Теория кварков: что такое кварки и их место в современной физике

Теория кварков

В середине XX века количество известных учёным адронов - тяжёлых частиц, участвующих в сильных ядерных взаимодействиях, - стремительно росло и превысило несколько десятков. Такое изобилие частиц поставило физику перед вопросом: действительно ли они все являются предельно элементарными? Всё больше становилось очевидно, что эти частицы, по всей вероятности, строятся из более простых структурных единиц.

В 1964 году физики Мюррей Гелл-Манн и Джордж Цвейг, работая независимо, предложили принципиально новый взгляд на природу адронов. Суть гипотезы заключалась в существовании неизвестных ранее самых элементарных частиц, которые впоследствии назвали кварками.

В свободном состоянии в природе они не встречаются и существуют только в составе более сложных частиц.

Появление теории кварков стало логическим следствием фундаментальных экспериментов. При рассеянии быстрых электронов на нуклонах было выявлено, что протоны и нейтроны имеют сложную структуру в отличие от точечных электронов. Этот факт стал ключом к новому пониманию строения материи на глубинном уровне.

Название «кварк» М. Гелл-Манн позаимствовал из произведения Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану» – оно не имеет однозначного смысла, подразумевая нечто необычное и загадочное. Дж. Цвейг называл эти гипотетические объекты «тузами», однако этот термин не был принят научным сообществом.

Фундаментальные свойства кварков

На сегодняшний день научное сообщество подтверждает существование шести различных типов кварков, каждый из которых обладает своим уникальным «ароматом», то есть набором квантовых чисел.

Параллельно в рамках теоретических исследований обсуждается предположение, что кварки могут иметь ещё более сложную внутреннюю структуру и состоять из гипотетических частиц — преонов. Однако эта концепция пока не имеет подтверждения опытным путём. Также астрономы высказывают гипотезу о возможности существования кварковых звёзд — экзотических объектов, полностью состоящих из «кварковой материи», в которой свободно перемешаны разные типы кварков. Считается, что такие объекты могут находиться на переходном этапе между нейтронными звёздами и чёрными дырами.

Чтобы получить из кварков такие частицы с нужным зарядом, как протон (заряд +1) и нейтрон (заряд 0), необходимо, чтобы собственный заряд кварков был дробным. В дополнение к этому их спины также полуцелые, что при определённой конфигурации даёт наблюдаемый спин адронов, равный 1/2. Таким образом, барионы (протоны, нейтроны и подобные частицы) формируются из трёх кварков, а мезоны — из пар кварк–антикварк.

• Барионы состоят из трёх кварков разнообразных «ароматов».
• Мезоны включают по одному кварку и одному антикварку.

Отличительной чертой кварков является именно их дробный заряд, который может быть -1/3 или +2/3 по отношению к величине заряда электрона.

Как открывались и классифицировались кварки

До середины 1970-х годов все известные науке адроны удавалось объяснить с помощью трёх разновидностей кварков: верхнего (u), нижнего (d) и странного (s). Эта схема позволяла просто и прозрачно описывать свойства большинства наблюдаемых частиц без лишних усложнений.

Ситуация изменилась в 1974 году после сенсационного открытия новой частицы, получившей название J/ψ-мезон. Эта частица отличалась очень большой массой и необыкновенно длительным временем жизни, превышавшим привычные значения в сотни раз. Следующие исследования показали, что новая частица построена с участием неизвестного ранее сорта кварка — c-кварка («очарованного»).

Ещё через три года, в 1977 году, открыли ипсилон-мезоны, что привело к введению пятого типа кварка — b-кварка («прелестного» или «красивого»). Последний, шестой кварк, которому дали обозначение t («истинный»), был открыт около 1995 года и оказался самым массивным среди открытых элементарных частиц.

Кроме «аромата», у кварков есть ещё одно значимое квантовое число — «цвет». Каждый кварк может быть «красным», «зелёным» или «синим». Это лишь условные названия, смысл которых связан только с необходимостью соблюдения принципа Паули (исключения), запрещающего нахождение идентичных фермионов в одном квантовом состоянии. Теория цветового заряда была выдвинута в 1965 году Н. Боголюбовым, Б. Струминским и А. Тавхелидзе, а также независимыми зарубежными исследователями М. Ханом и Й. Намбу. Позднее она полностью подтвердилась в ходе экспериментов.

Теория кварков: краткое описание и структура

Со временем гипотеза о том, что адроны сложны по своей природе, сформировалась в стройную физическую концепцию — теорию кварков. Эта теория легла в основу Стандартной модели — общепризнанной схемы описания фундаментальных взаимодействий и элементарных частиц.

Электрический заряд кварков принимает дробные значения: +2/3 или -1/3. Благодаря этому, их комбинации могут давать наблюдаемые в природе целые заряды: 0, +1, -1. Всех кварков объединяет спин 1/2, поэтому они относятся к группе фермионов. Классификация кварков по «ароматам» изначально выглядела так:

• u (up) — верхний кварк
• d (down) — нижний кварк
• s (strange) — странный кварк

Для стабильности подобных кварковых комплексов требуется значительное удерживающее взаимодействие. Такую роль исполняет сильное ядерное взаимодействие, объединяющее кварки внутри каждого нуклона (протона, нейтрона). Если посмотреть на взаимодействие между двумя нуклонами в атомном ядре, то окажется, что в процесс включаются шесть кварков, между которыми действует сложная система силовых связей.

В качестве кваркового «клея» выступают глюоны — безмассовые частицы-переносчики сильного взаимодействия. Именно обмен глюонами отвечает за прочную сцепку кварков друг с другом. Этот процесс подробно изучается квантовой хромодинамикой (КХД) — современным разделом физики, призванным описывать все аспекты «цветовых сил». Грубо говоря, если квантовая электродинамика занимается всеми электромагнитными процессами через фотоны, то КХД исследует, как глюоны связывают кварки.

Большинство специалистов считает, что на сегодня кварки — действительно элементарные объекты, неделимые, не обладающие собственным строением. В этом они схожи с лептонами (электроном, мюоном, нейтрино и др.), что, возможно, свидетельствует о глубинной связи этих двух групп. В ряде теорий рассматривается даже схема единого происхождения кварков и лептонов на сверхмалых масштабах.