Кварк — бесструктурная элементарная частица и фундаментальная составляющая материи . Кварки объединяются в составные частицы , называемые адронами , наиболее стабильными из которых являются протоны и нейтроны , компоненты атомных ядер . Всё обычно наблюдаемое вещество состоит из верхних кварков, нижних кварков и электронов . Из-за явления, известного как удержание цвета , кварки никогда не встречаются изолированно; их можно найти только внутри адронов, которые включают барионы (такие как протоны и нейтроны) и мезоны , или в кварк-глюонной плазме . По этой причине много информации о кварках было получено из наблюдений за адронами.

Кварки обладают различными свойствами , включая электрический заряд , массу , цветовой заряд и спин . Это единственные элементарные частицы в Стандартной модели физики элементарных частиц , которые участвуют во всех четырёх фундаментальных взаимодействиях ( электромагнитном , гравитационном , сильном и слабом ), а также единственные известные частицы, электрические заряды которых — не целые числа, кратные элементарному заряду .

Существует шесть типов кварков, известных как ароматы : нижний , верхний , странный , очарованный , прелестный , истинный . У верхних и нижних кварков самые малые массы среди всех кварков. Более тяжёлые кварки быстро превращаются в верхние и нижние кварки в процессе : перехода из состояния с большей массой в состояние с меньшей массой. Из-за этого верхние и нижние кварки, как правило, стабильны и наиболее распространены во Вселенной , в то время как странные, очарованные, истинные и красивые кварки могут образовываться только в столкновениях с высокой энергией частиц (например, с участием космических лучей и в ускорителях частиц ). Для каждого аромата кварка существует соответствующий тип античастицы , известный как антикварк , который отличается от кварка только тем, что некоторые его свойства (например, электрический заряд) имеют одинаковую величину, но противоположный знак .

Кварковая модель была независимо предложена физиками Мюрреем Гелл-Манном и Джорджем Цвейгом в 1964 году , которые ввели их в физику как часть схемы упорядочения свойств адронов, хотя в то время было мало доказательств их физического существования до экспериментов по глубоко неупругому рассеянию в Стэнфордском центре линейных ускорителей в 1968 году . Эксперименты с ускорительной программой предоставили доказательства существования всех шести разновидностей кварков. Истинный кварк, впервые обнаруженный в лаборатории Ферми в 1995 году, был открыт последним .

Классификация

Стандартная модель — это теоретическая основа, описывающая все известные элементарные частицы . Эта модель содержит шесть сортов или ароматов кварков ( q ): верхний ( u ), нижний ( d ), странный ( s ), очарованный ( c ), прелестный ( b ) и истинный ( t ) . Античастицы кварков называются антикварками и обозначаются чертой над символом соответствующего кварка, например u для верхнего антикварка. Как и антивещество в целом, антикварки имеют ту же массу, среднее время жизни и спин, что и их соответствующие кварки, но электрический заряд и другие заряды имеют противоположные знаки .

Кварки — это частицы со , то есть фермионы в соответствии с теоремой Паули о связи спина со статистикой . Они подчиняются принципу запрета Паули , который гласит, что никакие два идентичных фермиона не могут одновременно занимать одно и то же квантовое состояние (в отличие от бозонов , частиц с целым спином, любое количество которых может находиться в одном и том же состоянии ). В отличие от лептонов кварки обладают цветовым зарядом , который заставляет их вступать в сильное взаимодействие . В результате притяжения между различными кварками образуются составные частицы, известные как адроны . Независимо друг от друга гипотезу о том, что каждый кварк обладает тремя различными цветовыми состояниями, высказали в 1965 году советские физики Н. Н. Боголюбов , Б. В. Струминский , А. Н. Тавхелидзе , американский — и японский — И. Намбу . В 1964 году подобную гипотезу высказал американский физик в другом виде .

Кварки, определяющие квантовые числа адронов, называются валентными кварками ; кроме того, любой адрон может содержать неопределённое число виртуальных пар кварков и антикварков, которые могут рождаться на короткое время согласно принципу неопределённости и формировать море кварковых пар , не влияющих на его квантовые числа . Есть два семейства адронов: барионы с тремя валентными кварками и мезоны с валентным кварком и антикварком . Наиболее распространёнными барионами являются протон и нейтрон, строительные блоки атомного ядра . Известно большое количество адронов ( список барионов и список мезонов ), большинство из них различаются по своему кварковому составу и свойствам, зависящих от составляющих их кварков. Существование экзотических адронов с большим количеством валентных кварков, таких как тетракварки ( q q q q ) и пентакварки ( q q q q q ), предполагалось с самого начала кварковой модели , но не было обнаружено до начала XXI века .

