Кварк

Примечания

↑ .
↑ .
, с. 33.
В. В. Иванов. Ранние коптские заимствования в славянском // Славянская языковая и этноязыковая системы в контакте с неславянским окружением. — М.: Языки славянской культуры, 2002. — С. 57—58.
, с. 40.
Герасимов С. Б. // Физическая энциклопедия : / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Большая российская энциклопедия, 1999. — Т. 5: Стробоскопические приборы — Яркость. — С. 418. — 692 с. — 20 000 экз. — ISBN 5-85270-101-7.
Хлопов М. Ю. // Физическая энциклопедия : / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Советская энциклопедия, 1988. — Т. 1: Ааронова — Бома эффект — Длинные линии. — С. 85—86. — 707 с. — 100 000 экз.
, с. 246.
A. V. Belitsky, A. V. Radyushkin. Unraveling hadron structure with generalized parton distributions // Phys. Rept. — 2005. — № 418. — P. 1—387. — arXiv:hep-ph/0504030. arXiv:hep-ph/0504030
, с. 23.
, с. 306.
, с. 369.
, с. 379.
, с. 116.
Ахиезер А. И., Рекало М. П. Кварковая модель и процессы взаимодействия адронов // Проблемы теоретической физики. Сборник, посвящённый Николаю Николаевичу Боголюбову в связи с его шестидесятилетием. — М., Наука, 1969. — Тираж 4000 экз. — c. 197-216
Игорь Иванов. . Сложные вопросы в физике элементарных частиц (2 августа 2013). Дата обращения 9 августа 2013.
Y. Katayama, K. Matumoto, S. Tanaka, E. Yamada. Possible unified models of elementary particles with two neutrinos. Progr. Theor. Phys. 28 (1962), 675

Браны

Что касается гравитации, наша четырехмерная брана просто не может содержать ее, поэтому энергия гравитации улетучивается в другие браны, в многомерное пространство; мы просто довольствуемся тем, что осталось, поэтому гравитация кажется такой слабой сравнительно с другими силами.

Разумеется, нетрудно додумать, что есть много бран, движущихся через пространство — бесконечных бран через бесконечное пространство. Отсюда рождаются теории мультивселенной и циклической вселенной. Согласно последней, вселенная подчиняется циклам: она расширяется из-за энергии Большого Взрыва, затем гравитация стягивает все в одну точку. Это стягивание порождает новый Взрыв, и так до бесконечности.

Новые квантовые числа

квантовых чисел,Восьмеричным Путем.

Свои работы Неэман и его коллега, Гелл-Манн, напечатали в 1961 году, а количество известных тогда мезонов не превышало семи. Но в своих работах исследователи не побоялись упомянуть о высокой вероятности существования восьмого мезона. В том же 1961 году их теория с блеском подтвердилось. Найденную частицу назвали эта-мезоном (греческая буква η).

Дальнейшие находки и эксперименты с блеском подтвердили абсолютную правильность классификации SU(3). Это обстоятельство стало мощным стимулом для исследователей, которые обнаружили, что стоят на верном пути. Даже сам Гелл-Манн уже не сомневался в том, что в природе существуют кварки. Отзывы о его теории были не слишком положительными, но ученый был уверен в своей правоте.

Дальнейшие изыскания

Прорыв в изысканиях случился только после возникновения новой систематизации адронов. Виднейшей фигурой в этом стал израильтянин Юваль Неэман, который поменял карьеру выдающегося военного на столь же блистательный путь ученого.

Он обратил внимание, что открытые к тому времени мезоны и барионы распадаются, образуя скопление родственных частиц, мультиплеты. Члены каждого такого объединения обладают совершенно одинаковой странностью, но противоположными электрическими зарядами

Так как действительно сильные ядерные взаимодействия от электрических зарядов не зависят совсем, во всем прочем частицы из мультиплета выглядят совершенными близнецами.

