Кварковая модель — в физике элементарных частиц классификационная схема адронов с точки зрения их валентных кварков — кварков и антикварков , порождающих квантовые числа адронов.

Описание

Согласно этой модели, все сильно взаимодействующие частицы ( мезоны , барионы , резонансные частицы ) состоят из особых «субчастиц» с дробными электрическими зарядами — кварков трёх типов, а также соответствующих античастиц ( антикварков ).

Кварковая модель описывает известные адроны как составленные из свободных (валентных) кварков и/или антикварков, крепко связанных сильным взаимодействием , которое переносится глюонами . В каждом адроне также содержится «море» виртуальных кварк-антикварковых пар.

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 .

Р. Пайерлс относит кварковую модель элементарных частиц после её появления к феноменологическим моделям, второму типу математических моделей . После кварковая модель постепенно переходила в разряд гипотез.

Кварковая модель с позиций взаимодействия кварков между собой при помощи глюонов хорошо объясняет расщепление масс между членами декуплета ${\displaystyle \Delta ^{-}-\Sigma ^{-}-\Xi ^{-}-\Omega ^{-}}$ .

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 .

Исторически барионное число было определено задолго до того, как установилась сегодняшняя кварковая модель.

Из кварковой модели ясно, что каоны формируют два изоспиновых дублета; то есть они принадлежат к фундаментальному представлению группы SU(2) , называемому 2 . Один дублет со странностью +1 и изоспином +1/2 содержит K ⁺ и K ⁰ . Античастицы формируют второй дублет со странностью −1 и изоспином −1/2.

Для описания внутренних свойств адронов требуются непертурбативные подходы. Среди них есть и разнообразные локальные и нелокальные кварковые модели, основанные как на квантовой хромодинамике, так и на феноменологии. Данная модель, модель типа Намбу-Йона-Лазинио (в ней исключены глюоны), получила развитие и позволила описать свойства скалярных, псевдоскалярных и векторных мезонов, включая их основные состояния, а также первые радиальные возбуждения. На её основе были предсказаны массы скалярных мезонов, массы первых радиальных возбуждений псевдоскалярных и векторных мезонов.

Евгений Левин и Леонид Франкфурт развили идею конституэнтной кварковой модели для адронов . Данная модель была с успехом подтверждена экспериментально.

После экспериментального обнаружения скейлинга Бьоркена , подтверждения кварковой модели и асимптотической свободы в квантовой хромодинамике , партоны были отождествлены с кварками и глюонами , составляющими адроны.

Не кварковые модели мезонов включают в себя экзотические мезоны , которые имеют набор квантовых чисел , невозможный в рамках кварковой модели. Обычно каждый мезон в рамках кварковой модели появляется в виде SU(3) ароматического нонета — октет и ароматический синглет. Оказывается, что глюбол — дополнительная частица вне нонета. Вопреки кажущейся простоте счета определение любого полученного состояния как глюбола, тетракварка или гибридного мезона остается неясным и умозрительным даже сегодня. Даже когда существует согласие о том, что одно из нескольких состояний является одним из таких мезонов за рамками кварковой модели, степень смешивания и точная классификация связаны с неопределённостями. Также проводится значительная экспериментальная работа для определения квантовых чисел каждого состояния и проверки точности полученных результатов. В итоге все определения за рамками кварковой модели являются неопределенными и умозрительными. Ниже рассматривается подробнее ситуация на конец 2004 года .

Кандидат на классификацию как глюбол

f ₀ (1370) и f ₀ (1500) не могут являться мезонами в рамках кварковой модели, поскольку один из них — дополнительная частица к мезонному нонету. Рождение состояния с большей массой в 2 фотонных реакциях, таких, как реакции 2γ → 2π или 2γ → 2K , не наблюдается. Распады также дают некоторые основания полагать, что один из них является глюболом.

История

Сёити Саката предложил модель Сакаты , предшествующую кварковой модели.

