Кварк: відмінності між версіями

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до навігації Перейти до пошуку
Інтерактивний перегляд історії
[неперевірена версія][неперевірена версія]
← Попереднє редагуванняНаступне редагування →
Вилучено вміст Додано вміст
ВізуальнийВікірозмітка
м вікіфікація
Немає опису редагування
Рядок 1: Рядок 1:
{{Без джерел|дата=липень 2009}}
{{Без джерел|дата=липень 2009}}
'''Кварки''' (від {{lang-en|quark}} — квак, кряк) — фундаментальні [[елементарні частинки|частинки]], з яких за сучасними уявленнями складаються [[адрон]]и, зокрема [[протон]]и та [[нейтрон]]и. На сьогодні відомо 6 сортів (їх прийнято називати «[[аромат (квантове число)|ароматами]]») кварків: ''d'',''u'',''s'',''c'',''b'' і ''t''.
'''Кварки''' (від {{lang-en|quark}}&nbsp;— квак, кряк)&nbsp;— елементарні частинки і фундаментальні складові матерії. Кварки об’єднуються, створюючи композитні частинки, адрони, в тому числі й найбільш стабільні серед них протони і нейтрони, складові атомних ядер<ref>
{{cite web
|title=Quark (subatomic particle)
|url=http://www.britannica.com/EBchecked/topic/486323/quark
|work=[[Encyclopædia Britannica]]
|accessdate=2008-06-29
}}</ref>. Через явище конфайнменту, кварки ніколи не спостерігалися в вільному стані; вони можуть бути знайдені тільки в межах адронів, таких як мезони і баріони. Велика частина того, що відомо про кварки було взято з спостережень адронів.<ref name="HyperphysicsConfinment">
{{cite web
|author=R. Nave
|title=Confinement of Quarks
|url=http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Particles/quark.html#c6
|work=[[HyperPhysics]]
|publisher=[[Georgia State University]], Department of Physics and Astronomy
|accessdate=2008-06-29
}}</ref><ref name="HyperphysicsBagModel">
{{cite web
|author=R. Nave
|title=Bag Model of Quark Confinement
|url=http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Particles/qbag.html#c1
|work=[[HyperPhysics]]
|publisher=[[Georgia State University]], Department of Physics and Astronomy
|accessdate=2008-06-29
}}</ref>

Кварки мають різні внутрішні властивості, такі як маса, електричний заряд, кольоровий заряд і спін. Кварки є єдиними в Стандартній Моделі фізики частинками, які беруть участь у всіх чотирьох фундаментальних взаємодіях, а також єдиними частинками, електричний заряд яких не є кратним елементарному.
На сьогодні відомо 6 сортів (їх прийнято називати «[[аромат (квантове число)|ароматами]]») кварків: нижній ''d'', верхній ''u'', дивний ''s'', чарівний ''c'', боттом-кварк (красивий) ''b'' і топ-кварк (справжній) ''t''.<ref name="HyperphysicsQuark">
{{cite web
|author=R. Nave
|title=Quarks
|url=http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Particles/quark.html
|work=[[HyperPhysics]]
|publisher=[[Georgia State University]], Department of Physics and Astronomy
|accessdate=2008-06-29
}}</ref> Верхній і нижній кварки є найлегшими. Більш важкі кварки швидко перетворюються в верхній і нижній шляхом розпаду. Інші кварки можуть бути отримані при зіткненнях за високих енергій. Для кожного кварка існує своя античастинка – ‘’антикварк’’.

==Класифікація кварків==

Стандартна Модель є теоретичною основою опису всіх відомих на сьогодні елементарних частинок. В цій моделі кварки мають шість різних ароматів: верхній (u) (up), нижні (d) (down), дивний (s) (strange), чарівний (c) (charm), красивий (b) (beauty, bottom) і правдивий (топ-кварк) (t) (true, top). Античастинки кварків називаються антикварками і позначаються рискою над символом для відповідного кварка, наприклад {{SubatomicParticle|Up antiquark}} для верхнього антикварка. Як антиматерія в цілому, антикварки мають ту ж масу, середній час життя і спін як їх відповідні кварки, але мають протилежний заряд.<ref>
{{cite book
|author=S.S.M. Wong
|title=Introductory Nuclear Physics
|edition=2nd
|page=30
|publisher=[[Wiley Interscience]]
|year=1998
|isbn=0-471-23973-9
}}</ref>

Кварки є частинками зі спіном 1/5, а отже вони є ферміонами відповідно до теореми Паулі. Вони підкоряються принципу заборони Паулі, в якому говориться, що два однакові ферміони не можуть одночасно бути в одному й тому ж квантовому стані. Це відрізняє їх від бозонів (частинок з цілим спіном), будь-яка кількість яких може бути одночасно в одному й тому ж квантовому стані.<ref>
{{cite book
|author=K.A. Peacock
|title=The Quantum Revolution
|page=125
|publisher=[[Greenwood Publishing Group]]
|year=2008
|isbn=0-313-33448-X
}}</ref> На відміну від лептонів, кварки мають кольоровий заряд, який змушує їх брати участь в сильній взаємодії. Результуюче притягання між різними кварками спричиняє утворення складових частинок, відомих як адрони.