Ученые предположили, что за возникновение подобных образований отвечает некая природная симметрия, и вскоре им удалось ее отыскать. Она оказалась простым обобщением спиновой группы SU(2), которой ученые всего мира пользовались для описания квантовых чисел. Вот только к тому времени было известно уже 23 адрона, причем их спины были равны 0, ½ или целой единице, а потому пользоваться такой классификацией не представлялось возможным.

В результате пришлось использовать для классификации сразу два квантовых числа, за счет чего классификация значительно расширилась. Так и появилась группа SU(3), которую еще в начале века создал французский математик Эли Картан. Чтобы определить систематическое положение в ней каждой частицы, учеными была разработана исследовательская программа. Кварк впоследствии легко вошел в систематический ряд, что подтвердило абсолютную правоту специалистов.

Вот и кварки!

Вскоре вышла статья «Схематическая модель барионов и мезонов». В ней ученые смогли дальше развить идею систематизации, которая оказалась настолько полезной. Они выяснили, что SU(3) вполне допускает существование целых триплетов фермионов, электрический заряд которых колеблется от 2/3 до 1/3 и –1/3, причем в триплете одна частица всегда отличается ненулевой странностью. Уже небезызвестный нам Гелл-Манн назвал их «элементарные частицы кварки».

Согласно зарядам, он обозначил их как u, d и s (от английских слов up, down и strange). В соответствии с новой схемой, каждый барион образован сразу тремя кварками. Мезоны устроены куда проще. В их состав входит один кварк (это правило незыблемо) и антикварк. Только после этого в научном сообществе стало известно о существовании этих частиц, которым и посвящена наша статья.

Гравитоны

И тут появляется гравитон. Это теоретическая частица, которая должна уместить гравитацию в ту же модель, что и любую другую наблюдаемую силу. Поскольку гравитация оказывает слабое притяжение на каждый объект, вне зависимости от расстояния, она должна быть безмассовой. Но это не проблема — у фотонов нет массы, и они повсюду. Мы зашли так далеко, что можем даже определить точные параметры, которым должен соответствовать гравитон, поэтому если мы найдем частицу — любую частицу — удовлетворяющую этим параметрам, у нас будет гравитон.

Найти гравитон очень важно, поскольку сейчас общая теория относительности и квантовая физика несовместимы. Однако на определенных уровнях энергии, известных как масштабы Планка, гравитация перестает следовать правилам относительности и соскальзывает к квантовым правилам

Поэтому решение проблемы гравитации может быть ключом к единой теории.

Страпельки

Согласно теории странной материи, страпельки образуются в природе, когда массивная нейтронная звезда — тяжелая коллапсирующая звезда — выдает столько давления, что электроны и протоны в ядре сливаются, а затем коллапсируют дальше в нечто вроде плотного кваркового пузыря, который мы называем странной материей. И хотя большие страпельки могут теоретически существовать за пределами центров звезд с высоким давлением, вероятнее всего, они уплыли от таких звезд в другие солнечные системы — включая нашу собственную.

Но опять же: если они существуют, большая страпелька может превратить ядро атома в другую страпельку, если столкнется с ним. Новая страпелька столкнется с другими ядрами, что вызовет цепную реакцию, пока вся материя на Земле не будет превращена в странную материю. На самом деле, подобные страхи были вызваны работой Большого адронного коллайдера, представителям которого удалось в свое время убедить людей в надуманности этого факта. Вряд ли они могли бы случайно создать страпельку, которая уничтожила бы планету.

Свойства кварков

Символ	Название	Заряд	Масса
рус.	англ.
Первое поколение
d	нижний	down	−1/₃	4,8 ± 0,5 ± 0.3 МэВ/c²
u	верхний	up	+2/₃	2,3 ± 0,7 ± 0.5 МэВ/c²
Второе поколение
s	странный	strange	−1/₃	95±5 МэВ/c²
c	очарованный	charm (charmed)	+2/₃	1275 ± 25 МэВ/c²
Третье поколение
b	прелестный	beauty (bottom)	−1/₃	4180 ± 30 МэВ/c²
t	истинный	truth (top)	+2/₃	174 340 ± 650 МэВ/c²
4,8 ± 0,5 ± 0.3 — случайная и систематическая погрешность измерения

В силу неизвестных пока причин, кварки естественным образом группируются в три так называемые поколения (они так и представлены в таблице). Кварки имеют дробный электрический заряд, а в каждом поколении один кварк обладает зарядом +23{\displaystyle +{\frac {2}{3}}}, а другой −13{\displaystyle -{\frac {1}{3}}}. Кварки одного поколения были бы неразличимы, если бы не поле Хиггса. Подразделение на поколения распространяется также и на лептоны.

