Кварк

Кварк (q)
Протон как структура из двух u-кварков и одного d-кварка
Состав	фундаментальная частица
Семья	фермион
Поколение	есть кварки всех 3 поколений[⇨]
Участвует во взаимодействиях	гравитационное[1], слабое, сильное, электромагнитное
Античастица	антикварк (q)
Кол-во типов	6[2] (нижний, верхний, странный, очарованный, прелестный, истинный)
Теоретически обоснована	М. Гелл-Манном и, независимо от него, Дж. Цвейгом в 1964 году[3]
Обнаружена	SLAC (~1968)
Квантовые числа
Электрический заряд	Кратен e/3[⇨]
Цветной заряд	r, g, b
Барионное число	1/3[4]
Спин	½[5] ħ
Медиафайлы на Викискладе

Кварк — фундаментальная частица в Стандартной модели, обладающая электрическим зарядом, кратным e/3, и не наблюдаемая в свободном состоянии, но входящая в состав адронов (сильно взаимодействующих частиц, таких как протоны и нейтроны). Кварки являются бесструктурными, точечными частицами; это проверено вплоть до масштаба примерно 10⁻¹⁶ см^[3], что примерно в тысячу раз меньше размера протона.

В настоящее время известно 6 разных «сортов» (чаще говорят — «ароматов») кварков, свойства которых даны в таблице. Кроме того, для калибровочного описания сильного взаимодействия постулируется, что кварки обладают и дополнительной внутренней характеристикой, называемой «цвет». Каждому кварку соответствует антикварк — античастица с противоположными квантовыми числами.

Гипотеза о том, что адроны построены из специфических субъединиц, была впервые выдвинута М. Гелл-Манном и, независимо от него, Дж. Цвейгом в 1964 году^[3].

Краткий обзор различных семейств элементарных и составных частиц и теории, описывающие их взаимодействия. Элементарные частицы слева — фермионы, справа — бозоны. (Термины — гиперссылки на статьи ВП)

Название

Слово «кварк» было заимствовано Гелл-Манном^[3] из романа Дж. Джойса «Поминки по Финнегану»^[6], где в одном из эпизодов чайки кричат: «Three quarks for Muster Mark!» (обычно переводится как «Три кварка для Мастера/Мюстера Марка!»). Само слово «quark» в этой фразе предположительно является звукоподражанием крику морских птиц. Есть другая версия (выдвинутая Р. Якобсоном), согласно которой 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»)^[7]. Согласно рассказу ирландского физика Лохлина О’Раферти^[en], 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^[8].

Дж. Цвейг называл их тузами, но данное название не прижилось и забылось — возможно, потому, что тузов четыре, а кварков в первоначальной модели было три.

Свойства кварков

В силу неизвестных пока причин, кварки естественным образом группируются в три так называемые поколения (они так и представлены в таблице). Кварки имеют дробный электрический заряд^[13], а в каждом поколении один кварк обладает зарядом ${\displaystyle +{\frac {2}{3}}}$, а другой ${\displaystyle -{\frac {1}{3}}}$. Кварки одного поколения были бы неразличимы, если бы не поле Хиггса^[14]. Подразделение на поколения распространяется также и на лептоны.

Кварки участвуют в сильных, слабых, электромагнитных и гравитационных^[1] взаимодействиях. Сильные взаимодействия (обмен глюоном) могут изменять цвет кварка, но не меняют его аромат. Слабые взаимодействия, наоборот, не меняют цвет, но могут менять аромат. Необычные свойства сильного взаимодействия приводят к тому, что одиночный кварк не может удалиться на какое-либо существенное расстояние от других кварков, а значит, кварки не могут наблюдаться в свободном виде (явление, получившее название конфайнмент)^[15]. Разлететься могут лишь «бесцветные» комбинации кварков — адроны. Кварки асимптотически свободны при высоких энергиях.

Математический аппарат теории кварков основан на экспериментально подтверждённом предположении, что взаимодействия кварков инвариантны относительно группы изоспиновых преобразований ${\displaystyle SU(3)}$^[16].

