К середине шестидесятых годов XX столетия, когда наряду
с протоном и нейтроном было открыто несколько десятков «элементарных» частиц,
стало ясно, что эти «элементарные» частицы состоят из более фундаментальных
частиц. В 1964 г. Независимо друг от друга
М. Гелл-Манн и
Д. Цвейг предложили
составную кварковую модель адронов.
Кварки объединяются в частицы, называемые адронами
.
Термин «адрон» происходит от греческого «хадрос» – сильный и отражает свойство
адронов участвовать в сильных взаимодействиях. Адроны
– связанные системы кварков и антикварков. Адроны существуют двух типов –
барионы и мезоны.
Рис. 11.1. Типы адронов и их кварковый состав.
Квантовые числа кварков, образующих адрон, определяют
квантовые числа адронов. Адроны имеют определенные значения электрического
заряда Q, спина J, чётности P, изоспина I. Квантовые
числа s (странность), c (очарование или шарм),
b (bottom) и
t
(top) разделяют адроны на обычные нестранные частицы
(р,
n, π, …), странные частицы (K,
Λ, Σ, …), очарованные (D, Λ c , Σ c , …) и боттом-частицы (B, Λ b , Ξ b). t‑кварк имеет время
жизни ≈ 10 -25
с, поэтому за такое короткое время он не успевает
образовать адрон.
Всё многообразие адронов возникает в результате
различных сочетаний u-, d-, s-, c-, b-кварков,
образующих связанные состояния.
Квантовые характеристики кварков приведены в табл.
11.1. Каждый кварк имеет еще три цветные степени свободы (красный, синий,
зеленый). Цветные степени свободы в таблице не указаны. Античастицы кварков – антикварки.
Таблица 11.1
Характеристики кварков
| Характеристика | Тип кварка (аромат) | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| d | u | s | c | b | t | |
| Электрический заряд Q, в единицах е |
-1/3 | +2/3 | -1/3 | +2/3 | -1/3 | +2/3 |
| Барионное число B | +1/3 | |||||
| Спин J | 1/2 | |||||
| Четность P | +1 | |||||
| Изоспин I | 1/2 | 0 | ||||
| Проекция изоспина I 3 | -1/2 | +1/2 | 0 | |||
| Странность s | 0 | 0 | -1 | 0 | 0 | 0 |
| Очарование (charm) c | 0 | 0 | 0 | +1 | 0 | 0 |
| Bottom b | 0 | 0 | 0 | 0 | -1 | 0 |
| Top t | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | +1 |
| 0.33 | 0.33 | 0.51 | 1.8 | 5 | 180 | |
| Масса токового кварка | 4-8 МэВ | 1.5-4 МэВ | 80-130 МэВ | 1.1-1.4 ГэВ | 4.1-4.9 ГэВ | 174±5 ГэВ |
Квантовые характеристики антикварков приведены в табл. 11.2.
Таблица 11.2
Характеристики антикварков
| Характеристика | Тип кварка (аромат) | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| d | u | s | c | b | t | |
| Электрический заряд Q, в единицах е |
+1/3 | -2/3 | +1/3 | -2/3 | +1/3 | -2/3 |
| Барионное число B | -1/3 | |||||
| Спин J | 1/2 | |||||
| Четность P | -1 | |||||
| Изоспин I | 1/2 | 0 | ||||
| Проекция изоспина I 3 | +1/2 | -1/2 | 0 | |||
| Странность s | 0 | 0 | +1 | 0 | 0 | 0 |
| Очарование (charm) c | 0 | 0 | 0 | -1 | 0 | 0 |
| Bottom b | 0 | 0 | 0 | 0 | +1 | 0 |
| Top t | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | -1 |
| Масса конституэнтного кварка mс 2 , ГэВ | 0.33 | 0.33 | 0.51 | 1.8 | 5 | 180 |
| Масса токового кварка | 4-8 МэВ | 1.5-4 МэВ | 80-130 МэВ | 1.1-1.4 ГэВ | 4.1-4.9 ГэВ | 174±5 ГэВ |
Кварки не существуют в свободном состоянии, а заключены
в кварковых системах – адронах. Поэтому им нельзя освободиться от взаимодействия
с другими кварками, находящимися в том же объеме и связывающими их в адрон
глюонами.
Барионное число B − квантовая характеристика частиц, отражающая установленный на опыте ещё
до открытия кварков закон сохранения числа барионов. Так например, протон без
нарушения законов сохранения энергии, импульса, момента количества движения,
электрического заряда мог бы распасться на позитрон e + и γ-квант
или на положительно заряженный пион π + и γ-квант
Однако такие распады не наблюдаются. Это можно понять, приписав протону
барионное число В = +1 и считать, что все частицы, состоящие из трёх
кварков, имеют барионное число, равное плюс единице. Мезоны имеют барионное
число В = 0. Антибарионы имеют
барионное число В = -1.
Лептоны имеют барионное число В = 0.
Все имеющиеся опытные данные свидетельствуют о
существовании закона сохранения барионного числа (заряда) или закона сохранения
числа барионов:
Барионное число является аддитивным квантовым числом.
Барионные числа адронов – следствие их кварковой структуры. Кваркам приписывают
барионное число В = +1/3, а антикваркам В = -1/3. Тогда все частицы, состоящие из трех кварков (барионы), будут иметь
барионное число В = +1, частицы из трех
антикварков (антибарионы) − B
= -1, а частицы
из кварка и антикварка (мезоны) − B = 0.
