Астронет > Фундаментальные частицы

по текстам по ключевым словам в глоссарии по сайтам перевод по каталогу

Фундаментальные частицы

С. А. Славатинский (Московский физико-технический институт, Долгопрудный Московской обл.)
Опубликовано в Соросовском образовательном журнале, N 2, 2001 г. Содержание

Кварковую модель адронов начнем описывать с рисунка силовых линий, исходящих из источника - кварка с цветным зарядом и заканчивающихся на антикварке (рис. 2, б ). Для сравнения на рис. 2, а мы показываем, что в случае электромагнитного взаимодействия силовые линии расходятся от их источника - электрического заряда веером, ибо виртуальные фотоны, испущенные одновременно источником, не взаимодействуют друг с другом. В результате получаем закон Кулона.

Схема силовых линий электрического поля в электростатике (а) и глюонного поля между кварком и антикварком (б), а также схема разрыва жгута при его большом растяжении (в)

Рис. 2.Схема силовых линий электрического поля в электростатике (а) и глюонного поля между кварком и антикварком (б), а также схема разрыва жгута при его большом растяжении (в)

В отличие от этой картины глюоны сами обладают цветными зарядами и сильно взаимодействуют друг с другом. В результате вместо веера из силовых линий мы имеем жгут, показанный на рис. 2, б. Жгут протянут между кварком и антикварком, но самое удивительное то, что сами глюоны, имея цветные заряды, становятся источниками новых глюонов, число которых нарастает по мере их удаления от кварка. Такая картина взаимодействия соответствует зависимости потенциальной энергии взаимодействия между кварками от расстояния между ними, показанной на рис. 3. А именно: до расстояния R < 10^-13 см зависимость U(R ) имеет воронкообразный характер, причем сила цветного заряда в этой области расстояний относительно невелика, так что кварки при R < 10^-15 cм в первом приближении можно рассматривать как свободные, невзаимодействующие частицы. Это явление имеет специальное название асимптотической свободы кварков при малых R. Однако при R больше некоторого критического $R_{kp}љ\approxљ{10}^{-13}$ cм величина потенциальной энергии взаимодействия U(R ) становится прямо пропорциональной величине R. Отсюда прямо следует, что сила F = - dU / dR =љconst, то есть не зависит от расстояния. Никакие другие взаимодействия, которые физики ранее изучили, не обладали столь необычным свойством [Намбу И., 1978].

Рис. 3.Зависимость потенциальной энергии взаимодействия кварка с антикварком от расстояния между ними

Расчеты показывают, что силы, действующие между кварком и антикварком, действительно, начиная с $R_{kp}љ\approx {10}^{-13}$ см, перестают зависеть от расстояния, оставаясь на уровне огромной величины, близкой 20 т. На расстоянии $R \sim {10}^{-12}$ см (равном радиусу средних атомных ядер) цветные силы более чем в 100 тыс. раз больше электромагнитных сил. Если сравнить цветную силу с ядерными силами между протоном и нейтроном внутри атомного ядра, то оказывается, что цветная сила в тысячи раз больше! Таким образом, перед физиками открылась новая грандиозная картина цветных сил в природе, на много порядков превышающих ныне известные ядерные силы. Конечно, сразу же возникает и вопрос о том, можно ли такие силы заставить работать как источник энергии. К сожалению, ответ на этот вопрос отрицательный.

Естественно, встает и другой вопрос: до каких расстояний R между кварками потенциальная энергия линейно растет с ростом R ? Ответ простой: при больших расстояниях жгут силовых линий рвется, так как энергетически более выгодно образовать разрыв с рождением кварк-антикварковой пары частиц. Это происходит, когда потенциальная энергия в месте разрыва больше массы покоя кварка и антикварка. Процесс разрыва жгута силовых линий глюонного поля показан на рис. 2, в.

Такие качественные представления о рождении кварка-антикварка позволяют понять, почему одиночные кварки вообще не наблюдаются и не могут наблюдаться в природе. Кварки навечно заключены внутри адронов. Это явление невылета кварков называется конфайнментом [Намбу И., 1978]. При высоких энергиях жгуту может быть выгоднее разорваться сразу во многих местах, образовав множество $q\tilde{q}$ -пар. Таким путем мы подошли к проблеме множественного рождения кварк-антикварковых пар и образованию жестких кварковых струй.