Элементарные фермионы сгруппированы в три поколения , каждое из которых состоит из двух лептонов и двух кварков. В первое поколение входят верхние и нижние кварки, второе — странный и очарованный кварки и третье — прелестный и истинный кварки. Все поиски четвёртого поколения кварков и других элементарных фермионов потерпели неудачу , и есть веские косвенные доказательства того, что существует не более трёх поколений . Частицы более высокого поколения обычно имеют бо́льшую массу и меньшую стабильность, что приводит к их на частицы более низкого поколения посредством слабых взаимодействий . В природе обычно встречаются только кварки первого поколения (верхние и нижние). Более тяжёлые кварки могут образовываться только в столкновениях с высокой энергией (например, при столкновениях с космическими лучами ) и быстро распадаться; однако считается, что они присутствовали в течение первых долей секунды после Большого взрыва , когда Вселенная находилась в чрезвычайно горячей и плотной фазе ( эпоха кварков ). Исследования более тяжёлых кварков ведутся в искусственно созданных условиях, например в ускорителях частиц .

Обладая электрическим зарядом, массой, цветовым зарядом и ароматом, кварки являются единственными известными элементарными частицами, которые участвуют во всех четырёх фундаментальных взаимодействиях современной физики: электромагнетизме, гравитации, сильном взаимодействии и слабом взаимодействии . Гравитация слишком слаба, чтобы иметь отношение к взаимодействиям отдельных частиц, за исключением крайних значений энергии ( планковская энергия ) и масштабов расстояний ( планковская длина ). Однако, поскольку успешной квантовой теории гравитации не существует, гравитация не описывается Стандартной моделью .

Более полный обзор свойств шести ароматов кварка представлены в таблице .

История

Кварковая модель была независимо предложена физиками Мюрреем Гелл-Маном и Джорджем Цвейгом в 1964 году . Предложение поступило вскоре после того, как Гелл-Ман в 1961 году сформулировал систему классификации частиц, известную как Восьмеричный путь , или, выражаясь более техническими терминами, ароматическую симметрию SU(3) , оптимизирующую её структуру . В том же году физик Юваль Неэман независимо разработал схему, аналогичную Восьмеричному Пути . До кварковой модели имелись другие модели адронов. Например, модель Сакаты с базисом, состоящим из p, n, Λ и их античастиц, описывала все мезоны и барионы, известные на момент публикации . Модель Гольдгабера использовала p, n, и Κ ⁻ . Впоследствии базис расширили до четырёх частиц (и четырёх античастиц) .

Во время зарождения кварковой теории « » включал множество адронов , среди прочих частиц. Гелл-Манн и Цвейг утверждали, что они не являются элементарными частицами, а состоят из комбинаций кварков и антикварков. Их модель включала три разновидности кварков: верхний , нижний и странный , которым они приписывали такие свойства, как спин и электрический заряд . Первоначальная реакция физического сообщества на это предложение была неоднозначной. Были особые разногласия по поводу того, был ли кварк физической сущностью или простой абстракцией, используемой для объяснения концепций, которые в то время не были полностью поняты .

Менее чем через год были предложены расширения модели Гелл-Манна — Цвейга. Шелдон Глэшоу и Джеймс Бьёркен предсказали существование четвёртого аромата кварка, который они назвали очарованным . Увеличение числа кварков позволило лучше описать слабое взаимодействие (механизм, позволяющий кваркам распадаться), уравняло число известных кварков с числом известных лептонов и подразумевало массовую формулу, которая правильно воспроизводила массы известных мезонов .

В 1968 году эксперименты по глубоко неупругому рассеянию электронов высокой энергии на протонах в Стэнфордском центре линейных ускорителей (SLAC) показали, что протон содержит гораздо меньшие точечные объекты и, следовательно, не является элементарной частицей . В то время физики не хотели твёрдо отождествлять эти объекты с кварками, вместо этого называя их « партонами » — термин, придуманный Ричардом Фейнманом . Объекты, которые наблюдались в SLAC, позже будут идентифицированы как верхние и нижние кварки по мере открытия других ароматов .

