Тухлите на вселената. Съществуват ли кварки или от какво са съставени елементарните частици?

Кварки
Кварки

Кварки- безструктурни точкови частици със спин 1/2ћ, участващи в силно взаимодействие (както във всички останали) и представляващи елементарни компоненти на всички адрони.
Има шест типа кварки, означени с буквите u, d, s, c, b, t (от английски думинагоре, надолу, странно, очарован, отдолу, отгоре). Те говорят за шест „вкуса“ на кварките. Всеки кварк има барионно число B = + 1/3 и частичен електрически заряд. Кварките u, c, t имат заряд +2/3, а кварките d, s, b имат заряд –1/3 (в единици елементарен заряд e = 1.6.10 -19 C). Кварките имат маси. Най-лекият кварк е u (масата му е няколко MeV/c2), най-тежкият е t (масата му е 174 GeV/c2).

Характеристики на кварките
Характеристика	Тип кварк
Характеристика
Електрически заряд Q
Барион номер Б

Паритет П
Изоспин I
Изоспин проекция I 3
странност С



Маса в адрона, GeV
Маса на свободния кварк, GeV		0.095+ 0.025	1.25+ 0.1

Всички адрони се състоят от кварки: бариони и мезони - широк клас елементарни частици, участващи в силни взаимодействия и имащи вътрешна структура и размери около 10 -13 см. На сегашното ниво на познание самите кварки са безструктурни (като лептони), т.е. се държат като точкови частици. Размерът им е не повече от 10 -17 см. Кварките не се наблюдават в свободно състояние. Те са „заключени“ в адрони. Тяхното присъствие в адроните е надеждно установено от множество експерименти. Според съвременните концепции кварките не могат да бъдат изхвърлени от адрон.
Всеки от шестте кварка има специфично квантово число (вкус), уникален за него. Така че s-кваркът има квантово число на „странност“, равно на –1, c-кваркът има квантово число на „очарование“, равно на + 1 и т.н. Всеки кварк има античастица - антикварк. Антикварките имат противоположни знаци за електрически заряд, барионно квантово число и вкусове. По този начин античастицата на c-кварка, означена , има заряд от –2/3, барионно число B = –1/3 и квантово число „очарование“ от –1.
Всички адрони се състоят от кварки: бариони - от три кварка, мезони - от кварк и антикварк. Така протонът се състои от два u-кварка и един d-кварк (p = uud), неутронът - от два d-кварка и един u-кварк (n = udd).

Протонът и неутронът са бариони. Кварковата структура на пи-мезоните π + и π - е следната: π + = u, π - = d (лентата отгоре обозначава античастицата).

В допълнение към всички изброени характеристики, кварките имат друга специфична вътрешна характеристика, наречена цветен заряд или просто „цвят“. Силните взаимодействия между кварките се дължат на наличието на тези цветни заряди върху кварките. Цветът на кварка може да приеме едно от трите значения и те са договорени да бъдат означавани със същите термини като оптичните цветове, например червено, зелено и синьо, въпреки че значението на тези имена е различно. Така кварк от всеки вкус може да бъде червен, зелен или син. Кварк от един цвят може да се трансформира в кварк от друг цвят чрез излъчване на цветен глуон, частица, която носи силната сила. Силното взаимодействие между кварките е техният обмен на цвят чрез обмен на глуони. Кварките в адроните са в такива цветни състояния, че общият цветен заряд на адрона е нула. За адроните се казва, че са безцветни или бели.
Цветът на квантовите числа осигурява необходимата антисиметрия на вълновата функция на адроните, състоящи се от идентични кварки, което е в съответствие с принципа на Паули. Като се вземе предвид цветът на квантовите числа, който приема три стойности, структурите на барионите и мезоните се записват във формата

Частиците в атомното ядро са изградени от още по-фундаментални частици – кварки.

През последните два века учените, интересуващи се от структурата на Вселената, търсят основните градивни елементи, които изграждат материята - най-простите и неделими компоненти материален свят. Атомната теория обяснява цялото разнообразие химически вещества, постулирайки съществуването на ограничен набор от атоми на така наречените химични елементи, обяснявайки природата на всички други вещества чрез техните различни комбинации. Така от сложност и разнообразие на външно ниво учените успяха да преминат към простота и подреденост на елементарно ниво.

Но простата картина на атомната структура на материята скоро се натъкнала на сериозни проблеми. На първо място, с откриването на все повече и повече нови химически елементи започнаха да се откриват странни закономерности в тяхното поведение, които обаче бяха изяснени благодарение на въвеждането на периодичната система на Менделеев в научна употреба. Въпреки това, идеите за структурата на материята все още са станали много по-сложни.

В началото на 20 век става ясно, че атомите в никакъв случай не са елементарните „градивни елементи” на материята, а че самите те имат сложна структура и се състоят от още по-елементарни частици – неутрони и протони, които образуват атомните ядра, и електрони, които обграждат тези ядра. И отново сложността на едно ниво сякаш беше заменена от простота на следващото ниво на детайлност в структурата на материята. Тази привидна простота обаче не продължи дълго, тъй като учените започнаха да откриват все повече и повече елементарни частици. Най-трудно беше да се справят с многобройните адрони- тежки частици, свързани с неутрона и протона, които, както се оказва, се раждат в големи количества и веднага се разпадат по време на различни ядрени процеси.

Освен това бяха открити необясними модели в поведението на различни адрони - и от тях физиците започнаха да формират нещо подобно периодичната таблица. С помощта на математическия апарат на т.нар групова теория, физиците успяха да комбинират адроните в групи от осем - два вида частици в центъра и шест във върховете на правилен шестоъгълник. Освен това, частици от всяка осмична група, разположени на едно и също място в такова графично представяне, имат редица общи свойства, точно както подобни свойства се демонстрират от химични елементи от една колона на периодичната таблица и частици, разположени по хоризонтални линиивъв всеки шестоъгълник имат приблизително еднаква маса, но се различават по електрически заряди (виж фигурата). Тази класификация се нарича осемкратен път(в чест на едноименната доктрина в будистката теология). В началото на 60-те години теоретиците осъзнават, че този модел може да се обясни само с факта, че елементарните частици всъщност не са елементарни частици, а самите те са съставени от още по-фундаментални структурни единици.

