Кварки это в физике кратко
Обновлено: 04.07.2024
В физике элементарных частиц , A - кварк является элементарной частицей и составной частью наблюдаемой материи. Кварки объединяются друг с другом, образуя адроны , составные частицы, известными примерами которых, среди прочего, являются протоны и нейтроны . Из-за так называемого свойства удержания кварки не могут быть изолированы и не могут наблюдаться напрямую; Таким образом, все, что мы знаем о кварках, косвенно связано с наблюдением адронов.
Кварки притягиваются друг к другу фундаментальной силой - сильным взаимодействием . Это осуществляется путем обмена электрически нейтральными частицами, несущими цветной заряд , называемыми глюонами .
Шесть кварков - это фермионы, которые теория Стандартной модели описывает вместе с семейством лептонов как элементарные составляющие материи . Это спиновые частицы 1 / 2 , которые ведут себя в соответствии со спин-статистической теоремой . Их зарядный номер + 2 / 3 или же - 1 / 3 (их электрический заряд , таким образом, составляет долю элементарного заряда : + 2 / 3 e или - 1 / 3 д ). Этому семейству соответствует семейство шести антикварков одинаковой массы, но противоположного заряда (- 2 / 3 е или + 1 / 3 д ) и наполнитель дополнительного цвета.
Резюме
Описание
Существование кварков предлагается в 1964 г. по Мюррей Гелл-Манн ( 1929 г. - 2019 г. ) и Джордж Цвейг .
Теория кварков была сформулирована физиком Мюрреем Гелл-Манном , получившим Нобелевскую премию по физике в 1969 году.
Характеристики
Эти частицы со спином 1/2 бывают шести видов, называемых ароматизаторами , которым были даны поэтические названия. Английские имена все еще используются чаще. Кварки имеют дробный электрический заряд -1/3 или 2/3 элементарного заряда , то есть в той единице, где заряд протона равен +1.
| Кварк | Название английский (французский) | Доля элементарного электрического заряда |
|---|---|---|
| d | Вниз (Вниз) | −1/3 |
| ты | Вверх (Вверх) | +2/3 |
| s | Странно (Странно) | −1/3 |
| против | Очарование (Очарование) | +2/3 |
| б | Bottom (внизу), Beauty (Красота) | −1/3 |
| т | Вверху (вверху), Правда (Правда) | +2/3 |
Историческая скобка
Поколение
Как и лептоны , кварки стандартной модели можно сгруппировать по поколениям :
| Поколение | Частица с дробным зарядом −1/3 | Частица с дробным зарядом +2/3 |
|---|---|---|
| 1- е поколение | Вниз (d) | Вверх (u) |
| 2 е поколение | Странный (е) | Очарование (c) |
| 3 е поколение | Внизу (b) | Верх (т) |
Составные частицы, концепция адронов
Адроны (тяжелые частицы) состоят из кварков, как предполагали Гелл-Ман и Неман в 1964 году из соображений симметрии, связанной с матрицами 3x3, действующими на C-ev. Гипотеза кварков была подтверждена исследованием глубоко неупругого рассеяния электронов на нуклонах, которое выявило три центра рассеяния ( Фейнман в 1968 г.). Кварки обладают такой характеристикой, что они почти никогда не наблюдаются в одиночку (феномен конфайнмента ), за исключением нескольких особых случаев, они всегда группируются таким образом, что:
- в мезоны , сборка из кварка и анти-кварка. Их вращение целое, и поэтому они являются бозонами ;
- в барионы , узлы из трех кварков трех различных цветов. Их спин полуцелый, и поэтому они являются фермионами.
Все эти адроны нестабильны, за исключением самого легкого, протона и нейтрона, когда он связан в ядре . Их продолжительность жизни сильно варьируется в зависимости от типа взаимодействия: чрезвычайно короткая для тех, которые распадаются при сильном ядерном взаимодействии (порядка 10-24 с), более непосредственно измеряемая для тех, которые стабильны при КХД и распадаются только путем добавления электрослабого взаимодействия. взаимодействия (например, 26 нс для заряженного пиона) и чуть меньше 15 мин для свободного нейтрона (что сочетает в себе стабильность при КХД и малом фазовом пространстве).
В принципе возможны и другие группы кварков, такие как тетракварки, образованные четырьмя кварками или пентакварками , образованные пятью кварками (двумя парами Up-Down и одним анти-странным), которые фактически обозначают четыре кварка и один антикварк, и, как сообщается, наблюдались в 2003 году. но их существование оставалось спорным. В 2015 году ЦЕРН идентифицировал пентакварк, подтвержденный в 2017 году; наконец, 5 июня 2019 г., , коллаборация LHCb опубликовала открытие трех новых состояний одного и того же пентакварка.
