Кварки

Кварки

Кварки

Реферат выполнил: ученик 11а класса Вишняков Дмитрий

МОУ СОШ 1

Введение 

Термином “элементарные частицы” в физике принято называть частицы, которые являются основой для всего материального, и кроме того обладающие очень важным свойством - неделимостью. В разные исторические эпохи такими базовыми неделимыми частицами считались сначала атомы, потом – ядро, затем – его составные части – нуклоны. 

В конце XIX – начале XX века наукой было доказано, что при радиоактивных преобразованиях атомы могут превращаться друг в друга. Кроме того, в то время были открыты рентгеновское и катодное излучения. Источниками этих типов излучения могли быть различные атомы, из чего следовал тот факт, что все атомы построены по одному принципу. Поэтому, начиная с того времени, стало господствующим утверждение о том, что любой атом состоит из неких элементарных частиц. 

Затем были открыты составные части атома: атомное ядро (1911 г.) – его заряженный тяжелый центр, в свою очередь состоящий из протона (1919 г.) и нейтрона (1932 г.). 

Согласно понятиям современной физики принято условно считать, что термин элементарные частицы охватывает большую группу мельчайших микрочастиц, в которые не входят атомы, а также атомные ядра (кроме протона, являющегося ядром атома водорода). Ну а истинно элементарными частицами являются электрон, позитрон, все виды нейтрино, фотоны и кварки, поскольку в настоящее время их принято считать неделимыми, т.е. их нельзя составить ни из каких других известных нынешней физике частиц. 

На основе кварковой модели была создана классификация адронов – частиц с сильным взаимодействием. Это разделение частиц на группы в последние годы пользуется огромным успехом, хотя предложено было еще в 60-х годах. Как следует из данной модели, любой адрон включает в себя две-три действительно элементарные частицы – кварки, – обладающие весьма необычными характеристиками. Предположительно существует шесть типов (ароматов) кварков и антикварков, которые взаимодействуют между собой посредством глюонов. Глюоны, как и кварки обладают особенным зарядом, именуемым цветом. Каждому типу кварка свойственны три разновидности цвета, а каждому типу глюона – восемь. 

Количество элементарных частиц 

Число открытых и исследованных частиц к настоящему времени огромно. Уже весь греческий алфавит и большая часть латинского алфавита использованы под обозначение элементарных частиц. Более того, зачастую в обозначениях вновь открытых частиц встречаются штрихи, звездочки и цифры. Это говорит о том, что их количество значительно превосходит совокупный размер греческого и латинского алфавитов. 

В настоящее время число элементарных частиц (включая нестабильные частицы – резонансы) вместе с античастицами в несколько раз превышает число элементов периодической системы Менделеева. А согласно подсчетам одного физика, число открытых элементарных частиц, удваивается через каждые 11 лет и если так пойдет дальше, через некоторое время превысит число физиков. 

Существование кварков 

Кварки были придуманы в 1964 г. американскими физиками Гелл-Маном и независимо Цвейгом для объяснения существующей в природе симметрии в свойствах сильновзаимодействующих частиц – адронов. 

Кварки – общее название для нескольких фундаментальных частиц, из которых можно составить любую сильновзаимодействующую частицу. При этом такие “составные” частицы будут обладать всеми основными свойствами реальных частиц. Следует заметить, что сильновзаимодействующие частицы составляют абсолютное большинство среди всех типов частиц. Столь необычное название “кварки” заимствовано из книги Джеймса Джойса “Поминки по Финнигану”, где встречается словосочетание “три кварка” как таинственный крик чаек, который слышится герою романа в кошмарном бреду. 

Гипотеза о существовании таких фундаментальных частиц, как кварков, решила весьма важную задачу о упорядочивании всех известных к тому времени элементарных частиц. 

Супермультиплеты

Супермультиплетами или унитарными мультиплетами называются группы известных адронов, отсортированные по значениям их спина и внутренней четности. Существует несколько таких групп достаточно большого размера, внутри которых наблюдаются интересные закономерности, и каждая группа содержит около десяти частиц. 