Тези структурни единици се наричат кварки(дума, заимствана от сложния роман на Джеймс Джойс „Бъдене по Финеган“). Тези нови обитатели на микросвета се оказаха много странни същества. Като начало те имат частичен електрически заряд: 1/3 или 2/3 от заряда на електрон или протон (виж таблицата). И тогава, с развитието на теорията, стана ясно, че не можете да ги видите отделно, тъй като те по принцип не могат да съществуват в свободно състояние, несвързани помежду си вътре в елементарни частици, и самият факт на тяхното съществуване може да се съди само по свойства, проявявани от адроните, сред които са включени. За да разберем по-добре това явление, т.нар пленничествоили кварков затвор, представете си, че имате в ръцете си дълъг еластичен шнур, всеки край на който представлява кварк. Ако приложите достатъчно енергия към такава система - опънете и скъсайте кабела, тогава той ще се скъса някъде по средата и няма да получите свободен край, а ще получите два по-къси гумени шнура, като всеки от тях отново ще има два края. Същото е и с кварките: без значение какви енергии въздействаме върху елементарните частици, опитвайки се да „избием“ кварките от тях, няма да успеем - частиците ще се разпаднат в други частици, ще се слеят, пренаредят, но няма да получим свободни кварки.

Днес според теорията се предсказва съществуването на шест разновидности на кварките и в лаборатории вече са открити елементарни частици, съдържащи всичките шест вида. Най-често срещаните кварки са горен, или протон(означено u- от английски нагоре, или стр — протон) И нисък, или неутрон(означено д- от надолу, или н- от неутрон), тъй като те съставляват единствените наистина дългоживеещи адрони - протона ( uud) и неутрон ( udd). Следващият дублет включва страннокварки с (странно) И омагьосанкварки с (очарован). И накрая, последният дублет се състои от красивИ вярнокварки - b(от красота, или отдолу) И T(от истина, или Горна част). Всеки от шестте кварка, в допълнение към електрическия заряд, се характеризира изотопен(условно насочено) завъртане. И накрая, всеки кварк може да приеме три стойности на квантово число, което се нарича негово цвят (цвят) и има аромат (вкус). Разбира се, кварките не миришат и нямат цвят в традиционния смисъл; това име просто се е развило исторически, за да обозначи техните определени свойства ( см.Квантова хромодинамика).

Стандартният модел спира на нивото на кварките в детайлизиране на структурата на материята, която изгражда нашата Вселена; кварките са най-фундаменталните и елементарни в неговата структура. Въпреки това, някои теоретични физици смятат, че „лукът може да бъде обелен допълнително“, но това е чисто спекулативно. По мое лично мнение Стандартният модел правилно описва структурата на материята и поне в тази насока науката е стигнала до логичния завършек на процеса на познание.

Кварк е частица със спин 1/2 и дробен електрически заряд, който е съставен елемент на адроните. Това име е заимствано от М. Гел-Ман в един от романите на Дж. Джойс. На немски „кварк“ означава „извара“, но в романа тази дума означава нещо двусмислено и мистериозно; героят има сън, в който чайките викат: „Три кварка за майстор Марк.“ Терминът влезе в научна употреба може би защото съответстваше на двусмислената и мистериозна роля на кварките във физиката.

Всички известни адрони се състоят или от двойка кварк-антикварк (мезони), или от три кварка (бариони). Кварките (и антикварките) се задържат вътре в адроните от глуонното поле. В допълнение към въртенето, кварките имат още две вътрешни степени на свобода - "вкус" и "цвят".

Всеки кварк може да бъде в едно от трите „цветни“ състояния, които условно се наричат „червено“, „синьо“ и „жълто“. Тази терминология е въведена за удобство и няма връзка с оптичните свойства - и трите „цветни“ състояния поглъщат и излъчват светлинни кванти еднакво. Масите на всички цветни състояния също са строго еднакви.

Що се отнася до „вкусовете“, известни са пет и се подозира наличието на шести. Свойствата на кварките с различни „вкусове“ са различни и затова те се означават с различни букви в реда на увеличаване на масата: , s, . Последният кварк е толкова тежък, че все още не е наблюдаван. Зарядите на -кварките са равни на -, а зарядите на останалите кварки са равни на 2/3 в единици от заряда на протона.

Нека изчислим общия брой вътрешни степени на свобода. Всеки кварк u, d, s, c може да бъде боядисан във всеки от трите цвята, да има две спинови състояния и две зарядни състояния (частица и античастица). Това дава 6x3x2x2, т.е. 72 опции.

Обикновената материя се състои от най-леките и -кварки, които са част от нуклоните на ядрата (виж Атомно ядро). По-тежките кварки се създават изкуствено в експерименти в ускорители на заредени частици или се наблюдават в космически лъчи.

Думите „създаден” и „наблюдаван” изискват уточнение. Нито един кварк - нито лек, нито тежък - никога не е бил регистриран в свободна форма, въпреки многогодишните търсения. Кварките могат да се наблюдават само вътре в адроните.

Когато се опитвате да извадите кварк от адрон, се случва следното. Избягалият кварк се ражда по пътя си от вакуума към двойките кварк-антикварк, подредени в низходящ ред на скоростта. Един от бавните кварки заема мястото на първоначалния и образува, заедно с останалите генерирани кварки и антикварки, струя от адрони (виж фигурата).

В този случай или триплетите кварки се комбинират в бариони, или двойките кварк-антикварк се комбинират в мезони. Защо други комбинации, и по-специално единичен кварк, са невъзможни? Тази мистерия все още не е разгадана от науката (вижте Адрони, Силни взаимодействия).

Кварките участват във всички известни взаимодействия – гравитационни, слаби, електромагнитни и силни. Не е известно от какво са направени самите кварки; може би са елементарни. Техният собствен размер във всеки случай е по-малък от cm.

В Стандартния модел, основната теория, която обяснява структурата на Вселената, има три вида частици: кварки, лептони и калибровъчни бозони. Последните са така наречените частици носители на четири вида фундаментални физически взаимодействия (например фотонът е отговорен за електромагнитните сили), а останалите съставляват позната, осезаема материя. Лептоните (вид частица, която включва електрони или неутрино) имат сравнително малки маси и могат да съществуват в свободна форма, докато кварките са завинаги свързани помежду си чрез силни вериги на взаимодействие.

