Кварки

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.


Нажми чтобы узнать.
скачати

МОУ СЗШ № 1
Реферат з фізики
на тему:
«КВАРК»
Виконав: учень 11 А класу
Вишняков Дмитро

Зміст:

Введення ................................................. .......... ... ... ...................................... ................................ 3
Кількість елементарних частинок ........ .... ... .................................... .......................................... 3
Існування кварків ................... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ................ ............................... 3
Супермультіплети ................................................. .................................................. .................... 4
Властивості супермультіплетов ................................................ .................................................. ..... 4
Три кошмарні частки ............................................... .................................................. ............ 4
Парк, нарк, ларки ............................................. .................................................. ............................. 5
Нові кварки ................................................ ............................... ... ... ................. ........................ 5
с-Кварк (зачарований) ............................................ .................................................. ................... 5
b-Кварк (чарівний) ............................................ .................................................. ..................... 5
t-Кварк (правдивий) ............................................ .................................................. ....................... 5
Пошуки кварків ................................................ .................................. ... .... ... ............ .................. 5
Кварки природні і створені людиною ............................................. ................................... 6
Мінімальна енергія, необхідна для народження кварка ........................................... .......... 6
Кварки, створені космічним випромінюванням ............................................. ............................... 6
Камера Вільсона ................................................ .................................................. ......................... 7
Зміст кварків в земних водоймах ... ... ... .......................................... .............................. 7
Де ще шукають кварки? .................................................. .................................................. .............. 7
Сучасна фізика про проблему кварків ............................................. ...................................... 7
Полон кварків всередині адронів .............................................. ... ... ... ... ... ............................ 8
Колір і аромат кварків .............................................. .................................................. .................. 8
Квантова хромодинаміка ................................................ .................................................. ......... 8
Висновок ................................................. ........... ... ... ..................................... ............................ 8
Список використаної літератури ... ... ... ... ... .......................................... ............................ 9

Введення
Терміном "елементарні частинки" у фізиці прийнято називати частинки, які є основою для всього матеріального, і крім того що володіють дуже важливою властивістю - неподільністю. У різні історичні епохи такими базовими неподільними частками вважалися спочатку атоми, потім - ядро, потім - його складові частини - нуклони.
У кінці XIX - початку XX століття наукою було доведено, що при радіоактивних перетвореннях атоми можуть перетворюватися один в одного. Крім того, в той час були відкриті рентгенівське і катодне випромінювання. Джерелами цих типів випромінювання могли бути різні атоми, з чого слідував той факт, що всі атоми побудовані за одним принципом. Тому, починаючи з того часу, стало панівним твердження про те, що будь-який атом складається з якихось елементарних частинок.
Потім були відкриті складові частини атома: атомне ядро (1911 р.) - його заряджений важкий центр, у свою чергу складається з протона (1919 р.) і нейтрона (1932 р.).
Відповідно до понять сучасної фізики прийнято умовно вважати, що термін елементарні частинки охоплює велику групу найдрібніших мікрочастинок, в які не входять атоми, а також атомні ядра (крім протона, що є ядром атома водню). Ну а істинно елементарними частинками є електрон, позитрон, всі види нейтрино, фотони і кварки, оскільки в даний час їх прийнято вважати неподільними, тобто їх не можна скласти ні з яких інших відомих нинішньої фізики частинок.
На основі кваркової моделі була створена класифікація адронів - часток з сильним взаємодією. Це розділення частинок на групи в останні роки користується величезним успіхом, хоча запропоновано було ще в 60-х роках. Як випливає з даної моделі, будь-адрон включає в себе дві-три дійсно елементарні частинки - кварки, - мають дуже незвичайними характеристиками. Імовірно існує шість типів (ароматів) кварків і антикварков, які взаємодіють між собою за допомогою глюонів. Глюони, як і кварки мають особливим зарядом, що має назву кольором. Кожному типу кварка властиві три різновиди кольору, а кожному типу глюони - вісім.

