Фундаментальные частицы. Кварки

Классификация элементарных частиц все время сопровождалось поисками новых, более фундаментальных частиц, которые могли бы служить базисом для построения всех адронов. Гипотеза о существовании таких частиц, названных кварками, была высказана независимо друг от друга Дж. Цвейгом и Гелл-Манном (1964 г.).

Изначально модель Гелл-Манна — Цвейга постулировала существование трех типов кварков (и, d, s) и соответст­вующих антикварков (, , ). Кварки имеют дробные электрические и барионные заряды, спин кварка равен ½. Обозначения и названия кварков соответствуют английским словам «up»- верхний, «down»- нижний, «strange» - странный.

Адроны строятся из кварков следующим образом: мезоны состоят из пары кварк — антикварк, барионы — из трех кварков (антибарион — из трех антикварков). Так, например, пион p⁺ имеет кварковую структуру , пион p^– — , каон К⁺ — , протон — uud, нейтрон — udd, S⁺-гиперон — uus, S⁰-гиперон — uds и т. д.

Кварки и антикварки никогда не были обнаружены в свободном состоянии — это объясняется явлением конфайнмента: для разделения элементарной частицы (адрона) на кварки требуется большая энергия чем, их масса покоя, так как кварки притягиваются тем сильнее, чем дальше они друг от друга.

Открытие в 1974 г. джей-пси-мезона (J/ Y) массой около 6000 m_e со временем жизни примерно 10^–20 с и спином, равным единице, привело к введению в модель нового кварка — так называемого с -кварка (от англ. charm - очарование).

В 1977 г. был открыт сверхтяжелый мезон массой около 20 000 m_e, который представ­ляет собой структуру из кварка и антикварка нового типа — b -кварка (является носи­телем сохраняющейся в сильных взаимодействиях величины, названной «красотой» (от англ. beauty)). Заряд b -кварка равен – ¹/₃. Предполагается, что существует и шестой кварк t с зарядом + ² / ₃, который называют истинным (от англ. truth — ис­тина).

В настоящее время признана точка зрения, что между лептонами и кварками существует симметрия: число лептонов должно быть равно числу типов кварков. Развитие теории Гелл-Манна привело к созданию стандартной модели, которая описывает электромагнитное, слабое и сильное взаимодействие всех элементарных частиц.

Рис. 4.5

Стандартная модель состоит из следующих положений (рис 4.5):

1. Всё вещество состоит из 6 лептонов (электрон, мюон, тау-лептон, электронное нейтрино, мюонное нейтрино и тау-нейтрино), 6 кварков (u, d, s, c, b, t) и 12 соответствующих им античастиц.

2. Кварки участвуют в сильных, слабых и электромагнитных взаимодействиях; заряжённые лептоны (электрон, мюон, тау-лептон) — в слабых и электромагнитных; нейтрино — только в слабых взаимодействиях.

3. Частицами-переносчиками взаимодействий являются бозоны: 8 глюонов - переносчиков сильного ядерного взаимодействия, отвечающих за взаимодействие между кварками; 3 тяжёлых калибровочных бозона (W⁺, W⁻, Z⁰) для слабого взаимодействия; один фотон для электромагнитного взаимодействия.

Кроме этого, стандартная модель предполагает существование бозона Хиггса с энергией покоя около 125 ГэВ (на рис. 4.6. не показан).