4.3.Гипотеза строения элементарных частиц из кварков.@

В настоящее время не существует законченной теории, объясняющей все характеристики частиц и все виды реакций, но разработана хорошая гипотеза для классификации частиц. Эта классификация основана на представлении о существовании суперэлементарных частиц – кварков, из которых как бы «состоят» частицы.Под термином «состоят» не следует понимать их простое объединение, т.к. например масса покоя частицы может быть намного меньше масс кварков, из которых она «состоит», этот термин только обозначает тот факт, что при реакциях происходит переобъединение кварков в другие частицы с сохранением суммарных характеристик системы частиц.

Гипотеза строения элементарных частиц из более фундаментальных частиц ‑ кварков была предложена Гелл-Манном и Цвейгом в 1964 году. Кварки несут дробный электрический заряд: они обладают зарядом, величина которого составляет либо 1 / 3 или2 / 3 от заряда электрона. Все кварки имеют спин 1/2, поэтому они относятся к фермионам. Чтобы учесть все известные в 60-е гг. адроны, Гелл-Манн и Цвейг ввели три сорта (аромата) кварков: u (от up- верхний), d (от down- нижний), s (от strange - странный) и три соответствующих антикварка. Кварки могут соединяться друг с другом одним из двух возможных способов: либо тройками, либо парами кварк - антикварк. Из трех кварков состоят сравнительно тяжелые частицы - барионы, более легкие пары кварк - антикварк образуют мезоны. Например, протон состоит из двух u- и одного d-кварков (uud), а нейтрон - из двух d-кварков и одного u-кварка (udd). Чтобы это "трио" кварков не распадалось, необходима удерживающая их сила, некий "клей". Оказалось, что сильное взаимодействие представляет собой просто остаточный эффект более мощного взаимодействия между самими кварками. Это объяснило, почему сильное взаимодействие кажется столь сложным. Когда протон "прилипает" к нейтрону или другому протону, во взаимодействии участвуют шесть кварков, каждый из которых взаимодействует со всеми остальными. Значительная часть сил тратится на прочное склеивание трио кварков, а небольшая - на скрепление двух трио кварков друг с другом. Но выяснилось, что кварки участвуют и в слабом взаимодействии. Слабое взаимодействие может изменять аромат кварка. Именно так происходит распад нейтрона. Один из d-кварков в нейтроне превращается в u-кварк, а избыток заряда уносит рождающийся одновременно электрон. Аналогичным образом, изменяя аромат, слабое взаимодействие приводит к распаду и других адронов.

То обстоятельство, что из различных комбинаций трех основных частиц можно получить все известные адроны, стало триумфом теории кварков. Но в 70-е гг. были открыты новые адроны (пси-частицы, ипсилон-мезон и др.). Этим был нанесен удар первому варианту теории кварков, поскольку в ней уже не было места ни для одной новой частицы. Все возможные комбинации из кварков и их антикварков были уже исчерпаны. Проблему удалось решить за счет введения трех новых ароматов (сортов) кварков. Они получили названия: c -кварк (от charm - очарование); b -кварк (от beauty - прелесть); впоследствии был введен еще один аромат - t ( от top - верхний). Кварки скрепляются между собой сильным взаимодействием. Переносчики сильного взаимодействия - глюоны (цветовые заряды).

Для описания всех известных (в настоящее время) характеристик частиц оказалось достаточным иметь всего 36 кварков.Область физики элементарных частиц, изучающая взаимодействие кварков с помощью глюонов, носит название квантовой хромодинамики. Гипотеза кварков позволила предсказать существование новых частиц, которые были позднее обнаружены экспериментально, но обнаружить экспериментально сами кварки пока еще не удалось. Хотя и существуют некоторые недостатки у кварковой теории, большинство физиков считает кварки подлинно элементарными частицами - точечными, неделимыми и не обладающими внутренней структурой. В этом отношении они напоминают лептоны, и предполагается, что между этими двумя различными семействами должна существовать взаимосвязь. Таким образом, наиболее вероятное число истинно элементарных частиц (не считая переносчиков фундаментальных взаимодействий и с учетом существования для каждой частицы античастицы) на конец ХХ века равно 48 (лептонов (6х2) = 12, кварков (6х3)х2 =36). По современным представлениям, законченная теория строения материи должна включать кроме самой теории элементарных частиц и теорию фундаментальных взаимодействий.