Кількість елементарних частинок
Кількість відкритих і досліджених частинок до теперішнього часу величезна. Вже весь грецький алфавіт і велика частина латинського алфавіту використані під позначення елементарних частинок. Більше того, часто в позначеннях знову відкритих частинок зустрічаються штрихи, зірочки і цифри. Це говорить про те, що їх кількість значно перевершує сукупний розмір грецького і латинського алфавітів.
В даний час число елементарних частинок (включаючи нестабільні частки - резонанси) разом з античастинками в кілька разів перевищує число елементів періодичної системи Менделєєва. А згідно з підрахунками одного фізика, число відкритих елементарних частинок, подвоюється через кожні 11 років і якщо так піде далі, через деякий час перевищить число фізиків.
Існування кварків
Кварки були придумані в 1964 р. американськими фізиками Гелл-Маном і незалежно Цвейг для пояснення існуючої в природі симетрії у властивостях сільновзаімодействующіх часток - адронів.
Кварки - загальна назва для декількох фундаментальних частинок, з яких можна скласти будь-яку сільновзаімодействующую частку. При цьому такі "складові" частинки будуть володіти всіма основними властивостями реальних часток. Слід зауважити, що сільновзаімодействующіе частки становлять абсолютну більшість серед всіх типів частинок. Настільки незвичайне назву "кварки" запозичено з книги Джеймса Джойса "Поминки по Фіннігану", де зустрічається словосполучення "три кварка" як таємничий крик чайок, який чується герою роману в кошмарному маренні.
Гіпотеза про існування таких фундаментальних частинок, як кварків, вирішила дуже важливу задачу про впорядкування всіх відомих на той час елементарних частинок.
Супермультіплети
Супермультіплетамі або унітарними мультіплета називаються групи відомих адронів, відсортовані за значеннями їх спина і внутрішньої парності. Існує кілька таких груп досить великого розміру, всередині яких спостерігаються цікаві закономірності, і кожна група містить близько десяти частинок.
Число таких груп до того часу визначалося дорівнює чотирьом. Це мезонні адрони з нульовим спіном і негативною парністю, що утворюють нонет - групу з дев'яти частинок. Маса, електричний заряд і дивина складових цієї дев'ятки закономірно змінюються від частки до частки. Мезонні адрони з спіном, рівним одиниці, і негативною парністю також утворюють аналогічну дев'ятку. Баріонів адрони з віспою 3 / 2 і позитивної парності утворюють декуплет-десятки. Нарешті, октет утворюється баріонів з позитивною парністю і спіном Ѕ.
Властивості супермультіплетов
У 1962 р. Гелл-Маном були однозначно передбачити всі відомі характеристики десяту частки за властивостями дев'яти відомих частинок. Наведемо набір параметрів для цієї частки: маса, дивина, ізотопічний спін, парність. Крім того, до їх числа також входять електричний заряд, баріонів заряд, схема народження, схема розпаду, час життя. На початку 1964 р. був знайдений гіперон з передбаченими властивостями. Це стало можливим завдяки вичерпної інформації про шуканої частці, укладеної в переліку, наведеному вище. Це, ймовірно, самий маленький інтервал часу між моментами передбачення і виявлення "справжньої" (долгоживущей) елементарної частинки.
В інших супермультіплетах також простежуються певні закономірності. Кілька різних теорій було запропоновано для пояснення згаданих закономірностей. У всіх цих теорій є одна спільна риса, оскільки всі вони припускають існування двох різновидів сильної взаємодії. Ці два різновиди такі: дуже сильне і помірно сильну взаємодію. Поряд з магнітним взаємодією вони визначають основні властивості адронів.
Помірно сильна взаємодія залежить від дивацтва, а значить різному для членів різних ізотопічних мультиплетов, тобто для частинок, що стоять в різних рядках. Для всіх членів унітарного мультіплета дуже сильна взаємодія є однаковим і визначальним головну частину їх енергії взаємодії (а значить, і маси).
