Антибарион – из трех антикварков .

Мезоны состоят из пар  кварк–антикварк.

С принятием гипотезы кварков удалось создать стройную систему элементарных частиц. Однако предсказанные свойства этих гипотетических частиц оказались довольно неожиданными. Электрический заряд кварков должен выражаться дробными числами, равными 2/3 и 1/3 элементарного заряда.

 Таблица 59.2

Тип кварка / антикварка	Электри-ческий заряд	Барион-ный заряд	Спин	Очарование, С	Цвет
u	+2/3	+1/3	1/2	0	Желтый, синий, красный
d	-1/3	+1/3	1/2	0	То же
s	-1/3	+1/3	1/2	0	То же
	-2/3	-1/3	1/2	0	Фиолетовый, оранжевый, зеленый
d	+1/3	-1/3	1/2	0	То же
s	+1/3	-1/3	1/2	0	То же

 

  Каждый кварк может существовать в трех «окрашенных» формах: желтой, синей, красной (смесь этих цветов дает «нулевой» белый цвет).

Сочетание цветов кварков в адронах должно быть таким, чтобы средний цвет адрона был нулевым (т.е. адрон был бесцветным).

Например, в состав протона входят кварки: u (желтый), u (синий), d (красный).

В сумме получается белый цвет.

Антикварки считаются окрашенными в дополнительные цвета (антицвета), дающие в сумме с цветом нулевой цвет. Следовательно, мезоны, состоящие из кварка и антикварка, также имею нулевой цвет.

Антицветом для желтого является фиолетовый, для синего – оранжевый, для красного – зеленый.

В основном же цвет кварка (подобно знаку электрического заряда) стал выражать различие в свойстве, определяющем взаимное притяжение и отталкивание кварков.

По аналогии с квантами различных полей были введены частицы- переносчики взаимодействия между кварками – глюоны. Глюоны переносят цвет от одного кварка к другому, в результате чего кварки удерживаются вместе.

 Таблица 59.3.

Частица	Состав	Электри-ческий заряд	Барионный заряд	Взаимная ориентация спинов кварков	Спин частицы
p^+	ud	+1	0	↑↓	0
p^-	d u	-1	0	↑↓	0
p	uud	+1	+1	↑↓↑	½
n	udd	0	+1	↑↓↑	1/2

 

 Многочисленные поиски кварков в свободном состоянии, производившиеся на ускорителях высоких энергий и в космических лучах, оказались безуспешными. Ученые считают, что одной из причин ненаблюдаемости свободных кварков являются, возможно, их очень большие массы. Это препятствует рождению кварков при тех энергиях, которые достигаются на современных ускорителях. Тем не менее, большинство специалистов сейчас уверены в том, что кварки существуют внутри тяжелых частиц – адронов.

В 30-е годы XX века возникла гипотеза о том, что в мире элементарных частиц взаимодействия осуществляются посредством обмена квантами какого-либо поля.

Эта гипотеза первоначально была выдвинута нашими соотечественниками И. Е. Таммом и Д. Д. Иваненко. Они предположили, что фундаментальные взаимодействия возникают в результате обмена частицами, подобно тому, как ковалентная химическая связь атомов возникает при обмене валентными электронами, которые объединяются на незаполненных электронных оболочках.

Взаимодействие, осуществляемое путем обмена частицами, получило в физике название обменного взаимодействия. Так, например, электромагнитное взаимодействие между заряженными частицами, возникает вследствие обмена фотонами – квантами электромагнитного поля.

Теория обменного взаимодействия получила признание после того, как в 1935 г. японский физик Х. Юкава теоретически показал, что сильное взаимодействие между нуклонами в ядрах атомов может быть объяснено, если предположить, что нуклоны обмениваются гипотетическими частицами, получившими название мезонов.

Юкава вычислил массу этих частиц, которая оказалась приблизительно равной 300 электронным массам. Частицы с такой массой были впоследствии действительно обнаружены. Эти частицы получили название π-мезонов (пионов). В настоящее время известны три вида пионов: π⁺, π^– и π⁰ (см. табл. 59.1).

В 1957 году было теоретически предсказано существование тяжелых частиц, так называемых векторных бозонов W⁺, W^– и Z⁰, обуславливающих обменный механизм слабого взаимодействия.

Эти частицы были обнаружены в 1983 году в экспериментах на ускорителе на встречных пучках протонов и антипротонов с высокой энергией. Открытие векторных бозонов явилось очень важным достижением физики элементарных частиц. Это открытие ознаменовало успех теории, объединившей электромагнитное и слабое взаимодействия в единое так называемое электрослабое взаимодействие. Эта новая теория рассматривает электромагнитное поле и поле слабого взаимодействия как разные компоненты одного поля, в котором наряду с квантом участвуют векторные бозоны.

