Кварковая модель адронов

Кварки.Большое разнообразие адронов заставило усомниться в их «элементарности» и побудило к поиску более фундаментальных, первичных частиц, из которых они могли бы быть построены. В настоящее время внутренняя структура не обнаружена только у фотона и лептонов. А составной характер адронов уже доказан теоретически и подтвержден экспериментально.

Первоначально гипотеза о том, что все адроны построены из частиц, названных кварками, была выдвинута Гелл-Манном и Цвейгом в 1964 г. На основе кварковой гипотезы была не только понята структура уже известных адронов, но и предсказано существование новых. Ниже кварковая модель адронов будет представлена в современном виде.

К настоящему времени установлено существование пяти типов (ароматов) кварков: u, d, s, c, b. Все кварки имеют спин ½ и барионный заряд В = 1/3.

Таблица 9.4.Свойства кварков.

Таким образом, кварки разительно отличаются от всех известных до сих пор частиц дробностью своих зарядов Q и В.

Кварк s является носителем странности, с – шарма (очарования), b – красоты.

Соответствующие антикварки отличаются от кварков знаками зарядов Q, B, S, C и b.

Сравнивая заряды кварков с зарядами мезонов и барионов, мы приходим к выводу, что каждый мезон является парой кварк – антикварк, а каждый барион состоит из трех кварков. Действительно, только кварк – антикварк имеет В = 0 и только три кварка образуют частицу с полуцелым спином и барионным зарядом В = 1

Таблица 9.5.Состав некоторых адронов (спин указан в скобках).

Заметим, что истинно нейтральный p⁰-мезон состоит из таких же кварка и антикварка. Но он представляет собой суперпозицию состояний u`u и d`d , находясь с равной вероятностью в одном или другом состоянии.

Из таблицы 9.5. видно, что W^--гиперон состоит из трех s-кварков с параллельными спинами (подобная ситуация имеет место и в случае некоторых адронов). Это оказывается несовместимым с принципом Паули, который запрещает одинаковым частицам с полуцелым спином находиться в одном и том же состоянии.

Чтобы устранить это противоречие, было выдвинуто предположение о наличии у кварков некой внутренней степени свободы, из-за которой кварки одного типа (аромата) могут отличаться друг от друга. Эту степень свободы назвали цветом.

Каждый тип (аромат) кварка характеризуют тремя цветами: красный, зеленый и голубой. Их смесь бесцветна. Цвет каждого антикварка считается дополнительным цвету кварка, так что пара кварк – антикварк также бесцветна.

Противоречие с принципом Паули было устранено с помощью принципа бесцветности адронов. Этот принцип разрешает возможным только те сочетания кварков разных цветов, смесь которых бесцветна. Так, согласно этому принципу, W^--гиперон состоит из трех s-кварков разных цветов, смесь которых бесцветна. Поскольку кварки разных цветов неодинаковы, то кварковая структура W^--гиперона не будет противоречить принципу Паули. Антикваркам присвоили антицвета, каждый из которых является дополнительным к своему цвету, так что комбинации цвет – антицвет считаются бесцветными.

По современным представлениям сильные взаимодействия осуществляются путем обмена между кварками безмассовыми частицами – глюонами. Глюоны являются квантами поля, которое кварки создают и которое на них же и воздействует. Кроме того, они еще являются и переносчиками цвета. Поэтому при испускании и поглощении глюонов цвет кварков изменяется, но их аромат при этом сохраняется. Например, u-кварк не превращается в s-кварк.

Таким образом, согласно модели цветных кварков, последние, не нарушая бесцветности адронов, беспрестанно изменяют в них свою окраску.

Успешная классификация адронов на основе кварковой модели – это веский аргумент в ее пользу. То же следует сказать и об опытах по прямому просвечиванию нуклонов и других адронов электронами высоких энергий. Анализ полученных результатов привел к заключению, что внутри адронов электроны рассеиваются на точечных частицах с электрическими зарядами +2/3 и -1/3, причем эти частицы (кварки) ведут себя как бесструктурные точечные элементы.

Необычное поведение кварков.Многочисленные поиски свободных кварков оказались безуспешными. По-видимому, в свободном состоянии кварки не существуют, и это свидетельствует о необычных свойствах сил взаимодействия между кварками. А именно, согласно одной из гипотез сила взаимодействия между кварками не убывает с увеличением расстояния между ними, чем кварки резко отличаются от всех других частиц. Поэтому при неубывающей с расстоянием силе, связывающей кварки в адроне, нужно затратить неограниченно большую энергию, чтобы вырвать кварк из адрона. Такое поведение кварков обусловлено тем, что все Глюоны, которые кварки испускают, сосредотачиваются только вблизи прямой, проходящей через кварки, образуя узкую трубку глюонного поля. Так как при этом глюонное поле «не рассеивается» в окружающем пространстве, то Глюоны также не вылетают из адронов, и поэтому их также невозможно зарегистрировать.

Кварк, получивший энергию в результате столкновения с электроном, не вылетает наружу из адрона, а затрачивает ее на образование кварк - антикварковых пар, т. .е. на образование новых адронов, в основном мезонов.

Не исключена и другая причина ненаблюдаемости кварков в свободном состоянии – возможно их очень большие массы. Это значит, что их энергия связи в адронах весьма велика и оказывается недоступной для современных ускорителей.

Все это следует рассматривать пока только как предположения. Проблема ждет своего решения. В настоящее время считают, что истинно элементарными частицами являются фотон, лептоны и кварки.

Приложение 1. Таблица элементарных частиц

^* Справа указаны символы соответствующих античастиц.

Примечание. Античастицы имеют тождественные с частицей значения массы, времени жизни, спина и изоспина T и противоположные по знаку значения электрического Q, лептонного L и барионного B зарядов, проекции изоспина T_z и странности S.