Кварки участвуют в сильных, слабых, электромагнитных и гравитационных взаимодействиях. Сильные взаимодействия (обмен глюоном) могут изменять цвет кварка, но не меняют его аромат. Слабые взаимодействия, наоборот, не меняют цвет, но могут менять аромат. Необычные свойства сильного взаимодействия приводят к тому, что одиночный кварк не может удалиться на какое-либо существенное расстояние от других кварков, а значит, кварки не могут наблюдаться в свободном виде (явление, получившее название конфайнмент). Разлететься могут лишь «бесцветные» комбинации кварков — адроны. Кварки асимптотически свободны при высоких энергиях.

Математический аппарат теории кварков основан на экспериментально подтверждённом предположении, что взаимодействия кварков инвариантны относительно группы изоспиновых преобразований SU(3){\displaystyle SU(3)}.

Кварк и антикварк могут аннигилировать. Однотипные разнозаряженные кварки аннигилируют, как правило, с испусканием двух фотонов (то есть через электромагнитные взаимодействия). Например, нейтральный пи-мезон π, являющийся комбинацией лёгких кварка и антикварка (uu¯−dd¯),{\displaystyle (u{\bar {u}}-d{\bar {d}}),} распадается путём электромагнитной аннигиляции. Другие кварконии, более тяжёлые, чем нейтральный пион (J/ψ-мезон, ϒ-мезон и т. п.), могут аннигилировать с участием сильного взаимодействия в два или три глюона, в зависимости от суммарного спина, хотя такие процессы обычно подавлены правилом Окубо — Цвейга — Иизуки. При высоких энергиях в столкновениях адронов наблюдается рост сечения процессов слабой (то есть идущей с участием слабого взаимодействия) аннигиляции кварков и антикварков в виртуальный или реальный W±- или Z-бозон. Следует отметить, что аннигилирующие кварк и антикварк не обязаны быть одного типа; так, доминирующий распад заряженного пи-мезона π+ → μ+ν_μ обусловлен слабой аннигиляцией разнотипной пары кварков du в виртуальный W+-бозон, который затем распадается в пару лептонов. Наблюдаются и обратные аннигиляции процессы рождения кварк-антикварковых пар.

Дробный заряд кварков проявляется в процессе рождения струй адронов в аннигиляции e+e− при высоких энергиях.

Кварки порождаются глюонами только парой кварк-антикварк.

Название

Слово «кварк» было заимствовано Гелл-Манном из романа Дж. Джойса «Поминки по Финнегану», где в одном из эпизодов чайки кричат: «Three quarks for Muster Mark!» (обычно переводится как «Три кварка для Мастера/Мюстера Марка!»). Само слово «quark» в этой фразе предположительно является звукоподражанием крику морских птиц. Есть другая версия (выдвинутая Р. Якобсоном), согласно которой Джойс усвоил это слово из немецкого во время своего пребывания в Вене. В немецком слово Quark имеет два значения: 1) творог, 2) чепуха. В немецкий же данное слово попало из западнославянских языков (чеш. tvaroh, польск. twaróg — «творог»). Согласно рассказу ирландского физика , Джойс во время пребывания в Германии на сельскохозяйственной выставке услышал рекламный слоган «Drei Mark für Musterquark» («три марки за образцовый творог»), который был им позже перефразирован для романа.

Дж. Цвейг называл их тузами, но данное название не прижилось и забылось — возможно, потому, что тузов четыре, а кварков в первоначальной модели было три.