Число таких групп к тому времени определялось равным четырем. Это мезонные адроны с нулевым спином и отрицательной четностью, образующие нонет - группу из девяти частиц. Масса, электрический заряд и странность составляющих этой девятки закономерно изменяются от частицы к частице. Мезонные адроны со спином, равным единице, и отрицательной четностью также образуют аналогичную девятку. Барионные адроны с оспином 3/2 и положительной четностью образуют декуплет –десятку. Наконец, октет образуется барионами с положительной четностью и спином ½. 

Свойства супермультиплетов

В 1962 г. Гелл-Маном были однозначно предугаданы все известные характеристики десятой частицы по свойствам девяти известных частиц. Приведем набор параметров для этой частицы: масса, странность, изотопический спин, четность. Кроме того, в их число также входят электрический заряд, барионный заряд, схема рождения, схема распада, время жизни. В начале 1964 г. был найден гиперон с предсказанными свойствами. Это стало возможным благодаря исчерпывающей информации об искомой частице, заключенной в перечне, приведенном выше. Это, вероятно, самый маленький интервал времени между моментами предсказания и обнаружения “настоящей” (долгоживущей) элементарной частицы. 

В других супермультиплетах также прослеживаются определенные закономерности. Несколько различных теорий было предложено для объяснения упомянутых закономерностей. У всех этих теорий есть одна общая черта, поскольку все они предполагают существование двух разновидностей сильного взаимодействия. Эти две разновидности таковы: очень сильное и умеренно сильное взаимодействие. Наряду с магнитным взаимодействием они определяют основные свойства адронов. 

Умеренно сильное взаимодействие зависит от странности, а значит различно для членов разных изотопических мультиплетов, т.е. для частиц, стоящих в разных строках. Для всех членов унитарного мультиплета очень сильное взаимодействие является одинаковым и определяющим главную часть их энергии взаимодействия (а значит, и массы). 

Три кошмарные частицы

Наиболее естественно существование унитарных мультиплетов можно было объяснить, введя в рассмотрение три гипотетические частицы – кварки – с довольно экзотическими свойствами, а именно с дробными барионным и электрическим зарядами. В связи с такой экзотичностью свойств и с тем, что их три, кварки и получили свое необычное название. Словосочетание “три кварка” встречается в романе Джеймса Джойса “Поминки по Финнегану” как таинственный крик чаек, который слышится герою романа во время кошмарного бреда. 

Если кваркам приписывать некоторые известные свойства, то достаточно всего трех кварков и трех антикварков, чтобы из них, как из деталей конструктора, построить любой из перечисленных выше адронов, причем можно показать, что адроны. “слепленные” из кварков, будут группироваться в те самые супермультиплеты, которые были известны в то время. 

Парк, нарк, ларк

В более ранней и довольно успешной теории Сакаты в качестве трех основных фундаментальных частиц для построения адронов использовались протон (p), нейтрон (n) и лямбда-частица (^). Поэтому те же самые символы используют и в современной теории для обозначения трех кварков. Назовем эти кварки парком (p), нарком (n) и ларком (^). Кварки не надо путать с адронами, которые обозначаются теми же самыми символами. 

Электрические заряды кварков и значения других квантовых чисел для них 

Название кварка Символ Q S Y Iz B o 

Парк p +2/3 0 1/3 1/2 1/3 1/2 

Нарк n - 1/3 0 1/3 -1/2 1/3 1/2 

Ларк ^ - 1/3 - 1 - 2/3 0 1/3 1/2 

Q – электрический заряд в единицах заряда электрона; 

S – квантовое число странности; 

Y – квантовое число гиперзаряда (Y=B+S); 

Iz – квантовое число z-компоненты изоспина; 

B – барионное число; 

о – внутренний момент импульса (спин). 

Для всех кварков барионное число B и спин o одинаковы. 

Позднее в кварковую модель ввели четвертый и пятый кварки. 

Предполагается, что существует еще один, шестой кварк. 

Сама тройка кварков (а также тройка антикварков) тоже образует супермультиплет – унитарный триплет. 