Кварк и антикварк могут аннигилировать. Однотипные разнозаряженные кварки аннигилируют, как правило, с испусканием двух фотонов (то есть через электромагнитные взаимодействия). Например, нейтральный пи-мезон π⁰, являющийся комбинацией лёгких кварка и антикварка ${\displaystyle (u{\bar {u}}-d{\bar {d}}),}$ распадается путём электромагнитной аннигиляции. Другие кварконии, более тяжёлые, чем нейтральный пион (J/ψ-мезон, ϒ-мезон и т. п.), могут аннигилировать с участием сильного взаимодействия в два или три глюона, в зависимости от суммарного спина, хотя такие процессы обычно подавлены правилом Окубо — Цвейга — Иизуки^[17]. При высоких энергиях в столкновениях адронов наблюдается рост сечения процессов слабой (то есть идущей с участием слабого взаимодействия) аннигиляции кварков и антикварков в виртуальный или реальный W^±- или Z⁰-бозон^[18]. Следует отметить, что аннигилирующие кварк и антикварк не обязаны быть одного типа; так, доминирующий распад заряженного пи-мезона π⁺ → μ⁺ν_μ обусловлен слабой аннигиляцией разнотипной пары кварков du в виртуальный W⁺-бозон, который затем распадается в пару лептонов^[19]. Наблюдаются и обратные аннигиляции процессы рождения кварк-антикварковых пар.

Дробный заряд кварков проявляется в процессе рождения струй адронов в аннигиляции e⁺e⁻ при высоких энергиях^[20].

Кварки порождаются глюонами только парой кварк-антикварк^[21].

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 считают реально существующими объектами, таковы:

• Во-первых, 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. Первоначально гипотеза кварков как раз и заключалась в этом наблюдении, и слово «кварк», по сути, было краткой формой фразы «субадронная степень свободы».
• 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^[22].
• С наступлением эры ускорителей высокой энергии стало возможным изучать распределение импульса внутри, например, протона. Выяснилось, что импульс в протоне не распределён равномерно по нему, 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^[23][24].
• 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. Заметим, что если бы протон ни из чего не состоял, то струй бы заведомо не было.
• 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^[25].
• При столкновениях протонов с высокими энергиями экспериментально наблюдается аннигиляция кварка одного протона с антикварком другого протона с образованием пары мюон-антимюон (процесс Дрелла — Яна)^[26].
• Кварковая модель с позиций взаимодействия кварков между собой при помощи глюонов хорошо объясняет расщепление масс между членами декуплета ${\displaystyle \Delta ^{-}-\Sigma ^{-}-\Xi ^{-}-\Omega ^{-}}$^[27].
• Кварковая модель хорошо объясняет расщепление масс между ${\displaystyle \Xi ^{-}-\Xi ^{0}}$^[28].
• 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^[29].
• Есть и много других экспериментальных подтверждений кварковой модели строения адронов^[30].

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^[31].

Открытые вопросы

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

• почему ровно три цвета?
• почему ровно три поколения кварков?
• случайно ли совпадение числа цветов и числа поколений?
• случайно ли совпадение этого числа с размерностью пространства в нашем мире?
• откуда берётся такой разброс в массах кварков?
• из чего состоят кварки? (см. Преоны)^[3]
• как кварки складываются в адроны^[32]?

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.

Альтернативные модели

• Модель Сакаты (Shoichi Sakata), известная также как модель Ферми — Янга — Сакаты. Базис — p, n, Λ и их античастицы. Описывала все мезоны и барионы, известные на момент публикации.^[33] Впоследствии базис расширялся до 4 частиц.^[34]
• Барионные-антибарионные нонеты.^[35]

См. также

• Кварк-глюонная плазма^[36]
• Кварконий — мезон, состоящий из кварка и антикварка одного и того же типа
• Преоны — гипотетические частицы, из которых могли бы состоять кварки и лептоны
• Кварковая звезда — гипотетическая нейтронная звезда с экстремальной плотностью и вырожденным состоянием вещества
• Бесконечная вложенность материи

Примечания

Литература

• Jean Letessier, Johann Rafelski, T. Ericson, P. Y. Landshoff. Hadrons and Quark-Gluon Plasma. — Cambridge University Press, 2002. — 415 p. — ISBN 9780511037276.
• Боголюбов Н.Н., Логунов А.А., Оксак А.И., Тодоров И.Т. Общие принципы квантовой теории поля. — Москва: Наука, 1987. — С. 3, 226-228, 362, 363, 366, 412, 414-416, 420, 421, 423, 425, 428, 561, 562, 571, 572, 574, 614. — 616 с.
• Намбу Ё. Кварки. — М.: Мир, 1984. — 225 с.
• Клоуз Ф. Введение в кварки и партоны. — М.: Мир, 1982. — 438 с.
• Никитин Ю. П., Розенталь И. Л. Ядерная физика высоких энергий. — М.: Атомиздат, 1980. — 232 с.
• Коккедэ Я. Теория кварков. — М.: Мир, 1971. — 341 с.

Ссылки

• Экспериментальная информация о кварках на сайте Particle Data Group