Еще немного предыстории

Эта статья, которая во многом предопределила развитие физики на годы вперед, имеет довольно любопытную предысторию. Гелл-Манн думал о существовании такого рода триплетов задолго до ее публикации, но ни с кем не обсуждал свои предположения. Дело в том, что его предположения о существовании частиц, обладающих дробным зарядом, выглядели как бред. Однако после разговора с выдающимся физиком-теоретиком Робертом Сербером он узнал, что его коллега сделал точно такие же выводы.

Само слово «кварк» (это звук, напоминающий крик уток) было взято из произведения Джеймса Джойса. Как ни странно, но американский ученый отправил свою статью в престижный европейский научный журнал Physics Letters, так как всерьез опасался того, что редакция аналогичного по уровню американского издания Physical Review Letters не примет ее в печать. Кстати, если вы хотите взглянуть хотя бы на копию той статьи – вам прямая дорога в тот же Берлинский музей. Кварки в его экспозиции не имеются, зато полная история их открытия (точнее, документальные свидетельства) есть.

Открытые вопросы

В отношении кварков остаются вопросы, на которые пока нет ответа:

почему ровно три цвета?
почему ровно три поколения кварков?
случайно ли совпадение числа цветов и числа поколений?
случайно ли совпадение этого числа с размерностью пространства в нашем мире?
откуда берётся такой разброс в массах кварков?
из чего состоят кварки? (см. Преоны)
как кварки складываются в адроны?

Впрочем, история с адронами и кварками, а также симметрия между кварками и лептонами, наводит на подозрение, что кварки могут сами состоять из чего-то более простого. Рабочее название для гипотетических частиц-составляющих кварков — преоны. С точки зрения данных экспериментов, до сих пор никаких подозрений на неточечную структуру кварков не возникало. Однако попытки построить такие теории делаются независимо от экспериментов. Серьёзных успехов в этом направлении пока нет.

Другой подход состоит в построении теории Великого объединения. Польза от такой теории была бы не только в объединении сильного и электрослабого взаимодействий, но и в едином описании лептонов и кварков. Несмотря на активные усилия, построить такую теорию также пока не удалось.

Струны

Таким образом, в широком смысле, теория струн на самом деле представляет собой квантовую теорию гравитации. Для сравнения, струны могут заменить преоны в качестве строительных блоков для кварков, хотя на более высоких уровнях все останется прежним. И в теории струн струна может превратиться во что угодно в зависимости от формы, в которую сворачивается. Если струна остается открытой, она становится фотоном. Если концы одной струны замыкаются в петлю, она становится гравитоном. Примерно так же дерево может стать целой хижиной или флейтой.

Как мы отметили, теорий струн много, и каждая из них предсказывает различное число измерений. Большинство из этих теорий утверждает, что существует десять или одиннадцать измерений, а бозонно-струнная теория (или теория суперструн) утверждает, что измерений не меньше двадцати шести. В этих других измерениях гравитация обладает равной или большей силой относительно других фундаментальных сил, что объясняет слабость гравитации в наших трех пространственных измерениях.

Название

Тахионы

Как ни странно, их отношение к скорости света было бы зеркальным. Грубо говоря, когда обычная частица ускоряется, ее энергетические потребности увеличиваются. Чтобы прорвать барьер световой скорости, нужно бесконечное количество энергии. В случае с тахионом, чем медленнее он движется, тем больше энергии требует. Когда он замедляется и приближается к скорости света с другого конца, его энергетические требования приближаются к бесконечности. Но когда его скорость растет, и нужда в энергии уменьшается — ему не нужно энергии вообще, чтобы двигаться с бесконечной скоростью.

Представьте его как магнит — один магнит приклеен к стене, а другой у вас в руке. Когда вы соприкасаете одинаковые полюса магнитов, ваш магнит отталкивается. Чем ближе вы приближаете свой магнит, тем труднее вам нажимать. Теперь представьте, что по ту сторону стены есть другой магнит, который делает то же самое. Магнит на стене — это скорость света, а два других магнита — это тахионы и обычные частицы. Если бы даже тахион существовал, они всегда будут замкнуты по ту сторону ловушки, которую мы сами не можем обойти. Хотя технически они могут быть использованы для отправления сообщений в прошлое.

