов для проверки предсказаний Стандартной модели, включая расчёты масс адронов и вероятностей распадов.

Интересные факты

• Название «странный» было дано частицам из-за их необычного поведения: они рождались быстро, но распадались медленно, что казалось «странным» для физиков 1950-х годов.
• Странные кварки — единственные кварки, которые могут образовывать стабильные адроны без участия более тяжёлых кварков (например, каоны и гипероны).
• В 2011 году в эксперименте на БАК было обнаружено, что в столкновениях ионов свинца образуется аномально много странных частиц, что подтвердило модель кварк-глюонной плазмы.
• Гипотетическое странное вещество могло бы быть стабильным при нормальных условиях, но его существование не подтверждено экспериментально.

Источники

• Гелл-Манн М. «Кварковая модель» (1964)
• Нисидзима К. «Странность и сохранение квантовых чисел» (1953)
• Стандартная модель физики элементарных частиц (Particle Data Group, 2024)
• Шапиро И. С. «Физика гиперонов и каонов» (1976)
• Объединённый институт ядерных исследований (ОИЯИ), Дубна — материалы по странным частицам
• Эксперименты ALICE и CMS на Большом адронном коллайдере (CERN)