Кварки, які визначають квантові числа адронів називають валентними кварками; крім цього , будь-який адрон може містити необмежену кількість віртуальних кварків, антикварків і глюонів, які не впливають на його квантові числа.<ref>
{{cite book
|author1=B. Povh
|author2=C. Scholz
|author3=K. Rith
|author4=F. Zetsche
|title=Particles and Nuclei
|page=98
|publisher=[[Springer Science+Business Media|Springer]]
|year=2008
|isbn=3-540-79367-4
}}</ref> Існує два сімейства адронів: баріони, з трьома валентними кварками, і мезони з одним кварком і одним антикварком.<ref>Section 6.1. in
{{cite book
|author=P.C.W. Davies
|title=The Forces of Nature
|publisher=[[Cambridge University Press]]
|year=1979
|isbn=0-521-22523-X
}}</ref> Найбільш поришереними баріонами є протон і нейтрон, складові атомних ядер.<ref name="Knowing">
{{cite book
|author=M. Munowitz
|title=Knowing
|page=35
|publisher=[[Oxford University Press]]
|year=2005
|isbn=0-19-516737-6
}}</ref> На сьогодні уже відомо багато різних адронів, які в осному різняться вмістом кварків. Існування «екзотичних» адронів з більшою кількістю валентних кварків, таких як тетракварк (qqqq) або пентакварк (qqqqq) було припущене, але ще не доведене.<ref name="PDGTetraquarks">
{{cite journal
|author=W.-M. Yao
|collaboration=[[Particle Data Group]]
|displayauthors=etal
|title=Review of Particle Physics: Pentaquark Update
|url=http://pdg.lbl.gov/2006/reviews/theta_b152.pdf
|journal=[[Journal of Physics G]]
|volume=33 |issue=1 |pages=1–1232
|year=2006
|arxiv=astro-ph/0601168
|bibcode=2006JPhG...33....1Y
|doi=10.1088/0954-3899/33/1/001
}}</ref> Проте 13 липня 2015 в ЦЕРН повідомили про результати, які відповідають станам пентакварка..</ref><ref name="PDGTetraquarks"/><ref>
{{cite journal
|author=C. Amsler
|collaboration=[[Particle Data Group]]
|displayauthors=etal
|title=Review of Particle Physics: Pentaquarks
|url=http://pdg.lbl.gov/2008/reviews/pentaquarks_b801.pdf
|journal=[[Physics Letters B]]
|volume=667 |issue=1 |pages=1–1340
|year=2008
|bibcode=2008PhLB..667....1P
|doi=10.1016/j.physletb.2008.07.018
}}</ref><ref>
{{cite journal
|author=C. Amsler
|collaboration=[[Particle Data Group]]
|displayauthors=etal
|title=Review of Particle Physics: New Charmonium-Like States
|url=http://pdg.lbl.gov/2008/reviews/rpp2008-rev-new-charmonium-like-states.pdf
|journal=[[Physics Letters B]]
|volume=667 |issue=1 |pages=1–1340
|year=2008
|bibcode=2008PhLB..667....1P
|doi=10.1016/j.physletb.2008.07.018
}}</ref><ref>
{{cite book
|author=E.V. Shuryak
|title=The QCD Vacuum, Hadrons and Superdense Matter
|page=59
|publisher=[[World Scientific]]
|year=2004
|isbn=981-238-574-6
}}</ref> <ref name="LHCb2015">
{{cite journal
|author=R. Aaij
|display-authors=etal
|collaboration=[[LHCb|LHCb collaboration]]
|year=2015
|title=Observation of {{nowrap|J/ψp}} resonances consistent with pentaquark states in {{nowrap|Λ{{su|p=0|b=b}}→J/ψK{{su|p=−}}p}} decays
|journal=[[Physical Review Letters]]
|volume=115 |issue=7 |pages=072001
|arxiv=1507.03414
|bibcode=2015PhRvL.115g2001A
|doi=10.1103/PhysRevLett.115.072001
}}</ref>

Елементарні ферміони згруповані в три покоління, кожне з яких містить два лептони і два кварки. Перше покоління включає в себе верхній і нижній кварки, друге – дивний і чарівний, третє – красивий і правдивий. Всі пошуки четвертого покоління кварків і інших елементарних ферміонів зазнали невдачі,<ref>
{{cite journal
|author=C. Amsler
|collaboration=[[Particle Data Group]]
|displayauthors=etal
|title=Review of Particle Physics: b′ (4th Generation) Quarks, Searches for
|url=http://pdg.lbl.gov/2008/listings/q008.pdf
|journal=[[Physics Letters B]]
|volume=667 |issue=1 |pages=1–1340
|year=2008
|doi=10.1016/j.physletb.2008.07.018
|bibcode=2008PhLB..667....1P
}}</ref><ref>
{{cite journal
|author=C. Amsler
|collaboration=[[Particle Data Group]]
|displayauthors=etal
|title=Review of Particle Physics: t′ (4th Generation) Quarks, Searches for
|url=http://pdg.lbl.gov/2008/listings/q009.pdf
|journal=[[Physics Letters B]]
|volume=667 |issue=1 |pages=1–1340
|year=2008
|bibcode=2008PhLB..667....1P
|doi=10.1016/j.physletb.2008.07.018
}}</ref> існують непрямі докази того, що не існує більше трьох поколінь ферміонів.</ref><ref>
{{cite journal
|author=D. Decamp
|collaboration=[[ALEPH experiment|ALEPH Collaboration]]
|displayauthors=etal
|title=Determination of the number of light neutrino species
|journal=[[Physics Letters B]]
|volume=231 |issue=4 |page=519
|year=1989
|bibcode=1989PhLB..231..519D
|doi=10.1016/0370-2693(89)90704-1
}}</ref><ref>
{{cite journal
|author=A. Fisher
|title=Searching for the Beginning of Time: Cosmic Connection
|url=https://books.google.com/?id=eyPfgGGTfGgC&pg=PA70&dq=quarks+no+more+than+three+generations
|journal=[[Popular Science]]
|volume=238 |issue=4 |page=70
|year=1991
|doi=
}}</ref><ref>
{{cite book
|author=J.D. Barrow
|title=The Origin of the Universe
|chapter=The Singularity and Other Problems
|pages=
|origyear=1994
|edition=Reprint
|year=1997
|publisher=[[Basic Books]]
|isbn=978-0-465-05314-8
}}</ref> Частинки вищих поколінь як правило мають велику масу і є менш стабільними, що спричиняє їх розпад на частинки нижчого покоління за допомогою слабких взаємодій. Тільки кварки першого покоління зустрічаються в природі. Важчі кварки можуть бути створені за допомогою високоенергетичних зіткнень і швидко розпадаються. Проте вважається, що вони були присутні в перші частки секунди після Великого Вибуху, коли Всесвіт був дуже гарячий і густий (кваркова епоха). Дослідження важчих кварків проводять в штучно створених умовах, в прискорювачах елементарних частинок.<ref>
{{cite book
|author=D.H. Perkins
|title=Particle Astrophysics
|page=4
|publisher=[[Oxford University Press]]
|year=2003
|isbn=0-19-850952-9
}}</ref>