Сега се смята, че те могат да съществуват само по двойки - тогава кварките образуват частици, наречени мезони, или триплети - такива частици се наричат бариони (например протон и неутрон са просто адрони, всеки от тях е изграден от три кварка) . Но след като в колайдери бяха открити частици, съставени от четири и пет кварка, класическите представяния на Стандартния модел вече не изглеждат пълни.

— Как и кога са открити самите кварки?

— В средата на 60-те години на миналия век много елементарни частици вече бяха известни, но изобщо не разбираха как са устроени. Имаше протони, имаше неутрони, пи-мезони и К-мезони бяха открити в ускорителите и в космическите лъчи, а през 1964 г. американският физик Мари Гел-Ман предложи проста теория, в който всички тези елементарни частици могат да бъдат съставени само от три различни кварка. Постепенно техният брой беше увеличен до шест; наистина бяха открити „нехомогенности“ вътре в същите протони, които бяха идентифицирани с кварки, но никой все още не ги беше виждал в свободно състояние. Това се нарича задържане: според съвременните идеи избиването на един кварк от мезон или адрон е просто невъзможно.

— Защо кварките не могат да бъдат разделени?

— Кварките са свързани помежду си чрез силно взаимодействие и когато се опитаме да ги разделим, те започват да се привличат все повече и повече. Това е трудно да си представим, но това е свойство на природата. Когато разделяме два електрически заряда, те все по-слабо си взаимодействат, когато една ракета отива в космоса, тя все по-малко се привлича от Земята - това са свойствата на гравитационното и електромагнитното взаимодействие, но при силното е обратното . За да разделим кварките, трябва да вложим толкова много енергия в системата, че да е достатъчно за появата на нови кварки, които моментално отново ще се съберат по двойки и тройки с оригиналните кварки. Затова във физиката на елементарните частици е въведена специална величина, наречена цветен заряд. Самите кварки могат да бъдат червени, сини, зелени или античервени, антисини и антизелени, а в природата могат да се наблюдават само в безцветни комбинации: двойки, тройки или дори четворки, както в случая с нашата нова частица. Например протонът се състои от два горни кварка - един син и един червен - и един зелен надолу кварк. Резултатът е безцветна комбинация от три цвята.

— Оказва се, че кварките могат да се появят буквално от нищото? Просто да се родиш от съсиреци енергия?

- да Всяка елементарна частица е в известен смисъл просто маса или, което е същото, енергия. Освен това много от тях живеят много кратък живот според стандартите на макроскопичния свят, изчезвайки за части от секундата. След това те се разпадат и от същата тази енергия се образуват други частици. Например пи-мезонът се разпада на мюон и неутрино, неутронът в свободно състояние - на протон, електрон и неутрино, а бозонът на Хигс може дори да се разпадне различни начини: може да се разпадне на двойка кварки за красота, двойка фотони, двойка Z-бозони и т.н. Така фундаменталните частици непрекъснато се разпадат на малък брой стабилни, дългоживеещи частици като електрон, фотон, неутрино и протон.

Ускорителят Теватрон, където е открита нова частица. Снимка: Reidar Hahn/Fermilab

— Как беше открит новият тетракварк?

„Това се случи в колайдера Tevatron, който се намира в САЩ близо до Чикаго. Вярно, че самият ускорител приключи работа още през 2011 г., но експерименталните данни от него все още не са напълно обработени и именно в тях бяха забелязани следи от раждането на тетракварк. При експерименти в Теватрон протоните и антипротоните се ускоряват до колосални скорости, сблъскват се един с друг и наблюдават какво ще се случи. След сблъсък винаги се раждат стотици частици, които се разпръскват във всички посоки и след това започват да се разпадат. В резултат на това потоци от частици с различна енергия достигат до детектори, разположени в различни точки на ускорителя, и именно в тези данни учените търсят историята на събитията. Например, можете да наложите различни кинетични ограничения: „внимавайте“ за частици, летящи само в определена посока или с определена маса. Тук е много важно да разберете какво търсите, защото е невъзможно просто да преминете през всички опции. Затова ние, експериментаторите, се придържаме към някои следи от теоретици или други експериментатори и търсим въз основа на тях. В случая с тетракварка видяхме в крайния масов спектър на частиците характерен пик, съответстващ на разпадането на една първоначална частица на пет заредени частици с обща енергия приблизително 5,5 GeV. Това е нашият тетракварк, който на няколко етапа се разпада на пет заредени частици: два мюона, два К-мезона и един пи-мезон.

— Колко сигурен си, че това наистина е тетракварк, а не шум?

„Първоначално ние също се съмнявахме в резултатите и си мислехме, че това не е сигнал, а фон, но след шест месеца проучване сме толкова уверени в резултата, че решихме да го публикуваме. Например знаем, че на първия етап нашата частица се е превърнала в пи-мезон и В-мезон. В този случай разпадът е настъпил толкова бързо, че само силното взаимодействие може да бъде отговорно за него и то не променя видовете кварки. Следователно ние сме уверени, че първоначалната частица се е състояла от точно същите четири кварка като двата мезона, образувани от нея. Анализирахме около 10 милиарда събития и открихме 130 случая, при които се образува тетракварк. Шансът фоновите събития да имитират пика, който видяхме, е само един шанс на шест милиона. Такава малка вероятност се счита в научната общност за достатъчна, за да се направи „заявление“ за откриване на нова частица.

— Или може би се оказва, че това не е тетракварк, а например вид атом, съставен от два близко разположени мезона?

— Теоретиците ни помагат малко тук. Те могат да изчислят енергията на свързване в такъв атом и се оказва, че тя е относително малка - на ниво 5-10 MeV. Тоест такъв хипотетичен обект може лесно да бъде разделен на два мезона, а в нашия случай енергията на свързване е около 100 MeV - това е трудно, силно свързан обект. Такива стабилни молекули най-вероятно не съществуват. Така че най-вероятно това са точно четири кварка, здраво свързани в една частица.

— Тетракварки и пентакварки вече са открити на други ускорители. Подобна ли е новата частица на тях?