Два исключения из этого явления заключения:
- Топ-кварк: этот кварковый аромат, самый тяжелый из всех, обладает достаточной энергией, чтобы лишь слабо взаимодействовать с другими кварками (принцип асимптотической свободы ), и поэтому является единственным кварком, который можно непосредственно наблюдать в обычных условиях. Однако экспериментальные последствия этого ограничиваются его большой нестабильностью;
- Экзотические фазы КХД, и в частности кварк-глюонная плазма : при высокой температуре все кварки могут достигать высоких энергий, позволяющих им избежать ограничения, веса Больцмана больше не благоприятствуют адронизации .
Примечание: в крайнем случае, мы можем считать, что странные звезды (кварковые звезды) представляют собой макроскопические скопления кварков (U; D и S), связанных взаимодействием цветов, прежде чем это происходит под действием гравитации, как это происходит с нейтронными звездами . Последние имеют минимальную (теоретическую) массу 0,09 массы Солнца , в то время как теоретически кварковые звезды не имеют минимальной массы. Кварковые звезды находятся на границе между наблюдением и теорией.
Эти объединения кварков были вызвали на счет для темной материи из Вселенной . Они должны были образоваться в первые моменты Большого взрыва , но их сохранение было бы проблематичным из-за господствовавших в то время условий.
Взаимодействие кварков, концепция глюона
Кварки взаимодействуют посредством сильного взаимодействия , описываемого квантовой хромодинамикой, которое имеет структуру, аналогичную структуре квантовой электродинамики, но более сложную, чем последняя. Цветовой заряд для сильного взаимодействия тогда играет роль, аналогичную роли электрического заряда для электромагнитного взаимодействия.
Протон является барионами из двух до кварков и одного вниз кварка . Его электрический заряд: 2/3 + 2/3 - 1/3 = 3/3 или +1. Нейтроны также барионы из двух вниз кварков и одного до кварка . Его электрический заряд: 2/3 - 1/3 - 1/3 = 0/3 или 0. Следовательно, он нейтрален.
Тот факт, что мы не можем выделить кварк, делает измерение их массы чрезвычайно приблизительным (см. Диапазоны ошибок в таблице). Неясно даже, может ли понятие массы кварка иметь четко определенный смысл.
Поведение кварков во время, например, трансмутации протона в нейтрон (или наоборот) заставляет исследователей подозревать, что кварки не являются последней стадией материи и что они тоже состоят из большего количества сущностей, малых, называемых преонами .
Глюоны
Медиаторы сильного взаимодействия называются глюонами . Как и кварки, глюоны несут заряд цвета, но одновременно цветной и антицветный . Как и фотоны, у них нулевой электрический заряд. Их восемь, что соответствует размеру группы, используемой для математического описания сильного взаимодействия. Они взаимодействуют с кварками: сине-антикрасный глюон, поглощенный красным кварком, превратит его в синий кварк; или зеленый кварк мог бы испускать зеленый анти-красный глюон, когда он стал красным. S U ( 3 )
Бозоны
В Стандартной модели всего шесть элементарных бозонов. Фотон не обладает электрическим зарядом, он передает электромагнитное взаимодействие — то самое, которое связывает атомы в молекулы. Глюон передает сильное взаимодействие и обладает своим видом заряда (об этом еще будет сказано). Именно сильное взаимодействие отвечает за ядерные силы, скрепляющие протоны и нейтроны в ядрах. W+, W- и Z0 означает, что бозоны заряжены соответственно положительно, отрицательно и нейтрально (не заряжены). Они отвечают за так называемое слабое взаимодействие, которое умеет превращать одни частицы в другие. Самый простой пример слабого взаимодействия — распад нейтрона: один из кварков, составляющих нейтрон, излучает W-бозон и превращается в другой кварк, а распадается на электрон и нейтрино.
Остается последний бозон — бозон Хиггса. Теоретически он был предсказан еще в 60-х годах прошлого века, но экспериментально его существование было доказано только в 2013 году. Он отвечает за инертную массу элементарных частиц — именно массу, ответственную за эффекты инерции, а не притяжения. Квантовой теории, которая связала бы и инерцию, и гравитацию, пока что нет.
Фермионы
Элементарных фермионов гораздо больше, чем элементарных бозонов. Их делят на два класса: лептоны и кварки. Они отличаются тем, что кварки участвуют в сильном взаимодействии, а лептоны — нет.