Рассмотрим сначала строение легких адронов, то есть мезонов. Они состоят, как мы уже говорили, из одного кварка и одного антикварка.

Чрезвычайно важно, что оба партнера пары имеют при этом одинаковый цветной заряд и такой же антизаряд (например, кварк синий и антикварк антисиний), так что их пара независимо от ароматов кварков не имеет цвета (а только бесцветные частицы мы и наблюдаем).

Все кварки и антикварки имеют спин (в долях от h), равный 1/2. Поэтому суммарный спин сочетания кварка с антикварком равен либо 0, когда спины антипараллельны, либо 1, когда спины параллельны друг другу. Но спин частицы может быть и больше 1, если сами кварки вращаются по каким-либо орбитам внутри частицы.

В табл. 3 приведены некоторые парные и более сложные комбинации кварков с указанием, каким известным ранее адронам данное сочетание кварков соответствует.

Таблица 3. Кварковый состав некоторых адронов

Кварки	Мезоны		Кварки	Барионы
	J = 0	J = 1		J = 1/2	J = 3/2
	частицы	резонансы		частицы	резонансы
$u\tilde{d}$	${\pi}^{+}$ (пион+)	${\rho}^{+}$ (ро+)	uuu		${\Delta}^{++}$ (дельта++)
$\tilde{u}d$	${\pi}^{-}$ (пион-)	${\rho}^{-}$ (ро-)	uud	p (протон)	${\Delta}^{+}$ (дельта+)
$u\tilde{u} - d\tilde{d}$	${\pi}^{0}$ (пион0)	${\rho}^{0}$ (ро0)	udd	n (нейтрон)	${\Delta}^{0}$ (дельта0)
$u\tilde{u} + d\tilde{d}$	$\eta$ (эта)	w (омега)	ddd		${\Delta}^{-}$ (дельта-)
$d\tilde{s}$	k⁰ (каон0)	k^0* (каон0*)	uus	${\Sigma}^{+}$ (сигма+)	${\Sigma}^{+}$ (сигма+)
$u\tilde{s}$	k⁺ (каон+)	k^+* (каон+*)	uds	${\Lambda}^{0}$	${\Sigma}^{0}$ (сигма0)
$\tilde{u}s$	k^- (каон-)	k^-* (каон-*)	dds	${\Sigma}^{-}$ (сигма-)	${\Sigma}^{-}$ (сигма-)
$c\tilde{d}$	D⁺ (дэ+)	D^+* (дэ+*)	uss	${\Xi}^{0}$ (кси0)	${\Xi}^{0}$ (кси0)
$c\tilde{s}$	D_s⁺ (дэ-эс+)	D_s^+* (дэ-эс+*)	dss	${\Xi}^{-}$ (кси-)	${\Xi}^{-}$ (кси-)
$c\tilde{c}$	Чармоний	$J/\psi$ (джей-пси)	sss	${\Omega}^{-}$ (омега-)
$b\tilde{b}$	Боттоний	Ипсилон	udc	${{\Lambda}_{c}}^{+}$ (лямбда-цэ+)
$c\tilde{u}$	D⁰ (дэ0)	D^0* (дэ0*)	uuc	${{\Sigma}_{c}}^{++}$ (сигма-це++)
$b\tilde{u}$	B^- (бэ-)	B^* (бэ*)	udb	$\Lambda_{b}$ (лямбда-бэ)

Назад | Вперед

Публикации с ключевыми словами: элементарные частицы - кварки - физика высоких энергий
Публикации со словами: элементарные частицы - кварки - физика высоких энергий

См. также:

Бозон Хиггса: объяснение в комиксе

Связь кварков с космосом: двенадцать научных вопросов для нового века

Публичная лекция лауреата Нобелевской премии: Рождение творческих идей

Эволюция вселенной

Лептоны

Элементарные частицы

Ее звали Икс

Все публикации на ту же тему >>

Мнение читателя [1]

Версия для печати

Астрометрия - Астрономические инструменты - Астрономическое образование - Астрофизика - История астрономии - Космонавтика, исследование космоса - Любительская астрономия - Планеты и Солнечная система - Солнце

Фундаментальные частицы

Кварковая модель адронов