Три кошмарні частинки
Найбільш природно існування унітарних мультиплетов можна було пояснити, ввівши в розгляд три гіпотетичні частинки - кварки - з досить екзотичними властивостями, а саме з дробовими баріонним і електричним зарядами. У зв'язку з такою екзотичністю властивостей і з тим, що їх три, кварки і отримали свою незвичайну назву. Словосполучення "три кварка" зустрічається в романі Джеймса Джойса "Поминки по Фіннегану" як таємничий крик чайок, який чується герою роману під час кошмарного марення.
Якщо кварків приписувати деякі відомі властивості, то достатньо всього трьох кварків і трьох антикварков, щоб з них, як з деталей конструктора, побудувати будь-який з перерахованих вище адронів, причому можна показати, що адрони. "Зліплені" з кварків, будуть групуватися в ті самі супермультіплети, які були відомі в той час.
Парк, нарк, ларки
У більш ранній і досить успішною теорії Саката в якості трьох основних фундаментальних частинок для побудови адронів використовувалися протон (p), нейтрон (n) і лямбда-частинки (^). Тому ті ж самі символи використовують і в сучасній теорії для позначення трьох кварків. Назвемо ці кварки парком (p), нарком (n) і Ларком (^). Кварки не треба плутати з адронами, які позначаються тими ж самими символами.
Електричні заряди кварків і значення інших квантових чисел для них
Назва кварка Символ QSY Iz B o
-------------------------------------------------- -------------------------------------------------- ------------------------
Парк p +2 / 3 0 1 / 3 1 / 2 1 / 3 1 / 2
Нарк n - 1 / 3 0 1 / 3 -1 / 2 1 / 3 1 / 2
Ларк ^ - 1 / 3 - 1 - 2 / 3 0 1 / 3 1 / 2
Q - електричний заряд в одиницях заряду електрона;
S - квантове число дивацтва;
Y - квантове число гіперзаряда (Y = B + S);
Iz - квантове число z-компоненти ізоспіна;
B - баріонна число;
о - внутрішній момент імпульсу (спін).
Для всіх кварків баріонна число B і спін o однакові.
Пізніше в кваркової моделі ввели четвертий і п'ятий кварки.
Передбачається, що існує ще один, шостий кварк.
Сама трійка кварків (а також трійка антикварков) теж утворює супермультіплет - унітарний триплет.
НОВІ КВАРК
с-Кварк (зачарований)
У кінці 1974 р. одночасно в двох лабораторіях була відкрита нова частинка, властивості якої виявилися такі, що їх не вдалося пояснити в рамках трехкварковой моделі. Для інтерпретації цих властивостей треба було ввести четвертий кварк - с-кварк, названий зачарованим (від слова charm - чарівність).
с-Кварк виявився цілком рівноправною часткою по відношенню до інших трьох кварків. Комбінуючи з-кварк з антикварка u, d, s, можна отримати нові мезони, які були названі зачарованими.
В даний час вже виявлені представники всіх зачарованих мезонів і деякі зачаровані баріони. На цій підставі, здавалося б, можна було вважати, що кваркова модель досягла досконалості, тобто описує всі існуючі частинки і не конструює зайвих, не зустрічаються в природі.
b-Кварк (чарівний)
Проте, в 1977 р. була відкрита ще одна частинка, названа іпсилон-мезоном, властивості якої не вкладалися в четирехкварковую модель. Новий, п'ятий кварк b, названий чарівним (від слова beauty - принадність, іноді назва b-кварка виробляють від слова botom - низ).
t-Кварк (правдивий)
Нарешті, є підстави вважати, що повинен існувати ще й шостий кварк t, названий правдивим (від слова truth) або верхнім (від слова top). Одним з таких підстав є передбачає теорія електрослабкої взаємодії симетрія у числі кварків і лептонів (яких відкрито шість).