После этого открытия в современной физике значительно возросла уверенность в том, что все виды взаимодействий тесно связаны между собой и, по существу, являются различными проявлениями некоторого единого поля. Однако объединение всех взаимодействий остается пока лишь привлекательной научной гипотезой.

Физики-теоретики прилагают значительные усилия, чтобы рассмотреть на единой основе не только электромагнитное и слабое, но и сильное взаимодействие. Эта теория получила название Великого объединения.

Ученые предполагают, что и у гравитационного взаимодействия должен быть свой переносчик – гипотетическая частица, названная гравитоном. Однако эта частица до сих пор не обнаружена.

В настоящее время считается доказанным, что единое поле, объединяющее все виды взаимодействия, может существовать только при чрезвычайно больших энергиях частиц, недостижимых на современных ускорителях. Такими большими энергиями частицы могли обладать только на самых ранних этапах существования Вселенной, которая возникла в результате так называемого Большого взрыва (Big Bang). Космология – наука об эволюции Вселенной – предполагает, что Большой взрыв произошел 18 миллиардов лет тому назад. В стандартной модели эволюции Вселенной предполагается, что в первый период после взрыва температура могла достигать 10³² К, а энергия частиц E = kT достигать значений 10¹⁹ ГэВ. В этот период материя существовала в форме кварков и нейтрино, при этом все виды взаимодействий были объединены в единое силовое поле. Постепенно по мере расширения Вселенной энергия частиц уменьшалась, и из единого поля взаимодействий сначала выделилось гравитационное взаимодействие (при энергиях частиц ≤ 10¹⁹ ГэВ), а затем сильное взаимодействие отделилось от электрослабого (при энергиях порядка 10¹⁴ ГэВ). При энергиях порядка 10³ ГэВ все четыре вида фундаментальных взаимодействий оказались разделенными. Одновременно с этими процессами шло формирование более сложных форм материи – нуклонов, легких ядер, ионов, атомов и т. д. Космология в своей модели пытается проследить эволюцию Вселенной на разных этапах ее развития от Большого взрыва до наших дней, опираясь на законы физики элементарных частиц, а также  ядерной и атомной физики.

Кварки (В = 1/3; L _sz= ħ/2)

Таблица 59.4

Квантовые числа
Название	Электр. заряд, Q	Шарм C	Странность S	Исти на t	Кра-сота В	Мас-са ГэВ
U (up-«вверх»)	+2/3	0	0	0	0	0,3
D(down-«вниз»)	–1/3	0	0	0	0	0,3
С (charm -«очарованный»)	+2/3	1	0	0	0	1,5
S(strange-«странный»)	–1/3	0	–1	0	0	0.5
T (truth-«истинный»)	+2/3	0	0	+1	0	1.8
B (beauty -«красивый»)	–1/3	0	0	0	1	4.9

 

«Цвет» - квантовое число, характеризующее кварки и глюоны (английское слово glue означает «клей»).

Глюоны – это гипотетические электрически нейтральные частицы с полуцелым спином и нулевой массой покоя, являющиеся переносчиком взаимодействия между кварками.

Кварки непрерывно испускают и поглощают глюоны, создавая глюонное поле, которое действует на другие кварки.

Глюоны являются «окрашенными» частицами.

Поэтому при испускании глюонов «цвет» кварков изменяется, но их «аромат» охраняется.

Например, кварк u не может превратиться в кварк d.

Глюоны взаимодействуют и друг с другом, обмениваясь «цветом».

Теория взаимодействия «цветных» кварков и глюонов называется квантовой хронодинамикой.

Согласно этой теории сила взаимодействия между кварками не убываетс увеличением расстояния между ними. Поэтому кварки могут существовать только внутри адронов и в принципе не могут наблюдаться в свободном состоянии.

Невозможность вырывания кварка из адрона называется удержа-нием кварка или конфайнментом (английское слово confinement означает «тюремное заключение»).

Другой отличительной особенностью кварков является их асимптотическая свобода: при малых расстояниях кварки ведут себя как свободные частицы.

В экспериментах по рассеянию электронов на нуклонах было обнаружено существование в адронах точечных образований, названных партонами (латинское слово partus означает «часть»).

Оценки электрических зарядов партонов оказались очень близкими к дробным электрическим зарядам кварков. В модели партонов считается, что адроны участвуют в реакциях лишь некоторой своей частью – партоном. Существует гипотеза, отождествляющая партоны с другими кварками.