Лептоны
Лептоны бывают трех поколений, в каждом поколении два лептона — один заряженный и один нейтральный. Первое поколение: электрон и электронное нейтрино, второе — мюон и мюонное нейтрино, третье — тау-лептон и . Лептоны очень похожи друг на друга, мюоны и (так же как и электроны) могут образовывать атомы, заменяя на орбиталях электроны. Главное их отличие — в массе: мюон в 207 раз тяжелее электрона, а в 17 раз тяжелее мюона. С нейтрино должна быть похожая история, но их массы настолько малы, что до сих пор не измерены. Эти массы точно ненулевые, доказательство этого факта было отмечено Нобелевской премией в 2015 году. Мюон и нестабильны: время жизни мюона примерно 0,2 миллисекунды (что на самом деле довольно долго), тау-лептон распадается примерно в 17 раз быстрее. Особенности нейтрино состоят в том, что они участвуют только в слабом взаимодействии, из-за этого их очень трудно засечь. Также они могут произвольно менять свой сорт: к примеру, электронное нейтрино может внезапно превратиться в мюонное, или наоборот. В отличие от бозонов, у лептонов существуют античастицы. Таким образом, всего лептонов не 6, а 12.
Кварки
Конфайнмент
Хорошо — допустим, что кварки не могут существовать свободно. Но что если просто взять мезон, состоящий из двух кварков, и разорвать его на две части? Не получим ли мы два кварка? (На самом деле нет.) Представьте, что мезон очень сильно растягивают. В отличие от электромагнитного, сильное взаимодействие тем сильнее до определенного предела, чем взаимодействующие частицы дальше друг от друга. Это похоже на пружину: чем сильнее ее растягивать, тем сильнее она будет сжиматься и тем больше у нее будет энергии. Чтобы сильнее стягивать кварки, сильное взаимодействие создает новые глюоны. И чем дальше мы их растягиваем, тем больше глюонов создается. Но в момент энергия этих созданных глюонов становится настолько большой, что выгоднее становится создать новую пару кварк-антикварк, чем продолжать плодить глюоны. Много глюонов исчезает, вместо них появляются кварк и антикварк. В момент появления кварк-антикварковой пары из четырех кварков создаются два мезона, каждый из которых бесцветен.
Может показаться, что теория замкнута сама на себе и что кварков на самом деле не существует, а конфайнмент, по сути, костыль, который придумали только для того, чтобы прекратить поиски кварков; что это просто удобная модель, которая не имеет под собой физического обоснования. Долгое время в научных кругах ходила такая мысль. Однако поздние теоретические исследования и недавние экспериментальные показывают, что при определенных условиях кварки могут покидать адроны. Более того, это состояние материи существовало практически сразу после большого взрыва, и только после сильного охлаждения кварки связались в адроны. Такое состояние материи сейчас исследуют на Большом адронном коллайдере в эксперименте ALICE. Для его получения нужна температура в два триллиона градусов. Это состояние материи называется кварк-глюонной плазмой.
В поисках теории всего
Наука не стоит на месте, и ближе к середине шестидесятых годов общее количество открытых адронов составило больше сотни. Появилась уверенность в том, что данные частицы не являются предельным элементарным уровнем материи.
В 1964 году учеными М.Гелл-Манном и Д.Цвейгом, независимо друг от друга, была разработана модель кварков.
Кварки – это частицы, из которых состоят адроны.
Появление такой модели было ожидаемым и естественным. В результате проведенных экспериментов по рассеиванию электронов на нуклонах было выявлено, что протон и нейтрон имеют сложную структуру, в отличие от электрона. На этом основании появившаяся гипотеза о новых частицах, из которых возможно строить адроны, казалась вполне оправданной.
Слово кварк не имеет точного перевода, и больше означает как нечто странное, непонятное. Цвейгом был предложен другой термин - туз, однако он не прижился.
В настоящее время открыто 6 кварков, каждый из которых имеет свое имя.
Рисунок 1. Кварки. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Существует гипотеза, согласно которой кварки, кроме того, что играют роль строительного материала для адронов, сами состоят из более мелких простых частиц, которые получили преонов. На данный момент эта гипотеза не подтверждена экспериментально, этот вопрос остается открытым.
Ряд ученых считают, что в пространстве возможно существование кварковых звезд, которые состоят из смеси свободных кварков, образующих кварковую материю. Кварковые звезды могут являться промежуточным звеном между нейтронными звездами и черными дырами.
Готовые работы на аналогичную тему
Чтобы из кварков получить электрический заряд, равный 0 для нейтрона и положительный заряд для протона, необходимо, чтобы в составе нуклона было не менее двух кварков. Для того, чтобы получить спины для нуклонов ½, необходимо присутствие двух кварков в нуклоне, а спины кварков должны быть полуцелыми. То есть, необходимо, чтобы в нуклоне было три кварка двух типов. барионы составлялись из трех кварков, мезоны – из пары кварк- антикварк. Кварки имеют дробный электрический заряд, который равен или -1/3, или +2/3 заряда электрона.
История открытия кварков
До 1974 года все адроны можно было описать, составив их всего лишь из трех кварков – u,d,s. При этом такая трехварковая модель адронов являлась замкнутой, и каждой комбинации кварков соответствовала экспериментально наблюдаемая частица, лишних частиц не выявлялось.