— Да, в Големия адронен колайдер (LHC), в ускорителя KEKB в Япония - тетракварк Z(4430), подобни частици са открити и в други експерименти. Между другото, първоначално ние също търсихме същия пентакварк, който намерихме в LHC, но нямахме достатъчно статистика и започнахме да търсим частици с малко по-различна енергия - прилагахме експериментална интуиция. Z(4430) е малко по-лек от нашия и се състои от други кварки: очарован кварк, очарован антикварк, възходящ и надолу кварк. Това са всички кварки от първо и второ поколение, тоест относително леки и обикновени. И в нашата частица, вместо очарования кварк и антикварк, има странен кварк от второ поколение и тежък очарователен кварк от трето.

— Изненада ли беше този състав?

Знаете ли, в момента изобщо няма добър модел, който да обясни как се формират или разпадат частици от повече от три кварка. Затова всяко ново откритие идва изненадващо и носи много полезна информация.

Експериментаторите търсят възможно най-много нови частици с нова структура, а теоретиците мислят за модел, който може да обясни такава многокваркова конфигурация. Сега показахме, че една частица може да бъде образувана от кварки от три поколения и четири различни видове- това никога не се е случвало досега.

— Преди това смятаха, че са възможни само двукваркови и трикваркови частици. Сега са открити тетракварки и пентакварки. Какво следва: трябва ли да очакваме частици от шест или, да речем, 10 кварка?

— Теоретично няма ограничения за частици, съдържащи повече от три кварка. Но интуицията подсказва, че ако има частица от, да речем, шест кварка, тогава нейната маса е толкова голяма и животът й е толкова кратък, че е почти невъзможно да се регистрира. Това е като със химически елементив периодичната таблица. Можете да натрупвате все повече и повече протони и неутрони, но в един момент тяхната обща маса ще стане толкова голяма, че ядрото ще стане нестабилно. Такива елементи се разпадат много бързо. Разбира се, през цялото време има нови ядра, но става все по-трудно. Подозирам, че нещо подобно може да се случи с кварките, но критичният им брой е много по-малък.

— Защо сега се откриват толкова много нови частици?

— Броят на експериментите на ускорителите и техните възможности значително се увеличиха. Следователно през последните 10-12 години вече са открити няколко десетки нови частици и не изключвам в бъдеще да има още повече. LHC работи, KEKB в Япония скоро ще бъде отворен отново - сега интензивността на потоците от позитрони и електрони, които се сблъскват там, ще бъде 40 пъти по-висока. Между другото, през 60-те години на миналия век, според моите оценки, бяха открити няколко десетки частици, които преди появата на кварковия модел те безуспешно се опитваха да класифицират. Така че количествените измервания на експерименталните физици в един момент трябва да се развият в качествено разбиране, нова теория. Когато за първи път изпратихме статията си до списанието и публикувахме нейния предпечат, през следващите няколко дни шест теоретични трудовеспоред нашите резултати. Но все още не е ясно кога ще бъде създаден единен модел за нови мултикваркови частици. Това може да отнеме няколко години или няколко десетилетия.

— Ще се впише ли новата теория в Стандартния модел?

— Най-вероятно това ще бъде разширение на Стандартния модел, някаква нова класификация на частиците в неговата рамка. Все пак казваме, че тетракварките и пентакварките се състоят от едни и същи кварки и се държат заедно от едно и също силно взаимодействие - просто трябва да разберете как се случва това. Вярно е, че може би малко преувеличавам: ние с вас в крайна сметка също се състоим от протони, неутрони и електрони, но е малко вероятно някога да успеем да разберем напълно как човек е изграден от елементарни частици. Така е и с новата класификация: може би тук е необходимо фундаментално ново разбиране на силите, действащи между кварките.

„Може ли да се окаже, че самите кварки се състоят от други, още по-малки частици?“

— Това се тества на всеки нов ускорител: първо физиците се опитват да „счупят“ кварк и да го погледнат вътре. Но досега нищо подобно не е видяно. Кваркът остава абсолютно точкова частица във всички експерименти. Но лично аз съм сигурен, че вероятно има нещо по-дълбоко и фундаментално.

— Какви експериментални открития в областта на физиката на елементарните частици очаквате с най-голямо нетърпение?

„Наистина бих искал да видя частицата, която е отговорна за тъмната материя.“ Това е много интересна загадка, в който астрофизиката и физиката на елементарните частици влизат в контакт. Наблюденията косвено показват, че можем да намерим такава частица в ускорители или в космически лъчи. Между другото, сега съм в CERN и оценявам проекти за бъдещи експерименти в LHC и виждам, че всички най-нови резултати във физиката на елементарните частици са в отлично съответствие със Стандартния модел. Така че принципно нова физика трябва да се търси именно в тъмната материя - все още е трудно да си представим, че тя може да бъде описана в рамките на Стандартния модел.

r, g, b Барионно число 1/3 Завъртете ½ ħ

Понастоящем са известни 6 различни „разновидности“ (по-често наричани „вкусове“) на кварките, чиито свойства са дадени в таблицата. В допълнение, за измервателното описание на силното взаимодействие се предполага, че кварките имат и допълнителна вътрешна характеристика, наречена „цвят“. Всеки кварк съответства на антикварк – античастица с противоположни квантови числа.

: Неправилно или липсващо изображение

Свойства на кварките

Символ	Име		Зареждане	Тегло
Символ	рус.	Английски	Зареждане	Тегло
Първо поколение
д	нисък	надолу	− 1 / 3	4,8±0,5±0,3 MeV/²
u	горен	нагоре	+ 2 / 3	2,3±0,7±0,5 MeV/s²
Второ поколение
с	странно	странно	− 1 / 3	95±5 MeV/s²
° С	очарован	чар (очарован)	+ 2 / 3	1275±25 MeV/s²
Трето поколение
b	очарователен	красота (отдолу)	− 1 / 3	4180±30 MeV/s²
T	вярно	истина (Горна част)	+ 2 / 3	173 340±270±710 MeV/s²

По все още неизвестни причини кварките естествено се групират в три така наречени поколения (те са представени в таблицата). Във всяко поколение един кварк има заряд $+\frac(2)(3)$ , и другият $-\frac(1)(3)$ . Разделението на поколения важи и за лептоните.

При високи енергии при адронни сблъсъци могат да се наблюдават процеси на слаба анихилация на кварки и антикварки във виртуален или реален W или Z бозон на слабото взаимодействие.

Дробният заряд на кварките се проявява в процеса на раждане на адронни струи при анихилация e+e- при високи енергии.

