Реферат: Кварки
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ...............................................................................................................3
В МИРЕ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ.................................................................3
ГИПОТЕЗА О СУЩЕСТВОВАНИИКВАРКОВ ..................................................4
Супермультиплеты..................................................................................4
Свойства ...................................................................................................4
Трикошмарные частицы........................................................................5
Парк, нарк,ларк .......................................................................................5
НОВЫЕ КВАРКИ.....................................................................................................6
с-Кварк (очарованный) ..........................................................................6
b-Кварк (прелестный)............................................................................6
t-Кварк (правдивый) ..............................................................................6
ПОИСКИ КВАРКОВ...............................................................................................6
Природные и«самодельные» кварки ...................................................7
Минимальнаяэнергия, необходимая для рождения кварка ...............7
Кварки, рожденные космическим излучением....................................7КамераВильсона ....................................................................................8
Концентрация кварков в водных бассейнах Земли .............................8
Где ещеищут кварки?............................................................................8
Во чтоверит большинствофизиков?.....................................................9
ПЛЕНЕНИЕ КВАРКОВ ВНУТРИАДРОНОВ ......................................................9
Цвет иаромат кварков ............................................................................9
Квантоваяхромодинамика.....................................................................9
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.........................................................................................................10
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙЛИТЕРАТУРЫ .................................................11
К В А Р К И
ВВЕДЕНИЕВведениепонятия «элементарные частицы» в физике связано с идеей отыскания такихнеделимых далее частиц, из которых состоит вся материя. Неделимость вначалеприписывалась атомам, потом – ядру, затем – нуклонам.
Впервые об элементарных частицах как о составных частях любого атома сталиговорить в конце XIX – начале XX столетия. Именно в это время было показано, что атомымогут преобразовываться друг в друга при радиоактивных превращениях. В эти жегоды были открыты катодное и рентгеновское излучения, испускание которыхразличными атомами свидетельствовало о сходном строении всех атомов.
Следующими этапами в познании строения атома было открытие тяжелой заряженнойсердцевины атома – атомного ядра (1911 г.) и его составных частей: протона(1919 г.) и нейтрона (1932 г.).
Элементарными частицами современная физика условно называет большую группумельчайших микрочастиц, не являющихся атомами или атомными ядрами (заисключением протона, который является ядром атома водорода). В настоящее времяистинно элементарными, т.е. такими, которые нельзя составить ни из каких другихизвестных нам ныне частиц, являются электрон, позитрон, все виды нейтрино,фотоны и кварки.
В последние годы очень большого успеха достигла классификациясильновзаимодействующих частиц – адронов – на основе кварковой модели.Согласно этой модели (которая была предложена еще в 60-е годы) любой адронсостоит из двух-трех истинно элементарных частиц – кварков – с весьманеобычными свойствами. Предполагается, что существует шесть типов (ароматов)кварков (и столько же антикварков), взаимодействие между которыми осуществляетсяглюонами. Кварки и глюоны имеют специфический заряд, который называется цветом.Каждый тип кварка имеет по три цветовых разновидности, глюоны – восемь.
В МИРЕ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦВ настоящее время открыто и исследовано так много элементарных частиц, что дляих обозначения уже использованы все свободные буквы греческого алфавита и многобукв латинского алфавита. Причем это не означает, что частиц известно столькоже, сколько использованных букв. Гораздо больше! Кроме простых букв для обозначениячастиц используются буквы со штрихами, со звездочками и с цифрами.
Число открытых элементарных частиц, согласно подсчетам одного физика,удваивается каждые 11 лет и (если так пойдет дальше) через некоторое времяпревзойдет число физиков! Во всяком случае, в настоящее время числоэлементарных частиц (включая нестабильные частицы – резонансы) вместе сантичастицами в несколько раз превышает число элементов периодической системыМенделеева.
ГИПОТЕЗА О СУЩЕСТВОВАНИИ КВАРКОВ
На протяжении последних десятилетий было предпринято несколько попыток навестипорядок в мире элементарных частиц. И, пожалуй, самая удачная попытказаключается в гипотезе о существовании нескольких фундаментальных частиц, названныхкварками, из которых можно составить («слепить») любуюсильновзаимодействующую (а таких подавляющее большинство) частицу, причем такие«составные» частицы будут обладать всеми основными свойствами реальных частиц. Столь необычноеназвание «кварки» заимствовано из книги Джеймса Джойса «Поминки по Финнигану»,где встречается словосочетание «три кварка» как таинственный крик чаек,который слышится герою романа в кошмарном бреду.