В отличие от точечных кварков, адроны протяжённые
объекты, т. е. имеют размер (≈ 1 Фм).
Среднеквадратичные зарядовые радиусы протона p, пиона π и каона K
дают представление о размерах этих адронов.
Ф. Вилчек:
«Кварки рождаются свободными, но встречаются только связанными… В начале
двадцатого века, после пионерских экспериментов Резерфорда, Гейгера и Марсдена,
физики открыли, что большая часть массы и весь положительный заряд внутри атома
сконцентрированы в крошечных ядрах. В 1932 г. Чедвик открыл нейтроны, которые
вместе с протонами могли бы рассматриваться как составляющие атомного ядра.
Однако известных тогда сил гравитации и электромагнетизма было недостаточно, для
того чтобы связать протоны и нейтроны в такие малые объекты, как наблюдаемые
ядра. Физики столкнулись с новым видом взаимодействия, самым сильным в природе.
Объяснение этой новой силы стало основной задачей теоретической физики.
Для решения указанной проблемы физики в течение многих
лет собирали данные, полученные, в основном, из изучения результатов
столкновений протонов и нейтронов. Однако результаты этих исследований
оказывались громоздкими и сложными.
Если бы частицы в указанных экспериментах были
фундаментальными (неделимыми), то после их столкновения следовало бы ожидать те
же частицы, только выходящие по измененным траекториям. Вместо этого на выходе,
после столкновения, часто оказывалось множество частиц. Конечное состояние могло
содержать как несколько копий исходных частиц, так и другие частицы. Многие
новые частицы были открыты именно таким образом. Несмотря на то, что эти
частицы, называемые адронами, были нестабильны, их свойства были очень схожи со
свойствами нейтронов и протонов. Тогда характер исследования изменился. Уже не
казалось естественным полагать, что речь идет просто об изучении новой силы,
связывающей протоны и нейтроны в атомные ядра. Скорее, открылся новый мир
явлений. Этот мир состоял из множества новых неожиданных частиц, преобразующихся
друг в друга удивительно большим количеством способов. Отражением изменения во
взглядах стало и изменение в терминологии.
Вместо ядерных сил физики стали говорить о сильном
взаимодействии.
В начале 1960-х годов Мюррей Гелл-Ман и Джордж Цвейг
совершили огромный прорыв в теории сильного взаимодействия, предложив концепцию
кварков. Если вы представите, что адроны не являются фундаментальными частицами,
а состоят из некоторого числа неделимых кварков, то все становится на свои
места. Десятки наблюдаемых адронов, по крайней мере в грубом приближении, можно
объяснить различными возможными способами соединений всего трех типов
(«ароматов») кварков. Один и тот же набор кварков может иметь различные
пространственные орбиты и разнообразные спиновые конфигурации. Энергия такой
системы будет зависеть от всех этих факторов, и таким образом получатся
состояния с разными энергиями, соответствующие частицам с разными массами,
согласно формуле m = E/c 2 . Это аналогично тому, как спектр
возбужденных состояний в атоме мы понимаем как проявление различных орбит и
спиновых конфигураций электронов. (Правда, энергии взаимодействия электронов в
атомах относительно малы, и влияние этих энергий на полную массу атома
незначительно.)
Тем не менее, правила использования кварков для
описания реалистических моделей казались довольно странными и непонятными.
Предполагалось, что кварки едва ли чувствуют
присутствие друг друга, когда находятся рядом, но если вы попытаетесь их
изолировать друг от друга, то обнаружите, что это невозможно. Усиленные попытки
найти изолированный кварк успехом так и не увенчались. Наблюдаемыми оказались
только связанные состояния кварка с антикварком (мезоны) и трех кварков
(барионы). Этот принцип, выведенный из экспериментальных наблюдений, назвали
конфайнментом. Однако возвышенное название не сделало само явление менее
таинственным.
Была у кварков и еще одна примечательная особенность.
Предполагалось, что их электрические заряды являются дробными (1/3 или 2/3) по
отношению к основному единичному заряду, например, электрона или протона. Все
остальные наблюдаемые заряды известны с большой точностью и кратны основному.
Кроме того, тождественные кварки не подчиняются обычным правилам квантовой
статистики. Эти правила требуют, чтобы кварки, как частицы со спином 1/2, были
фермионами с антисимметричными волновыми функциями (если не учитывать цветовую
симметрию). Однако наблюдаемые данные о барионах не могут быть объяснены с
помощью антисимметричных волновых функций они должны быть симметричными.
Атмосфера таинственности вокруг свойств кварков еще
более сгущалась, когда Дж. Фридман. Г.Кендалл, Р. Тейлор и их коллеги на
линейном ускорителе в Стэнфорде (SLAC) направили фотоны с
высокой энергией на прогоны и обнаружили внутри нечто вроде кварков. Неожиданным
было то. что при сильных столкновениях кварки двигаются (точнее, переносят
энергию и импульс) так, как если бы они были свободными частицами. До этого
эксперимента большинство физиков предполагало, что каким бы ни было сильное
взаимодействие кварков, оно должно заставить кварки обильно излучать энергию, и,
следовательно, после резкого ускорения энергия движения должна быстро
рассеиваться»
.