Кварките се генерират от глуони само от двойка кварк-антикварк.

Реалността на кварките

Поради необичайното свойство на силното взаимодействие - конфайнмент - често се задава въпросът от неспециалисти: как да сме сигурни, че кварките съществуват, ако никой никога няма да ги види в свободна форма? Може би те са просто математическа абстракция и протонът изобщо не се състои от тях?

Причините кварките да се считат за реални обекти са следните:

Първо, през 60-те години стана ясно, че всички многобройни адрони се подчиняват на повече или по-малко проста класификация: те се комбинират в мултиплетиИ супермултиплети. С други думи, когато се описват всички тези мултиплети, се изисква много малък брой свободни параметри. Това е, всички адрони имат малък бройстепени на свобода: всички бариони с еднакъв спин имат три степени на свобода, а всички мезони имат две. Първоначално хипотезата за кварк беше точно това наблюдение и думата "кварк" по същество беше кратка формафразата „субадронна степен на свобода“.
Освен това, когато се вземе предвид спинът, се оказа, че на всяка такава степен на свобода може да се припише спин ½ и в допълнение на всяка двойка кварки може да се припише орбитален момент - сякаш са частици, които могат да се въртят една спрямо друга . От това предположение възниква хармонично обяснение за цялото разнообразие от адронни спинове, както и техните магнитни моменти.
Освен това с откриването на нови частици стана ясно, че не са необходими модификации на теорията: всеки нов адрон успешно се вписваше в структурата на кварка без никакви пренареждания (с изключение на добавянето на нови кварки).
Как да проверим дали зарядът на кварките наистина е дробен? Кварковият модел прогнозира, че анихилацията на високоенергиен електрон и позитрон няма да произведе самите адрони, а първо двойки кварк-антикварк, които след това ще се превърнат в адрони. Резултатът от изчисляването на потока на такъв процес пряко зависи от заряда на произведените кварки. Експериментът напълно потвърди тези прогнози.
С настъпването на ерата на високоенергийните ускорители стана възможно изследването разпределение на импулсавътре, например, протон. Оказа се, че импулсът в протона не е разпределен равномерно върху него, а е концентриран на части в отделни степени на свобода. Тези степени на свобода се наричат партони(от английски част- част). Освен това се оказа, че партоните, в първо приближение, имат спин ½ и същите заряди като кварките. С увеличаване на енергията се оказа, че броят на партоните се увеличава, но този резултат се очакваше в кварковия модел при свръхвисоки енергии.
С увеличаването на енергиите на ускорителя също стана възможно да се опитаме да избием единичен кварк от адрон при високоенергиен сблъсък. Теорията на кварките даде ясни прогнози за това как трябва да изглеждат резултатите от подобни сблъсъци - под формата на струи. Такива струи действително са наблюдавани в експеримента. забележи това ако протонът не се състои от нищо, тогава със сигурност нямаше да има струи.
При адронни сблъсъци с висока енергия, вероятността адроните да се разпръснат под определен ъгъл без разрушаване намалява с увеличаване на ъгъла. Експериментите са потвърдили, че например за протон скоростта е точно същата, както се очаква за обект, състоящ се от три кварка.
При високоенергийни сблъсъци на протони експериментално се наблюдава анихилация на кварк на един протон с антикварк на друг протон с образуването на двойка мюон-антимуон (процес на Дрел-Ян).
Кварковият модел, от гледна точка на взаимодействието на кварките един с друг с помощта на глуони, добре обяснява разделянето на масата между членовете на декуплета $\Делта^(-) - \Сигма^(-) - \Xi^(-) - \Омега^(-)$ .
Кварковият модел обяснява добре разделянето на масите между $\Xi^(-) - \Xi^(0)$ .
Кварковият модел предсказва стойността на съотношението на магнитните моменти на протона и неутрона $\frac(\mu_(P))(\mu_(N))=-\frac(3)(2),$ което е в добро съответствие с експерименталната стойност от −1,47. За съотношението на магнитните моменти на хиперон и протон, кварковата теория предсказва стойността $\frac(\mu_(\Lambda))(\mu_(P))=-\frac(1)(3)$ , което също е в добро съответствие с експерименталната стойност от -0.29 ± 0.05.

Като цяло можем да кажем, че кварковата хипотеза и всичко, което следва от нея (в частност КХД) е най-консервативната хипотезаотносно структурата на адроните, което може да обясни наличните експериментални данни. Опитите да се направи без кварки срещат трудности при описването на всички онези многобройни експерименти, които бяха много естествено описани в кварковия модел.

Отворени въпроси

Все още има въпроси без отговор относно кварките:

Но историята с адроните и кварките, както и симетрията между кварките и лептоните, води до подозрението, че самите кварки може да се състоят от нещо по-просто. Работното наименование на хипотетичните съставни частици на кварките е преони. От гледна точка на тези експерименти досега не е имало съмнения за неточкова структура на кварките. Опитите за изграждане на такива теории обаче се правят независимо от експериментите. Сериозни успехи в тази посока все още няма.

Друг подход е да се изгради теория на Голямото обединение. Ползата от такава теория би била не само в обединяването на силните и електрослабите взаимодействия, но и в единното описание на лептоните и кварките. Въпреки активните усилия все още не е възможно да се изгради такава теория.

Алтернативни модели

Име

Думата "кварк" е заимствана от Гел-Ман от романа "Бъдене по Финеган" от Дж. Джойс, където в един от епизодите чайките викат: "Три кварка за Muster Mark!" (обикновено се превежда като "Три кварка за Master/Muster Mark!"). Самата дума "кварк" в тази фраза се предполага, че е ономатопея за крясъка на морските птици. Има и друга версия (предложена от Р. Джейкъбсън), според която Джойс е научил тази дума от немски по време на престоя си във Виена. На немски думата Quark има две значения: 1) извара, 2) глупости. На немски дадена думаидва от западнославянските езици (чешки tvaroh, полски. twaróg- "извара") . Според историята на ирландския физик Лафлин О'Рафърти, Джойс, докато бил в Германия на селскостопанско изложение, чул рекламен слоган „Drei Mark für Musterquark“(„три марки за образцова извара“), която той по-късно перифразира за романа.