В 1974 году была открыта новая частица - J/ψ с массой 3,1 ГэВ. Время жизни новой частицы была практически в 1000 раз больше времени жизни частиц такой массы. Это было настоящей сенсацией для науки. Дальнейшие изучения показали, что причиной такой продолжительности жизни частицы является новый с-кварк, который получил название очарованный.
Позже, в 1977 году были открыты ипсилон-мезоны, в состав которых входит неизвестный до этого момента b-кварка, обладающий скрытой красотой. А почти двадцать лет спустя учеными был обнаружен шестой кварк – t-кварк, самый тяжелый из всех кварков.
Таким образом, на современном этапе развития представлений о составе материи на первом месте находятся кварки. Все адроны имеют в составе шесть кварков, и предполагается, что больше их быть не должно.
Каждому типу кварка соответствует еще одно квантовое число – это цвет, который может принимать три значения: красный, синий, зеленый. Эти названия являются условными, важно, что каждый кварк имеет дополнительно три квантовых числа. Такое введение цветовой степени свободы кварков было необходимо для сохранения принципа Паули. Предположение о том, что у кварков существует цвет, впервые было высказано Н. Боголюбовым, Б. Струминским, А. Тавхелидзе и М. Ханом, Й. Намбу в 1965 году, и подтверждено экспериментами.
Теория кварков
Гипотеза о строении адронов, основой которой является то, что адроны состоят из более мелких частиц, получивших название кварков, развилась в теорию кварков. Электрический заряд, который несут кварки, является дробным и равен -1/3 или +2/3 заряда электрона. Комбинация из двух и трех кварков может иметь заряд равный 0 или 1. Спин всех кварков ½, соответственно, кварки являются фермионами. В 60 годы было известно три кварка. Для удобства изучения и основатели теории кварков, физики Гелл-Манн и Цвейг, разделили их на три аромата:
- u - up –верхний
- d – down – нижний
- s-strange –странный.
Есть два способа соединения кварков друг с другом – тройками либо парами кварк-антикварк. Барионы (нейтрон и протон) – тяжелые частицы, построены из трех кварков. Мезоны – более легкие частицы, построены парой кварк-антикварк. Примером является протон, который состоит из двух u- и одного d-кварка (uud), и нейтрон — из двух d-кварков и одного u-кварка (udd). Для того, чтобы комбинация кварков не распалась, необходима сила, способная их удержать. Такой силой является результат сильного взаимодействия, происходящего между самими кварками. То есть, в момент, когда протон притягивается к нейтрону или другому протону, во взаимодействии принимают участие шесть кварков, каждый из которых взаимодействует с остальными. Таким образом, большая часть энергии расходуется на склеивание трех кварков, остальная – на скрепление двух трио кварков друг с другом.
Переносчиками сильного взаимодействия, при помощи которого скрепляются кварки, являются цветовые заряды – глюоны. Взаимодействием кварков и глюонов занимается такая область физики элементарных частиц, как квантовая хромодинамика.
Если квантовая электродинамика – это теория электромагнитного взаимодействия, то квантовая хромодинамика- это теория сильного взаимодействия.
В современной науке большая часть ученых – физиков считают кварки подлинно элементарными частицами, которые являются неделимыми, точечными и не обладают внутренней структурой. То есть, в этом плане кварки схожи с лептонами. В связи с этим, есть предположение, что между этими различными, но схожими по структуре семействами существует взаимосвязь. Исходя из этого, число истинно элементарных частиц, помимо переносчиков фундаментальных взаимодействий, равно 48, из которых лептонов 6 • 2 = 12, кварков (6 • 3) • 2 = 36.
Гипотеза о том, что адроны построены из специфических субъединиц, была впервые выдвинута М. Гелл-Манном и, независимо от него, Дж. Цвейгом в 1964 году.
Свойства кварков
В силу неизвестных пока причин, кварки естественным образом группируются в три так называемые поколения (они так и представлены в таблице). В каждом поколении один кварк обладает зарядом +2/3, а другой — (−1/3). Подразделение на поколения распространяется также и на лептоны.
Реальность кварков
Из-за непривычного свойства сильного взаимодействия — конфайнмента — часто неспециалистами задаётся вопрос: а откуда мы уверены, что кварки существуют, если их никто никогда не увидит в свободном виде? Может, они — лишь математическая абстракция, и протон вовсе не состоит из них?
Причины того, что кварки считаются реально существующими объектами, таковы:
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.
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. [1] Впоследствии базис расширялся до 4 частиц. [2]
- Барионные-антибарионные нонеты. [3]
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.: Состав кварка)
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 эксперимента, до сих пор никаких подозрений на неточечную структуру кварков не возникало. Однако попытки построить такие теории делаются независимо от эксперимента. Серьёзного успеха 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 исследования, построить такую теорию также пока не удалось.
Читайте также: