Кваркова модель будови елементарних частинок

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ

РОСІЙСЬКОЇ ФЕДЕРАЦІЇ

БЛАГОВІЩЕНСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ

ПЕДАГОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Фізико-математичний факультет

Кафедра загальної фізики

Кваркова модель будови елементарних частинок

Курсова робота

Виконав студент

3 курсу відділення

«Фізика - інформатика»

групи «Д»

Дегтярьов Н.С.

Науковий керівник: доцент, кандидат

фізико-математичних наук

Є.П. Данько

Робота захищена «__»_________________ 2007р.

Оцінка _____________________________________

Перевірив ___________________________________

Благовєщенськ 2007

ЗМІСТ

ВСТУП

1. Елементарні частинки та їх КЛАСИФІКАЦІЯ

1.1 Лептон

1.2 Адрон

2. ГІПОТЕЗА Про існування кварк

2.1 СУПЕРМУЛЬТІПЛЕТИ

2.2 Кваркові ГІПОТЕЗА

2.2.1 ВІДКРИТТЯ З - кварк

2.2.2 ВІДКРИТТЯ В - кварк

3. КВАНТОВА ХРОМОДИНАМІКА

3.1 Глюон

3.2 АСИМПТОТИЧНА СВОБОДА

ВИСНОВОК

ДОДАТКИ

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

ВСТУП

Ця курсова робота присвячується вивченню кваркової моделі, яка пояснює не тільки систематику, а й динаміку адронів. Вона призводить до маси виправдовуються передбачень і в даний час вважається загальновизнаною.

Актуальність даної проблематики обумовлена ​​прагненням людини зрозуміти устрій світу і пояснити навколишні його явища. В даний час створена теорія, так звана квантова хромодинаміка, що описує поведінку кваркових систем.

Метою роботи є вивчення кваркової моделі будови елементарних частинок, що передбачає вирішення наступних завдань:

• познайомитися з класифікацією елементарних частинок;

• розглянути кваркової моделі будови частинок;

• дізнатися основні положення квантової хромодинаміки.

Матеріалом для роботи послужили дані, отримані при роботі з літературою і Internet.

Курсова робота складається з вступу, трьох розділів, висновків, додатків та списку літератури, викладеного на 33 сторінці.

У вступі обумовлюється актуальність роботи, формулюються основні цілі і завдання, а також використовуваний матеріал.

У першому розділі розглядаються види елементарних частинок і їх класифікація.

У другому розділі розповідається про створення кваркової теорії та відкритті кварків.

У третьому розділі наводяться основні положення квантової хромодинаміки і дається поняття про глюонів та асимптотичної свободи.

У висновку в узагальненому вигляді підбиваються підсумки роботи.

У додатку наводяться таблиці і графіки.

1. Елементарні частинки та їх КЛАСИФІКАЦІЯ

Поняття «елементарна частинка» у фізиці виникло у зв'язку з ідеєю відшукання таких неподільних далі частинок, з яких складається вся матерія. Неподільність спочатку приписувалася атомам, потім - ядра, потім - нуклона.

Вперше про елементарні частки як про складові частини будь-якого атома стали говорити наприкінці XIX - початку XX століття. Саме в цей час було показано, що атоми можуть перетворюватися один в одного при радіоактивних перетвореннях. У ці ж роки були відкриті катодне і рентгенівське випромінювання, випускання яких різними атомами свідчило про подібному будові всіх атомів.

Наступними етапами в пізнанні будови атома було відкриття атомного ядра (1911 р.) і його складових частин: протона (1919 р.) і нейтрона (1932 р.).

Елементарними частинками сучасна фізика умовно називає велику групу найдрібніших мікрочастинок, які не є атомами чи атомними ядрами (за винятком протона, який є ядром атома водню). В даний час до «істинно» елементарних прийнято відносити такі частинки (і їх античастинки):

1) лептони (е, μ, τ і відповідні їм нейтрино);

2) кварки;

3) фотони і проміжні бозони W ^±, Z ^0.

В даний час відкрито і досліджено так багато елементарних частинок, що для їх позначення вже використані всі вільні літери грецького алфавіту і багато літер латинського алфавіту. Причому існують ізотопічних (зарядові) мультиплет часток, всі члени яких позначаються однаковими буквами (наприклад, Σ ^+, Σ ^-, Σ ^про тощо). Крім того, для позначення частинок використовуються букви зі штрихами, з зірочками і з цифрами. Взагалі, кількість елементарних частинок (включаючи нестабільні частки - резонанси) разом з античастинками в кілька разів перевищує число елементів періодичної системи Менделєєва, тому стає досить безглуздим вважати їх елементарними:

Всі частинки (у тому числі і неелементарному частинки і квазічастинки) поділяються на бозони і ферміони. Бозони (або бозе-частинками) називаються частки або квазічастинки, що володіють нульовим або цілочисловим спіном. Бозони підкоряються статистиці Бозе-Ейнштейна (звідси і їхня назва). До бозонів належать: гіпотетичний гравітон (спін 2), фотон (спін 1), проміжні векторні бозони (спін 1), глюони (спін 1), мезони і мезонні резонанси, а також античастинки всіх перерахованих частинок. Частинки або квазічастинки з напівцілим спіном називаються ферміонами (або фермі-частинками). Для них справедливий принцип Паулі, і вони підкоряються статистиці Фермі-Дірака (звідси і їхня назва). До ферміонами відносяться: лептони, всі баріони та баріонів резонанси, кварки (спін 1 / 2), а також відповідні античастинки.

За часом життя τ розрізняють стабільні, квазістабільні і резонансні частинки. Останні для стислості називають просто резонансами. Резонансними називають частинки, які розпадаються за рахунок сильної взаємодії з часом життя 10 ^-23 с. Нестабільні частинки, час життя яких перевищує 10 ^-20 с, розпадаються за рахунок електромагнітного або слабкого, але не за рахунок сильної взаємодії. Ці частинки відносять до квазістаціонарним. Час 10 ^-20 с, нікчемне у повсякденних масштабах, має вважатися великим, якщо його порівнювати з ядерним часом. Ядерне час є час, потрібний світлу на проходження діаметра ядра (10 ^-13 см). Навіть за час 10 ^-20 з світло встигає пробігти відстань у 10 ³ -10 ⁴ нуклони діаметрів. За цей час може відбутися ще багато внутрінуклонних процесів. Ось чому частинки, названі нами квазістабільному, в довідниках називають просто стабільними. Втім, абсолютно стабільними частками є, мабуть, тільки фотон γ, електрон е ^-, протон р, електронне ν _е, мюонне ν _μ і таонное ν _τ нейтрино та їх античастинки - розпад всіх цих частинок на досвіді не зареєстрований.

Розпади можуть відбуватися по сильному, електромагнітної і слабкої взаємодій. Найбільш швидко відбуваються розпади по сильному взаємодії - такі розпади резонансів. Квазістабільні частки розпадаються за рахунок слабкої або електромагнітної взаємодії. Вони стали б абсолютно стійкими, якщо б можна було подумки «вимкнути» ці взаємодії, залишивши тільки сильне. Найбільш стабільними резонансами є частинки J / ψ і ү, для яких τ ≈ 10 ^-20 с. Вони відносяться до резонансів тому, що у них є канали розпаду, зумовлені сильним взаємодією, але ці розпади пригнічені законами збереження чарівності і краси при сильних взаємодіях.

У силу малості часу життя τ, резонанси не володіють певною масою. Це видно зі співвідношення невизначеностей Δ * Τ ≈ h. Резонанси описуються безперервним спектром мас. Положення максимуму цього спектру і називається масою резонансу. Ширина спектра Г визначається звичайним співвідношенням Г ≈ ħ / τ. При дуже малих часи життя вона буває порівнянна зі значенням самої маси резонансу. Саме ширина Г (а не τ) зазвичай і наводиться в таблицях в якості запобіжного нестабільності резонансу. Так, при τ ≈ 10 ^-23 з отримуємо Г ≈ 100 МеВ. Тому резонансами можна назвати частинки з великою шириною спектру мас Г ≈ 100 МеВ.

Особливу групу елементарних часток становлять фотони, які є переносниками електромагнітної взаємодії, і споріднені з ними W ^±, Z ^{o-бозони,} які є переносниками слабкої взаємодії. Ці чотири частинки утворюють групу так званих переносників взаємодії. До переносникам взаємодії відносяться і глюони, а також гіпотетичні Гравітон. Всі інші частинки поділяються на лептони і адрони.

1.1 Лептон

Лептона називаються частинки, що не беруть участь в сильних взаємодіях і мають спін 1 / 2. В даний час встановлено існування шести заряджених лептонів: електрон е ^-, позитрон е ^+, мюони μ ^±, важкі лептони τ ^± (таони), і відповідних їм шести нейтральних частинок: електронне нейтрино ν _е і антинейтрино ν _e, мюонне нейтрино ν _μ і антинейтрино ν _μ, таонное нейтрино ν _τ і антинейтрино ν _т. Нейтральні лептони (нейтрино) не беруть участь і в електромагнітних взаємодіях.

Всі лептони, на сучасному рівні знання, можна назвати істинно елементарними частинками, так як у них на відміну від адронів не виявлена ​​внутрішня структура. У цьому сенсі лептони називаються точковими частинками.

Мюони були відкриті в космічних променях Андерсоном разом з Неддермайером в 1937 р. Наявність у мюонів власного (мюонного) нейтрино було встановлено пізніше - лише на початку 60-х років, τ-лептони були відкриті в 1975 р. у Стенфорді (США) групою експериментаторів на чолі з Перл (нар. 1927) в дослідах із зустрічними електрон-позитронними пучками. Тау-лептон виходить в результаті анігіляції електрона і позитрона (е ^{+ +} е ^- → τ ^{+ +} τ ^-). Маса мюона m _μ = 105,7 МеВ, час життя τ = 2,2 * 10 ^-6 с, маса таона m _τ ~ 1,8 ГеВ, час життя _τ τ ~ 5 * 10 ^-13 с.

Наші відомості про нейтрино дуже неповні. Особливо це стосується μ-і τ-нейтрино. Навіть щодо електронного нейтрино не можна категорично стверджувати, дорівнює чи є маса цієї частки нулю або тільки дуже мала.

1.2 Адрон

Адронами називаються елементарні частинки, що беруть участь в сильних взаємодіях. Вони, як правило, беруть участь також і у всіх інших взаємодіях - електромагнітному і слабкому.

Ці частинки, в основному резонанси, складають найбільш численну групу елементарних частинок - їх налічується близько 400. Адрони поділяються на стабільні і квазістабільні адрони і резонанси. У свою чергу стабільні адрони поділяються на мезони і баріони. Теоретичні мотиви такого підрозділу з'ясуються в кваркової моделі. До групи резонансів входять мезонні та баріонів резонанси.

Мезонами називаються нестабільні заряджені або нейтральні адрони, що володіють нульовим або цілочисловим спіном, а тому належать до класу бозонів. Сюди відносяться π ° - і π ^± - мезони, К ^± - мезони. Ці мезони були відкриті раніше за інших. Маса їх - проміжна між масами електрона і протона (звідси і їхня назва - від грецького слова mesos, що означає «середній, проміжний»). Пізніше були відкриті більш важкі D ^± -, D ^о -, F ^± - мезони, маса яких більша за масу протона. Було відкрито також багато мезонних резонансів, тобто мезонів з часом життя порядку 10 ^-23 с. Маса деяких з них також перевершує масу протона. Мюони μ спочатку називалися μ - мезонами, але вони не належать до класу мезонів, тому що мають спін 1 / 2 і не беруть участь в сильних взаємодіях.

Ядерна фізика та баріонів резонансами називаються адрони з напівцілим спіном і масами, не меншими маси протона. До них відносяться нуклони (протони і нейтрони), гіперонів і ін Протон і нейтрон - найлегші баріони. Протон - єдиний стабільний Ядерна фізика, всі інші баріонів резонанси нестабільні і шляхом послідовних розпадів перетворюються на нуклони і легкі частинки: π-мезони, електрони, нейтрино, γ-кванти. (Нейтрон у вільному стані - нестабільна частка з часом життя ~ 16 хв, але у зв'язаному стані усередині ядра він стабільний, якщо ^A _Z М ^<A _{Z +1} M + M _e, тобто коли не відбувається β ^{- -} розпаду. Якщо ж ^A _Z М> ^A _{Z +1} M + m _е, то нестабільний протон і відбувається позитронний β ⁺ - розпад: р → n + е ^{+ +} ν _e.

Нестабільні баріони з масами, великими маси нуклона (протона і нейтрона), і великим часом життя в порівнянні з ядерним часом (порядку 10 ^-23 с) називаються гіперонами. Перші гіперонів (Λ) були відкриті в космічних променях. Детальне вивчення їх стало можливим після того, як їх почали отримувати на прискорювачах заряджених частинок високих енергій при зіткненнях швидких нуклонів, π - і К - мезонів з нуклонами атомних ядер. Відомо кілька типів гіперонів: лямбда (Λ °), сігма (Σ ^-, Σ °, Σ ^+), ксі (Ξ ^-, Ξ °), омега (Ω ^-), Λ _с. Всі гіперонів мають спін 1 / 2, за винятком гіперон Ω ^-, спін якого дорівнює 3 / 2. Таким чином, гіперонів, як і всі Ядерна фізика, є ферміонами. Час життя гіперонів τ ~ 10 ^-10 с (за винятком Σ ° і Λ ° і Λ _с, для яких τ одно 10 ^-19 і 10 ^-13 с відповідно). За цей час вони розпадаються на нуклони і легкі частки (π - мезони, електрони, нейтрино, γ-кванти).

У 70-х роках на великих прискорювачах були створені пучки заряджених і нейтральних гіперонів високих енергій (20-100 ГеВ). Це дозволило перевірити формулу для релятивістського уповільнення часу в кращих умовах, порівняно з тим, як це робилося раніше. Якщо б не було релятивістського уповільнення часу, то гіперонів від свого народження до розпаду пробігали б шлях порядку з * τ, тобто близько сантиметра або десятків сантиметрів. Насправді цей шлях досягає декількох метрів.

2. ГІПОТЕЗА Про існування кварк

В останні роки дуже великого успіху досягла класифікація адронів на основі кваркової моделі. Кварки були придумані в 1964 р. американськими фізиками Гелл-Маном і незалежно від нього Цвейг для пояснення існуючої в природі симетрії у властивостях сільновзаімодействующіх часток - адронів.

Відповідно до цієї моделі, будь-адрон складається з трьох кварків з досить незвичайними властивостями. Передбачається, що існує шість ароматів кварків (і стільки ж антикварков), взаємодія між якими здійснюється глюонами. Кварки і глюони мають специфічний заряд, який називається кольором. Кожен тип кварка має по три колірних різновиди, глюони - вісім.

Ряд експериментальних даних вказує з переконливістю на реальне існування кварків. До їх числа належать результати вивчення розсіювання швидких електронів протонами. Характер розсіювання свідчить про наявність усередині протона трьох точкових розсіюючих центрів з набоями 2/3е і 1/3е, що повністю узгоджується з трехкварковой моделлю протона.

Разом з тим всі спроби спостерігати кварки у вільному стані виявилися безуспішними. Це призвело до висновку, що кварки можуть існувати всередині адронів і в принципі не можуть спостерігатися у вільному стані. З'явився навіть стосовно до кварків термін конфайнмент (від англ. Confinement - «тюремне ув'язнення»).

Причиною конфайнмента є незвичайна поведінка сил взаємодії кварків один з одним. При малих відстанях ці сили вкрай малі, так що кварки виявляються практично вільними (цей стан називається асимптотичної свободою). Проте зі збільшенням відстаней між кварками сили взаємодії дуже швидко ростуть, не дозволяючи кварків вилетіти з адронів.

2.1 СУПЕРМУЛЬТІПЛЕТИ

Виявляється, якщо відомі адрони розсортувати за значеннями їх спина і внутрішньої парності, то утворюється кілька великих груп адронів (в середньому по десятку часток в одній групі), всередині яких спостерігаються цікаві закономірності. Такі групи називають супермультіплетамі або унітарними мультіплета. У цей час можна було цілком чітко виділити чотири великі групи частинок. Мезонні адрони з нульовим спіном і негативною парністю утворюють групу з дев'яти часток (нонет), що складається з унітарної октету і унітарного синглет. Електричний заряд, дивина і маса членів цієї дев'ятки закономірно змінюються від частки до частки (додаток 1). Аналогічну дев'ятку утворюють також мезонні адрони з спіном, рівним одиниці, і негативною парністю (додаток 2). Ядерна фізика зі спіном 1 / 2 і позитивної парності утворюють подібний октет (додаток 3); нарешті, баріонів адрони зі спіном 3 / 2 і позитивної парності складають десятки - декуплет (додаток 4). В останньому випадку закономірність зміни властивостей у часток особливо очевидна.