От неприятия к доверию

Но многие исследователи приняли эту теорию далеко не сразу. Да, журналисты и теоретики быстро полюбили ее за наглядность и простоту, но серьезные физики приняли ее только спустя целых 12 лет. Не стоит упрекать их в излишнем консерватизме. Дело в том, что первоначально теория кварков резко противоречила принципу Паули, о котором мы упоминали в самом начале статьи. Если предположить, что в протоне содержится пара u-кварков и единственный d-кварк, то первые должны находиться строго в одном и том же квантовом состоянии. Согласно же Паули, такое невозможно.

Вот тогда-то и появилось дополнительное квантовое число, выраженное в виде цвета (о чем мы также упоминали выше). Кроме того, было совершенно непонятно, как вообще элементарные частицы кварки взаимодействуют друг с другом, почему не встречаются их свободные разновидности. Все эти тайны сильно помогла разгадать Теория Калибровочных полей, которую «довели до ума» только в середине 70-х годов. Примерно в то же время кварковую теорию адронов органично включили в нее.

Но сильнее всего сдерживало развитие теории полное отсутствие хоть каких-то экспериментальных опытов, которые бы подтверждали как само существование, так и взаимодействие кварков между собой и с другими частицами. А они постепенно начали появляться только с конца 60-х годов, когда быстрое развитие технологий позволило провести опыт с «просвечиванием» протонов электронными потоками. Именно эти опыты позволили доказать, что внутри протонов действительно «скрываются» какие-то частицы, которые первоначально назвали партонами. Впоследствии все же убедились, что это не что иное, как истинный кварк, но это произошло только в конце 1972 года.

Античастицы

Во всяком случае, должна найтись. В этом-то и проблема — вокруг много материи, а антиматерии не нашли нигде. Только создали искусственным путем. За пределами Большого адронного коллайдера свободное антивещество не существует даже в теории.

Согласно теории Большого Взрыва, изначально было равное количество частиц и античастиц. Вся материя во Вселенной была создана в точке этого взрыва. По умолчанию, все антивещество должно было быть создано в то же время. Другая теория гласит, что в других частях Вселенной антивещество преобладает. Все, что мы видим, самые далекие звезды, состоят из материи. Но наша видимая Вселенная может быть лишь небольшим участком вселенной, где-то там могут быть целые звездные системы из антивещества.

Литература

Jean Letessier, Johann Rafelski, T. Ericson, P. Y. Landshoff. Hadrons and Quark-Gluon Plasma. — Cambridge University Press, 2002. — 415 p. — ISBN 9780511037276.
Боголюбов Н.Н., Логунов А.А., Оксак А.И., Тодоров И.Т. Общие принципы квантовой теории поля. — 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.
Намбу Ё. Кварки. — М.: Мир, 1984. — 225 с.
Клоуз Ф. Введение в кварки и партоны. — М.: Мир, 1982. — 438 с.
Никитин Ю. П., Розенталь И. Л. Ядерная физика высоких энергий. — М.: Атомиздат, 1980. — 232 с.
Коккедэ Я. Теория кварков. — М.: Мир, 1971. — 341 с.

Свойства

Имея массу 173,2 ± 0,7 ГэВ/c², t-кварк является наиболее массивным среди всех частиц Стандартной Модели; его масса близка к массе ядра рения. Время жизни t-кварка составляет около 5×10−25секунды, на порядок меньше временно́й шкалы сильного взаимодействия (≈3×10−24 секунды). Ввиду короткого времени жизни он не успевает после возникновения адронизоваться (стать частью адрона) и ведёт себя как «голый» кварк; таким образом, не существует адронов, содержащих валентный t-кварк (виртуальные t-кварки, строго говоря, присутствуют в любом адроне).