Некоторые барионы
| Частица | Кварковая структура |
Масса mc 2 , МэВ |
Время жизни t (сек) или ширина Г |
Спин-четность, изоспин J P (I) |
Основные моды распада |
|---|---|---|---|---|---|
| p | uud | 938.27 | >10 32 лет | 1/2 + (1/2) | |
| n | udd | 939.57 | 885.7±0.8 | 1/2 + (1/2) | pe - e |
| Λ | uds | 1116 | 2.6×10 -10 | 1/2 + (0) | pπ - , nπ 0 |
| Σ + | uus | 1189 | 0.80×10 -10 | 1/2 + (1) | pπ 0 , nπ + |
| Σ 0 | uds | 1193 | 7.4×10 -20 | 1/2 + (1) | Λγ |
| Σ - | dds | 1197 | 1.5×10 -10 | 1/2 + (1) | nπ - |
| Ξ 0 | uss | 1315 | 2.9×10 -10 | 1/2 + (1/2) | Λπ 0 |
| Ξ - | dss | 1321 | 1.6×10 -10 | 1/2 + (1/2) | Λπ - |
| Δ ++ | uuu | 1230-1234 | 115-125 МэВ | 3/2 + (3/2) | (n или p) + p |
| Δ + | uud | ||||
| Δ 0 | udd | ||||
| Δ + | ddd | ||||
| Σ(1385) + | uus | 1383 | 36 МэВ | 3/2 + (1) | Λπ, Σπ |
| Σ(1385) 0 | uds | 1384 | 36 МэВ | ||
| Σ(1385) - | dds | 1387 | 39 МэВ | ||
| Ξ(1530) 0 | uss | 1532 | 9.1 МэВ | 3/2 + (1/2) | Ξπ |
| Ξ(1530) - | dss | 1535 | 9.9 МэВ | ||
| Ω - | sss | 1672 | 0.82×10 -10 | 3/2 + (0) | ΛK - , Ξ 0 π - |
| N(1440) + | uud | 1430-1470 | 250-450 МэВ | 1/2 + (1/2) | n(π)+p(2π), Δπ |
| N(1440) 0 | udd | ||||
| N(1520) + | uud | 1515-1530 | 110-135 МэВ | 3/2 - (1/2) | n(π)+p(2π), Δπ |
| N(1520) 0 | udd | ||||
| udc | 2285 | 2.0×10 -13 | 1/2 + (0) | (n или p)+др. | |
| Σ c (2455) ++ | uuc | 2453 | 2.2 МэВ | 1/2 + (1) | π |
| Σ c (2455) + | udc | 2451 | < 4.6 МэВ | ||
| Σ c (2455) 0 | ddc | 2452 | 2.2 МэВ | ||
| udb | 5620 | 1.4×10 -13 | 1/2 + (0) | e - | |
| usb | 5792 | 1.4×10 -12 | 1/2 + (1/2) | Ξ - e - X | |
Некоторые мезоны
| Частица | Кварковая структура |
Масса mc 2 , МэВ |
Время жизни t (сек) или ширина Г |
Спин-четность, изоспин J P (I) |
Основные моды распада |
|---|---|---|---|---|---|
| π + | u | 139.57 | 2.6×10 -8 | 0 - (1) | ν μ μ + |
| π - | d | μ μ - | |||
| π 0 | u - d | 134.98 | 8.4×10 -17 | 2γ | |
| K + | u | 494 | 1.2×10 -8 | 0 - (1/2) | ν μ μ + , π 0 π + |
| K - | s | μ μ - , π 0 π - | |||
| K 0 | d | 498 | 8.9×10 -11 | 0 - (1/2) | π + π - , π 0 π 0 |
| K 0 | s | 5.2×10 -8 | πeν, πμν, 3π | ||
| η | u + d - 2s | 548 | 1.29 кэВ | 0 - (0) | 2γ, 3π |
| η" | u + d + s | 958 | 0.20 МэВ | 0 - (0) | η2π, ρ 0 γ |
| ρ + | u | 776 | 150 МэВ | 1 - (1) | ππ |
| ρ - | d | ππ | |||
| ρ 0 | u - d | 776 | 150 МэВ | ππ | |
| ω | u + d | 783 | 8.5 МэВ | 1 - (0) | 3π |
| ¢ | s | 1019 | 4.3 МэВ | 1 - (0) | K + K - , |
| D + | c | 1869 | 1.0×10 -12 | 0 - (1/2) | K+др., e+др., μ+др. |
| D - | d | K+др., e+др., μ+др. | |||
| D 0 | c | 4.1×10 -13 | 0 - (1/2) | K+др., e+др., μ+др. | |
| D 0 | u | K+др., e+др., μ+др. | |||
| c | 1968 | 4.9×10 -13 | 0 - (0) | K+др. | |
| s | K+др. | ||||
| B + | u | 5279 | 1.7×10 -12 | 0 - (1/2) | D+др., D * +др., ν+др. |
| B - | b | D+др., D * +др., ν+др. | |||
| B 0 | d | 5279 | 1.5×10 -12 | 0 - (1/2) | D+др., D * +др., ν+др. |
| B 0 | b | D+др., D * +др., ν+др. | |||
| J/ψ | c | 3097 | 91 кэВ | 1 - (0) | адроны, 2e, 2μ |
| Y | b | 9460 | 53 кэВ | 1 - (0) | τ + τ-, μ + μ-, e + e- |
Кварки, образующие адроны, могут находиться в состояниях с различными орбитальными моментами l q и в состояниях с различными значениями радиального квантового числа n. Так как кварк имеет положительную чётность, а антикварк - отрицательную, чётности барионов, антибарионов и мезонов определяются соотношениями
где
L - результирующий орбитальный момент кварков в адроне.