Всі частинки декуплета розміщені на чотирьох рядках, що характеризуються певними значеннями дивацтва S: 0, -1, -2 і -3. Рядки мають різну довжину і разом утворюють правильний трикутник. На найдовшій нижньому рядку знаходяться чотири члени ізотопічного квартету Δ - частинок, що характеризуються одним і тим же значенням ізотопічного спина Т = 3 / 2. Усі члени цього квартету повинні мати однакову масу з похибкою порядку декількох мегаелектрон-вольт. Другий рядок займає Σ ₁₃₈₅ - триплет резонансів з Т = 1 і близькими масами. У третьому рядку розміщений ізотопічний Ξ ₁₅₃₀ - дублет з Т = 1 / 2, і, нарешті, вершину трикутника вінчає ізотопічний синглет (Т = 0) - Ω ^{- -} гіперон. Електричний заряд частинок, що входять до ізотопічний мультиплет, зростає на одиницю при русі вздовж рядка зліва направо. Кожній вертикалі відповідає певне значення проекції ізотопічного спина. На діагоналях, спрямованих під гострими кутами до осі абсцис, розташовані частинки з однаковим електричним зарядом. І що особливо чудово, різниці середніх значень мас для двох будь-яких сусідніх рядків практично однакові.

Перераховані закономірності настільки переконливі, що вони дозволили Гелл-Ману в 1962 р. однозначно передбачити за властивостями дев'яти відомих частинок всі основні характеристики десятий частинки, що займає верхній кут трикутника.

Легко переконатися, що з розгляду декуплетного трикутника (додаток 4), можна передбачити наступний набір параметрів для цієї частки: маса, електричний заряд, баріонів заряд, дивина, ізотопічний спін, парність, схема народження, схема розпаду, час життя. Цей перелік настільки добре характеризує властивості передвіщеної частинки, що з'явилася можливість організувати по-справжньому науковий її пошук. На початку 1964 р. Ω ^{- -} гіперон з передбаченими властивостями був знайдений. Це, ймовірно, самий маленький інтервал часу між моментами передбачення і виявлення "справжньої" (долгоживущей) елементарної частинки.

Аналогічні закономірності можна простежити також і в інших супермультіплетах (додатки 1 - 3), хоча там вони не такі прості й очевидні, як у випадку декуплета.

Для пояснення закономірностей, що спостерігаються в унітарних мультіплета, було запропоновано декілька різних теорій. Спільним для всіх цих теорій є припущення про існування двох різновидів сильної взаємодії: дуже сильного і помірно сильного, які разом з електромагнітним визначають основні властивості адронів. Дуже сильна взаємодія однаково для всіх членів унітарного мультіплета і визначає головну частину їх енергії взаємодії (а значить, і маси). Помірно сильна взаємодія залежить від несподіванки й тому різному для членів різних ізотопічних мультиплетов. Воно призводить до 10%-ному розбіжності мас цих частинок. Електромагнітна взаємодія залежить від електричного заряду, тому воно різне для частинок, що стоять в одному рядку. У зв'язку зі своєю відносною слабкістю воно призводить лише до невеликого (порядку декількох мегаелектрон-вольт) розбіжності мас у членів даного ізотопічного мультіплета.

2.2 Кваркові ГІПОТЕЗА

Найбільш вдалою спробою навести порядок у світі елементарних частинок є створення гіпотези про існування кількох фундаментальних частинок, названих кварками, з яких можна скласти будь-яку сільновзаімодействующую частку, причому такі "складові" частинки будуть володіти всіма основними властивостями реальних часток.

Найбільш природно існування унітарних мультиплетов можна було пояснити, ввівши в розгляд три гіпотетичні частинки - кварки - 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 Дж.Джойса "Поминки по Фіннегану" як таємничий крик чайок, який чується герою роману під час кошмарного марення ).

Легко бачити, що якщо приписати кварків властивості згідно з додатком 5, то достатньо всього трьох кварків і трьох антикварков, щоб з них 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. Літери u, d і s у додатку 5 - скорочення від інших загальноприйнятих назв up - верхній, down - нижній, strange - дивний. Пізніше в кваркової моделі ввели четвертий с (charm - «зачарований») і п'ятий b (beauty - «краса, принадність» або bottom - «нижній») кварки. Передбачається, що існує ще один, шостий, t-кварк (truth - «правдивий» або top - «верхній»). Властивості кварків представлені у додатку 6.