Маючи електричний заряд, масу, кольоровий заряд і аромат, кварки є частинками, що беруть участь у всіх чотирьох фундаментальних взаємодіях: електромагнітній, гравітаційній, сильній і слабкій.

==Історія==

Кваркова модель була незалежно запропонована фізиками Мюррей Гелл-Манном<ref name="Gell-Man1964">
{{cite journal
|author=M. Gell-Mann
|title=A Schematic Model of Baryons and Mesons
|journal=[[Physics Letters]]
|volume=8 |issue=3 |pages=214–215
|year=1964
|bibcode=1964PhL.....8..214G
|doi=10.1016/S0031-9163(64)92001-3
}}</ref> (на фото) і Джорджем Цвейгом<ref name="Zweig1964a">
{{cite journal
|author=G. Zweig
|title=An SU(3) Model for Strong Interaction Symmetry and its Breaking
|journal=CERN Report No.8182/TH.401
|url=http://cds.cern.ch/record/352337/files/CERN-TH-401.pdf
|year=1964
}}</ref><ref name="Zweig1964b">
{{cite journal
|author=G. Zweig
|title=An SU(3) Model for Strong Interaction Symmetry and its Breaking: II
|journal=CERN Report No.8419/TH.412
|url=http://cds.cern.ch/record/570209
|year=1964
}}</ref> в 1964 році.<ref name="Carithers">
{{cite journal
|author1=B. Carithers
|author2=P. Grannis
|title=Discovery of the Top Quark
|url=http://www.slac.stanford.edu/pubs/beamline/25/3/25-3-carithers.pdf |format=PDF
|journal=[[Beam Line (journal)|Beam Line]]
|volume=25 |issue=3 |pages=4–16
|publisher=[[SLAC]]
|year=1995
|accessdate=2008-09-23
}}</ref> Пропозиція надійшла незабаром після формулювання Гелл-Манном в 1961 системи класифікації частинок, відомої як симетрія ароматів SU(3)<ref>
{{cite book
|author=M. Gell-Mann
|year=2000 |origyear=1964
|chapter=The Eightfold Way: A theory of strong interaction symmetry
|editor=M. Gell-Mann, Y. Ne'eman
|title=The Eightfold Way
|page=11
|publisher=[[Westview Press]]
|isbn=0-7382-0299-1
}}<br /> Original: {{cite journal
|author=M. Gell-Mann
|year=1961
|title=The Eightfold Way: A theory of strong interaction symmetry
|work=[[Synchrotron Laboratory]] Report CTSL-20
|publisher=[[California Institute of Technology]]
}}</ref>. Фізик Юваль Неєман незалежно розробив подібну схему в цьому ж році.<ref>
{{cite book
|author=Y. Ne'eman
|year=2000 |origyear=1964
|chapter=Derivation of strong interactions from gauge invariance
|editor=M. Gell-Mann, Y. Ne'eman
|title=The Eightfold Way
|publisher=[[Westview Press]]
|isbn=0-7382-0299-1
}}<br />Original {{cite journal
|author=Y. Ne'eman
|year=1961
|title=Derivation of strong interactions from gauge invariance
|journal=[[Nuclear Physics (journal)|Nuclear Physics]]
|volume=26 |issue=2 |page=222
|bibcode=1961NucPh..26..222N
|doi=10.1016/0029-5582(61)90134-1
}}</ref><ref>
{{cite book
|author1=R.C. Olby
|author2=G.N. Cantor
|year=1996
|title=Companion to the History of Modern Science
|page=673
|publisher=[[Taylor & Francis]]
|isbn=0-415-14578-3
}}</ref>

На момент створення теорії кварків, до елементарних частинок відносили дуже багато адронів. Гелл-Манн і Цвейг стверджували, що вони не були елементарними частинками, а складалися з комбінацій кварків і антикварків. Їхня модель включала три аромати кварків: верхній, нижній і дивний, яким вони приписували такі властивості, як спін і електричний заряд. Перша реакція фізиків щодо цієї моделі була різною. Ходило непорозуміння чи є кварк дійсно фізичною частинкою чи просто абстракціє для пояснення понять, які в той час ще не були повністю висвітлені.<ref>
{{cite book
|author=A. Pickering
|title=Constructing Quarks
|pages=114–125
|publisher=[[University of Chicago Press]]
|year=1984
|isbn=0-226-66799-5
}}</ref>
Менш ніж через рік були запропоновані доповнення до моделі Гелл-Манна і Цвейга. Шелдон Лі Глешоу і Джеймс Бйоркен передбачили існування четвертого аромату кварка, який вони потім назвали чарівний. Додаток було запропоновано, оскільки він дозволяв краще описати слабку взаємодію і передбачав формулу, яка правильно відтворювала маси відомих мезонів.<ref>
{{cite journal
|author1=B.J. Bjorken
|author2=S.L. Glashow
|title=Elementary Particles and SU(4)
|journal=[[Physics Letters]]
|volume=11 |issue=3 |pages=255–257
|year=1964
|bibcode=1964PhL....11..255B
|doi=10.1016/0031-9163(64)90433-0
}}</ref>