Существование странного кварка было косвенно подтверждено экспериментами SLAC по рассеянию: он не только был необходимым компонентом трёхкварковой модели Гелл-Мана и Цвейга, но и дал объяснение каона ( K ) и пиона ( π ) — адронов, открытых в космических лучах в 1947 году .

В статье 1970 года Глэшоу, Иоаннис Илиопулос и Лучано Майани представили (названный по их инициалам), для объяснения экспериментального отсутствия наблюдения . Эта теоретическая модель требовала существования ещё не открытого очарованного кварка . Число предполагаемых ароматов кварков выросло до нынешних шести в 1973 году, когда Макото Кобаяси и Тосихидэ Маскава заметили, что экспериментальное наблюдение нарушения СР-инвариантности можно объяснить, если бы существовала другая пара кварков .

Очарованные кварки были получены почти одновременно двумя командами в ноябре 1974 года (см. Ноябрьская революция ) — одной в SLAC под руководством Бертона Рихтера , а другой в Брукхейвенской национальной лаборатории под руководством Сэмюэля Тинга . Очарованные кварки наблюдались с очарованными антикварками в мезонах. Обе стороны присвоили открытому мезону два разных символа, J и ψ ; таким образом, он стал официально известен как J/ψ мезон . Это открытие окончательно убедило физическое сообщество в правильности кварковой модели .

В последующие годы появился ряд предложений по расширению кварковой модели до шести кварков. Из них в статье 1975 года Хаима Харари впервые были введены термины « истинный » и « прелестный » для дополнительных кварков .

В 1977 году группа учёных из Фермилаба во главе с Леоном Ледерманом наблюдала прелестный кварк . Это был сильный индикатор существования истинного кварка, так как иначе прелестный кварк не имел бы партнёра. Лишь в 1995 году истинный кварк был наконец обнаружен, также группами и в Фермилабе . Его масса оказалась намного больше, чем ожидалось , почти такая же, как у атома золота .

Доказательства существования кварков

Из-за контринтуитивного свойства сильного взаимодействия — конфайнмента — для неспециалиста зачастую нетривиально существование кварков: поскольку их невозможно увидеть в свободном виде, возникает сомнение, не являются ли они лишь математической абстракцией .

Причины, по которым кварки считаются реально существующими объектами:

• В 1960-х годах стало ясно, что все многочисленные адроны подчиняются более или менее простой классификации: сами собой объединяются в мультиплеты и супермультиплеты . Иными словами, при описании всех этих мультиплетов требуется очень небольшое число свободных параметров. То есть, все адроны обладают небольшим числом степеней свободы : все барионы с одинаковым спином обладают тремя степенями свободы, а все мезоны — двумя .
• 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 .
• Более того, с открытием новых частиц выяснилось, что никаких модификаций теории не требуется: каждый новый адрон удачно вписывался в кварковую конструкцию без каких-либо её перестроек (если не считать добавления новых кварков) .
• Как проверить, что заряд у кварков действительно дробный? 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. Результат расчёта течения такого процесса напрямую зависел от того, каков заряд рождённых кварков. Эксперимент полностью подтвердил эти предсказания .
• С наступлением эры ускорителей высокой энергии стало возможным изучать распределение импульса внутри, например, протона. Выяснилось, что импульс в протоне не распределён равномерно, а частями сосредоточен в отдельных степенях свободы. Эти степени свободы назвали партонами (от англ. part — часть). Более того, оказалось, что партоны, в первом приближении, обладают спином ½ и теми же зарядами, что и кварки. С ростом энергии оказалось, что количество партонов растёт, но такой результат и ожидался в кварковой модели при сверхвысоких энергиях .
• С повышением энергии ускорителей стало возможным также попытаться выбить отдельный кварк из адрона в высокоэнергетическом столкновении. Кварковая теория давала чёткие предсказания, как должны были выглядеть результаты таких столкновений — в виде струй . Такие струи действительно наблюдались в эксперименте .
• При высокоэнергетических столкновениях адронов вероятность того, что адроны рассеются на некоторый угол без разрушения, уменьшается с ростом величины угла. Эксперименты подтвердили, что, например, для протона скорость получается точно такая, какая ожидается для объекта, состоящего из трёх кварков .
• При столкновениях протонов с высокими энергиями экспериментально наблюдается аннигиляция кварка одного протона с антикварком другого протона с образованием пары мюон-антимюон ( процесс Дрелла — Яна ) .
• Кварковая модель с позиций взаимодействия кварков между собой при помощи глюонов хорошо объясняет расщепление масс между членами декуплета ${\displaystyle \Delta ^{-}}$ — ${\displaystyle \Sigma ^{*-}}$ — ${\displaystyle \Xi ^{-}}$ — ${\displaystyle \Omega ^{-}}$ .
• Кварковая модель хорошо объясняет расщепление масс между ${\displaystyle \Xi ^{-}-\Xi ^{0}}$ .
• Кварковая модель предсказывает для отношения магнитных моментов протона и нейтрона величину ${\displaystyle {\frac {\mu _{P}}{\mu _{N}}}=-{\frac {3}{2}},}$ что находится в хорошем соответствии с экспериментальным значением −1,47. Для отношения магнитных моментов гиперона и протона теория кварков предсказывает величину ${\displaystyle {\frac {\mu _{\Lambda }}{\mu _{P}}}=-{\frac {1}{3}}}$ , что также находится в хорошем соответствии с экспериментальным значением −0,29 ± 0,05 .
• Есть и много других экспериментальных подтверждений кварковой модели строения адронов .