Й. Цвайг ги нарече аса, но това име не се утвърди и беше забравено - може би защото има четири аса, а в оригиналния модел имаше три кварка.

Вижте също

Кварконий – мезон, състоящ се от кварк и антикварк от същия тип
Преоните са хипотетични частици, които могат да изграждат кварки и лептони
Кваркова звезда – хипотетична неутронна звезда с екстремни плътности и изродено състояние на материята

Напишете отзив за статията "Кварк"

Бележки

.
.
, С. 40.
, С. 246.
А. В. Белицки, А. В. Радюшкин.Разкриване на адронна структура с обобщени партонни разпределения // Phys. Rep. - 2005. - № 418. - С. 1-387. - arXiv:hep-ph/0504030. arXiv :hep-ph/0504030
, С. 23.
, С. 306.
, С. 369.
, С. 379.
, С. 116.
Игор Иванов. . Трудни въпросивъв физиката на елементарните частици(2 август 2013 г.). Посетен на 9 август 2013. .
С. Саката. Прогр. теор. Phys. 16 (1956), 686
Й. Катаяма, К. Матумото, С. Танака, Е. Ямада. Възможни унифицирани модели на елементарни частици с две неутрино. Прогр. теор. Phys. 28 (1962), 675
C. Z. Yuan, X. H. Mo, P. Wang.
В. В. Иванов.Ранни коптски заемки в славянски // Славянски езикови и етнолингвистични системи в контакт с неславянска среда. - М.: Езици славянска култура, 2002. - стр. 57-58.
H. Leutwyler // H. Fritzsch и M. Gell-Mann, eds.Петдесет години кварки. - Сингапур: World Scientific, 2014. - arXiv:1410.4000.

Литература

Жан Летесие, Йохан Рафелски, Т. Ериксън, П. Й. Ландсхоф.Адрони и кварк-глуонна плазма. - Cambridge University Press, 2002. - 415 с. - ISBN 9780511037276.
Боголюбов Н.Н., Логунов А.А., Оксак А.И., Тодоров И.Т. Основни принципиквантова теория на полето. - Москва: Наука, 1987. - С. 3, 226-228, 362, 363, 366, 412, 414-416, 420, 421, 423, 425, 428, 561, 562, 571, 572, 574, 614. - 616 с.
Затворете F.Въведение в кварките и партоните. - М.: Мир, 1982. - 438 с.
Никитин Ю. П., Розентал И. Л.Ядрена физика на високи енергии. - М.: Атомиздат, 1980. - 232 с.
Коккеде Я.Теория на кварките. - М.: Мир, 1971. - 341 с.

Връзки

на уебсайта на Particle Data Group

Фундаментален
частици

Кварки

Композитен
частици

Връзки
основни и/или
композитни частици

Редовен

необичайно

други
класификации
частици

Откъс, характеризиращ Кварк

На следващия ден, след като се сбогува само с един граф, без да изчака дамите да си тръгнат, принц Андрей се прибра у дома.
Вече беше началото на юни, когато княз Андрей, завръщайки се у дома, отново влезе там брезова горичка, в която този стар, възлест дъб го порази така странно и запомнящо се. Камбаните биеха още по-приглушено в гората, отколкото преди месец и половина; всичко беше пълно, сенчесто и гъсто; и млади смърчови дървета, разпръснати из гората, не нарушават цялостната красота и, имитирайки общ характер, нежно зелени с пухкави млади издънки.
Цял ден беше горещо, някъде се събираше гръмотевична буря, но само малко облаче пръскаше праха на пътя и сочните листа. Лявата страна на гората беше тъмна, в сянка; дясната, мокра и лъскава, блестеше на слънцето, леко се полюшваше от вятъра. Всичко беше в разцвет; славеите бърбореха и се търкаляха ту близо, ту далече.
„Да, тук, в тази гора, имаше този дъб, с който се съгласихме“, помисли си княз Андрей. „Къде е той“, помисли си отново княз Андрей, като погледна отляво на пътя и без да знае, без да го познае, се възхищаваше на дъба, който търсеше. Старият дъб, напълно преобразен, разстлан като шатра от буйна, тъмна зеленина, леко се поклащаше, леко се полюшваше под лъчите на вечерното слънце. Без възлести пръсти, без рани, без старо недоверие и скръб - нищо не се виждаше. Сочни, млади листа пробиха жилавата, стогодишна кора без чепове, така че не беше възможно да се повярва, че този старец ги е родил. „Да, това е същият дъб“, помисли си княз Андрей и изведнъж го обзе неразумно, пролетно чувство на радост и обновление. всичко най-добрите моментиживотът му внезапно се върна към него в същото време. И Аустерлиц с високото небе, и мъртвото, укорително лице на жена му, и Пиер на ферибота, и момичето, развълнувано от красотата на нощта, и тази нощ, и луната - и всичко това внезапно изплува в съзнанието му .
„Не, животът не е свършил на 31 години, внезапно окончателно, окончателно реши принц Андрей. Не само, че знам всичко, което е в мен, необходимо е всички да го знаят: и Пиер, и това момиче, което искаше да полети в небето, необходимо е всички да ме познават, за да не продължава животът ми само за мен, за да не живеят толкова независимо от моя живот, за да се отрази на всички и всички те да живеят с мен!“