В 1968 році експерименти розсіювання в Стенфорді (SLAC) показали, що протон містить набагато менші точкові об'єкти і тому не є елементарною частинкою.<ref>
{{cite web
|author=J.I. Friedman
|title=The Road to the Nobel Prize
|url=http://www.hueuni.edu.vn/hueuni/en/news_detail.php?NewsID=1606&PHPSESSID=909807ffc5b9c0288cc8d137ff063c72
|publisher=[[Hue University]]
|accessdate=2008-09-29
}}</ref> Фізики в той час не хотіли підтверджувати, що це кварки, натомість назвали ці частинки «партонами» (термін запропонований Річардом Фейнманом). Об'єкти, що спостерігалися під час цих експериментів пізніше ідентифікували як верхній і нижній кварки.<ref>
{{cite journal
|author=R.P. Feynman
|title=Very High-Energy Collisions of Hadrons
|journal=[[Physical Review Letters]]
|volume=23 |issue=24 |pages=1415–1417
|year=1969
|bibcode=1969PhRvL..23.1415F
|doi=10.1103/PhysRevLett.23.1415
}}</ref><ref>
{{cite journal
|author1=S. Kretzer
|author2=H.L. Lai
|author3=F.I. Olness
|author4=W.K. Tung
|title=CTEQ6 Parton Distributions with Heavy Quark Mass Effects
|journal=[[Physical Review D]]
|volume=69 |issue=11 |page=114005
|year=2004
|arxiv=hep-ph/0307022
|bibcode=2004PhRvD..69k4005K
|doi=10.1103/PhysRevD.69.114005
}}</ref><ref name="Griffiths">
{{cite book
|author=D.J. Griffiths
|title=Introduction to Elementary Particles
|page=42
|publisher=[[John Wiley & Sons]]
|year=1987
|isbn=0-471-60386-4
}}</ref> The objects that were observed at SLAC would later be identified as up and down quarks as the other flavors were discovered.<ref>
{{cite book
|author1=M.E. Peskin
|author2=D.V. Schroeder
|year=1995
|title=An introduction to quantum field theory
|page=556
|publisher=[[Addison–Wesley]]
|isbn=0-201-50397-2
}}</ref> Тим не менше, термін «партон» які раніше використовується для складових адронів (кварків, антикварків і глюонів).

Існування дивного кварка було підтверджено експериментами в SLAC, воно було потрібним не тільки для підтвердження Гелл-Маннової та Цвейгової моделі, але також давало пояснення каона (К) та піона (π), виявлених в космічних променях в 1947 році.<ref>
{{cite journal
|author1=S.L. Glashow
|author2=J. Iliopoulos
|author3=L. Maiani
|title=Weak Interactions with Lepton–Hadron Symmetry
|journal=[[Physical Review D]]
|volume=2 |issue=7 |pages=1285–1292
|year=1970
|bibcode=1970PhRvD...2.1285G
|doi=10.1103/PhysRevD.2.1285
}}</ref><ref>
{{cite book
|author=D.J. Griffiths
|title=Introduction to Elementary Particles
|page=44
|publisher=[[John Wiley & Sons]]
|year=1987
|isbn=0-471-60386-4
}}</ref>
Число ймовірних кварків зросло до поточних шести в 1973 році, коли Макото Кобаясі і Тошіхіде Маскава помітили, що експериментальне спостереження CP порушень можна було б пояснити, якби була ще одна пара кварків.

Чарівні кварки були отримані майже одночасно двома командами в листопаді 1974 року – один в SLAC під керівництвом Бертона Ріхтера, і один в Брукхевенській національній лабораторії під керівництвом Самуеля Тінга. Було помічено об’єднання чарівних кварка і антикварка в мезон. Обидві команди дали свій символ отриманому мезону J і ψ; так цей мезон офіційно став відомим як J/ψ мезон. Це відкриття остаточно переконало спільноту фізиків у правильності кваркової моделі.

У наступні роки з’явився ряд пропозицій розширення моделі кварків до шести. Серед них модель, запропонована Хаїмом Харарі у статті в 1975 році, в якій він вперше запропонував терміни красивий (bottom (b) ) і справжній (top (t) ) для додаткових кварків.
У 1977 році красивий кварк спостерігався командою Fermilab під керівництвом Леона Ледермана. Це стало індикатором існування топ-кварка; без нього красивий кварк був би без партнера. Тим не менше, топ-кварк не спостерігався до 1995 року. Він мав набагато більшу масу, ніж раніше очікувалось.



Кварки мають [[спін]] 1/2ħ де ħ&nbsp;— [[зведена стала Планка]], та дробовий [[електричний заряд]]. Кожен кварк має також один з трьох [[кольоровий заряд|кольорів]] (ще одне [[квантове число]], подібно до [[спін]]у чи [[аромат (квантове число)|аромату]]). Кожному з шести кварків відповідає своя [[античастинка]]&nbsp;— ''антикварк''.