Кварки были придуманы в 1964 г. американскими физиками Гелл-Маноми независимо Цвейгом для объяснения существующей в природе симметрии всвойствах сильновзаимодействующих частиц – адронов.
Супермультиплеты
Оказывается, если известные адроны рассортировать по значениям их спинаи внутренней четности, то образуется несколько больших групп адронов (в среднемпо десятку частиц в одной группе), внутри которых наблюдаются интересныезакономерности. Такие группы называют супермультиплетами или унитарнымимультиплетами.
В это время можно было вполне четко выделить четыре большие группы частиц.
Мезонные адроны с нулевым спином и отрицательной четностью образуютгруппу из девяти частиц (нонет). Электрический заряд, странность и масса членовэтой девятки закономерно изменяются от частицы к частице. Аналогичную девяткуобразуют также мезонные адроны со спином, равным единице, и отрицательнойчетностью. Барионы со спином ½ и положительной четностью образуютсходный октет. Наконец, барионные адроны с оспином 3/2 иположительной четностью составляют десятку – декуплет.
Свойства
Посвойствам девяти известных частиц Гелл-Ман в 1962 г. однозначно предсказал всеизвестные характеристики десятой частицы. Набор параметров для этой частицы:масса, электрический заряд, барионный заряд, странность, изотопический спин,четность, схема рождения, схема распада, время жизни. Этот перечень настолькохорошо характеризует свойства предсказанной частицы, что появилась возможностьорганизовать по-настоящему научный ее поиск. В начале 1964 г. гиперон спредсказанными свойствами был найден. Это, вероятно, самый маленький интервалвремени между моментами предсказания и обнаружения «настоящей» (долгоживущей)элементарной частицы.
Закономерности можно проследить также и в другихсупермультиплетах. Для объяснения закономерностей было предложено несколькоразличных теорий. Общим для всех этих теорий является предположение осуществовании двух разновидностей сильного взаимодействия: очень сильного иумеренно сильного, которые вместе с электромагнитным определяют основныесвойства адронов. Очень сильное взаимодействие одинаково для всех членовунитарного мультиплета и определяет главную часть их энергии взаимодействия (азначит, и массы). Умеренно сильное взаимодействие зависит от странности ипотому различно для членов разных изотопических мультиплетов, т.е. для частиц,стоящих в разных строках.
Три кошмарные частицыНаиболее естественно существование унитарных мультиплетов можно было объяснить,введя в рассмотрение три гипотетические частицы – кварки – с довольноэкзотическими свойствами, а именно с дробными барионным и электрическимзарядами. В связи с такой экзотичностью свойств и с тем, что их три, кварки иполучили свое необычное название. Словосочетание «три кварка» встречается вромане Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану» как таинственный крик чаек,который слышится герою романа во время кошмарного бреда.
Если кваркам приписывать некоторые известные свойства, то достаточно всего трехкварков и трех антикварков, чтобы из них, как из деталей конструктора,построить любой из перечисленных выше адронов, причем можно показать, чтоадроны. «слепленные» из кварков, будут группироваться в те самыесупермультиплеты, которые были известны в то время.
Парк, нарк, ларк
Вболее ранней и довольно успешной теории Сакаты в качестве трех основныхфундаментальных частиц для построения адронов использовались протон (p), нейтрон (n) и лямбда-частица(^). Поэтому те же самые символыиспользуют и в современной теории для обозначения трех кварков. Назовем этикварки парком (p), нарком (n) и ларком(^). Кварки не надо путать с адронами, которыеобозначаются теми же самыми символами.
Электрические заряды кварков и значения других квантовых чисел для нихНазвание кварка Символ Q S Y Iz B o
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Парк p +2/3 0 1/3 1/2 1/3 1/2
Нарк n - 1/3 0 1/3 -1/2 1/3 1/2
Ларк ^ — 1/3 - 1 — 2/3 0 1/3 1/2
Q – электрический заряд в единицах заряда электрона;
S – квантовое число странности;
Y – квантовое число гиперзаряда (Y=B+S);
Iz – квантовое число z-компонентыизоспина;
B – барионное число;
о – внутренний момент импульса(спин).