Връщайки се от пътуването си, княз Андрей реши да отиде в Санкт Петербург през есента и дойде с идеята различни причинитова решение. Цяла линияразумни, логични аргументи защо трябваше да отиде в Санкт Петербург и дори да служи, той беше готов за услугите му всяка минута. Дори сега не разбираше как изобщо можеше да се съмнява в необходимостта от активно участие в живота, както преди месец не разбираше как е могла да му хрумне мисълта да напусне селото. Изглеждаше му ясно, че всичките му преживявания в живота биха били напразни и безсмислени, ако не ги беше приложил в действие и отново не беше взел активно участие в живота. Той дори не разбираше как въз основа на същите жалки разумни аргументи преди това беше очевидно, че би се унижил, ако сега, след житейските си уроци, отново повярва във възможността да бъде полезен и във възможността щастие и любов. Сега умът ми подсказа нещо съвсем различно. След това пътуване княз Андрей започна да се отегчава в селото, предишните му дейности не го интересуваха и често, седейки сам в кабинета си, той ставаше, отиваше до огледалото и дълго време гледаше лицето си. След това се обърна и погледна портрета на починалата Лиза, която с вдигнати къдрици a la grecque [на гръцки] нежно и весело го гледаше от златната рамка. Тя вече не каза на съпруга си предишното страшни думи, тя просто и весело го погледна с любопитство. И принц Андрей, сключил ръце назад, дълго време се разхождаше из стаята, ту намръщен, ту усмихнат, премисляйки онези неразумни, неизразими мисли, тайни като престъпление, свързани с Пиер, със славата, с момичето на прозореца, с дъба, с женска красотаи любов, която промени целия му живот. И в тези моменти, когато някой идваше при него, той беше особено сух, строго решителен и особено неприятно логичен.
„Mon cher, [Скъпа моя,], казваше княгиня Мария, когато влизаше в такъв момент, „Николушка не може да отиде на разходка днес: много е студено.
"Ако беше топло", особено сухо отговори княз Андрей на сестра си в такива моменти, "тогава щеше да отиде само с риза, но тъй като е студено, трябва да му облечем топли дрехи, които са измислени за тази цел." Това произтича от факта, че е студено, а не като да си стоиш вкъщи, когато детето има нужда от въздух”, каза той с особена логика, сякаш наказваше някого за всичко това тайно, нелогично случващо се в него, вътрешна работа. Принцеса Мария си помисли в тези случаи как тази умствена работа изсушава мъжете.

Княз Андрей пристига в Санкт Петербург през август 1809 г. Това беше времето на апогея на славата на младия Сперански и енергията на революциите, които той извърши. През същия август суверенът, докато се возеше в карета, падна, нарани крака си и остана в Петерхоф три седмици, виждайки се ежедневно и изключително със Сперански. По това време се подготвяха не само два толкова известни и тревожни декрета за премахване на съдебните чинове и за изпитите за чинове колегиални заседатели и държавни съветници, но и цяла държавна конституция, която трябваше да промени съществуващите съдебни, административен и финансов ред на управлението на Русия от държавния съвет до областния съвет. Сега се осъществяваха и въплъщаваха онези смътни, либерални мечти, с които император Александър се възкачи на престола и които той се стремеше да осъществи с помощта на своите помощници Чарторижски, Новосилцев, Кочубей и Строгонов, които самият той шеговито наричаше comite du salut publique. [комитет за обществена безопасност.]
Сега всички са заменени от Сперански от гражданска страна и Аракчеев от военна страна. Принц Андрей, скоро след пристигането си, като камергер, дойде в двора и си тръгна. Царят, като го срещна два пъти, не го почете с нито дума. На княз Андрей винаги му се струваше, че е антипатичен на суверена, че суверенът е неприятен за лицето и цялото му същество. В сухия, далечен поглед, с който суверенът го погледна, принц Андрей намери потвърждение на това предположение дори повече от преди. Придворните обясниха на принц Андрей липсата на внимание на суверена към него с факта, че Негово Величество е недоволен от факта, че Болконски не е служил от 1805 г.
„Аз сам знам колко нямаме контрол върху нашите симпатии и антипатии“, помисли си княз Андрей и затова няма нужда да мисля лично да представя моята бележка за военните разпоредби на суверена, но въпросът ще говори сам за себе си. ” Той предаде бележката си на стария фелдмаршал, приятел на баща му. Фелдмаршалът, като определи час за него, го прие любезно и обеща да докладва на суверена. Няколко дни по-късно съобщават на княз Андрей, че трябва да се яви при военния министър граф Аракчеев.
В девет часа сутринта, в уречения ден, княз Андрей се появи в приемната на граф Аракчеев.
Княз Андрей не познаваше Аракчеев лично и никога не го беше виждал, но всичко, което знаеше за него, го вдъхваше с малко уважение към този човек.
„Той е министър на войната, доверениксуверенен император; никой не трябва да се интересува от личните си имоти; той беше инструктиран да разгледа моята бележка, следователно само той може да я даде“, помисли княз Андрей, чакайки сред много важни и маловажни лица в приемната на граф Аракчеев.
Княз Андрей по време на своя през по-голямата частАдютантската служба видя много приеми на важни личности и различните характери на тези рецепционисти му бяха много ясни. Граф Аракчеев имаше много особен характер в приемната си. Чувство на срам и смирение беше изписано върху маловажните лица, чакащи на опашка за аудиенция в приемната на граф Аракчеев; на по-официалните лица се изразяваше едно общо чувство на неловкост, скрито под прикритието на перчене и присмех към себе си, позицията и очакваното лице. Някои се разхождаха замислено напред-назад, други се смееха шепнешком, а княз Андрей чу прозвището [подигравателното прозвище] на войските на Андрей и думите: „чичо ще пита“, имайки предвид граф Аракчеев. Един генерал (важен човек), явно обиден, че трябва да чака толкова дълго, седеше с кръстосани крака и се усмихваше презрително на себе си.
Но щом вратата се отвори, всички лица моментално изразиха само едно нещо - страх. Княз Андрей помоли дежурния друг път да докладва за себе си, но те го погледнаха с насмешка и казаха, че неговият ред ще дойде навреме. След като няколко души бяха въведени и изведени от адютанта от кабинета на министъра, през ужасната врата беше пуснат офицер, който порази княз Андрей с унижения и уплашен вид. Аудиенцията на офицера продължи дълго. Изведнъж иззад вратата се чуха неприятни гласове и оттам излезе блед офицер с треперещи устни, хвана се за главата и мина през приемната.
След това принц Андрей беше отведен до вратата и служителят каза шепнешком: „надясно, до прозореца“.
Княз Андрей влезе в скромен спретнат кабинет и на бюрото видя четирийсетгодишен мъж с дълга талия, дълга, късо подстригана глава и плътни бръчки, с намръщени вежди над кафяви, мътни зелени очи и провиснал червен нос . Аракчеев обърна глава към него, без да го гледа.
-Какво питаш? – попита Аракчеев.
— Аз не… моля, ваше превъзходителство — каза тихо княз Андрей. Очите на Аракчеев се обърнаха към него.
— Седнете — каза Аракчеев, — княз Болконски?
„Не искам нищо, но императорът благоволи да препрати бележката, която подадох, на ваше превъзходителство...“
— Виж, драги, прочетох бележката ти — прекъсна го Аракчеев, като каза само първите думи нежно, отново без да го гледа в лицето и изпадаше все повече в нацупено-презрителен тон. – Нови военни закони ли предлагате? Закони има много, а старите няма кой да ги спазва. В днешно време всички закони са писани, по-лесно е да се пише, отколкото да се изпълнява.
— Дойдох по волята на императора, за да разбера от ваше превъзходителство какъв курс възнамерявате да дадете на изпратената бележка? - любезно каза княз Андрей.
„Добавих резолюция към бележката ви и я препратих на комисията.“ — Не одобрявам — каза Аракчеев, стана и взе лист от бюрото. - Тук! – подаде го той на княз Андрей.
На хартията от другата страна с молив, без главни букви, без правопис, без пунктуация беше написано: „неоснователно съставено като имитация, копирано от френския военен правилник и от военния член без необходимост от отстъпление“.
– До коя комисия е изпратена бележката? - попита княз Андрей.
- До комисията по военните правила и внесох предложение да запиша ваша чест като член. Просто без заплата.
Принц Андрей се усмихна.
- Не искам.
„Без заплата като член“, повтори Аракчеев. - Имам честта. Хей, обади ми се! Кой друг? - извика той, покланяйки се на княз Андрей.