Кварковая модель была независимо предложена физиками М. Гелл-Манном и Дж. Цвейгом (см. также ) в 1964 году. В том числе существование d-кварков впервые было предсказано в 1964 г., когда Гелл-Манн и Цвейг разработали кварковую модель.

В кварковой модели частица Δ ⁺⁺ (1232) составлена из трех u -кварков со спинами , ориентированными в одном направлении, причем орбитальный момент их относительного движения равен нулю. Все три кварка в таком случае должны находиться в одном и том же квантовом состоянии , а так как кварк является фермионом , подобная комбинация запрещается принципом исключения Паули . В 1965 году Н. Н. Боголюбов , Б. В. Струминский и А. Н. Тавхелидзе , и также совместно с Йоитиро Намбу и ) независимо друг от друга решили эту проблему, предположив, что кварк обладает дополнительными степенями свободы калибровочной группы SU(3) , позже названными «цветовыми зарядами». На необходимость приписать кваркам дополнительное число было указано Б. В. Струминским в препринте от 7 января 1965 года . Результаты работы Н. Н. Боголюбова, Б. Струминского и А. Н. Тавхелидзе были представлены в мае 1965 года на международной конференции по теоретической физике в Триесте . Йоитиро Намбу представил свои результаты осенью 1965 года на конференции в США . Хан и Намбу отметили, что кварк взаимодействует через октет векторных калибровочных бозонов , названных глюонами ( англ. glue «клей»).

Вскоре кварки были признаны основополагающими элементарными объектами, из которых состоят адроны. Современная теория взаимодействия кварков называется квантовой хромодинамикой (КХД) и основывается на работах М. Гелл-Мана. Кварковая модель является частью КХД и оказалась достаточно прочной, чтобы пережить открытие кварковых ароматов .

Термин « аромат » впервые появился в кварковой модели адронов в 1970 году.

Кварковая модель была признана физическим сообществом в 1976 году .

Трёхкварковая модель

Стандартная кварковая модель (также называется наивной кварковой моделью и кварковой моделью Гелл-Манна — Цвейга ): данная модель предусматривает, что барион состоит из трёх так называемых валентных кварков и из «моря» виртуальных кварк-антикварковых пар и виртуальных глюонов. Пентакварки не рассматриваются. Адроны, не вписывающиеся в рамки этой модели, называются экзотическими .

Состояния вне кварковой модели

Несмотря на то, что кварковая модель выводится из теории квантовой хромодинамики , структура адронов более сложна, чем учитывает эта модель. Полная квантовая механика волновой функции любого адрона должна включать виртуальные пары кварков, а также виртуальные глюоны , и допускает множество смешений. Могут быть адроны, которые лежат вне кварковой модели. Среди них глюонии (которые содержат только глюоны), «гибриды»(которые содержат валентные кварки, а также глюоны) и « экзотические адроны » (такие как тетракварки или пентакварки ).

См. также

• Субатомная частица
• Адроны , барионы , мезоны и кварки
• Экзотические адроны : экзотические мезоны и экзотические барионы
• Квантовая хромодинамика , аромат (физика) ,

Примечания

Литература

• Клоуз Ф. Введение в кварки и партоны. — М. : Мир , 1982. — 438 с.
• Коккедэ Я. Теория кварков. — М. : Мир , 1971. — 341 с.
• S. Eidelman et al. (англ.) // (англ.) ( : journal. — 2004. — Vol. 592 . — P. 1 . — doi : . — Bibcode : . — arXiv : .
• Lichtenberg, D B. (англ.) . — Academic Press , 1970. — ISBN 978-1483242729 .
• Thomson, M A (2011), от 5 июля 2016 на Wayback Machine
• J.J.J. Kokkedee. (неопр.) . — (англ.) ( , 1969.

Ссылки

• от 3 августа 2020 на Wayback Machine (англ.)