== Властивості кварків ==
== Властивості кварків ==

Версія за 14:21, 4 травня 2016

Ця стаття не містить посилань на джерела. Ви можете допомогти поліпшити цю статтю, додавши посилання на надійні (авторитетні) джерела. Матеріал без джерел може бути піддано сумніву та вилучено. (липень 2009)

Кварки (від англ. quark — квак, кряк) — елементарні частинки і фундаментальні складові матерії. Кварки об’єднуються, створюючи композитні частинки, адрони, в тому числі й найбільш стабільні серед них протони і нейтрони, складові атомних ядер[1]. Через явище конфайнменту, кварки ніколи не спостерігалися в вільному стані; вони можуть бути знайдені тільки в межах адронів, таких як мезони і баріони. Велика частина того, що відомо про кварки було взято з спостережень адронів.[2][3]

Кварки мають різні внутрішні властивості, такі як маса, електричний заряд, кольоровий заряд і спін. Кварки є єдиними в Стандартній Моделі фізики частинками, які беруть участь у всіх чотирьох фундаментальних взаємодіях, а також єдиними частинками, електричний заряд яких не є кратним елементарному. На сьогодні відомо 6 сортів (їх прийнято називати «ароматами») кварків: нижній d, верхній u, дивний s, чарівний c, боттом-кварк (красивий) b і топ-кварк (справжній) t.[4] Верхній і нижній кварки є найлегшими. Більш важкі кварки швидко перетворюються в верхній і нижній шляхом розпаду. Інші кварки можуть бути отримані при зіткненнях за високих енергій. Для кожного кварка існує своя античастинка – ‘’антикварк’’.

Класифікація кварків

Стандартна Модель є теоретичною основою опису всіх відомих на сьогодні елементарних частинок. В цій моделі кварки мають шість різних ароматів: верхній (u) (up), нижні (d) (down), дивний (s) (strange), чарівний (c) (charm), красивий (b) (beauty, bottom) і правдивий (топ-кварк) (t) (true, top). Античастинки кварків називаються антикварками і позначаються рискою над символом для відповідного кварка, наприклад u для верхнього антикварка. Як антиматерія в цілому, антикварки мають ту ж масу, середній час життя і спін як їх відповідні кварки, але мають протилежний заряд.[5]

Кварки є частинками зі спіном 1/5, а отже вони є ферміонами відповідно до теореми Паулі. Вони підкоряються принципу заборони Паулі, в якому говориться, що два однакові ферміони не можуть одночасно бути в одному й тому ж квантовому стані. Це відрізняє їх від бозонів (частинок з цілим спіном), будь-яка кількість яких може бути одночасно в одному й тому ж квантовому стані.[6] На відміну від лептонів, кварки мають кольоровий заряд, який змушує їх брати участь в сильній взаємодії. Результуюче притягання між різними кварками спричиняє утворення складових частинок, відомих як адрони.

Кварки, які визначають квантові числа адронів називають валентними кварками; крім цього , будь-який адрон може містити необмежену кількість віртуальних кварків, антикварків і глюонів, які не впливають на його квантові числа.[7] Існує два сімейства адронів: баріони, з трьома валентними кварками, і мезони з одним кварком і одним антикварком.[8] Найбільш поришереними баріонами є протон і нейтрон, складові атомних ядер.[9] На сьогодні уже відомо багато різних адронів, які в осному різняться вмістом кварків. Існування «екзотичних» адронів з більшою кількістю валентних кварків, таких як тетракварк (qqqq) або пентакварк (qqqqq) було припущене, але ще не доведене.[10] Проте 13 липня 2015 в ЦЕРН повідомили про результати, які відповідають станам пентакварка..</ref>[10][11][12][13] [14]

Елементарні ферміони згруповані в три покоління, кожне з яких містить два лептони і два кварки. Перше покоління включає в себе верхній і нижній кварки, друге – дивний і чарівний, третє – красивий і правдивий. Всі пошуки четвертого покоління кварків і інших елементарних ферміонів зазнали невдачі,[15][16] існують непрямі докази того, що не існує більше трьох поколінь ферміонів.</ref>[17][18][19] Частинки вищих поколінь як правило мають велику масу і є менш стабільними, що спричиняє їх розпад на частинки нижчого покоління за допомогою слабких взаємодій. Тільки кварки першого покоління зустрічаються в природі. Важчі кварки можуть бути створені за допомогою високоенергетичних зіткнень і швидко розпадаються. Проте вважається, що вони були присутні в перші частки секунди після Великого Вибуху, коли Всесвіт був дуже гарячий і густий (кваркова епоха). Дослідження важчих кварків проводять в штучно створених умовах, в прискорювачах елементарних частинок.[20]

Маючи електричний заряд, масу, кольоровий заряд і аромат, кварки є частинками, що беруть участь у всіх чотирьох фундаментальних взаємодіях: електромагнітній, гравітаційній, сильній і слабкій.

