Кварковая модель адронов

Наличие большого числа элементарных частиц заставило физиков заняться поиском закономерностей в распределении их характеристик. Д. Цвейг (р. 1937) и М. Гелл-Ман (р. 1929) выдвинули гипотезу о том, что все адроны являются комбинациями кварков (Цвейг назвал их «тузами» от тузов четырех мастей в карточных играх; он полагал, что существует четыре кварка). Им пришлось предположить противоречащие физическому опыту параметры этих частиц. В частности, их электрические заряды должны были бы составлять 1/3 или 2/3 заряда электрона, хотя заряд электрона считался наименьшим возможным электрическим зарядом.

Кварки — гипотетические материальные объекты, из которых состоят все адроны (частицы, участвующие в сильном взаимодействии). Мезоны состоят из кварка и антикварка, барионы — из трех кварков.

Предполагается существование шести типов (или ароматов) кварков, которые обозначаются символами и, d> с, s, t, b: «верхний», «нижний», «очарованный», «странный», «истинный», «прелестный». Им соответствуют такое же число антикварков.

В этой теории барионы состоят из трех кварков, а мезоны — из кварка и антикварка. Их структура представляется следующим образом: протон р = uud, нейтрон п = udd (рис. 7.7), пион л⁺ = du и т. д. Каждый кварк может быть носителем грех разных зарядов сильного взаимодействия — так называемых цветовых зарядов, которые сейчас принято называть синим, зеленым и красным цветами. При объединении таких кварков в единое целое их цветовые заряды дают общий белый цвет.

Эта аналогия заимствована из оптики, где соединение синего, зеленого и красного цветов^[1] образует белый свет. Точно так же тяжелые адроны, в частности протон и нейтрон, состоят из кварков трех основных цветов, но сами адроны имеют нулевой цветовой заряд. Мезоны же состоят из одного кварка и одного антикварка. В данном случае используется другая аналогия из оптики, состоящая в том, что основной и дополнительный цвета также дают белый свет.

Рис. 7.7. Соотношение кварков, лептонов и бозонов.

Благодаря такого рода аналогиям теория кварков получила название хромодинамики (от греч. khromos — цвет). Цветовой заряд в хромодинамике порождает особое поле, кванты которого — глюоны (от англ, glue — клей) — по свойствам похожи на фотоны, поскольку лишены массы покоя и зарядов. Для кварков характерен конфайнмент (от англ, confinement — удержание) — «пленение» кварков внутри адронов: чем дальше кварк пытается отдалиться от соседних кварков, тем сильнее притяжение между ними, поэтому в свободном виде кварки не существуют.

На основе кварковой модели разработано современное решение проблемы строения атомов. Каждый атом состоит из тяжелого ядра (связанных глюонными полями протонов и нейтронов) и электронной оболочки. Протон имеет положительный электрический заряд, заряд нейтрона равен нулю. Протон состоит из двух «верхних» кварков и одного «нижнего», а нейтрон — из одного «верхнего» и двух «нижних» кварков. Они напоминают облако с размытыми границами, состоящее из рождающихся и исчезающих виртуальных частиц.

Остаются еще вопросы о том, являются ли кварки и глюоны основными «кирпичиками» природы и насколько фундаментальны? Ответы на эти вопросы ищут в современной космологии.

• [1] Понятно, что к «обычным» цветам эти понятия никакого отношения не имеют: реальные цвета создают электромагнитные поля конкретной частоты. Здесь же речь идет о глюонном поле.