Кварковая теория адронов

В зависимости от типа взаимодействий, все элементарные частицы можно разделить на две группы: адроны(сильные, тяжелые, сложные частицы) и лептоны (легкие частицы). У адронов происходят все четыре типа взаимодействий: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное, а у лептонов происходят все типы взаимодействий, кроме сильного типа. В отличие от известных лептонов (всего 12 видов), существует несколько сотен видов адронов. Адроны сложные частицы, они построены из более мелких частиц. Адроны встречаются в двух разновидностях – электрически заряженных и нейтральных. Среди адронов наиболее известны и широко распространены нейтрон и протон. Остальные адроны являются мимолетными и распадаются, либо менее чем в миллионную долю (10^-9) секунды, за счет слабого взаимодействия, либо гораздо быстрее (за время порядка 10^-23 с) – за счет сильного взаимодействия. Начиная с 50-х годов, физики начали классифицировать ЭЧ по трем важным характеристикам: массе, заряду и спину. Решающий шаг в раскрытии тайны адронов был сделан в 1963 г., когда Мари Гелл-Манн и Джордж Цвейг из калифорнийского технологического института предложили теорию кварков.

Согласно этой теории все адроны построены из более мелких частиц, так называемых кварков. Кварки могут соединяться друг с другом одним из двух способов: либо тройками, либо парами - кварк и антикварк. Из трех кварков состоят тяжелые частицы – барионы. Нейтроны и протоны относятся к барионам. Из кварка и антикварка образуются частицы, получившие название мезоны – «промежуточные частицы». Мезоны занимают по массе промежуточное положение между электронами и протонами. Все известные тогда (1963) адроны можно было построить, при помощи трех типов кварков («ароматов»): 1) u (от up - верхний), 2) d (от down - нижний) и 3) s (от stange - странный). Напр., протон состоит из двух u- и одного d-кварков (uud), а нейтрон из двух d-кварков и одного u-кварка (ddu).

Кварки несут дробный электрический заряд. Они обладают зарядом величиной ±е/3 и 2е/3, где е =1,6ּ10^-19 Кл – заряд электрона. Комбинация из двух или трех кварков должна иметь суммарный заряд, равный нулю или единице. Все кварки имеют спин s_k = ± (1/2)ћ, поэтому они относятся к фермионам. Массы кварков не установлены, энергия связи их в адроне сравнима с массами самих кварков. Однако установлено следующее неравенство: m_d ≤ m_u < m_s. При слабом взаимодействии кварков, изменяется их аромат. При распаде нейтрона один из d-кварков превращается в u-кварк, а избыток заряда уносит рождающийся электрон: n→р+е^-+ .

«Странные» частицы получили такое название потому, что они рождаются при сильном взаимодействии, а распадаются при слабом. Они не могут распадаться за счет сильного взаимодействия, т.к. сильное взаимодействие не может изменять аромат кварков – на это способно только слабое взаимодействие. Это странное поведение стало причиной их названия.

Авторам теории кварков удалось из различных комбинаций кварков u, d и s получить все известные в те времена адроны:

Барионы	Мезоны
№ пп	Комби-нация кварков	Название частиц	Обозначение	№ пп	Комби- нация кварв	Назва-ние частиц	Обоз-наче-ние
	uud	Протон	p		ud	Пион плюс	+
	udd	Нейтрон	n		d	Пион минус	-
	{du}s*	Сигма ноль	ε0		d	Каон ноль	К0
	dds	Сигма минус	ε-		u	Каон плюс	К+
	uus	Сигма плюс	ε+		s	Каон минус	К-
	uss	Кси ноль	Θ0		sd	Антика.ноль
	dss	Кси минус	Θ-	* - { } – кварк
	[ud]s**	Лямбда		**- [ ] - антикварк

Трем ароматам кварков u, d и s соответствуют заряды +2е/3, -е/3 и +е/3. Заряд кварков назван «цветом». В 1969 году теорию кварков экспериментально подтвердили американские ученые. Для этого ученые использовали трехкилометровый ускоритель электронов. Электрон, разогнанный до энергии 2ּ10¹⁰ эВ, направили к протону. Опыты показали, что некоторые электроны отскакивают от них под самыми невероятными углами. Следовательно, заряд в протоне не распределен равномерно, а сосредоточен в крохотных твердых вкраплениях, т.е. в кварках. Это был триумф теории кварков.

В 1974 г., с интервалом, несколько дней, две группы американских физиков независимо друг от друга объявили об открытии нового адрона, который получил название пси ( ) частицы. Всевозможные комбинации из u, d и s кварков и их антикварков были уже «израсходованы».

Проблему удалось решить при помощи существования четвертого аромата, т.е. кварка. Его назвали «очарованный» (charm) кварк, т.е. с-кварк. Выяснили, что частица - это мезон, который состоит из «очарованного» кварка и «очарованного» антикварка. Затем удалось обнаружить, что все «очарованные» частицы очень тяжелые. Следовательно, «очарованный» кварк оказался значительно тяжелее странного кварка.

В 1977 году ученые обнаружили новую частицу, отличающуюся от всех предыдущих. Ее назвали ипсилон-мезон, который можно построить при помощи пятого кварка, «красивого» (beauty – красота или прелесть). Ипсилон-мезон состоит из b-кварка и -антикварка, т.е. . «Красивый» кварк (b-кварк) оказался тяжелее, чем другие кварки.

Большинство физиков считают кварки подлинно ЭЧ – точечными, неделимыми и не обладающими внутренней структурой. В этом отношение они напоминают лептоны. По всей вероятности между лептонами и кварками существует глубокая взаимосвязь. Эта мысль исходит из сравнения свойств лептонов и кварков (см. табл.):

	Лептоны	е-	νе		νμ		ντ
	Кварки	u	d	c	s	t	b

Лептоны можно сгруппировать попарно, поставить каждому заряженному лептону соответствующее нейтрино. Кварки также можно сгруппировать по парам: u-d, c-s, t-b. Для полной аналогии необходимо обнаружить лептонное нейтрино (ν_τ) и шестой аромат кварков, получивший название истинного (truth) кварка, т.е. t-кварк. Получено сообщение (1994 г.) о том, что обнаружена частица, которую можно построить, при помощи t-кварка.