Пошуки кварків
Існування кварків в даний час ще не доведено і цілком можливо, що вони є всього лише математичними вигадками потрібними тільки для класифікації адронів. Однак не виключено, що їх існування в найближчому майбутньому доведуть. Ще не підтверджено наявність кварків в космічних променях, як про те йшлося на початку 1970 р. у кількох наукових працях.
Якщо кварки і справді існують у природі, то з цього факту ми зможемо вивести цілу низку чудових наслідків. Потрібно буде повністю переглянути теорії джерел енергії, а також космогонічні теорії і випромінювання зірок. Не виключена можливість того, що хоча б з трьох кварків один не буде розпадатися (тобто виявиться стабільним), а може бути, стабільними виявляться і всі три кварка. Інше можливе використання кварків - ефективні каталізатори ядерних реакцій.
Кварки природні і створені людиною
Завдяки успіху кваркової моделі виникає бажання описати все існуюче різноманіття частинок кількома фундаментальними, такими, як кварки. А для цього необхідно підтвердити їх існування в природі.
Найбільш ймовірно припустити, що кварки мають велику масу. Однак для народження частинок з великою масою потрібні великі кінетичні енергії. Тому кварки потрібно шукати в таких умовах (природно або штучно створених), коли є можливість трансформації великої порції кінетичної енергії в енергію спокою (масу). Згідно законам збереження, кварк може утворюватися тільки в парі з антикварки. Зв'язок між масою кварка m q і мінімальної кінетичної енергією, бомбардують частки Кмин, необхідної для народження кварка цієї маси, визначається типом реакції, в якій утворюється кварк.
Є така залежність Кмин від передбачуваного значення m q для реакції утворення кварка при зіткненні двох протонів:
Кмин = 2 (m q / m p) (2m p + m q) c
Значення Кмин, обчислені за даною формулою при різних значеннях маси кварка наводяться в таблиці. З таблиці видно, що кварки масою m q <3 m p потрібно шукати серед частинок, що утворюються в мішенях прискорювачів протонів на енергію 30 ГеВ, кварки масою m q <5 m p - в мішенях прискорювачів на енергію 70 ГеВ і т.д. Вважається, що при даній енергії Т можуть народжуватися частки більшої маси, ніж вказано в таблиці (наприклад, при Т = 30 ГеВ можуть народитися кварки масою до 5m p). Однак цей процес можна не враховувати в розрахунках у зв'язку з його дуже малою вірогідністю.
Найменша енергія, необхідна для народження кварка масою m q
m q m p 3m p 5m p 10m p 20m p
Кмин mpc 6 30 70 240 880
Кмин ГеВ 5,6 28 65225825
Кварки мають специфічні властивості завдяки дробности їх електричного заряду. Ними можна скористатися, щоб виділити кварки з величезного числа інших частинок, які виникають в мішені прискорювача. Таким властивістю є, наприклад, знижена іонізуюча здатність, яка змінюється прямо пропорційно квадрату електричного заряду частинки. Оскільки кварки мають заряд, рівний 1 / 3 або 2 / 3 заряду електрона, іонізуюча здатність кварків дорівнює відповідно 1 / 9 або 4 / 9 іонізуючої здатності електронів.
Були зроблені кілька дослідів по виявленню кварків. Вони були реалізовані спершу на прискорювачах в ЦЕРНі і в Брукхейвенської лабораторії, потім у Серпухові, а потім знову в ЦЕРНі на прискорювачі протонів до енергії 400 ГеВ і в Батавії на прискорювачі протонів до енергії 500 ГеВ. Проте всі вони не увінчалися успіхом. Це говорить про те, що або вони народжуються з набагато меншою ймовірністю, ніж припускали, або маса кварків перевищує 15 протонних мас. Не виключено також, що кварків взагалі немає у вільному вигляді.
Кварки, створені космічним випромінюванням.