Для всех кварковбарионное число B и спин o одинаковы.
Позднее в кварковуюмодель ввели четвертый и пятый кварки.
Предполагается, чтосуществует еще один, шестой кварк.
Сама тройка кварков (атакже тройка антикварков) тоже образует супермультиплет – унитарный триплет.
НОВЫЕ КВАРКИс-Кварк (очарованный)
Вконце 1974 г. одновременно в двух лабораториях была открыта новая частица,свойства которой оказались таковы, что их не удалось объяснить в рамкахтрехкварковой модели. Для интерпретации этих свойств потребовалось ввести четвертыйкварк – с-кварк, названный очарованным ( от слова charm –очарование).
с-Кварк оказался вполне равноправной частицей по отношению к остальным тремкваркам. Комбинируя с-кварк с антикварками u, d, s, можнополучить новые мезоны, которые были названы очарованными.
В настоящее время уже обнаружены представители всехочарованных мезонов и некоторые очарованные барионы. На этом основании,казалось бы, можно было считать, что кварковая модель достигла совершенства,т.е. описывает все существующие частицы и не конструирует лишних, невстречающихся в природе.
b-Кварк(прелестный)
Однако,в 1977 г. была открыта еще одна частица, названная ипсилон-мезоном, свойствакоторой не укладывались в четырехкварковую модель. Новый, пятый кварк b,названный прелестным (от слова beauty – прелесть, иногда название b-кваркапроизводят от слова botom – низ).
t-Кварк(правдивый)
Наконец,имеются основания считать, что должен существовать еще и шестой кварк t,названный правдивым (от слова truth) или верхним (от слова top). Одним изтаких оснований является предсказываемая теорией электрослабого взаимодействиясимметрия в числе кварков и лептонов (которых открыто шесть).
ПОИСКИ КВАРКОВ
Являютсяли кварки реальными частицами или просто математическими измышлениями, нужнымитолько для классификации адронов, еще неясно. В начале 1970 г. в научныхжурналах было опубликовано несколько работ, авторы которых заявляли обобнаружении кварков в космических лучах, однако пока что это не подтверждено.Если кварки и в самом деле существуют в природе, то из этого факта мы сможемвывести целый ряд замечательных следствий. В частности, космогонические теориии теории источников энергии излучения звезд придется коренным образомпересмотреть. Далее, кварки смогут выступать в роли эффективных катализаторовядерных реакций. Вполне возможно, что по крайней мере один из трех кварковокажется стабильным и не будет распадаться, а может быть, и все три кваркабудут стабильными.
Природные и «самодельные» кваркиУспехкварковой модели и желание свести многообразие частиц к несколькимфундаментальным заставляют физиков искать кварки в природе.
Кваркам естественно приписать большую массу. Но рождение частиц с большоймассой требует больших кинетических энергий, поэтому поиски кварков следуетвести в таких условиях (естественно или искусственно созданных), когда имеетсявозможность трансформации большой порции кинетической энергии в энергию покоя(массу). Связь между массой кварка m q и минимальной кинетическойэнергией, бомбардирующей частицы Тмин, необходимой для рождения кварка этоймассы, зависит от типа реакции, в которой образуется кварк. В соответствии сзаконами сохранения образование кварка может происходить только в паре сантикварком.
Минимальная энергия, необходимаядля рождения кварка массой mq
mq m p 3mp 5m p 10m p 20m p
Тмин’m p c 6 30 70 240 880
Тмин’ ГэВ 5,6 28 65 225 825
Для реакции образованиякварка при соударении двух протонов получается следующая зависимость Тмин отпредполагаемого значения m q:
Тмин=2(mq /m p) (2m p + m q) c
Втаблице приведены значения Тмин, вычисленные по данной формуле в разныхпредположениях о значении массы кварка. Существуют соображения, из которыхследует, что при данной энергии Т могут рождаться частицы большей массы, чемуказано в таблице (напр., при Т=30 ГэВ могут родиться кварки массой до 5m p).Однако вероятность такого процесса настолько мала, что его можно не учитывать врасчетах. Из таблицы видно, что кварки массой m q < 3 m p имеетсмысл искать среди частиц, образующихся в мишенях ускорителей протонов наэнергию 30 ГэВ, кварки массой mq < 5 m p - в мишенях ускорителейна энергию 70 ГэВ и т.д.