Історія

Кваркова модель була незалежно запропонована фізиками Мюррей Гелл-Манном[21] (на фото) і Джорджем Цвейгом[22][23] в 1964 році.[24] Пропозиція надійшла незабаром після формулювання Гелл-Манном в 1961 системи класифікації частинок, відомої як симетрія ароматів SU(3)[25]. Фізик Юваль Неєман незалежно розробив подібну схему в цьому ж році.[26][27]

На момент створення теорії кварків, до елементарних частинок відносили дуже багато адронів. Гелл-Манн і Цвейг стверджували, що вони не були елементарними частинками, а складалися з комбінацій кварків і антикварків. Їхня модель включала три аромати кварків: верхній, нижній і дивний, яким вони приписували такі властивості, як спін і електричний заряд. Перша реакція фізиків щодо цієї моделі була різною. Ходило непорозуміння чи є кварк дійсно фізичною частинкою чи просто абстракціє для пояснення понять, які в той час ще не були повністю висвітлені.[28]

Менш ніж через рік були запропоновані доповнення до моделі Гелл-Манна і Цвейга. Шелдон Лі Глешоу і Джеймс Бйоркен передбачили існування четвертого аромату кварка, який вони потім назвали чарівний. Додаток було запропоновано, оскільки він дозволяв краще описати слабку взаємодію і передбачав формулу, яка правильно відтворювала маси відомих мезонів.[29]


В 1968 році експерименти розсіювання в Стенфорді (SLAC) показали, що протон містить набагато менші точкові об'єкти і тому не є елементарною частинкою.[30] Фізики в той час не хотіли підтверджувати, що це кварки, натомість назвали ці частинки «партонами» (термін запропонований Річардом Фейнманом). Об'єкти, що спостерігалися під час цих експериментів пізніше ідентифікували як верхній і нижній кварки.[31][32][33] The objects that were observed at SLAC would later be identified as up and down quarks as the other flavors were discovered.[34] Тим не менше, термін «партон» які раніше використовується для складових адронів (кварків, антикварків і глюонів).

Існування дивного кварка було підтверджено експериментами в SLAC, воно було потрібним не тільки для підтвердження Гелл-Маннової та Цвейгової моделі, але також давало пояснення каона (К) та піона (π), виявлених в космічних променях в 1947 році.[35][36] Число ймовірних кварків зросло до поточних шести в 1973 році, коли Макото Кобаясі і Тошіхіде Маскава помітили, що експериментальне спостереження CP порушень можна було б пояснити, якби була ще одна пара кварків.

Чарівні кварки були отримані майже одночасно двома командами в листопаді 1974 року – один в SLAC під керівництвом Бертона Ріхтера, і один в Брукхевенській національній лабораторії під керівництвом Самуеля Тінга. Було помічено об’єднання чарівних кварка і антикварка в мезон. Обидві команди дали свій символ отриманому мезону J і ψ; так цей мезон офіційно став відомим як J/ψ мезон. Це відкриття остаточно переконало спільноту фізиків у правильності кваркової моделі.

У наступні роки з’явився ряд пропозицій розширення моделі кварків до шести. Серед них модель, запропонована Хаїмом Харарі у статті в 1975 році, в якій він вперше запропонував терміни красивий (bottom (b) ) і справжній (top (t) ) для додаткових кварків.

У 1977 році красивий кварк спостерігався командою Fermilab під керівництвом Леона Ледермана. Це стало індикатором існування топ-кварка; без нього красивий кварк був би без партнера. Тим не менше, топ-кварк не спостерігався до 1995 року. Він мав набагато більшу масу, ніж раніше очікувалось.


Властивості кварків

На відміну від інших елементарних частинок, кварки мають не цілий, а дробовий електричний заряд кратний 1/3 елементарного заряду.

Усім кваркам, крім d та u, приписується певне ароматове квантове число (ароматовий заряд): дивність, чарівність, красу та правдивість. За абсолютною величиною цей заряд приймається рівним 1, а знак прийнято вибирати таким, як і знак електричного заряду кварка.

Ізоспін кварків дорівнює 1/2, а отже його проекція, в залежності від аромату кварка, може приймати два значення: −1/2 та +1/2.

Кварки можна згрупувати у три покоління. До кожного покоління належать два кварки, які мають протилежні за знаком проекції ізоспіну, один з них має заряд −1/3, а другий +2/3.

Кваркам приписується також баріонний заряд величиною 1/3, антикваркам, відповідно, −1/3. Таким чином, баріони, що складаються з трьох кварків, мають баріонний заряд 1, їхні античастинки, що складаються з трьох антикварків, −1, а мезони, що складаються з кварка і антикварка, мають баріонний заряд 0.

За масою розрізняють легкі: d,u,s та важкі: c,b і t кварки.

Позначення та назва елек- тричний заряд Ароматові квантові числа про- екція ізо- спіну барі- онний заряд маса
див- ність чарів- ність краса прав- дивість
Перше покоління
d нижній (down) −1/3 0 0 0 0 −1/2 1/3 ~ 5 МеВ
u верхній (up) +2/3 0 0 0 0 1/2 1/3 ~ 3 МеВ
Друге покоління
s дивний (strange) −1/3 − 1 0 0 0 −1/2 1/3 120 МеВ
c чарівний (charm) +2/3 0 1 0 0 1/2 1/3 1.8 ГеВ
Третє покоління
b красивий (beauty, bottom) −1/3 0 0 −1 0 −1/2 1/3 4.5 ГеВ
t правдивий (true, top) +2/3 0 0 0 1 1/2 1/3 175 ГеВ


Кожному кварку відповідає антикварк, що має протилежний за знаком електричний заряд, ароматове число, проекцію ізоспіну та баріонний заряд −1/3 (див. також Античастинка).

Взаємодія кварків

Кварки беруть участь у кожному з чотирьох типів фундаментальних взаємодій.

Протони та нейтрони, які дають найбільший внесок у масу видимої матерії Всесвіту, складаються із кварків. Отже, явище гравітаційної взаємодії між зірками, планетами та іншими астрономічними об'єктами це значною мірою прояв участі кварків у гравітаційній взаємодії.