Распадается почти всегда на b-кварк и W-бозон (слабый распад); около 9 % распадов происходят с излучением лёгкого заряженного лептона (электрона или мюона) и соответствующего нейтрино. Распад с вылетом тяжёлого τ-лептона пока не наблюдался с достаточно значимой статистикой. Электромагнитные каналы распада подавлены (радиационный распад в более лёгкие u— или c-кварк по реакциям t→γu, t→γc не обнаружен, экспериментальная вероятность таких реакций менее 0,6 %). Аналогичные слабые реакции с вылетом вместо фотона Z-бозона (t→Zu, t→Zc) предсказаны, но достоверно пока не наблюдались (вероятность менее 14 %). Распад t-кварка за счёт сильного взаимодействия запрещён.

Топ-кварк ввиду большой массы и близкой к единице константе связи Юкавы для этой частицы (yt=2mtv,{\displaystyle y_{t}={\frac {{\sqrt {2}}m_{t}}{v}},} где v = 246 ГэВ — вакуумное среднее поля Хиггса) сильно влияет на ряд наблюдаемых величин, обусловленных электрослабым взаимодействием, вследствие участия t-кварка в квантовых петлевых поправках Стандартной Модели. В частности, пока неизвестно, стабилен ли вакуум Стандартной Модели или возможен его спонтанный распад из-за того, что «бегущая» (зависящая от энергии) константа самодействия поля Хиггса λ_H при высоких энергиях становится меньше её значения при нулевой энергии. λ_H существенно зависит (через вклад в вакуумные петлевые поправки) от массы топ-кварка, однако точность измерений m_t (около 0,37 % на 2017 год) пока не позволяет решить вопрос о стабильности вакуума.

Экспериментальное подтверждение

Именно благодаря этой гипотезе ученые уже в 1970 году смогли объяснить многие странности, которые наблюдались при распаде нейтрально заряженных каонов. Через четыре года сразу две независимых группы американских физиков сумели зафиксировать распад мезона, в состав которого входил как раз один «очарованный» кварк, а также его антикварк. Неудивительно, что это событие сразу окрестили Ноябрьской Революцией. Впервые теория кварков получила более-менее «наглядное» подтверждение.

О важности открытия говорит хотя бы тот факт, что руководители проекта, Сэмюэль Тинг и Бартон Рихтер, уже через два года принимали свою Нобелевскую премию: это событие отражено во многих статьях. С некоторыми из них вы сможете ознакомиться в оригинале, если посетите Нью-Йоркский естественнонаучный музей

Кварки, как мы уже и говорили, – крайне важное открытие современности, а потому и внимания в научной среде им уделяется очень много.

Все только начинается

С этого открытия все и началось. В 1949 году в таких же условиях был обнаружен след частицы, которая дала начало сразу трем пионам. Вскоре выяснилось, что она, равно как и V-частица — совершенно разные представители семейства, состоящего из четырех частиц. Впоследствии их назвали К-мезонами (каоны).

Пара заряженных каонов имеют массу 494 МэВ, а в случае с нейтральным зарядом — 498 МэВ. Кстати говоря, в 1947 году ученым посчастливилось запечатлеть как раз таки весьма редкий случай распада положительного каона, но в то время они просто не смогли правильно интерпретировать снимок. Впрочем, если быть до конца справедливыми, то вообще-то первое наблюдение каона было сделано еще в далеком 1943 году, но информация об этом едва не затерялась на фоне многочисленных послевоенных научных публикаций.

Начало кварковой революции

Справедливости ради стоит отметить, что практически в то же время до аналогичной мысли дошел ученый из ЦЕРНа, Джордж Цвейг. Сперва его наставником был сам Гелл-Манн, а затем Ричард Фейнман. Цвейг также определил реальность существования фермионов, которые обладали дробными зарядами, только назвал их тузами. Более того, талантливый физик также рассматривал барионы как тройку кварков, а мезоны – как комбинацию кварка и антикварка.

Проще говоря, ученик полностью повторил выводы своего учителя, причем совершенно отдельно от него. Его работа появилась даже на пару недель раньше публикации Манна, но только в качестве «домашней заготовки» института. Впрочем, именно наличие двух независимых работ, выводы по которым были практически идентичными, сразу убедило некоторых ученых в верности предложенной теории.