Аналогичным образом можно получить формулу для чётности
мезона/антимезона:
Спины кварков могут быть ориентированы различным образом. Поэтому для одной и той же кварковой комбинации допустимы различные значения полного момента и чётности J P . Энергия (масса) фиксированной кварковой комбинации зависит от J P и других квантовых чисел, таких как изоспин, т. е. для каждой кварковой комбинации получается набор энергий (масс). Такова суть спектроскопии адронов, которая по существу не отличается от атомной или ядерной спектроскопии. Отличие в атоме состоит в том, что если в атоме (или в ядре) с определённым внутренним составом частиц изменяется энергия и квантовые числа, то это означает переход в другое состояние этого же атома (ядра). В физике адронов изменение энергии (массы) и квантовых чисел фиксированной кварковой комбинации означает переход к другой частице.
Адроны - бесцветные образования цветных кварков
Почему существует столь
ограниченный набор связанных кварковых структур - трёхкварковые и кварк-антикварковые состояния? Для
ответа на этот вопрос нужно пояснить понятие бесцветного состояния
.
Кварковая модель в своем первоначальном варианте не содержала понятия «цвет».
Исходная модель смогла представить все многочисленное семейство адронов всего
лишь в виде трех кварковых комбинаций −
qqq (барионы),
(антибарионы) и q
(мезоны). Однако
оставалось неясным, почему других комбинаций кварков, например, qq, qq, q,
qqqq, qq, q и т.д. в природе нет, да и сами
отдельные кварки не наблюдаются. Кроме того, были известны барионы из трех
тождественных кварков – uuu (Δ ++ -резонанс),
ddd (Δ - ‑резонанс),
sss (Ω - -гиперон), в которых
кварки находились в одинаковых квантовых состояниях, что противоречило принципу
Паули. Все эти трудности начального варианта кварковой модели снимались
введением для кварков еще одного квантового числа, названного цветом
. Это
квантовое число должно было иметь три возможных значения с тем, чтобы можно было
восстановить принцип Паули для барионов, построенных из трех кварков одинакового
аромата. Эти три возможных значения цвета – красный (к), зеленый (з)
и синий (с) – можно рассматривать как три проекции своеобразного
цветового спина в трехмерном цветовом пространстве (с осями К,
З. С).
С введением цвета Δ ++ -резонанс, например, можно представить как
комбинацию трех u-кварков в разных цветовых состояниях: Δ ++ = u к u з u с. Это означало, что
принцип Паули справедлив и в физике адронов. Однако, ограничиться только
трехзначностью цвета было невозможно. Оставалась ещё одна проблема. Если u к u з u с
-
это
единственный вариант Δ ++ ‑резонанса, то для
протона можно предложить несколько кандидатов, не нарушая принципа Паули: u к u з d с,
u к u з d з,
u с u к d к и т. д. Но существует только одно
протонное состояние и введение нового квантового числа «цвет» не должно
увеличивать число наблюдаемых состояний.
Выходом из этой ситуации явилось принятие постулата о бесцветности
наблюдаемых квантовых состояний адронов. Бесцветность
адронов означает, что в них кварки разного цвета представлены с равными весами.
О таких бесцветных состояниях говорят как о цветовых
синглетах. Они инвариантны относительно преобразований в трехмерном цветовом
пространстве. Если цветовой индекс кварка принимает три значения α = 1, 2, 3, то такие преобразования имеют вид
при условии ортонормированности цветовых состояний
где
(*) означает комплексное сопряжение, а δ βγ − символ Кронекера.
В отличие от цветных кварков, их наблюдаемые комбинации
− адроны
− всегда бесцветны. В
них все кварковые цвета представлены с одинаковыми весами. В этом состоит
аналогия между цветом в оптике ик вантовым числом цвет. В обоих случаях
равномерная смесь трёх базовых цветов дает бесцветную (белую) комбинацию.
Рассмотрим вопрос о том, как цветовые степени свободы
кварков должны быть учтены в волновых функциях адронов
Y. Поскольку эти степени свободы не зависят от других кварковых степеней
свободы – пространственных координат, спина и аромата, то цветовая часть полной
волновой функции адрона может быть выделена в виде множителя ψ color:
Ψ = ψ color Ф,
где Ф − часть волновой функции адрона,
куда входят пространственные (space
), спиновые (spin
) и ароматовые
(flavor
) степени свободы кварков. Установим вид ψ color . Он различен для
мезонов и барионов.
Кварковая структура мезонов q. Для того, чтобы мезон был
бесцветным, все возможные цвета кварка (антикварка) в нём должны быть
представлены с одинаковым весом, что дает цветовую структуру мезона
~ (k+з
+с
).
Поэтому, независимо от типа (кваркового состава) мезона цветовая часть его
волновой функции с учетом нормировки имеет вид
При установлении вида цветовой волновой функции бариона необходимо учесть принцип Паули. В состав бариона могут входить тождественные кварки, а, поскольку кварки являются фермионами, то в таких барионах эти кварки не должны находиться в одинаковых квантовых состояниях. В случае мезонов такого ограничения нет, так как они содержат только различные частицы - кварк и антикварк. Это означает, что волновая функция бариона, содержащего кварки одинакового аромата, должна быть антисимметричной при перестановке этих кварков.