Участь кварків у електромагнітній взаємодії проявляється у глибоко непружному розсіянні електронів або мюонів на адронах, у перетвореннях (анігіляції) електрон-позитронної пари в адрони тощо, а також у властивостях адронів: наявності у них електричних зарядів та магнітних моментів. Електромагнітна взаємодія не змінює квантових чисел: аромат, колір, проекція ізоспіну тощо залишаються незмінними.

Завдяки слабкій взаємодії відбувається перетворення кварків із зміною їхніх ароматів, однак колір кварка при цьому не міняється. Проекція ізоспіну внаслідок слабкої взаємодії може міняти знак, однак може залишатись й незмінною. Зміна ароматів кварків проявляє себе, зокрема, у слабких розпадах адронів, наприклад у розпаді вільного нейтрона на електрон і антинейтрино. Зі слабкими взаємодіями кварків пов'язане також глибоко непружне розсіяння нейтрино на адронах.

Сильна взаємодія утримує кварки всередині адронів. Кварки взаємодіють між собою шляхом обміну глюонами. При цьому відбувається зміна кольору кварка, однак його інші квантові числа, а саме аромат та проекція ізоспіну, залишаються незмінними. Властивості сильної взаємодії не дозволяють кварку вилетіти за межі адрона. Це явище отримало назву конфайнменту. Воно має наслідком відсутність у природі вільних кварків.

Кварки як складові адронів — валентні кварки

Гіпотеза про існування кварків виникла на початку шістдесятих років двадцятого століття, коли робилися спроби побудувати схему класифікації відомих на той час адронів. Найвдаліша схема класифікації була запропонована у 1961 році Мюрреєм Ґелл-Манном та, незалежно від нього, Казухіко Нішіджимою. Вона дозволила не лише класифікувати відомі на той час адрони, але й дозволила передбачити існування та описати властивості на той час ще невідомої Ω--частинки.

Пізніше Мюррей Ґелл-Манн та Джордж Цвейг прийшли до висновку, що все різноманіття відомих на той час адронів можна пояснити, постулювавши існування лише трьох частинок, які були названі кварками. У сучасних позначеннях це — u-, d- та s-кварки. Адрони інтерпретувалися як зв'язані стани цих частинок та їхніх античастинок:

Див. також

Джерела

  • Индурайн Ф. Квантовая хромодинамика. Введение в теорию кварков и глюонов. — М. : Мир, 1986. — 288 с.
  • Трейман С. Этот странный квантовый мир. — Ижевск : РХД, 2002. — 224 с.