Для выделения кварков из огромного числа других, рождающихся в мишениускорителя, можно воспользоваться их специфическими свойствами, обусловленнымидробностью электрического заряда. Например, пониженной ионизирующейспособностью. Ионизирующая способность заряженной частицы изменяетсяпропорционально квадрату ее электрического заряда. Так как кварки имеют заряд,равный 1/3 или 2/3 заряда электрона,ионизирующая способность кварков составляет соответственно 1/9 или 4/9 ионизирующей способности электронов. Такие опытыбыли действительно предприняты сначала на ускорителях в ЦЕРНе и в Брукхейвенской лаборатории, затем в Серпухове, а потом снова в ЦЕРНе наускорителе протонов до энергии 400 ГэВ и в Батавии на ускорителе протонов доэнергии 500 ГэВ, но они не дали положительного результата. Это означает, чтолибо масса кварков превышает 15 протонных масс, либо они рождаются с гораздоменьшей вероятностью, чем предполагали, либо, наконец, кварков в свободном виденет вообще.
Кварки, рожденные космическим излучениемВсоставе космического излучения имеются протоны энергией выше 500 ГэВ. Этипротоны в соударениях с ядрами атмосферы могут рождать кварки, даже если ихмасса превышает 15 m p. Кварки, рожденные космическим излучением, можнопытаться регистрировать при помощи детекторов, чувствительных к ионизации,вызываемой быстродвижущимися частицами с дробным электрическим зарядом.
Камера ВильсонаОднимиз таких детекторов может быть камера Вильсона, следы заряженных частиц вкоторой имеют вид цепочек из капелек жидкости. Эти капельки образуются врезультате
Конденсации пересыщенного пара на ионах, возникающих вдоль траекториизаряженной частицы. Ионизирующая способность кварка составляет 1/9 или 4/9 ионизирующей способности электрона. Поэтому плотностькапелек на следе кварка должна быть в 9 раз меньше, чем на следе электрона. Всвое время в печати появились работы, в которых сообщалось об обнаружениичастиц с 50%-ной ионизирующей способностью. Однако впоследствии оказалось, чтополученные результаты являются сильной флюктуацией ионизирующей способностиобычной частицы с z=1.
Концентрация кварков в водных бассейнах ЗемлиКваркипытаются «вылавливать» не только из падающего на Землю космического излучения,но и из земных водных бассейнов. Естественно считать, что кварки, возникающиепри взаимодействии космических частиц с атомными ядрами атмосферы, становятсяцентрами конденсации водяных паров, падают вместе с дождем на землю и в концеконцов попадают в озера, моря и океаны. Так как описанный механизм образованиякварков действует постоянно, а распадаться они не могут*, концентрация кварковв водных бассейнах Земли должна непрерывно возрастать с течением времени.
* В связи с дробностью заряда можно предполагать, что по крайней мере один изкварков (с наименьшей массой) стабилен, т.к. ему не на что распадаться.(Более тяжелый кварк может превращаться в легкий без нарушения законасохранения электрического и барионного зарядов.)
Оценки показывают, что за время существования Земли с помощью такого механизмамогло накопиться до 100 000 кварков в каждом 1 куб.см воды. Но и в водекварков не нашли!
Где еще ищут кварки?Ищуткварки и в метеоритах, которые при достаточно больших размерах и длительномсуществовании в космическом пространстве могли накопить много кварков.Пытались обнаружить кварки при помощи опытов типа опыта Миллекена поопределению заряда электрона. Но и здесь однозначных результатов получить неудалось.
Из того, что кварки не найдены, строго говоря, рано делать вывод об ихотсутствии. Прошло еще слишком мало времени! Так что еще не все потеряно, темболее что результаты сделанных опытов не отрицают возможности существованиякварков массой m q > 15 m p. Кстати, чем тяжелее кварки, тем заманчивеестановится мечта их открыть. Ведь если протон «слеплен» из трех кварков массой5m p каждый, то «энергия связи» протона равна: 14 m p c,или 13 ГэВ, т.е. в процессе образования протона из кварков должно освобождаться14/15 = 93% энергии покоя кварков.
Во что верит большинство физиков в настоящее время?Наконец,еще одна возможность, в которую в настоящее время верит большинство физиков,заключается в следующем: кварки существуют, но только в связанном состояниивнутри адронов. Вылететь из адронов и существовать в свободном виде кварки немогут.
