Гипотеза о кварках сегодня и завтра

(реферат)

 

Кварковая модель развивется в рамках Стандартной модели, описывающей электромагнитное, слабое и сильное взаимодействие всех элементарных частиц.

 

1. Термины, аббревиатуры, сокращения

• БАК – Большой Адронный Коллайдер.

• ближняя зона элементарной частицы – окрестность частицы в пределах её радиуса.

• глюоны – предполагаемые переносчики сильных взаимодействий, пока не найденные в природе.

квазичастица – материальная сущность, принципиально не существующих вне элементарных частиц.

• конфайнмент (от англ. confinement) – теория, в которой ненаблюдаемость свободных кварков объясняется тем, что для разъединения кварков требуется очень большая энергия.

• элементарные частицы (англ. elementary particles) – мельчайшие неделимые объекты микромира в атомном, ядерном и субъядерном масштабе [1].

• истинно элементарные частицы – частицы, которые на современном уровне знаний считаются бесструктурными.

квантовая хромодинамика – область физики элементарных частиц, изучающая взаимодействие кварков и глюонов.

 

1. Ароматы кварков

     Почти все экспериментальные данные о структуре и взаимодействиях адронов могут быть объяснены с помощью кварковой модели. Считается, что адроны состоят из гипотетических частиц  – кварков, истинно элементарных частиц. Их на сегодня шесть типов (ароматов):

u (от англ. up) – обычный верхний,

d (от англ. down) – обычный нижний,

s (от англ. strange) – странный,

c (от англ. charm) – очарованный,

b (от англ. beauty) – прелестный,

t (от англ. truth) – истинный.

     Все кварки имеют отличную от нуля массу, являются фермионами со спином J = ½ и несут на себе дробный электрический и барионный заряд. Каждому кварку соответствует свой антикварк.

     Комбинация из двух или трёх кварков может иметь суммарный заряд, равный нулю или единице. Кварки могут соединяться друг с другом одним из двух возможных способов: либо тройками, либо парами кварк-антикварк. Скрепляет их между собой сильное взаимодействие, переносчиками которого являются глюоны (цветовые заряды).

     Кварки делятся на две группы – верхнего типа и нижнего типа. К кваркам верхнего типа с зарядом +2/3 относят: верхний, очарованный и истинный кварки. К кваркам нижнего уровня с зарядом -1/3: нижний, странный и прелестный кварки. Истинный и прелестный являются самыми большими кварками, а верхний и нижний — самыми маленькими.

Несмотря на большие энергии сталкивающихся частиц, кварки в свободном состоянии обнаружить не удалось. Как следствие этого появилась гипотеза о конфайнменте.

 

2. Квантовые числа кварков

     Кварк s является носителем квантового числа странности S, кварк с –  очарования С, кварк bпрелести В´, кварк t – истинности Т, табл. 1. В таблице 1 обозначено:

Q – заряд кварка, В – барионное число.  

             Таблица 1. Параметры ароматов кварков

Кварк

Масса, Мэв

Спин и чётность  JP

Q

B

S

C

B´

T

u

1,5-5

(1/2)+

2/3

1/3

0

0

0

0

d

3-9

(1/2)+

-1/3

1/3

0

0

0

0

s

60-170

(1/2)+

-1/3

1/3

-1

0

0

0

c

1100-1400

(1/2)+

2/3

1/3

0

1

0

0

b

4100-4400

(1/2)+

-1/3

1/3

0

0

-1

0

t

17380

(1/2)+

2/3

1/3

0

0

0

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Цветовые заряды кварков

Сильные взаимодействия между кварками в адронах приписывают наличию у кварков цветовых зарядов, аналогов электрических зарядов. Они бывают трёх видов – красные, синие, жёлтые. Взаимодействие между кварками в адронах осуществляется путём обмена глюонами. Предполагается существование восьми глюонов, обладающих цветом. Обмен глюонами между кварками меняет их цветность, но оставляет неизменными все остальные квантовые числа. Суммарный цветовой заряд адрона равен нулю – адроны «бесцветны», «белые».

    

 

4. Кварковый состав частиц

     Мезоны состоят из кварка и антикварка. π+-мезон состоит из u-кварка и антикварка, π--мезон – из d-кварка и антикварка,  более тяжёлые  K-- и  K+-мезоны содержат

s-кварк. Барионы являются комбинацией трёх кварков.

    Протон состоит из двух u- и одного d-кварка (uud), нейтрон – из двух d-кварков и одного u-кварка (udd). Чтобы это «трио» кварков не распадалось, необходима удерживающая их сила – некий клей. Таким «клеем» оказался просто остаточный эффект более мощного взаимодействия между самими кварками. Когда протон «прилипает» к нейтрону или другому протону, во взаимодействии участвуют шесть кварков, каждый из которых взаимодействует со всеми остальными. Значительная часть энергии тратится на прочное «склеивание» трио кварков, а небольшая – на скрепление двух трио кварков друг с другом.

     Адроны, в состав которых входит s-кварк, называют странными, c-кварк – очарованными, b-варк – прелестными. Необычные свойства адронов обусловлены свойствами образующих их кварков.

 

5. Кварк-лептонные поколения

Между истинно элементарнми частицами кварками и лептонами существует симметрия: каждой паре лептонов соответствует пара кварков, табл. 2. В каждом из последующих поколений заряженные частицы тяжелее, чем в предыдущем.      

В 1964 году, когда знали лишь о четырё лептонах и трёх кварках, было предсказано существование с-кварка. В 1975 году, после открытия τ-лептона, стали целенаправленно искать b-  и t-кварки.