НОВЫЕ КВАРКИ 

с-Кварк (очарованный) 

В конце 1974 г. одновременно в двух лабораториях была открыта новая частица, свойства которой оказались таковы, что их не удалось объяснить в рамках трехкварковой модели. Для интерпретации этих свойств потребовалось ввести четвертый кварк – с-кварк, названный очарованным ( от слова charm – очарование). 

с-Кварк оказался вполне равноправной частицей по отношению к остальным трем кваркам. Комбинируя с-кварк с антикварками u, d, s, можно получить новые мезоны, которые были названы очарованными. 

В настоящее время уже обнаружены представители всех очарованных мезонов и некоторые очарованные барионы. На этом основании, казалось бы, можно было считать, что кварковая модель достигла совершенства, т.е. описывает все существующие частицы и не конструирует лишних, не встречающихся в природе. 

b-Кварк (прелестный) 

Однако, в 1977 г. была открыта еще одна частица, названная ипсилон-мезоном, свойства которой не укладывались в четырехкварковую модель. Новый, пятый кварк b, названный прелестным (от слова beauty – прелесть, иногда название b-кварка производят от слова botom – низ). 

t-Кварк (правдивый) 

Наконец, имеются основания считать, что должен существовать еще и шестой кварк t, названный правдивым (от слова truth) или верхним (от слова top). Одним из таких оснований является предсказываемая теорией электрослабого взаимодействия симметрия в числе кварков и лептонов (которых открыто шесть). 

Поиски кварков 

Существование кварков в настоящее время еще не доказано и вполне возможно, что они являются всего лишь математическими измышлениями нужными только для классификации адронов. Однако не исключено, что их существование в ближайшем будущем докажут. Пока не подтверждено наличие кварков в космических лучах, как о том говорилось в начале 1970 г. в нескольких научных работах. 

Если кварки и в самом деле существуют в природе, то из этого факта мы сможем вывести целый ряд замечательных следствий. Нужно будет полностью пересмотреть теории источников энергии, а также космогонические теории и излучения звезд. Не исключена возможность того, что хотя бы из трех кварков один не будет распадаться (т.е. окажется стабильным), а может быть, стабильными окажутся и все три кварка. Другое возможное использование кварков – эффективные катализаторы ядерных реакций. 

Кварки природные и созданные человеком

Благодаря успеху кварковой модели возникает желание описать всё существующее многообразие частиц несколькими фундаментальными, такими, как кварки. А для этого необходимо подтвердить их существование в природе. 

Наиболее вероятно предположить, что кварки имеют большую массу. Однако для рождения частиц с большой массой требуются большие кинетические энергии. Поэтому кварки нужно искать в таких условиях (естественно или искусственно созданных), когда имеется возможность трансформации большой порции кинетической энергии в энергию покоя (массу). Согласно законам сохранения, кварк может образовываться только в паре с антикварком. Связь между массой кварка m q и минимальной кинетической энергией, бомбардирующей частицы Тмин, необходимой для рождения кварка этой массы, определяется типом реакции, в которой образуется кварк. 

Имеется следующая зависимость Тмин от предполагаемого значения m q для реакции образования кварка при соударении двух протонов: 

Тмин=2(m q /m p ) (2m p + m q ) c 

Значения Тмин, вычисленные по данной формуле при разных значениях массы кварка приводятся в таблице. Из таблицы видно, что кварки массой m q < 3 m p нужно искать среди частиц, образующихся в мишенях ускорителей протонов на энергию 30 ГэВ, кварки массой m q < 5 m p – в мишенях ускорителей на энергию 70 ГэВ и т.д. Считается, что при данной энергии Т могут рождаться частицы большей массы, чем указано в таблице (например, при Т=30 ГэВ могут родиться кварки массой до 5m p ). Однако этот процесс можно не учитывать в расчетах в связи с его очень малой вероятностью. 

Наименьшая энергия, необходимая для рождения кварка массой m q 

m q m p 3m p 5m p 10m p 20m p 

Тмин m p c 6 30 70 240 880 

Тмин ГэВ 5,6 28 65 225 825 

Кварки обладают специфическими свойствами благодаря дробности их электрического заряда. Ими можно воспользоваться, чтобы выделить кварки из огромного числа других частиц, которые возникают в мишени ускорителя. Таким свойством является, к примеру, пониженная ионизирующая способность, которая изменяется прямо пропорционально квадрату электрического заряда частицы. Поскольку кварки имеют заряд, равный 1/3 или 2/3 заряда электрона, ионизирующая способность кварков равна соответственно 1/9 или 4/9 ионизирующей способности электронов. 

