 |
 |
 |
 |
|
 |
 |
158
10.3.2. Теория кварков
Теория кварков — это теория строения адронов *. Основная идея этой теории очень проста: все
адроны построены из более мелких частиц — кварков. Кварки несут дробный электрический заряд,
который составляет либо -1/3, либо +2/3 заряда электрона. Комбинация из двух и трех кварков может
иметь суммарный заряд, равный нулю или единице. Все кварки имеют спин 1/2, следовательно,
относятся к фермионам. Основоположники теории кварков Гелл-Манн и Цвейг, чтобы учесть все
известные в 60-е гг. адроны ввели три сорта (аромата) кварков: u (от
up
- верхний),
d (от
down
-
нижний) и s (от strange - странный).
* Термин «кварк» выбран совершенно произвольно. В романе Дж. Джойса «Поминки по Финнегану» герою снится сон,
в котором мечущиеся над бурным морем чайки кричат резкими голосами: «Три кварка для мистера Марка!» Такая
произвольность вполне созвучна абстрактно-ненаглядному характеру понятий современных физических теорий.
Кварки могут соединяться друг с другом одним из двух возможных способов: либо тройками, либо
парами кварк — антикварк. Из трех кварков состоят сравнительно тяжелые частицы — барионы;
наиболее известные барионы — нейтрон и протон. Более легкие пары кварк — антикварк образуют
частицы, получившие название мезоны. Например, протон состоит из двух u- и одного d-кварка (uud),
а нейтрон — из двух d-кварков и одного u-кварка (udd). Чтобы это «трио» кварков не распадалось,
необходима удерживающая их сила, некий «клей».
Оказалось, что результирующее взаимодействие между нейтронами и протонами в ядре
представляет собой просто остаточный эффект более мощного взаимодействия между самими
кварками. Это объяснило, почему сильное взаимодействие кажется столь сложным. Когда протон
«прилипает» к нейтрону или другому протону, во взаимодействии участвуют шесть кварков, каждый
из которых взаимодействует со всеми остальными. Значительная часть энергии тратится на прочное
«склеивание» трио кварков, а небольшая — на скрепление двух трио кварков друг с другом *.
* Но выяснилось, что кварки участвуют и в слабом взаимодействии, которое может изменять аромат кварка. Именно
так происходит распад нейтрона. Один из d-кварков в нейтроне превращается в u-кварк, а избыток заряда уносит рождаю-
щийся одновременно электрон. Аналогичным образом, изменяя аромат, слабое взаимодействие приводит к распаду и
других адроиов.
То обстоятельство, что из различных комбинаций трех основных частиц можно получить все
известные адроны, стало триумфом теории кварков *. Но в 70-е гг. были открыты новые адроны (пси-
частицы, ипсилон-мезон и др.). Этим был нанесен чувствительный удар первому варианту теории
кварков, поскольку в том варианте теории уже не было места ни для одной новой частицы. Все
возможные комбинации из кварков и их антикварков были уже исчерпаны. Проблему удалось решить
за счет введения трех новых ароматов. Они получил название — charm (очарование) или с; b-кварк (от
beauty — красота или прелесть); впоследствии был введен еще один аромат — t (от top- верхний).
* В 1969 г., удалось получить прямые физические доказательства существования кварков в серии экспериментов по
рассеянию (разогнанных до высоких энергий) электронов на протонах. Эксперимент показал, что рассеяние электронов
происходило так, как если бы электроны налетали на крохотные твердые вкрапления и отскакивали от них под самыми
невероятными углами. Такими твердыми вкраплениями внутри протонов являются кварки.
Кварки скрепляются между собой сильным взаимодействием. Переносчики сильного
взаимодействия — глюоны (цветовые заряды). Область физики элементарных частиц, изучающая
взаимодействие кварков и глюонов, носит название квантовой хромодинамики. Как квантовая
электродинамика — теория электромагнитного взаимодействия, так квантовая хромодинамика —
теории сильного взаимодействия.