В целом, можно сказать, что гипотеза кварков и всё, что из неё вытекает (в частности, КХД ), является наиболее консервативной гипотезой относительно строения адронов, которая способна объяснить имеющиеся экспериментальные данные. Попытки обойтись без кварков наталкиваются на трудности с описанием всех тех многочисленных экспериментов, которые очень естественно описывались в кварковой модели. Кварковая модель была признана физическим сообществом в 1976 году .

Этимология

Некоторое время Гелл-Ман не мог определиться с фактическим написанием термина, который он намеревался ввести, пока не нашёл слово кварк в книге Джеймса Джойса 1939 года « Поминки по Финнегану» со строчкой «Три кварка для мистера Марка» :

– Three quarks for Muster Mark!
Sure he hasn't got much of a bark
And sure any he has it's all beside the mark.

Существует версия, что слово кварк — это устаревшее английское слово, означающее каркать , а процитированные выше строки о птичьем хоре, насмехающемся над королем Корнуолла Марком в легенде о Тристане и Изольде . Однако широко распространено предположение, особенно в немецкоязычных частях мира, что Джойс усвоил это слово из немецкого во время своего пребывания в Вене. В немецком слово Quark имеет два значения: 1) творог, 2) чепуха. В немецкий же данное слово попало из западнославянских языков ( чеш. tvaroh , польск. twaróg — «творог») . Согласно рассказу ирландского физика , Джойс во время пребывания в Германии на сельскохозяйственной выставке услышал рекламный слоган «Drei Mark für Musterquark» («три марки за образцовый творог»), который был им позже перефразирован для романа . Гелл-Ман подробно остановился на названии кварка в своей книге 1994 года «Кварк и ягуар » . Цвейг предпочитал имя туз ( англ. ace ) для частицы , которую он теоретизировал, но терминология Гелл-Мана стала известна после того, как кварковая модель стала общепринятой .

Ароматы кварков получили свои названия по нескольким причинам. Верхние (up, букв. «вверх») и нижние (down, букв. «вниз») кварки названы в честь верхних и нижних компонент изоспина . Странные кварки получили своё название, потому что они были обнаружены как компоненты , обнаруженных в космических лучах за много лет до того, как была предложена кварковая модель; эти частицы считались «странными», потому что они имели необычно долгое время жизни . Глэшоу, который совместно с Бьёркеном предложил очарованный кварк, говорил: «Мы назвали нашу конструкцию „очарованным кварком“, потому что мы были очарованы и довольны симметрией, которую он привнёс в субъядерный мир» . Названия bottom (нижний) и top (верхний) , придуманные Харари, были выбраны потому, что они являются «логическими партнёрами для верхних (up) и нижних (down) кварков» . Альтернативные названия b- и t-кварка — beautiful (прелестный, красивый) и true (истинный) соответственно , но эти имена несколько вышли из употребления . Ускорительные комплексы, предназначенные для массового производства b-кварков, иногда называют « фабриками прелести » , а название «истинный кварк» в английском языке не прижилось.

Характеристики

Электрический заряд

Кварки имеют дробные значения электрического заряда — либо − 1 / 3 или + 2 / 3 элементарного электрического заряда (е), в зависимости от аромата. Верхние, очарованные и истинные кварки (вместе именуемые верхними кварками ) имеют заряд + 2 / 3 е; нижние, странные и прелестные кварки ( нижние кварки ) имеют заряд − 1 / 3 е. Антикварки имеют заряд, противоположный соответствующим им кваркам; верхние антикварки имеют заряды − 2 / 3 е, и нижние антикварки имеют заряды + 1 / 3 е. Поскольку электрический заряд адрона представляет собой сумму зарядов составляющих его кварков, все адроны имеют целочисленные заряды: сочетание трёх кварков (барионов), трёх антикварков (антибарионов) или кварка и антикварка (мезонов) всегда приводит к заряду, выражаемому целым числом . Например, адронные составляющие атомных ядер, нейтроны и протоны, имеют заряды 0 е и +1 е соответственно; нейтрон состоит из двух нижних кварков и одного верхнего кварка, а протон — из двух верхних кварков и одного нижнего кварка .

Спин

Спин — это внутреннее свойство элементарных частиц, а его направление — важная степень свободы . Иногда его визуализируют как вращение объекта вокруг собственной оси (отсюда и название « » от англ. spin ), хотя это понятие несколько ошибочно на субатомных масштабах, поскольку считается, что элементарные частицы имеют точечную форму .

Спин представляется вектором , длина которого измеряется в единицах приведённой постоянной Планка ħ . Для кварков измерение компоненты вектора спина вдоль любой оси может дать только значения + ħ / 2 или − ħ / 2 ; по этой причине кварки классифицируются как . Составляющая спина вдоль заданной оси — условно оси z — часто обозначается стрелкой вверх ↑ для значения + 1 / 2 и стрелкой вниз ↓ для значения − 1 / 2 , размещённый после символа аромата. Например, верхний кварк со спином + 1 / 2 z обозначается как u↑ .

Слабое взаимодействие

Кварк одного аромата может превратиться в кварк другого аромата только посредством слабого взаимодействия, одного из четырёх фундаментальных взаимодействий в физике элементарных частиц. Поглощая или испуская W-бозон , любой верхний кварк (верхний, очарованный и t-кварк) может превратиться в любой нижний кварк (нижний, странный и b-кварк) и наоборот. Этот механизм трансформации аромата вызывает радиоактивный процесс бета-распада , в котором нейтрон ( n ) «расщепляется» на протон ( p ), электрон ( e −
) и электронное антинейтрино ( ν
e ) (см. рисунок). Это происходит, когда один из нижних кварков в нейтроне ( u d ) распадается на верхний кварк, испуская виртуальный W −
бозон, превращающий нейтрон в протон ( u d ). W −
бозон затем распадается на электрон и электронное антинейтрино .

n	→	p	+	e −	+	ν e	(Бета распад в адронных обозначениях)
u d d	→	u u d	+	e −	+	ν e	(Бета распад в кварковых обозначениях)

И бета-распад, и обратный ему процесс обычно используются в медицинских приложениях, таких как позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) , и в экспериментах по обнаружению нейтрино .

Хотя процесс трансформации аромата одинаков для всех кварков, каждый кварк предпочитает трансформироваться в кварк своего собственного поколения. Относительные тенденции всех преобразований аромата описываются математической таблицей , называемой матрицей Кабиббо — Кобаяши — Маскавы (матрица СКМ). При условии унитарности приблизительные величины элементов матрицы CKM :

${\displaystyle {\begin{bmatrix}|V_{\mathrm {ud} }|&|V_{\mathrm {us} }|&|V_{\mathrm {ub} }|\\|V_{\mathrm {cd} }|&|V_{\mathrm {cs} }|&|V_{\mathrm {cb} }|\\|V_{\mathrm {td} }|&|V_{\mathrm {ts} }|&|V_{\mathrm {tb} }|\end{bmatrix}}\approx {\begin{bmatrix}0.974&0.225&0.003\\0.225&0.973&0.041\\0.009&0.040&0.999\end{bmatrix}},}$

где V _ij представляет тенденцию кварка аромата i превращаться в кварк аромата j (или наоборот) .

Существует эквивалентная матрица слабого взаимодействия для лептонов (правая часть бозона W на приведённой выше диаграмме бета-распада), называемая матрицей Понтекорво — Маки — Накагавы — Сакаты (матрица PMNS) . Вместе матрицы CKM и PMNS описывают все преобразования ароматов, но связи между ними пока не ясны .