                                   Таблица 2. Кварк-лептонные поколения

 

Частицы

Поколения

первое

второе

третье

Лептоны

νе

е-

ν μ

μ-

ντ

τ -

Кварки

u

d

c

s

t

b

 

     Фермионы современной Вселенной относятся к первому поколению. Нуклоны, а значит и ядра атомов, состоят из u- и d-кварков, оболочки атомов образуют электроны. Электронное нейтрино νе играет важную роль в реакциях ядерного синтеза на Солнце и звёздах.

     Природа кварк-лептонной симметрии – одна из важных задач современной физики.

 

6. Насколько реальны кварки

Доводы в пользу того, что кварки существуют [4].

1. Все адроны обладают небольшим числом степеней свободы: все барионы с одинаковым спином обладают тремя степенями свободы, а все мезоны – двумя. Первоначально гипотеза кварков исходила именно из этого.

2. Далее, при учёте спина оказалось, что каждой такой степени свободы можно приписать спин ½ и, кроме того, каждой паре кварков можно приписать орбитальный момент, словно они и есть частицы, которые могут вращаться друг относительно друга. Из этого предположения возникло стройное объяснение и всему разнообразию спинов адронов, а также их магнитных моментов.

3. Более того, с открытием новых частиц выяснилось, что никаких модификаций теории, если не считать добавления новых кварков, не требуется  – каждый новый адрон удачно вписывался в кварковую конструкцию.

4. Кварковая модель предсказывала, что при аннигиляции высокоэнергетических электрона и позитрона будут рождаться не сами адроны, а сначала пары кварк-антикварк, которые потом уже превращаются в адроны. При этом результат расчёта такого процесса напрямую зависел от того, каков заряд рождённых кварков. Эксперимент подтвердил прогнозы.

5. С повышением энергии ускорителей стало возможным выбивать отдельные кварки из адронов. Кварковая теория предсказала – будут наблюдаться струи. И их «увидели».

Гипотеза кварков и всё, что из неё вытекает, является наиболее консервативной гипотезой относительно строения адронов, которая способна объяснить имеющиеся экспериментальные данные. Попытки обойтись без кварков наталкиваются на трудности с описанием многочисленных экспериментов.

• Доводы в пользу того, что кварков в природе нет

Кварков, глюонов, бозона Хиггса и т.п. в природе нет, поэтому они до сих пор и не были обнаружены [1].

.• Глюоны (о чудо!) наделены уникальными свойствами – способностью создавать себе подобных при движении. Такой способностью не обладает ни одна элементарная частица.

Квантовые числа – гиперзаряд, изотопический спин, странность, чётность не обоснованы экспериментально.

Квантовая гипотеза допускает нарушения закона сохранения энергии, ссылаясь на принципом неопределенности Гейзенберга.

 

7. Модель кварковых квазичастиц

Такая известная организация, как Particle Data Group, давно занимается сбором данных о свойствах элементарных частиц и их ежегодным обновлением. Она собрала внушительную коллекцию ссылок на экспериментальные работы, согласно которым обнаруживается множество состояний частиц, явно не вписывающихся в стандартную кварковую модель. Принципиальной трудностью теории является то, что в квантовой хромодинамике взаимодействие фундаментальных частиц (кварков, лептонов, векторных бозонов) рассматривается практически как точечное событие с частицами, не имеющих размеров. Описание такого взаимодействия на основе симметрии калибровочной теории поля приводит к неустранимым до конца математическим расходимостям, и к заведомой неточности предсказаний теории

Модель кварковых квазичастиц представляет собой теоретическую модель, альтернативную представлениям о возникновении кварков в результате Большого взрыва и модели кварков в квантовой хромодинамике и в теории элементарных частиц [5]. Модель кварковых квазичастиц демонстрирует, что кварки являются не самостоятельными частицами, а квазичастицами. Модель кварков является не окончательной, а некоторой промежуточной теорией строения адронов.

         Рассмотрение кварков и адронов как некоторых композиций из адронного вещества в α- и β- фазе помогает понять феноменологически различные особенности, присущие элементарным частицам. Формальная замена шести кварков двумя новыми сущностями  – фазами вещества, означает возможность дальнейшего упрощения теории строения адронов, основанной в целом на идее симметрии  взаимодействий частиц и привлечении методов квантовой механики.

         При взаимодействиях адронов фазы вещества преобразуются друг в друга, так что кварки как композиции фаз на самом деле оказываются квазичастицами. Теория конфайнмента теряет свой смысл.  

         Необходима новая методология изучения элементарных частиц [5]. На первый план выходят не описательные теории строения и взаимодействия частиц, а их реальные сущностно-материальные модели, включающие в себя происхождение и эволюцию частиц в едином мировом процессе. Подобные модели могут быть представлены в рамках теории бесконечной вложенности материи.

 

Источники информации

1. Элементарная частица. http://www.wikiznanie.ru/ru-wz/index.php/%D0%AD% D0%BB% D0%B5%D0%BC%D0%B5%D0%BD% D1%82%D0%B0%D1%80%D0%B D%D0% B0%D1%8 F_%D1%87%D0%B0%D1%81%D1%82%D0%B8%D1%86%D0%B0

2. Наркевич И.И., Волмянский Э.И., Лобко С.И. Физика: Учеб. – Мн.: Новое знание.    

    2004. – 680 с.

3. 10.3.2. Теория кварков.  http://www.bibliotekar.ru/estestvoznanie-3/147.htm.

4. Кварк. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%B2%D0%B0%D1%80%D0%BA.

5. Модель кварковых квазичастиц. http://serg.fedosin.ru/mkk.htm.

                                                                             01.10.2015