Рассмотрим ситуацию на примере Δ ++ -резонанса, состоящего из трёх u-кварков. Его спин-чётность J P = 3/2 + . Эксперименты показали, что его волновая функция симметрична по пространственным координатам кварков и не имеет узлов. Следовательно, орбитальный момент кварков L = 0 и полный момент J P = 3/2 целиком обусловлен спинами кварков, направленными в одну сторону (). Такое спиновое состояние симметрично. Следовательно, пространственно-спиново-ароматовая волновая функция Δ ++ -резонанса F симметрична по этим трём переменным. Как показывает опыт это утверждение справедливо для всех барионов, т. е. все барионы имеют волновые функции, полностью симметричные к одновременной перестановке пространственных координат, спинов и ароматов любых двух кварков. Для того чтобы быть антисимметричной в целом, полная волновая функция Y любого бариона должна содержать антисимметричную цветовую функцию ψ color . Нормированная антисимметричная цветовая волновая функция бариона имеет вид
Такая цветовая функция автоматически обеспечивает выполнение принципа Паули, запрещающего существование бариона, содержащего кварки одного и того же аромата в полностью одинаковых квантовых состояних. Ароматово-цветовая волновая функция Δ ++ -резонанса имеет вид
Требуемая антисимметризация волновой функции Δ ++ -резонанса получена. Она антисимметрична по цвету, симметрична по пространственным координатам (орбитальные моменты кварков нулевые) и спинам (). Таким образом, волновая функция Δ ++ -резонанса Y антисимметрична в целом, как и должно быть для систем, содержащих тождественные фермионы. Легко проверить выполнение принципа Паули для этого состояния. Пусть зелёный u-кварк стал красным: u з → u к. Тогда в Δ ++ ‑резонансе имеем два красных u-кварка в одном и том же состоянии. При этом волновая функция Δ ++ -резонанса обращается в нуль.
АДРОНЫ (от греческого αδρ?ς - большой, сильный), частицы, участвующие в сильных взаимодействиях. К адронам относятся мезоны и барионы (в том числе протон и нейтрон). Адроны следует отличать от атомных ядер, которые состоят из двух и большего числа нуклонов.
Адроны не элементарны, они состоят из кварков. Наиболее хорошо изученные барионы состоят из трёх кварков, а мезоны - из кварка и антикварка, «склеенных» глюонами. Все известные адроны состоят из шести типов (или, как часто говорят, ароматов) кварков, обозначаемых буквами u, d, s, с, b, t. Нуклоны состоят из самых лёгких кварков: u и d (так, протон р и нейтрон n представляются в виде р = uud, n = ddu). Барионы, содержащие более тяжёлые кварки (s, с, b), называют гиперонами. Взаимодействие глюонов с кварками и глюонов с глюонами обусловлено наличием у кварков, антикварков и глюонов специфических зарядов, называемых цветными зарядами (или цветом). Теория, описывающая эти взаимодействия, называется квантовой хромодинамикой (КХД).
Кварк каждого аромата существует в виде трёх цветовых разновидностей (красный, жёлтый, синий). Цвета антикварков дополнительны (оранжевый, зелёный, фиолетовый). Каждый из восьми глюонов несёт двойной цветовой заряд, например, красно-оранжевый, жёлто-синий и так далее. Названия цветов условны, но приведённый выше выбор в соответствии с принятой в оптике терминологией удобен тем, что при этом адроны (не обладающие цветовыми зарядами) естественно называть бесцветными или белыми частицами. Цветные частицы кварки, антикварки, глюоны - как бы заключены внутри белых адронов. Это явление называют конфайнментом. Последовательная теория конфайнмента в рамках КХД пока не построена. Следствием конфайнмента является то, что в столкновениях адронов высоких энергий друг с другом или с другими частицами - фотонами или лептонами - рождаются адроны, но не свободные кварки и глюоны.
На ускорителях частиц высоких энергий ведутся поиски так называемых экзотических адронов, структура которых более сложна, чем три кварка в случае барионов и кварк-антикварк в случае мезонов. Экзотические мезоны, состоящие только из глюонов, называются глюболами.
Адроны, содержащие в дополнение к минимальному числу кварков ещё и глюон, называются гибридами. Так как электрический заряд глюонов равен нулю, и они не обладают ароматом, глюболы должны быть электрически нейтральны, а гибриды должны иметь тот же аромат, что и соответствующий адрон, не содержащий дополнительного глюона. Вместо дополнительного глюона экзотический адрон может содержать пару кварк-антикварк (например, uu или ds, где чёрточка над символом кварка означает антикварк). В первом случае аромат экзотического адрона совпадает с ароматом основного, во втором отличается от него.
Исторически первыми изученными адронами были нуклоны (протон и нейтрон) и самые лёгкие из мезонов - пи-мезоны, открытые в 1947 году. В 1950-х годах открыты странные частицы. Их изучение и систематизация привели в 1964 году к созданию кварковой модели адронов, а s-кварк, входящий в состав странных частиц, получил название странного кварка. В 1974 году открыт первый мезон, содержащий очарованные кварк с и антикварк с (смотри Очарованные частицы). Такие мезоны названы мезонами со скрытым очарованием (чармом). Вслед за этим открыты мезоны с явным очарованием, типа eu или cd. В 1976 году открыты первые мезоны типа bb, а затем мезоны типа bu, bd, bs и др. В 1984 году на протон-антипротонном коллайдере рождены пары самых тяжёлых кварков t и t. Масса t-кварка около 175 ГэВ, его время жизни настолько мало (порядка 10 -24 с), что он не успевает образовать соответствующие адроны ни с t-кварком, ни с более лёгкими кварками, сопровождающими его рождение.