Сильное взаимодействие и цветовой заряд

Согласно квантовой хромодинамике (КХД), кварки обладают свойством, называемым цветовым зарядом . Существует три типа цветового заряда, условно обозначенные синим , зелёным и красным . Каждый из них дополняется антицветом — антисиним , антизелёным и антикрасным . Каждый кварк несёт цвет, а каждый антикварк несёт антицвет .

Система притяжения и отталкивания между кварками, заряженными различными комбинациями трёх цветов, называется сильным взаимодействием , которое опосредовано переносится частицами , известными как глюоны ; это подробно обсуждается ниже. Теория, описывающая сильные взаимодействия, называется квантовой хромодинамикой (КХД). Кварк, который будет иметь одно значение цвета, может образовать с антикварком, несущим соответствующий антицвет. Результатом притяжения двух кварков будет цветовая нейтральность: кварк с цветовым зарядом ξ плюс антикварк с цветовым зарядом − ξ приведут к цветовому заряду 0 (или «белому» цвету) и образованию мезона . Это аналогично аддитивной цветовой модели в базовой оптике . Точно так же комбинация трёх кварков, каждый с разными цветовыми зарядами, или трёх антикварков, каждый с антицветными зарядами, приведёт к тому же «белому» цветовому заряду и образованию бариона или антибариона .

В современной физике элементарных частиц калибровочные симметрии — разновидность группы симметрии — связывают взаимодействия между частицами (см. Калибровочные теории ). Цвет SU(3) (обычно сокращенно SU(3) _c ) представляет собой калибровочную симметрию, которая связывает цветовой заряд в кварках и является определяющей симметрией квантовой хромодинамики . Подобно тому, как законы физики не зависят от того, какие направления в пространстве обозначены x , y и z , и остаются неизменными, если оси координат поворачиваются в новую ориентацию, физика квантовой хромодинамики не зависит от направления в трёхмерном цветовом пространстве определяемого на базисе синего, красного и зелёного. Преобразования цвета SU(3) _c соответствуют «вращениям» в цветовом пространстве (которое является комплексным пространством ). Каждый аромат кварка f , каждый с подтипами f _B , f _G , f _R , соответствующими цветам кварков , образует триплет: трёхкомпонентное квантовое поле , которое преобразуется в соответствии с фундаментальным представлением группы SU(3) _c . Требование, чтобы SU(3) _c было локальным, то есть чтобы его преобразования могли меняться в пространстве и во времени, определяет свойства сильного взаимодействия. В частности, это подразумевает существование восьми типов глюонов, которые действуют как переносчики взаимодейсвия .

Масса

Два термина используются для обозначения массы кварка: относится к массе самого кварка, а относится к массе токового кварка плюс массе поля глюонных частиц , окружающих его . Эти массы обычно имеют очень разные значения. Большая часть массы адрона происходит от глюонов, которые связывают составляющие его кварки вместе, а не от самих кварков. Хотя глюоны по своей природе безмассовы, они обладают энергией — , что сильно влияет на общую массу адрона (см. Масса в специальной теории относительности ). Например, протон имеет массу примерно 938 МэВ/с ² , из которых масса покоя его трёх валентных кварков составляет только около 9 МэВ/с ² ; большую часть остатка можно отнести к энергии поля глюонов (см. ). Стандартная модель утверждает, что масса элементарных частиц определяется механизмом Хиггса , который связан с бозоном Хиггса . Есть надежда, что дальнейшие исследования причин большой массы t-кварка ~173 ГэВ/с ² , что почти равно массе атома золота , может дать больше информации о происхождении массы кварков и других элементарных частиц .

Размер

В КХД кварки считаются точечными объектами нулевого размера. По состоянию на 2014 год экспериментальные данные показывают, что они не больше, чем 10 ⁻⁴ размера протона, то есть меньше 10 ⁻¹⁹ метров .

Таблица свойств

В следующей таблице приведены основные свойства шести кварков. Квантовые числа аромата ( изоспин ( I ₃ ), очарование ( C ), странность ( S , не путать со спином), истинность ( T ) и прелесть или красота (B')) присваиваются определённым ароматам кварков и обозначают качества кварковых систем и адронов. Барионное число ( B ) равно + 1 / 3 кварков, так как барионы состоят из трёх кварков. Для антикварков электрический заряд ( Q ) и все ароматические квантовые числа ( B , I ₃ , C , S , T и B ′ ) имеют противоположный знак. Масса и полный угловой момент ( J , равный спину для точечных частиц) не меняют знака для антикварков .

Ароматы кварков

Частица		Масса ( МэВ/ с 2 ) *	J	B	Q ( е )	I 3	C	S	T	B′	Античастица
Имя	Символ										Имя	Символ
Первое поколение
верхний ( англ. up )	u	2,3 ± 0,7 ± 0,5	1 / 2	+ 1 / 3	+ 2 / 3	+ 1 / 2	0	0	0	0	антиверхний	u
нижний ( англ. down )	d	4,8 ± 0,5 ± 0,3	1 / 2	+ 1 / 3	− 1 / 3	− 1 / 2	0	0	0	0	антинижний	d
Второе поколение
очарованный ( англ. charm )	c	1275 ± 25	1 / 2	+ 1 / 3	+ 2 / 3	0	+1	0	0	0	антиочарованный	c
странный ( англ. strange )	s	95 ± 5	1 / 2	+ 1 / 3	− 1 / 3	0	0	−1	0	0	антистранный	s
Третье поколение
истинный ( англ. top, truth )	t	173 210 ± 510 ± 710 *	1 / 2	+ 1 / 3	+ 2 / 3	0	0	0	+1	0	антиистинный	t
прелестный ( англ. bottom, beauty )	b	4180 ± 30	1 / 2	+ 1 / 3	− 1 / 3	0	0	0	0	−1	антипрелестный	b

J — полный угловой момент , B — барионное число , Q — электрический заряд ,
I ₃ — изоспин , C — очарование , S — странность , T — истинность , B ′ = прелесть, красота.
* Обозначения, такие как 173 210 ± 510 ± 710, в случае t-кварка, обозначает два типа неопределённости измерения : первая неопределённость носит характер, а вторая — систематический .

Взаимодействующие кварки

Как описано в квантовой хромодинамике , носителями сильного взаимодействия выступают глюоны — безмассовые векторные калибровочные бозоны . Каждый глюон несёт один цветовой заряд и один антицветовой заряд. В стандартной структуре взаимодействия частиц (часть более общей формулировки, известной как теория возмущений ) глюоны постоянно обмениваются между кварками посредством виртуального процесса испускания и поглощения. Когда глюон передаётся между кварками, у обоих происходит изменение цвета; например, если красный кварк испускает красно-антизелёный глюон, то он становится зелёным, а если зелёный кварк поглощает красно-антизелёный глюон, то он становится красным. Поэтому при постоянном изменении цвета каждого кварка их сильное взаимодействие сохраняется .

Поскольку глюоны несут цветовой заряд, они сами способны излучать и поглощать другие глюоны. Это вызывает асимптотическую свободу : по мере сближения кварков хромодинамическая сила связи между ними ослабевает . И наоборот, по мере увеличения расстояния между кварками сила связи усиливается. Цветовое поле становится напряжённым, подобно эластичной ленте при растяжении, и спонтанно создаётся больше глюонов соответствующего цвета, чтобы усилить поле. При превышении определённого порога энергии создаются пары кварков и антикварков. Эти пары связываются с разделяющимися кварками, вызывая образование новых адронов. Это явление известно как ограничение цвета : кварки никогда не появляются изолированно . Этот процесс адронизации происходит до того, как кварки, образованные при столкновении при высоких энергиях, смогут взаимодействовать каким-либо другим образом. Единственным исключением является t-кварк, который может распасться до того, как адронизируется .

Морские кварки

Адроны содержат наряду с валентными кварками ( q
v ), которые дают вклад в квантовые числа , виртуальные кварк-антикварковые ( q q ) пары, известные как морские кварки ( q
s ), которые существуют достаточно долгое время в частицах, движущихся близко к световой скорости . Морские кварки образуются, когда расщепляется глюон цветового поля адрона; этот процесс также работает в обратном направлении, поскольку при аннигиляции двух морских кварков образуется глюон. Результатом является постоянный поток расщеплений и создания глюонов, в просторечии известный как «море» . Морские кварки намного менее стабильны, чем их валентные аналоги, и они обычно аннигилируют друг с другом внутри адрона. Несмотря на это, морские кварки могут при определённых обстоятельствах адронизироваться в барионные или мезонные частицы .

