Кварки

Основные характеристики кварков

Обозначение	Название сорта кварка [его аромат]	Электрический заряд	Барионный заряд
d	down - вниз*	-1/3	+1/3
u	up - вверх*	+2/3	+1/3
s	strange - странный [странность, S= -1]	-1/3	+1/3
c	charm - очарованный [очарование, C= +1]	+2/3	+1/3
b	beauty - красивый (прелестный) [красота (прелесть), В =+1]	-1/3	+1/3
t	top - верхний**, truth - правдивый	+2/3	+1/3

* Название аромата отсутствует, и соответствующее аддитивное квантовое число не употребляется.
** Общепринятого названия аромата нет.

Существует, по крайней мере, пять сортов различных К. (см. табл.). Предполагается существование шестого К. - t-кварка. К. принято характеризовать т.н. ароматом (странностью, очарованием, красотой, прелестью), т.е. специфич. зарядом (аддитивным квантовым числом, не являющимся источником взаимодействия). Аромат К. переносится на частицы, в состав к-рых входит данный К. Величина этого заряда позволяет классифицировать различные адроны (напр., адроны со странностью -1, адроны с очарованием +1). Поскольку К. и его антикварк имеют все заряды противоположных знаков, в истинно нейтральных мезонах, состоящих из К. и соответствующих антикварков, аромат К. явно не проявляется. Такие мезоны обладают скрытым ароматом. Напр., -частица с массой 3,095 ГэВ, состоящая из очарованного c-кварка и его антикварка, обладает скрытым чармом (очарованием). В сильных и эл.-магн. взаимодействиях аромат К. сохраняется, т.е. сохраняется полное число К. данного аромата минус число соответствующих антикварков. Поэтому в процессах сильного и эл.-магн. взаимодействий странные, очарованные, красивые и т.п. частицы могут образовываться только парами. Напр., -гиперон, в состав к-рого входит s-кварк, образуется в адронных столкновениях (процессах сильного взаимодействия) только в паре с K⁺- или К⁰-мезонами, в состав к-рых также входит -кварк. Аромат К. может изменяться только в процессах слабого взаимодействия. Напр., в -распаде нейтрона np+e происходит превращение d-кварка нейтрона в u-кварк конечного протона.

Первоначально в составных моделях К. выступали скорее как удобный элемент теоретич. описания симметрии адронов и их взаимодействий, нежели как реальные физ. объекты. Вопрос о реальности существования К. усложнялся тем, что свободные К. не были обнаружены ни в экспериментах на ускорителях, ни в космических лучах. Этот вопрос, по-видимому, разрешается совр. теорией сильного взаимодействия - квантовой хромодинамикой (КХД) (см. Заряд, Элементарные частицы). Эта теория основана на предположении, что К. каждого сорта (аромата) выступают в трёх различных модификациях, характеризуемых новым специфич. св-вом - т.н. цветом (красным, синим или зелёным). Цвет К. явл. строго сохраняющимся зарядом, что позволяет естественным образом ввести взаимодействие между К., обусловленное наличием у них цветового заряда. Взаимодействие К. происходит за счёт обмена квантами цветового поля - глюонами. Напр., красный К., испуская глюон, превращается в синий К. Поскольку глюоны обладают цветовым зарядом, они сами явл. источником глюонного поля. Это св-во глюонов приводит к специфич. закону изменения взаимодействия К. с расстоянием. На малых расстояниях ( см) взаимодействие между К. в нуклоне практически отсутствует. С увеличением расстояния между К. их цветовое взаимодействие растёт. На расстояниях ~ 10¹³ см цветовое взаимодействие становится столь сильным, что препятствует дальнейшему увеличению расстояния между К. (или глюонами, между к-рыми действуют те же цветовые силы). Так объясняется связывание или удержание (конфайнмент) К. и глюонов в адронах ("невылетание" свободных К. и глюонов из адронов). Цветовой заряд К. (и антикварков), связанных в адроны, полностью экранируется. Адроны явл. белыми (бесцветными - не имеющими цветового заряда) составными частицами.

КХД позволяет описывать не только состояния адронов, но и процессы взаимодействия, в к-рых они участвуют. При таком описании реакция с участием адрона рассматривается как совокупность кварковых процессов. Предполагая, что кварковые процессы происходят одинаково в различных адронах, можно получить связь между сечениями реакций различных элементарных частиц, к-рая хорошо согласуется с экспериментальными данными. Согласно КХД, наблюдаемые процессы аннигиляции электронов и позитронов высоких энергий с образованием адронов происходят в два этапа. На первом этапе электрон и позитрон аннигилируют в пару, состоящую из быстрых К. и антикварка. На втором этапе в растущем с увеличением расстояния между образовавшимися К. и антикварком глюонном поле начинается рождение пар К. и антикварков. Начальные К. и антикварк, взаимодействуя с вторичными К., антикварками и глюонами, формируют две струи адронов, сохраняющие направление движения начальных К. и антикварка. Наблюдение двух адронных струй на встречных электрон-позитронных пучках может поэтому рассматриваться как доказательство существования К. и антикварков.

Ядерная материя как совокупность взаимодействующих К. и глюонов может реализовываться в астрофизич. условиях при темп-рах К (300 МэВ) или при плотностях, превышающих 10¹⁵-10¹⁶ г/см³. Такие условия могут существовать в сверхплотном веществе в недрах нейтронных звёзд и на очень ранних стадиях расширения Вселенной (см. Модель горячей Вселенной). Если бы К. могли существовать в свободном состоянии, то часть космологич. К. могла бы сохраниться во Вселенной к настоящему времени. Расчёты концентрации этих реликтовых свободных К. в совр. Вселенной показали, что предположение о возможности существования свободных К. противоречит вытекающим из наблюдений ограничениям на их допустимую концентрацию. Этот результат стал одним из важнейших аргументов в пользу гипотезы об отсутствии К. в свободном состоянии.

В процессах сильного, слабого и эл.-магн. взаимодействий полное число К. (количество К. минус количество антикварков) должно сохраняться вследствие сохранения барионного заряда в этих взаимодействиях. Однако в развивающихся в последнее время моделях единой теории поля предсказывается существование новых типов процессов взаимодействия элементарных частиц, не сохраняющих число К. и, следовательно, барионный заряд. Так, предсказывается процесс , к-рый может вызывать распад протона с временем жизни лет (см. Великого объединения модели).

(М.Ю. Хлопов)