Лит.: Окунь Л. Б. Физика элементарных частиц. 2-е изд. М., 1988.
Каждый человек слышал об атомах и о том, что эти маленькие частички вещества составляют окружающую нас материю. Однако не все люди знают, что атом не является элементарным "кирпичиком" мироздания. Что им является? Однозначного ответа пока нет. Тем не менее рассмотрение вопроса, что это - адрон, поможет прояснить проблему.
Окружающая материя и ее структура
Вопрос, что это - адрон, начнем рассматривать "сверху". Все вещество, с которым человек сталкивается каждый день, которое может пощупать, оценить его цвет и другие свойства, состоит из совокупностей молекул и атомов. Последние, в свою очередь, образованы электронами и ядрами. Этот факт был установлен приблизительно век назад благодаря работам Эрнеста Резерфорда.
Теперь оставим без внимания электрон и рассмотрим атомное ядро. Как известно, оно образовано двумя видами частиц: нейтронами и протонами. И здесь мы, наконец, докопались до сути, поскольку нейтрон и протон - это адроны.
Понятие об адроне
В общем случае адрон - это частица, которая образована кварками и может принимать участие в сильных взаимодействиях. Это определение звучит не совсем понятно, поскольку необходимо знать, что собой представляют кварки и сильные поля, что будет рассмотрено ниже. Каково значение слова "адрон"? Оно имеет греческий корень и переводится как "массивный, плотный". То есть речь идет о плотной частице материи, имеющей большую массу.
Как было сказано выше, адронами являются протон и нейтрон, каждый из них состоит из трех кварков.
Что такое кварк?
Ближе к середине XX века физики со всего мира в различных экспериментах начали наблюдать все новые и новые "элементарные" частицы. Эксперименты сначала ограничивались изучением естественной радиоактивности некоторых химических элементов, а затем были построены первые ускорители частиц, которые позволили сталкивать их высокоэнергетические пучки, что увеличило значительно число частиц. Последние имели разный заряд, спин, массу, время жизни и по-разному вели себя в различных взаимодействиях (слабых, сильных, электромагнитных).
Весь этот огромный пласт информации привел к тому, что необходима была теория, которая бы собрала воедино все частицы. Такой теоретической догадкой стал кварк. Это название впервые использовал Марри Гелл-Ман, американский физик, в 1963 году. Любопытно отметить, что слово "кварк" он подсмотрел в одном из литературных произведений, оно означало имитацию крика чаек.
Благодаря введению нового "кирпичика" в физику элементарных частиц все обнаруженные сгустки материи стройно легли в рамки новой концепции. Отметим, что кварками образованы только адроны, такие частицы, как нейтрино или электрон, относятся к классу лептонов, они считаются элементарными, и кварки к ним не имеют никакого отношения.
Сколько кварков существует и какими характеристиками они описываются?
Адроны состоят из кварков. Но что представляет собой кварк? Это некий реальный объект, размер которого находится в пределах 10 -18 -10 -15 метра. Существует 3 поколения кварков, которые отличаются друг от друга вкусом. В действительности только первое поколение кварков участвует в образовании стабильных адронов. Два других поколения обладают большой массой (энергией), поэтому быстро переходят в "базовые" кварки.
К первому поколению относятся всего две частицы: u или верхний и d или нижний кварки. Отличаются они изоспином (u имеет +1/2, d имеет -1/2), зарядом и массой. Спин приведем специально, чтобы показать, что речь идет о фермионах, поведение которых при высоких плотностях материи отличается от бозонов (целочисленный спин). Примером последних могут быть фотоны, глюоны и любые другие "переносчики" взаимодействия.
Скажем два слова о вкусе и цвете кварков, чтобы не держать читателей в недоумении. Вкус - это совокупность свойств (изоспин, "странность", "чудесность", "дно", "вершина") кварка, которая обуславливает тип его взаимодействия с бозонами Z и W, то есть определяет характер перехода между кварками (слабые взаимодействия). Вкус частиц u и d определяется исключительно изоспином.
Что касается цвета, то это совершенно иное свойство кварков как, например, их электрический заряд или масса. С привычным нам всем словом "цвет" оно, естественно, не имеет никакой физической связи, а названо было так потому, что может принимать одно из 3 значений ("синий", "красный", "зеленый"). Цвет связан с трехмерностью пространства. Грубо можно сказать, что цвет - это вектор, направленный в одном из 3 направлений (x, y, z). Введение цвета для кварков позволило объяснить, почему они могут находиться в одном состоянии (принцип запрета Паули, которому следуют все фермионы).
Если учитывать упомянутых два кварка (u, d), а также то, что каждый из них может иметь один из 3 цветов, то получаем 6 разных "кирпичиков" для построения адронов. Это число нужно умножить на 2, поскольку для каждого из них имеется его античастица.
Классификация адронов
Когда читатель познакомился со значением слова "адрон" и с понятием о кварках, можно привести общепринятую классификацию элементарных частиц. Итак, все они делятся на два больших класса: адроны и лептоны.