Космічне випромінювання містить протони, енергія яких перевищує 500 ГеВ. При зіткненнях з атмосферними ядрами такі протони можуть бути джерелами кварків, навіть якщо їх маса перевищує 15 m p. Одним із способів реєстрації кварків, народжених космічним випромінюванням, може бути використання детекторів, чутливих до іонізації. Джерелом іонізації є частинками з дробовим електричним зарядом, що володіють високою рухливістю.
Камера Вільсона
В якості такого детектора можна використовувати камеру Вільсона. У ній сліди заряджених частинок виглядають, як ланцюжки з крапельок рідини. Ці крапельки утворюються в результаті конденсації пересиченого пари на іонах, які виникають вздовж траєкторії зарядженої частинки. Щільність крапельок на сліді кварка повинна бути в 9 разів менше, ніж на сліді електрона, оскільки іонізуюча здатність кварка становить 1 / 9 або 4 / 9 іонізуючої здатності електрона.
Свого часу у пресі з'явилися роботи, в яких повідомлялося про виявлення частинок з 50%-ної іонізуючої здатністю. Проте потім з'ясувалося, що отримані результати - усього лише сильна флуктуація іонізуючої здатності звичайної частинки з z = 1.
Зміст кварків в земних водоймах
Можливим джерелом кварків свого часу вважали водні басейни Землі. Логічно припустити, що кварки, що виникають при взаємодії космічних часток з атомними ядрами атмосфери, стають центрами конденсації водяної пари, падають разом з дощем на землю і врешті-решт потрапляють в озера, моря та океани. Концентрація кварків в земних водоймах повинна безупинно підвищуватися з часом. Це пов'язано з тим, що описаний механізм утворення кварків діє безперервно. Крім того, вважається, що кварки не можуть розпадатися. Це пов'язано з дробностью заряду, і можна припускати, що принаймні один з кварків, що володіє найменшою масою, стабільний, тому що йому ні на що розпадатися. У той же час, більш важкий кварк може перетворюватися на легкий без порушення закону збереження електричного та баріонного зарядів.
Оцінки показують, що за час існування Землі за допомогою такого механізму могла накопичитися до 100 000 кварків в кожному 1 куб. см води. Але у воді кварків також не виявили.
Де ще шукають кварки?
Намагалися знайти кварки за допомогою дослідів типу досвіду Міллекена за визначенням заряду електрона. Шукають кварки і в метеоритах, які при достатньо великих розмірах і тривалому існуванні в космічному просторі могли накопичити багато кварків. Але й тут однозначні результати не були отримані.
Незважаючи не те, що в результаті всіх проведених дослідів кварки виявити не вдалося, не можна говорити про те, що їх не існує, так як пройшло ще дуже мало часу. До того ж результати зроблених дослідів аж ніяк не виключають можливості існування кварків масою m q> 15m p.
До речі, чим важче кварки, тим привабливіше стає мрія їх відкрити. Адже якщо протон утворений трьома кварками масою 5m p кожен, то "енергія зв'язку" протона дорівнює: 14 m pc, або 13 ГеВ, тобто в процесі утворення протона з кварків повинно звільнятися 14/15 = 93% енергії спокою кварків.
Сучасна фізика про проблему кварків
В даний час більшість вчених, які займаються даною проблемою, вважають, що кварки існують лише у зв'язаному стані всередині адронів. Вони не можуть вилетіти з адронів і існувати у вільному вигляді.
Адрони беруть участь в електромагнітних слабких і сильних взаємодіях. Їх можна згрупувати у два великі сімейства: сімейство мезонів (спін 0,1 і т.д.) і сімейство баріонів (спін Ѕ, 3 / 2 і т.д.). Назва "адрон" означає "сильно взаємодіюча частка". Виявилося, що адрони можна більш детально класифікувати, об'єднуючи їх у підродини (звані супермультіплетамі) за ознакою однаковості спина і парності входять до підродина частинок.
