Кварки
Если кваркам приписывать некоторые известные свойства, то достаточно
всего трех кварков и трех антикварков, чтобы из них, как из деталей
конструктора, построить любой из перечисленных выше адронов, причем можно
показать, что адроны. «слепленные» из кварков, будут группироваться в те
самые супермультиплеты, которые были известны в то время.
Парк, нарк, ларк
В более ранней и довольно успешной теории Сакаты в качестве трех
основных фундаментальных частиц для построения адронов использовались
протон (p), нейтрон (n) и лямбда-частица (^). Поэтому те же самые символы
используют и в современной теории для обозначения трех кварков. Назовем эти
кварки парком (p), нарком (n) и ларком (^). Кварки не надо путать с
адронами, которые обозначаются теми же самыми символами.
Электрические заряды кварков и значения других квантовых чисел для них
Название 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-компоненты изоспина;
B – барионное число;
о – внутренний момент импульса (спин).
Для всех кварков барионное число B и спин o одинаковы.
Позднее в кварковую модель ввели четвертый и пятый кварки.
Предполагается, что существует еще один, шестой кварк.
Сама тройка кварков (а также тройка антикварков) тоже образует
супермультиплет – унитарный триплет.
НОВЫЕ КВАРКИ
с-Кварк (очарованный)
В конце 1974 г. одновременно в двух лабораториях была открыта новая
частица, свойства которой оказались таковы, что их не удалось объяснить в
рамках трехкварковой модели. Для интерпретации этих свойств потребовалось
ввести четвертый кварк – с-кварк, названный очарованным ( от слова charm –
очарование).
с-Кварк оказался вполне равноправной частицей по отношению к остальным
трем кваркам. Комбинируя с-кварк с антикварками u, d, s, можно получить
новые мезоны, которые были названы очарованными.
В настоящее время уже обнаружены представители всех очарованных
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, не
встречающихся в природе.
b-Кварк (прелестный)
Однако, в 1977 г. была открыта еще одна частица, названная ипсилон-
мезоном, свойства которой не укладывались в четырехкварковую модель. Новый,
пятый кварк b, названный прелестным (от слова beauty – прелесть, иногда
название b-кварка производят 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 из таких оснований является предсказываемая теорией
электрослабого взаимодействия симметрия в числе кварков и лептонов (которых
открыто шесть).
ПОИСКИ КВАРКОВ
Являются ли кварки реальными частицами или просто математическими
измышлениями, нужными только для классификации адронов, еще неясно. В
начале 1970 г. в научных журналах было опубликовано несколько работ, авторы
которых заявляли об обнаружении кварков в космических лучах, однако пока
что это не подтверждено. Если кварки и в самом деле существуют в природе,
то из этого факта мы сможем вывести целый ряд замечательных следствий. В
частности, космогонические теории и теории источников энергии излучения
звезд придется коренным образом пересмотреть. Далее, кварки смогут
выступать в роли эффективных катализаторов ядерных реакций. Вполне
возможно, что по крайней мере один из трех кварков окажется стабильным и не
будет распадаться, а может быть, и все три кварка будут стабильными.
Природные и «самодельные» кварки
Успех кварковой модели и желание свести многообразие частиц к
нескольким фундаментальным заставляют физиков искать кварки в природе.
Кваркам естественно приписать большую массу. Но рождение частиц с
большой массой требует больших кинетических энергий, поэтому поиски кварков
следует вести в таких условиях (естественно или искусственно созданных),
когда имеется возможность трансформации большой порции кинетической энергии
в энергию покоя (массу). Связь между массой кварка m q и минимальной
кинетической энергией, бомбардирующей частицы Тмин, необходимой для
рождения кварка этой массы, зависит от типа реакции, в которой образуется
кварк. В соответствии с законами сохранения образование кварка может
происходить только в паре с антикварком.
Минимальная энергия, необходимая для рождения кварка массой m q
m q m p 3m p 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 образования кварка при соударении двух протонов получается
следующая зависимость Тмин от предполагаемого значения m q:
Тмин=2(m q /m p) (2m p + m q) c
В таблице приведены значения Тмин, вычисленные по данной формуле в
разных предположениях о значении массы кварка. Существуют соображения, из
которых следует, что при данной энергии Т могут рождаться частицы большей
массы, чем указано 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 в расчетах. Из таблицы видно, что кварки массой m q < 3
m p имеет смысл искать среди частиц, образующихся в мишенях ускорителей
протонов на энергию 30 ГэВ, кварки массой m q < 5 m p - в мишенях
ускорителей на энергию 70 ГэВ и т.д.
Для выделения кварков из огромного числа других, рождающихся в мишени
ускорителя, можно воспользоваться их специфическими свойствами,
обусловленными дробностью электрического заряда. Например, пониженной
ионизирующей способностью. Ионизирующая способность заряженной частицы
изменяется пропорционально 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 опыты были действительно предприняты сначала
на ускорителях в ЦЕРНе и в Брукхейвенской лаборатории, затем в Серпухове,
а потом снова в ЦЕРНе на ускорителе протонов до энергии 400 ГэВ и в Батавии
на ускорителе протонов до энергии 500 ГэВ, но они не дали положительного
результата. Это означает, что либо масса кварков превышает 15 протонных
масс, либо они рождаются с гораздо меньшей вероятностью, чем предполагали,
либо, наконец, кварков в свободном виде нет вообще.
Кварки, рожденные космическим излучением
В составе космического излучения имеются протоны энергией выше 500
ГэВ. Эти протоны в соударениях с ядрами атмосферы могут рождать кварки,
даже если их масса превышает 15 m p. Кварки, рожденные космическим
излучением, можно пытаться регистрировать при помощи детекторов,
чувствительных к ионизации, вызываемой быстродвижущимися частицами с
дробным электрическим зарядом.
Камера Вильсона
Одним из таких детекторов может быть камера Вильсона, следы заряженных
частиц в которой имеют вид цепочек из капелек жидкости. Эти капельки
образуются в результате
Конденсации пересыщенного пара на ионах, возникающих вдоль траектории
заряженной частицы. Ионизирующая способность кварка составляет 1/9 или 4/9
ионизирующей способности электрона. Поэтому плотность капелек на следе
кварка должна быть в 9 раз меньше, чем на следе электрона. В свое время в
печати появились работы, в которых сообщалось об обнаружении частиц с 50%-
ной ионизирующей способностью. Однако впоследствии оказалось, что
полученные результаты являются сильной флюктуацией ионизирующей способности
обычной частицы с z=1.
Концентрация кварков в водных бассейнах Земли
Кварки пытаются «вылавливать» не только из падающего на Землю
космического излучения, но и из земных водных бассейнов. Естественно
считать, что кварки, возникающие при взаимодействии космических частиц с
атомными ядрами атмосферы, становятся центрами конденсации водяных паров,
падают вместе с дождем на землю и в конце концов попадают в озера, моря и
океаны. Так как описанный механизм образования кварков действует постоянно,
а распадаться они не могут*, концентрация кварков в водных бассейнах Земли
должна непрерывно возрастать с течением времени.
* В свя
| |  скачать работу |
Кварки |