Адроны представлены барионами и мезонами. Первые образованы тремя кварками или тремя аникварками, вторые - это совокупность всего 2 частиц: кварк-антикварк, поэтому все мезоны (пионы, каоны) имеют маленькое время жизни и аннигилируют быстро. Барионы - это стабильные частицы-адроны, имеющие получисленный спин (фермионы). Протон и нейтрон - яркие представители барионов, их часто называют нуклонами, поскольку они образуют атомные ядра.
Таким образом, значение адронов во Вселенной велико, ведь вся окружающая нас материя является барионно-лептонной (электрон - это лептон). Однако современная наука подошла к порогу открытия иного вида вещества, то есть не барионно-лептонного (темная материя, вещество черных дыр).
Нуклоны: протон и нейтрон
Эти элементарные частицы-адроны образованы 2 типами кварков: u и d. Состав протона описывается, как u-u-d, нейтрона - u-d-d. В них кварки связаны сильными взаимодействиями, носителями которых являются глюоны. Чем дальше кварки находятся друг от друга, тем сильнее возрастают силы их притяжения. Этот факт объясняет, что отдельный кварк в природе обнаружить не удается.
Что касается массы протона и нейтрона, то определить ее простым суммированием трех кварков нельзя, поскольку она намного больше этой суммы. Дело в том, что вклад в массу этих адронов оказывает не только кварк в покое, но и в движении (кинетическая энергия).
Протон и нейтрон могут переходить друг в друга в результате слабых взаимодействий, ведущих к превращению между кварками u и d.
Заметим, что как кварки в адронах, так и адроны между собой взаимодействуют посредством одного и того же механизма - глюонового поля.
Современное состояние физики элементарных частиц
Кварки появились в физической теории в начале 1960-х годов, а уже в 1970-х было выдвинуто предположение, что они тоже не являются элементарными "кирпичиками" и состоят из так называемых преонов. Последние еще не открыты, однако, если такое произойдет, то это должно существенно упростить существующую теорию элементарного мира.
Помимо проблемы выше, остается еще ряд нерешенных вопросов:
- описание гравитации и темной материи не укладывается в стандартную модель Вселенной;
- почему три кварка в протоне дают точный по модулю заряд элементарной частицы совершенно иного класса - электрона (лептон);
- появились свидетельства существования адронов, состоящих не из 2, как мезоны, или 3, как барионы, но из 5 кварков.
Все упомянутые проблемы не являются простыми. Достаточно лишь сказать, что Альберт Эйнштейн посвятил последние 30 лет своей жизни решению некоторых из них и не пришел ни к какому результату. Он имел IQ 160!
Адроны делят на две группы: мезоны (s = 0, 1, участвует в сильном взаимодействии) и барионы (s = 1/2, 3/2, участвуют в сильном взаимодействии). Барионы делятся на нуклоны (s =1/2) и гипероны (s = 1/2, 3/2).
2. В чем состояла кварковая гипотеза М.Геллмана и Д.Цвейга? Какие эксперименты подтвердили существование трех точечных зарядов в нуклонах? Почему спин этих зарядов (кварков) полуцелый?
Она состояла в том, что адроны являются составными частицами. Существование в нуклонах трех точечных зарядов подтвердилось экспериментом, в котором изучалось рассеяние электронов с энергией 20 ГэВ на протонах и нейтронах.Потому что нуклоны имеют полуцелый спин и состоят из трех кварков, и если мы предполагаем, что у всех кварков одинаковый спин, то он должен быть полуцелым.
3. Приведите расчет электрических возможных зарядов кварков. Как назвали эти кварки?
Обозначим за Q и q возможные электрические заряды кварков.
Если мы решим эту систему двух уравнений с двумя переменными мы получим
(такой кварк назвали u-кварком); q = -1/3е (d-кварк).
4. Какие законы сохранения отражали сохранение в ядерных реакциях зарядового и массового числа? Сформулируйте закон сохранения барионого заряда. Как он подтверждает невозможность распада бариона на более мелкие частицы?
Закон сохранения электрического заряда отражает сохранение зарядового числа, а закон сохранения массы отражает сохранение массового числа.
Закон сохранения барионного заряда: барионный заряд сохраняется во всех взаимодействиях. Невозможность распада протона на более мелкие частицы объясняется сохранением барионного заряда. Барионный заряд кварков равен 1/3, для барионов (протонов и нейтронов) В = 1 (барионный заряд ядра). При β-распаде закон сохранения барионного заряда имеет вид
Называется адронизация .
Адроны делятся на две основные группы в соответствии с их кварковым составом:
В последнее время были обнаружены так называемые экзотические адроны , которые также являются сильновзаимодействующими частицами, но которые не укладываются в рамки кварк-антикварковой или трёхкварковой классификации адронов. Некоторые адроны пока только подозреваются в экзотичности. Экзотические адроны делятся на:
- экзотические барионы , в частности пентакварки , минимальный кварковый состав которых - 4 кварка и 1 антикварк.
- экзотические мезоны - в частности адронные молекулы, глюболы и гибридные мезоны.
Барионы (фермионы)
Мезоны (бозоны)
См. более подробный список мезонов .История
См. также
Напишите отзыв о статье "Адрон"
Примечания
Литература
- Jean Letessier, Johann Rafelski, T. Ericson, P. Y. Landshoff. Hadrons and Quark-Gluon Plasma. - Cambridge University Press, 2002. - 415 p. - ISBN 9780511037276 .