В очакване на съобщението за записването му като член на комисията княз Андрей поднови стари познанства, особено с онези лица, които, както той знаеше, бяха в сила и можеха да му бъдат необходими. Сега той изпита в Петербург чувство, подобно на онова, което беше изпитал в навечерието на битката, когато беше измъчван от неспокойно любопитство и неудържимо привлечен от по-високи сфери, там, където се подготвяше бъдещето, върху което се крепеше съдбата на зависят милиони. Чувстваше се от озлоблението на старите хора, от любопитството на непосветените, от сдържаността на посветените, от бързането и загрижеността на всички, от безбройните комитети, комисии, за чието съществуване всеки ден научаваше отново , че сега, през 1809 г., тук, в Санкт Петербург, се подготвяше някаква огромна гражданска битка, чийто главнокомандващ беше непознат за него човек, мистериозен и който му се струваше гениален - Сперански. И най-неясно известният въпрос за трансформацията и Сперански, главната фигура, започнаха да го интересуват толкова страстно, че въпросът за военните правила много скоро започна да минава на второстепенно място в съзнанието му.
Княз Андрей беше в едно от най-благоприятните положения да бъде добре приет във всички най-разнообразни и висши кръгове на тогавашното петербургско общество. Партията на реформаторите сърдечно го прие и примами, първо защото имаше репутация на интелигентен и начетен човек, и второ, защото с освобождаването на селяните той вече си беше направил репутация на либерал. Партията на недоволните старци, също като сина на баща им, се обърна към него за съчувствие, осъждайки реформите. Женското общество, светът го посрещнаха сърдечно, защото беше младоженец, богат и знатен, и почти ново лице с аурата на романтична история за въображаемата му смърт и трагичната смърт на жена му. Освен това общият глас за него от всички, които го познаваха преди, беше, че той се е променил много към по-добро през тези пет години, омекнал и узрял, че в него няма предишна преструвка, гордост и подигравка, а е имало онова спокойствие, придобито през годините. Заговориха за него, интересуваха се и всички искаха да го видят.
На следващия ден след посещението си при граф Аракчеев княз Андрей посети вечерта граф Кочубей. Той разказа на графа срещата си със Сила Андреич (така Кочубей нарече Аракчеев със същата неясна подигравка, която княз Андрей забеляза в приемната на военния министър).
- Mon cher, [скъпи мой,] дори в този въпрос няма да заобиколите Михаил Михайлович. C "est le grand faiseur. [Всичко се прави от него.] Ще му кажа. Той обеща да дойде вечерта...
– Какво го интересува Сперански за военните правила? - попита княз Андрей.
Кочубей се усмихна и поклати глава, сякаш изненадан от наивността на Болконски.
„Онзи ден с него говорихме за теб – продължи Кочубей, – за вашите безплатни култиватори…
- Да, ти, принце, пусна хората си? - каза старецът от Екатерина, обръщайки се презрително към Болконски.
„Малкото имение не донесе никакви доходи“, отговори Болконски, за да не дразни стареца напразно, опитвайки се да смекчи поведението си пред него.
„Vous craignez d"etre en retard, [Страхувам се да не закъснея], каза старецът, като погледна Кочубей.
„Има едно нещо, което не разбирам“, продължи старецът, „кой ще оре земята, ако му дадеш свободата?“ Лесно е да се пишат закони, но е трудно да се управлява. Както и сега, питам ви, графе, кой ще бъде началник на отделенията, когато всички трябва да се явят на изпити?
— Мисля, че тези, които ще издържат изпитите — отговори Кочубей, като кръстоса крака и се огледа.
„Ето Пряничников, който работи при мен, хубав човек, златен човек, и той е на 60 години, наистина ли ще отиде на изпити?...
„Да, това е трудно, тъй като образованието е много слабо разпространено, но...“ Граф Кочубей не довърши, той се изправи и като хвана княз Андрей за ръката, тръгна към влизащия висок, плешив, рус мъж на около четиридесет години. , с голямо отворено чело и необикновена, странна белота на продълговатото му лице. Човекът, който влезе, беше със син фрак, кръст на врата и звезда от лявата страна на гърдите. Беше Сперански. Княз Андрей веднага го позна и нещо трепна в душата му, както се случва във важни моменти от живота. Дали беше уважение, завист, очакване - той не знаеше. Цялата фигура на Сперански имаше особен тип, по който той вече можеше да бъде разпознат. В никого от обществото, в което княз Андрей живееше, той не видя това спокойствие и самоувереност на неловки и глупави движения, в никого не видя толкова твърд и в същото време мек поглед на полузатворени и някак влажни очи , не видя ли такава твърдост на незначителна усмивка, такъв тънък, равен, тих глас и, най-важното, такава деликатна белота на лицето и особено на ръцете, някак широки, но необичайно пълни, нежни и бели. Принц Андрей беше виждал такава белота и нежност на лицето само на войници, прекарали дълго време в болницата. Това беше Сперански, държавен секретар, докладчик на суверена и негов спътник в Ерфурт, където той виждаше и разговаряше с Наполеон повече от веднъж.

Кварки Кварки