Напомним,что адроны участвуют в электромагнитных, слабых и сильных взаимодействиях. Ихможно сгруппировать в два больших семейства: семейство мезонов (спин 0,1 ит.д.) и семейство барионов (спин ½, 3/2 и т.д.).Название «адрон» означает «сильно взаимодействующая частица». Оказалось, чтоадроны можно более детально классифицировать, объединяя их в подсемейства(называемые супермультиплетами) по признаку одинаковости спина и четностивходящих в подсемейство частиц.
ПЛЕНЕНИЕ КВАРКОВ ВНУТРИ АДРОНОВЦвет и аромат кварков
Пленениекварков внутри адронов является, пожалуй, главной трудностью кварковой модели.Другая трудность этой модели связана с тем, что она допускает барионныекомбинации из трех тождественных кварков, находящихся в одинаковых состояниях.А это запрещено принципом Паули, согласно которому два (и тем более три)фермиона с одинаковыми квантовыми числами не могут находиться в одном и том жесостоянии. Обе эти трудности удалось преодолеть введением еще однойхарактеристики кварков, которая условно называется ЦВЕТОМ.
Каждый кварк независимо от его типа (u, d, s, c, b, t), который,кстати говоря, называется ароматом (flavour), имеет три цветовые разновидности, соответствующиетрем “основным цветам”: «красному»,«синему» и «зеленому».
В состав любого бариона входят обязательно«разноцветные» кварки, так что -гиперон, например, является «бесцветной»(«белой») комбинацией, которая не противоречит принципу Паули. Соответственнокаждый мезон представляет собой комбинацию кварков и антикварков с«дополнительными цветами» (например, «красный» и «антикрасный» и т.п.), которыетакже в сумме дают «белый» цвет.
Подчеркнем, что термин «цвет», употребляемый какхарактеристика сильного взаимодействия, не имеет никакого отношения (крометерминологического) к оптическим цветам.
Квантовая хромодинамикаКромеэтой функции нового квантового числа цвет играет очень важную роль новогозаряда. Согласно современной теории сильных взаимодействий – КВАНТОВОЙ ХРОМОДИНАМИКЕ, взаимодействие между кварками осуществляется при помощи восьмицветных глюонов (от слова glue – клей. Глюоны как бысклеивают кварки между собой), которые являются квантами, т.е. переносчиками сильноговзаимодействия между кварками любых ароматов и цветов.
Наличие цветного заряда у глюонов резко отличает их от квантовэлектромагнитного взаимодействия – фотонов, которые не имеют заряда. В отличиеот фотона глюон может испускать новые глюоны, что приводит к росту эффективногозаряда кварка с увеличением расстояния и, следовательно, к возрастанию энергиивзаимодействия между кварками. В результате кварки не могут освободиться другот друга (пленение) и встречаются в природе только в связанном виде – в форме«белых», «бесцветных» адронов. Наоборот, на очень малых расстояниях кваркивзаимодействуют относительно слабо, и их можно рассматривать как практическисвободные частицы (центральная свобода). Это обстоятельство позволяет получитьряд количественных соотношений, подтвержденных экспериментами.ы
ЗАКЛЮЧЕНИЕИзучениеструктуры различных элементарных частиц, и в первую очередь протона и нейтрона,находится на самом переднем крае фронта исследований в физике элементарныхчастиц. Протон и нейтрон – это окончательные основные состояния всех барионов.Из обеих этих частиц построены все атомные ядра, находящиеся в своих основныхсостояниях.
Классификация адронов оказалась очень успешной, при этом удалось немногозаглянуть в структуру адронов, представить их состоящими из кварков. Но многоееще предстоит выяснить.
Не так давно появилась новая теория элементарных частиц, названная «теориейзашнуровки». Согласно ей ни одна из частиц не является болеефундаментальной и элементарной, чем остальные. Каждая элементарная частицасуществует потому, что существуют все остальные частицы.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ:
1) В.Акоста, К.Кован, Б.Грэм «Основы современной физики», М. Просвещение, 1981;
2) И.Розенталь «Элементарные частицыи структура Вселенной», М. Наука, 1984;
3) К.Мухин «Занимательная ядерная физика», М.Энергоатомиздат, 1985.