Полон кварків всередині адронів
Колір і аромат кварків
Головна трудність кваркової моделі полягає у полоненні кварків всередині адронів. Інші труднощі цієї моделі пов'язана з тим, що вона допускає баріонів комбінації з трьох тотожних кварків, що знаходяться в однакових станах. Однак принцип Паулі, згідно з яким два (і тим більше три) ферміони з однаковими квантовими числами не можуть перебувати в одному і тому ж стані, забороняє такі комбінації. Завдяки введенню ще однієї характеристики кварків, званої умовно кольором обидві ці труднощі були подолані. Тут слід зауважити, що термін "колір", що вживається як характеристика сильної взаємодії, не має ніякого відношення (крім термінологічного) до оптичних квітам.
Кожен кварк має три колірні різновиди, що відповідають трьом основним кольорам: "червоному", "синього" і "зеленого". Ці різновиди не залежать від його типу (u, d, s, c, b, t), який називається ароматом (flavour ),.
Будь-який Баріон обов'язково включає в себе "різнобарвні" кварки, так що гіперон, наприклад, є "безбарвною" ("білої") комбінацією, яка не суперечить принципу Паулі. Відповідно кожен мезон представляє собою комбінацію кварків і антикварков з "додатковими квітами" (наприклад, "червоний" і "антікрасний" і т.п.), які також у сумі дають "білий" колір.
Квантова хромодинаміка
Відповідно до сучасної теорії сильних взаємодій (квантової хромодинамике), кварками взаємодія між собою за допомогою восьми кольорових глюонів (від слова glue - клей). Глюони є квантами, тобто переносниками сильної взаємодії між кварками будь-яких ароматів і квітів і як би склеюють кварки між собою. Колір відіграє дуже важливу роль нового заряду.
Між глюонами і фотонами (їх ще називають квантами електромагнітного взаємодії) є одна істотна різниця: глюони мають кольоровий заряд, а фотони їм не володіють. На відміну від фотона глюон може випускати нові глюони. Це призводить до зростання ефективного заряду кварка при збільшенні відстані, а значить, до зростання енергії взаємодії між кварками.
У результаті полонення кварки не можуть звільнитися один від одного і існують в природі тільки у зв'язаному вигляді - у формі "білих", "безбарвних" адронів. Навпаки, на дуже малих відстанях кварки можна розглядати як практично вільні частки (центральна свобода), так як вони взаємодіють відносно слабко. З цього припущення випливають кілька кількісних співвідношень, підтверджених експериментами.
Висновок
В даний час фізика елементарних частинок розвивається, в основному, за рахунок вивчення структури різних елементарних частинок, і в першу чергу протона і нейтрона. З обох цих частинок побудовані всі атомні ядра, що знаходяться у своїх основних станах. Вони є остаточними основними станами всіх баріонів.
Нещодавно з'явилася нова теорія елементарних частинок, яка називається "теорією зашнуровкі". Відповідно до цієї теорії, кожна елементарна частинка існує завдяки тому, що існують всі інші частинки, і жодна з відомих частинок не є більш фундаментальною й елементарної, ніж інші.
Була проведена класифікація адронів, згідно з якою вони складаються з кварків. Вона виявилася дуже успішною, оскільки вдалося розглянути структуру адронів. Однак багато що належить ще з'ясувати в процесі досліджень.

Список використаної літератури:
В. Акоста, К. Кован, Б. Грем "Основи сучасної фізики", М. Освіта, 1981;
І. Розенталь "Елементарні частинки і структура Всесвіту", М. Наука, 1984;
К. Мухін "Цікава ядерна фізика", М. Вища школа, 1985.
Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Фізика та енергетика | Реферат
44.9кб. | скачати


Схожі роботи:
Класифікація мікрочастинок ферміони і бозони лептони кварки адрони нуклони
© Усі права захищені
написати до нас
Рейтинг@Mail.ru