Другие фазы кварковой материи

В достаточно экстремальных условиях кварки могут выйти из связанных состояний и распространяться как термализованные «свободные» возбуждения в большей среде. В ходе асимптотической свободы сильное взаимодействие ослабевает при повышении температуры. В конце концов, ограничение цвета будет фактически нарушено в чрезвычайно горячей плазме свободно движущихся кварков и глюонов. Эта теоретическая фаза материи называется кварк-глюонной плазмой .

Точные условия, необходимые для возникновения этого состояния, неизвестны и были предметом множества спекуляций и экспериментов. По оценкам, необходимая температура составляет (1,90 ± 0,02)⋅10 ¹² К . Хотя состояние полностью свободных кварков и глюонов так и не было достигнуто (несмотря на многочисленные попытки в ЦЕРНе в 1980-х и 1990-х годах) , недавние эксперименты на Релятивистском коллайдере тяжёлых ионов дали доказательства того, что жидкоподобная кварковая материя демонстрирует «почти совершенную» .

Кварк-глюонная плазма будет характеризоваться большим увеличением числа пар более тяжёлых кварков по отношению к числу пар верхних и нижних кварков. Считается, что в период до 10 ⁻⁶ секунд после Большого взрыва ( кварковая эпоха ) Вселенная была заполнена кварк-глюонной плазмой, так как температура была слишком высока для устойчивости адронов .

При достаточно высокой плотности барионов и относительно низких температурах — возможно, сравнимых с температурами в нейтронных звездах — ожидается, что кварковая материя выродится в ферми-жидкость слабо взаимодействующих кварков. Эта жидкость будет характеризоваться конденсацией куперовских пар цветных кварков, тем самым нарушая локальную симметрию SU(3) _c . Поскольку кварковые куперовские пары несут цветовой заряд, такая фаза кварковой материи будет ; то есть цветовой заряд сможет пройти через неё без сопротивления .

Открытые вопросы

В отношении кварков остаются вопросы, на которые пока нет ответа:

• почему кварков только шесть ?
• почему ровно три цвета ?
• почему ровно три поколения кварков ? Этот вопрос связан с проблемой аромата ( англ. Flavour puzzle ), которая заключается в неспособности современной Стандартной модели объяснить, почему свободные параметры частиц модели имеют определённые значения, и почему существуют определённые значения для углов смешивания в матрицах PMNS и CKM .
• случайно ли совпадение этого числа с размерностью пространства в нашем мире ?
• откуда берётся такой разброс в массах кварков?
• из чего состоят кварки ? (см. Преоны )
• как кварки складываются в адроны ?

Впрочем, история с адронами и кварками, а также симметрия между кварками и лептонами, наводит на подозрение, что кварки могут сами состоять из чего-то более простого. Рабочее название для гипотетических частиц-составляющих кварков — преоны . С точки зрения данных экспериментов, до сих пор никаких подозрений на неточечную структуру кварков не возникало. Однако попытки построить такие теории делаются независимо от экспериментов. Серьёзных успехов в этом направлении пока нет .

Другой подход состоит в построении теории Великого объединения . Польза от такой теории была бы не только в объединении сильного и электрослабого взаимодействий, но и в едином описании лептонов и кварков. Несмотря на активные усилия, построить такую теорию также пока не удалось .

Примечания

Комментарии

1. Имеется также теоретическая возможность существования более экзотических фаз кварковой материи.
2. Основное свидетельство основано на ширине резонанса Z ⁰ -бозона, который ограничивает массу нейтрино 4-го поколения величиной более ~45 ГэВ/c ² , что будет сильно контрастировать с нейтрино трёх других поколений, массы которых не могут превышать 2 МэВ/c ² .
3. Нарушение CP-инвариантности — это явление, из-за которого слабые взаимодействия ведут себя по-разному, когда левое и правое меняются местами (P-симметрия) и частицы заменяются соответствующими им античастицами (C-симметрия).
4. Фактическая вероятность распада одного кварка на другой является сложной функцией (среди прочих переменных) массы распадающегося кварка, масс продуктов распада и соответствующего элемента матрицы CKM. Эта вероятность прямо пропорциональна (но не равна) квадрату величины (| V _ij | ² ) соответствующего элемента матрицы CKM.
5. Несмотря на свое название, цветовой заряд не связан с цветовым спектром видимого света.

Источники

Литература

Ссылки

• — Описание эксперимента ЦЕРНа по подсчету семейств кварков.
• (неопр.) . 10 марта 2008 года. на сайте Particle Data Group.