Кварки и их характеристики. Кварковая структура мезонов и барионов

Если внимательно посмотреть на рис2.1., то можно увидеть, что декуплеты и октеты могут быть составлены из 3 частиц образующих треугольник (триплет). Гипотеза о том, что адроны построены из субчастиц, которые назвали кварками, впервые была выдвинута Гелл-Манном и независимо Цвейгом в 1964 г. Первоначально кварковая модель содержала три кварка и объясняла существование адронных супермультиплетов. Идея кварков подсказана унитарной симметрией. Самое простое представление группы SU(3) триплет. Название «кварк» якобы взято Гелл-Маном из фразы «Три кварка для мистера Кларка!» романа Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану».

Кварки – бесструктурные частицы со спином ½ являющие составными элементами всех адронов. Обычные барионы состоят из трех кварков, а обычные мезоны из кварка и антикварка. Известны шесть сортов (ароматов) кварков: u, d, s, c, b, t . Общее обозначение , где i = 1,2,3, 4, 5, 6; α = 1, 2, 3. Каждый сорт кварков существует в трех состояниях определяемых цветом. Все кварки цветные.

Цвет α -квантовое число характеризующее кварки и глюоны. Кварки одноцветные, глюоны двухцветные. Цвет обеспечивает соблюдение принципа Паули для фермионов: в одном квантовом состоянии может находиться только один кварк.

Характеристики кварков:

Все кварки имеют барионное число дробное В = 1/3. Электрический заряд Q у них то же дробный: кварки u, c, t имеют положительный заряд Q = +2/3 e; кварки d, s, b, имеют отрицательный заряд Q = -1/3 e^-, где е^- = -1,6 10 ^-31 Кл – заряд электрона.

Сорт кварка характеризуется значением внутренних квантовых чисел входящих в состав электрического заряда Q: третья проекция изотопического спина T₃ , странность S , очарование C , красота b , истинность t .Эти зарядовые квантовые числа определяют «аромат» кварка.

Электрический заряд кварка определяется формулой Гелл-Манна – Нишиджимы

Q = T₃ +1/2 Y = T₃ + 1/2 ( B + S +C – b + t ) , (2.3)

Y = B + S + C – b + t . (2.4)

Y - гиперзаряд (гиперонный заряд) удвоенный средний электрический заряд данного изомультиплета. Цвет обеспечивает необходимую антисимметрию волновых функций адронов, построенных из одинаковых кварков. Кварки подчиняются квантовой статистике Ферми и принципу Паули. Каждый кварк имеет свою античастицу. Полные характеристики кварков приведены в табл.2.4.

Характеристики кварков

Табл.2.4

Легкие верхний u-кварк и нижний d-кварк входят в состав атомного ядра.

Очарованный c-кварк – нестабильный более тяжелый родственник верхнего кварка; является компонентом J/ψ –частицы.

Странный s-кварк – нестабильный более тяжелый родственник нижнего кварка; входит в состав К-мезона.

^*)Истинный t-кварк – сверхтяжелый кварк, копия верхнего кварка; время жизни 10^-25 сек.

t-кварк открыт в 1995 г. на ускорителе со встречными пучками (протон –антипротонном коллайдере ,Тэватроне, Ферми лаборатория, США) с энергией в системе центра масс 1,8 Тэв=1,8 10¹² эв. Масса t-кварк m_t=174±5 Гэв. (источник: Рубаков, УФН, т169, №12, с.1299).

Красивый (прелестный) b-кварк - нестабильная сверхтяжелая копия нижнего кварка; входит в состав В-мезона.

Согласно кварковой гипотезе адроны являются составными частицами. мезон состоит из кварка и антикварка ( ), барион из трех кварков (qqq). С учетом цвета α=1,2,3 структура адрона записывается в виде формулы

Мезоны (2.5)

Барионы (2.6)

где - полностью антисимметричный единичный тезор третьего ранга. имеет 27 компонент: , . Если компоненты тензора имеют хотя бы два совпадающих индекса, то они равны нулю. Отметим, что ни мезоны, ни барионы не имеют цветового индекса, и являются «белыми» или «бесцветными» частицами.

Рис.2.1. Представлен октет барионов с спином I =1/2 и четность Р = +1 в координатах (гиперзаряд Y, и третья проекция изоспина Т₃) : нейтрон, протон, три сигма- гиперона, два кси-гиперона. Ламбда-ноль- гиперон (синглет) и сигма –ноль-гиперон в центре.Числа –массы частиц в Мэв. Буквы в скобках –кварковый состав частицы. Пример: нейтрон n состоит из трех кварков (udd) и имеет массу 939,6 Мэв.