Ссылки
- в Физической энциклопедии
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Отрывок, характеризующий Адрон
– Ну вы, лисицы! – смеялся другой на изгибающихся ополченцев, входивших на батарею за раненым.– Аль не вкусна каша? Ах, вороны, заколянились! – кричали на ополченцев, замявшихся перед солдатом с оторванной ногой.
– Тое кое, малый, – передразнивали мужиков. – Страсть не любят.
Пьер замечал, как после каждого попавшего ядра, после каждой потери все более и более разгоралось общее оживление.
Как из придвигающейся грозовой тучи, чаще и чаще, светлее и светлее вспыхивали на лицах всех этих людей (как бы в отпор совершающегося) молнии скрытого, разгорающегося огня.
Пьер не смотрел вперед на поле сражения и не интересовался знать о том, что там делалось: он весь был поглощен в созерцание этого, все более и более разгорающегося огня, который точно так же (он чувствовал) разгорался и в его душе.
В десять часов пехотные солдаты, бывшие впереди батареи в кустах и по речке Каменке, отступили. С батареи видно было, как они пробегали назад мимо нее, неся на ружьях раненых. Какой то генерал со свитой вошел на курган и, поговорив с полковником, сердито посмотрев на Пьера, сошел опять вниз, приказав прикрытию пехоты, стоявшему позади батареи, лечь, чтобы менее подвергаться выстрелам. Вслед за этим в рядах пехоты, правее батареи, послышался барабан, командные крики, и с батареи видно было, как ряды пехоты двинулись вперед.
Пьер смотрел через вал. Одно лицо особенно бросилось ему в глаза. Это был офицер, который с бледным молодым лицом шел задом, неся опущенную шпагу, и беспокойно оглядывался.
Ряды пехотных солдат скрылись в дыму, послышался их протяжный крик и частая стрельба ружей. Через несколько минут толпы раненых и носилок прошли оттуда. На батарею еще чаще стали попадать снаряды. Несколько человек лежали неубранные. Около пушек хлопотливее и оживленнее двигались солдаты. Никто уже не обращал внимания на Пьера. Раза два на него сердито крикнули за то, что он был на дороге. Старший офицер, с нахмуренным лицом, большими, быстрыми шагами переходил от одного орудия к другому. Молоденький офицерик, еще больше разрумянившись, еще старательнее командовал солдатами. Солдаты подавали заряды, поворачивались, заряжали и делали свое дело с напряженным щегольством. Они на ходу подпрыгивали, как на пружинах.
Грозовая туча надвинулась, и ярко во всех лицах горел тот огонь, за разгоранием которого следил Пьер. Он стоял подле старшего офицера. Молоденький офицерик подбежал, с рукой к киверу, к старшему.
– Имею честь доложить, господин полковник, зарядов имеется только восемь, прикажете ли продолжать огонь? – спросил он.
– Картечь! – не отвечая, крикнул старший офицер, смотревший через вал.
Вдруг что то случилось; офицерик ахнул и, свернувшись, сел на землю, как на лету подстреленная птица. Все сделалось странно, неясно и пасмурно в глазах Пьера.
Одно за другим свистели ядра и бились в бруствер, в солдат, в пушки. Пьер, прежде не слыхавший этих звуков, теперь только слышал одни эти звуки. Сбоку батареи, справа, с криком «ура» бежали солдаты не вперед, а назад, как показалось Пьеру.
Ядро ударило в самый край вала, перед которым стоял Пьер, ссыпало землю, и в глазах его мелькнул черный мячик, и в то же мгновенье шлепнуло во что то. Ополченцы, вошедшие было на батарею, побежали назад.
– Все картечью! – кричал офицер.
Унтер офицер подбежал к старшему офицеру и испуганным шепотом (как за обедом докладывает дворецкий хозяину, что нет больше требуемого вина) сказал, что зарядов больше не было.
– Разбойники, что делают! – закричал офицер, оборачиваясь к Пьеру. Лицо старшего офицера было красно и потно, нахмуренные глаза блестели. – Беги к резервам, приводи ящики! – крикнул он, сердито обходя взглядом Пьера и обращаясь к своему солдату.
– Я пойду, – сказал Пьер. Офицер, не отвечая ему, большими шагами пошел в другую сторону.
– Не стрелять… Выжидай! – кричал он.
Солдат, которому приказано было идти за зарядами, столкнулся с Пьером.
– Эх, барин, не место тебе тут, – сказал он и побежал вниз. Пьер побежал за солдатом, обходя то место, на котором сидел молоденький офицерик.
Одно, другое, третье ядро пролетало над ним, ударялось впереди, с боков, сзади. Пьер сбежал вниз. «Куда я?» – вдруг вспомнил он, уже подбегая к зеленым ящикам. Он остановился в нерешительности, идти ему назад или вперед. Вдруг страшный толчок откинул его назад, на землю. В то же мгновенье блеск большого огня осветил его, и в то же мгновенье раздался оглушающий, зазвеневший в ушах гром, треск и свист.
Пьер, очнувшись, сидел на заду, опираясь руками о землю; ящика, около которого он был, не было; только валялись зеленые обожженные доски и тряпки на выжженной траве, и лошадь, трепля обломками оглобель, проскакала от него, а другая, так же как и сам Пьер, лежала на земле и пронзительно, протяжно визжала.