Были предприняты несколько опытов по обнаружению кварков. Они были реализованы сперва на ускорителях в ЦЕРНе и в Брукхейвенской лаборатории, затем в Серпухове, а потом снова в ЦЕРНе на ускорителе протонов до энергии 400 ГэВ и в Батавии на ускорителе протонов до энергии 500 ГэВ. Однако все они не увенчались успехом. Это говорит о том, что или они рождаются с гораздо меньшей вероятностью, чем предполагали, или масса кварков превышает 15 протонных масс. Не исключено также, что кварков вообще нет в свободном виде. 

Кварки, созданные космическим излучением.

Космическое излучение содержит протоны, энергия которых превышает 500 ГэВ. При столкновениях с атмосферными ядрами такие протоны могут быть источниками кварков, даже если их масса превышает 15 m p . Одним из способов регистрации кварков, рожденных космическим излучением, может быть использование детекторов, чувствительных к ионизации. Источником ионизации являются частицами с дробным электрическим зарядом, обладающие высокой подвижностью. 

Камера Вильсона

В качестве такого детектора можно использовать камеру Вильсона. В ней следы заряженных частиц выглядят, как цепочки из капелек жидкости. Эти капельки образуются в результате конденсации пересыщенного пара на ионах, которые возникают вдоль траектории заряженной частицы. Плотность капелек на следе кварка должна быть в 9 раз меньше, чем на следе электрона, поскольку ионизирующая способность кварка составляет 1/9 или 4/9 ионизирующей способности электрона. 

В свое время в печати появились работы, в которых сообщалось об обнаружении частиц с 50%-ной ионизирующей способностью. Однако затем выяснилось, что полученные результаты – всего лишь сильная флюктуация ионизирующей способности обычной частицы с z=1. 

Содержание кварков в земных водоемах 

Возможным источником кварков одно время считали водные бассейны Земли. Логично предположить, что кварки, возникающие при взаимодействии космических частиц с атомными ядрами атмосферы, становятся центрами конденсации водяных паров, падают вместе с дождем на землю и в конце концов попадают в озера, моря и океаны. Концентрация кварков в земных водоемах должна непрерывно повышаться с течением времени. Это связано с тем, что описанный механизм образования кварков действует непрерывно. Кроме того, считается, что кварки не могут распадаться. Это связано с дробностью заряда, и можно предполагать, что по крайней мере один из кварков, обладающий наименьшей массой, стабилен, так как ему не на что распадаться. В то же время, более тяжелый кварк может превращаться в легкий без нарушения закона сохранения электрического и барионного зарядов. 

Оценки показывают, что за время существования Земли с помощью такого механизма могло накопиться до 100 000 кварков в каждом 1 куб. см воды. Но в воде кварков также не обнаружили. 

Где еще ищут кварки? 

Пытались обнаружить кварки при помощи опытов типа опыта Миллекена по определению заряда электрона. Ищут кварки и в метеоритах, которые при достаточно больших размерах и длительном существовании в космическом пространстве могли накопить много кварков. Но и здесь однозначные результаты не были получены. 

Несмотря не то, что в результате всех проделанных опытов кварки обнаружить не удалось, нельзя говорить о том, что их не существует, так как прошло еще очень мало времени. К тому же результаты сделанных опытов отнюдь не исключают возможности существования кварков массой m q > 15m p . 

Кстати, чем тяжелее кварки, тем заманчивее становится мечта их открыть. Ведь если протон образован тремя кварками массой 5m p каждый, то “энергия связи” протона равна: 14 m pc , или 13 ГэВ, т.е. в процессе образования протона из кварков должно освобождаться 14/15 = 93% энергии покоя кварков. 

Современная физика о проблеме кварков 

В настоящее время большинство ученых, занимающихся данной проблемой, считают, что кварки существуют только в связанном состоянии внутри адронов. Они не могут вылететь из адронов и существовать в свободном виде. 

Адроны участвуют в электромагнитных, слабых и сильных взаимодействиях. Их можно сгруппировать в два больших семейства: семейство мезонов (спин 0,1 и т.д.) и семейство барионов (спин ½, 3/2 и т.д.). Название “адрон” означает “сильно взаимодействующая частица”. Оказалось, что адроны можно более детально классифицировать, объединяя их в подсемейства (называемые супермультиплетами) по признаку одинаковости спина и четности входящих в подсемейство частиц. 

Пленение кварков внутри адронов

Цвет и аромат кварков 

Главная трудность кварковой модели заключается в пленении кварков внутри адронов. Другая трудность этой модели связана с тем, что она допускает барионные комбинации из трех тождественных кварков, находящихся в одинаковых состояниях. Однако принцип Паули, согласно которому два (и тем более три) фермиона с одинаковыми квантовыми числами не могут находиться в одном и том же состоянии, запрещает такие комбинации. Благодаря введению еще одной характеристики кварков, называемой условно цветом обе эти трудности были преодолены. Здесь следует заметить, что термин “цвет”, употребляемый как характеристика сильного взаимодействия, не имеет никакого отношения (кроме терминологического) к оптическим цветам. 

Каждый кварк имеет три цветовые разновидности, соответствующие трем основным цветам: “красному”, “синему” и “зеленому”. Эти разновидности не зависят от его типа (u, d, s, c, b, t), который называется ароматом (flavour),. 

Любой барион обязательно включает в себя “разноцветные” кварки, так что гиперон, например, является “бесцветной” (“белой”) комбинацией, которая не противоречит принципу Паули. Соответственно каждый мезон представляет собой комбинацию кварков и антикварков с “дополнительными цветами” (например, “красный” и “антикрасный” и т.п.), которые также в сумме дают “белый” цвет. 

Квантовая хромодинамика 

Согласно современной теории сильных взаимодействий (квантовой хромодинамике), кварками взаимодействие между собой посредством восьми цветных глюонов (от слова glue – клей). Глюоны являются квантами, т.е. переносчиками сильного взаимодействия между кварками любых ароматов и цветов и как бы склеивают кварки между собой. Цвет играет очень важную роль нового заряда. 

Между глюонами и фотонами (их еще называют квантами электромагнитного взаимодействия) есть одна существенная разница: глюоны имеют цветной заряд, а фотоны им не обладают. В отличие от фотона глюон может испускать новые глюоны. Это приводит к росту эффективного заряда кварка при увеличении расстояния, а значит, к возрастанию энергии взаимодействия между кварками. 

В результате пленения кварки не могут освободиться друг от друга и существуют в природе только в связанном виде – в форме “белых”, “бесцветных” адронов. Наоборот, на очень малых расстояниях кварки можно рассматривать как практически свободные частицы (центральная свобода), так как они взаимодействуют относительно слабо. Из этого предположения вытекают несколько количественных соотношений, подтвержденных экспериментами. 

Заключение 

В настоящее время физика элементарных частиц развивается, в основном, за счет изучения структуры различных элементарных частиц, и в первую очередь протона и нейтрона. Из обеих этих частиц построены все атомные ядра, находящиеся в своих основных состояниях. Они являются окончательными основными состояниями всех барионов. 

Недавно появилась новая теория элементарных частиц, которая называется “теорией зашнуровки”. Согласно этой теории, каждая элементарная частица существует благодаря тому, что существуют все остальные частицы, и ни одна из известных частиц не является более фундаментальной и элементарной, чем остальные. 

Была проведена классификация адронов, согласно которой они состоят из кварков. Она оказалась очень успешной, поскольку удалось рассмотреть структуру адронов. Однако многое предстоит еще выяснить в процессе исследований. 

Список литературы

В.Акоста, К.Кован, Б.Грэм “ Основы современной физики”, М. Просвещение, 1981; 

И.Розенталь “Элементарные частицы и структура Вселенной”, М. Наука, 1984; 

К.Мухин “Занимательная ядерная физика”, М. Энергоатомиздат, 1985.