Посилання

Фундаментальні
u · d · c · s · t · b
Інші
Гіпотетичні
Інші
Інші
Збірні
N ( p · n) · Δ · Λ · Σ · Ξ · Ω
π · ρ · η · η′ · φ · ω · J/ψ · ϒ · θ · K · B · D · T
Інші
Гіпотетичні
Інші
Квазічастинки
  1. ↑ Quark (subatomic particle). Encyclopædia Britannica. Процитовано 29 червня 2008.
  2. ↑ R. Nave. Confinement of Quarks. HyperPhysics. Georgia State University, Department of Physics and Astronomy. Процитовано 29 червня 2008.
  3. ↑ R. Nave. Bag Model of Quark Confinement. HyperPhysics. Georgia State University, Department of Physics and Astronomy. Процитовано 29 червня 2008.
  4. ↑ R. Nave. Quarks. HyperPhysics. Georgia State University, Department of Physics and Astronomy. Процитовано 29 червня 2008.
  5. ↑ S.S.M. Wong (1998). Introductory Nuclear Physics (вид. 2nd). Wiley Interscience. с. 30. ISBN 0-471-23973-9.
  6. ↑ K.A. Peacock (2008). The Quantum Revolution. Greenwood Publishing Group. с. 125. ISBN 0-313-33448-X.
  7. ↑ B. Povh; C. Scholz; K. Rith; F. Zetsche (2008). Particles and Nuclei. Springer. с. 98. ISBN 3-540-79367-4.
  8. ↑ Section 6.1. in P.C.W. Davies (1979). The Forces of Nature. Cambridge University Press. ISBN 0-521-22523-X.
  9. ↑ M. Munowitz (2005). Knowing. Oxford University Press. с. 35. ISBN 0-19-516737-6.
  10. ↑ а б W.-M. Yao та ін. (2006). Review of Particle Physics: Pentaquark Update (PDF). Journal of Physics G. 33 (1): 1—1232. arXiv:astro-ph/0601168. Bibcode:2006JPhG...33....1Y. doi:10.1088/0954-3899/33/1/001. {{cite journal}}: Проігноровано невідомий параметр |collaboration= (довідка)
  11. ↑ C. Amsler та ін. (2008). Review of Particle Physics: Pentaquarks (PDF). Physics Letters B. 667 (1): 1—1340. Bibcode:2008PhLB..667....1P. doi:10.1016/j.physletb.2008.07.018. {{cite journal}}: Проігноровано невідомий параметр |collaboration= (довідка)
  12. ↑ C. Amsler та ін. (2008). Review of Particle Physics: New Charmonium-Like States (PDF). Physics Letters B. 667 (1): 1—1340. Bibcode:2008PhLB..667....1P. doi:10.1016/j.physletb.2008.07.018. {{cite journal}}: Проігноровано невідомий параметр |collaboration= (довідка)
  13. ↑ E.V. Shuryak (2004). The QCD Vacuum, Hadrons and Superdense Matter. World Scientific. с. 59. ISBN 981-238-574-6.
  14. ↑ R. Aaij та ін. (2015). Observation of J/ψp resonances consistent with pentaquark states in Λ0
    b    →J/ψK−
    p     decays. Physical Review Letters. 115 (7): 072001. arXiv:1507.03414. Bibcode:2015PhRvL.115g2001A. doi:10.1103/PhysRevLett.115.072001.     {{cite journal}}: Проігноровано невідомий параметр |collaboration= (довідка)
  15. ↑ C. Amsler та ін. (2008). Review of Particle Physics: b′ (4th Generation) Quarks, Searches for (PDF). Physics Letters B. 667 (1): 1—1340. Bibcode:2008PhLB..667....1P. doi:10.1016/j.physletb.2008.07.018. {{cite journal}}: Проігноровано невідомий параметр |collaboration= (довідка)
  16. ↑ C. Amsler та ін. (2008). Review of Particle Physics: t′ (4th Generation) Quarks, Searches for (PDF). Physics Letters B. 667 (1): 1—1340. Bibcode:2008PhLB..667....1P. doi:10.1016/j.physletb.2008.07.018. {{cite journal}}: Проігноровано невідомий параметр |collaboration= (довідка)
  17. ↑ D. Decamp та ін. (1989). Determination of the number of light neutrino species. Physics Letters B. 231 (4): 519. Bibcode:1989PhLB..231..519D. doi:10.1016/0370-2693(89)90704-1. {{cite journal}}: Проігноровано невідомий параметр |collaboration= (довідка)
  18. ↑ A. Fisher (1991). Searching for the Beginning of Time: Cosmic Connection. Popular Science. 238 (4): 70.
  19. ↑ J.D. Barrow (1997) [1994]. The Singularity and Other Problems. The Origin of the Universe (вид. Reprint). Basic Books. ISBN 978-0-465-05314-8.
  20. ↑ D.H. Perkins (2003). Particle Astrophysics. Oxford University Press. с. 4. ISBN 0-19-850952-9.
  21. ↑ M. Gell-Mann (1964). A Schematic Model of Baryons and Mesons. Physics Letters. 8 (3): 214—215. Bibcode:1964PhL.....8..214G. doi:10.1016/S0031-9163(64)92001-3.
  22. ↑ G. Zweig (1964). An SU(3) Model for Strong Interaction Symmetry and its Breaking (PDF). CERN Report No.8182/TH.401.
  23. ↑ G. Zweig (1964). An SU(3) Model for Strong Interaction Symmetry and its Breaking: II. CERN Report No.8419/TH.412.
  24. ↑ B. Carithers; P. Grannis (1995). Discovery of the Top Quark (PDF). Beam Line. SLAC. 25 (3): 4—16. Процитовано 23 вересня 2008.
  25. ↑ M. Gell-Mann (2000) [1964]. The Eightfold Way: A theory of strong interaction symmetry. У M. Gell-Mann, Y. Ne'eman (ред.). The Eightfold Way. Westview Press. с. 11. ISBN 0-7382-0299-1.
    Original: M. Gell-Mann (1961). The Eightfold Way: A theory of strong interaction symmetry. Synchrotron Laboratory Report CTSL-20. California Institute of Technology.
  26. ↑ Y. Ne'eman (2000) [1964]. Derivation of strong interactions from gauge invariance. У M. Gell-Mann, Y. Ne'eman (ред.). The Eightfold Way. Westview Press. ISBN 0-7382-0299-1.
    Original Y. Ne'eman (1961). Derivation of strong interactions from gauge invariance. Nuclear Physics. 26 (2): 222. Bibcode:1961NucPh..26..222N. doi:10.1016/0029-5582(61)90134-1.
  27. ↑ R.C. Olby; G.N. Cantor (1996). Companion to the History of Modern Science. Taylor & Francis. с. 673. ISBN 0-415-14578-3.
  28. ↑ A. Pickering (1984). Constructing Quarks. University of Chicago Press. с. 114—125. ISBN 0-226-66799-5.
  29. ↑ B.J. Bjorken; S.L. Glashow (1964). Elementary Particles and SU(4). Physics Letters. 11 (3): 255—257. Bibcode:1964PhL....11..255B. doi:10.1016/0031-9163(64)90433-0.
  30. ↑ J.I. Friedman. The Road to the Nobel Prize. Hue University. Процитовано 29 вересня 2008.
  31. ↑ R.P. Feynman (1969). Very High-Energy Collisions of Hadrons. Physical Review Letters. 23 (24): 1415—1417. Bibcode:1969PhRvL..23.1415F. doi:10.1103/PhysRevLett.23.1415.
  32. ↑ S. Kretzer; H.L. Lai; F.I. Olness; W.K. Tung (2004). CTEQ6 Parton Distributions with Heavy Quark Mass Effects. Physical Review D. 69 (11): 114005. arXiv:hep-ph/0307022. Bibcode:2004PhRvD..69k4005K. doi:10.1103/PhysRevD.69.114005.
  33. ↑ D.J. Griffiths (1987). Introduction to Elementary Particles. John Wiley & Sons. с. 42. ISBN 0-471-60386-4.
  34. ↑ M.E. Peskin; D.V. Schroeder (1995). An introduction to quantum field theory. Addison–Wesley. с. 556. ISBN 0-201-50397-2.
  35. ↑ S.L. Glashow; J. Iliopoulos; L. Maiani (1970). Weak Interactions with Lepton–Hadron Symmetry. Physical Review D. 2 (7): 1285—1292. Bibcode:1970PhRvD...2.1285G. doi:10.1103/PhysRevD.2.1285.
  36. ↑ D.J. Griffiths (1987). Introduction to Elementary Particles. John Wiley & Sons. с. 44. ISBN 0-471-60386-4.
Отримано з https://uk.wikipedia.org/w/index.php?title=Кварк&oldid=18030575