До теперішнього часу встановлено існування п'яти різновидів (або так званих ароматів) кварків: u, d, s, с, b. Їх маси: m _u ≈ 5 МеВ, m _d ≈ 7 МеВ, m _s ≈ 150 МеВ, m _з ≈ 1,3 ГеВ, m _b ≈ 5 ГеВ. На ці дані треба дивитися як на оціночні і грубо орієнтовні, тому що кварки у вільному стані не спостерігалися і тому їх маси не можна було виміряти прямими методами. Неодноразово надходили попередні повідомлення про відкриття t-кварка (m _t > 22 ГеВ), але остаточно існування t-кварка ще не встановлено. Кожному кварку відповідає свій антікварк.

Всі кварки мають спін 1 / 2 і баріонів заряд 1 / 3. Кварки u, c, t називають верхніми, так як вони мають дробовий електричний заряд +2 / 3. Решта кварки d, s, b з електричним зарядом -1 / 3 прийнято називати нижніми. Відповідно з цією термінологією кварки можна розташувати в таблиці:

u, з, t (Заряд 2 / 3);

d, s, b (Заряд - 1 / 3);

Кварк s є носієм дивацтва, с - чарівності, b - Краси (принади).

Протон складається з двох u-кварків і одного d-кварка (р → uud), нейтрон складається з одного u-кварка і двох d-кварків (n → udd). Їх античастинки побудовані з антикварков: р → u u d, n → u d d.

Мезони побудовані з двох часток: кварка і антикварка. Тому їх баріонна число дорівнює нулю. Подивимося, які комбінації з двох таких частинок можуть бути складені з трьох найлегших кварків u, d, s та їх антикварков u, d, s. Очевидно, найбільше таких комбінацій буде дев'ять:

uu, ud, us,

du, dd, ds,

su, sd ss.

Кварки і антикварки можуть входити в ці (і всякі інші) комбінації з різними орбітальними кутовими моментами. Спини кварків і антикварков можуть різна орієнтуватися один щодо одного. Загальний кутовий момент складеної з кварків і антикварков частки (античастинки) знайдеться за правилом векторного додавання спінового й орбітального моментів.

Звернемося тепер до баріонів. Спін їх напівцілий, отже, якщо кварки не мають орбітальними моментами, то баріони повинні бути побудовані з непарного числа частинок. Розглянемо випадок, коли такими частинками є кварки u, d, s. Спін баріонів може бути дорівнює або 1 / 2 (коли спини двох кварків паралельні, а спін третій спрямований протилежно), або 3 / 2 (коли спини всіх кварків паралельні). У першому випадку утворюється октет (вісімка) баріонів:

p (uud), n (udd), Λ ^о (uds),

Σ ^- (dds) Σ ^про (Uds), Σ ⁺ (uus), Ξ ^- (dss), Ξ ^о (uss).

Ядерна фізика зі спіном 3 / 2 утворюють декуплет баріонів:

ddd udd uud uuu Δ ^- Δ ^o Δ ⁺ Δ ^{+ +} 1232 МеВ

dss uds uus Σ ^- Σ ^o Σ ⁺ 1385 МеВ

dss uss Ξ ^- Ξ ⁺ 1530 МеВ

sss Ω ^- 1672 МеВ

2.2.1 ВІДКРИТТЯ З - кварк

Тріумфом кваркової моделі є відкриття зачарованих часток. Перша зачарована частка була відкрита в 1974 р. двома групами експериментаторів незалежно один від одного: на протонному прискорювачі в Брукхейвені (США) при бомбардуванні ядер протонами Be і на прискорювачі із зустрічними електронно-позитронними пучками в Стенфорді ( США). Перша група назвала відкриту частку мезоном J, а друга - мезоном ψ. Тому виявлений мезон і отримав подвійну назву J / ψ. Його маса 3,096 ГеВ. Чудова особливість знову відкритої частки полягає в її відносно великій довговічності. Її ширина 60 кеВ, тоді як звичайні ширини для часток таких енергій 10-70 МеВ, що приблизно на три порядки більше. Цей факт, як і у випадку дивних частинок, вказує на заборону з якогось нового квантовому числу. У результаті було введено квантове число С, що отримало назву чарівності, або шарму. Йому відповідає новий кварк с. У кваркової моделі чарівність визначається як різниця між числом кварків (с) і антикварков (с). Частинки з чарівністю, відмінним від нуля, називаються зачарованими. Чарівність подібно дивацтва зберігається при сильних і електромагнітних взаємодіях, але не зберігається при слабких. Розпади зачарованих адронів відбувається за рахунок слабкої взаємодії, при цьому чарівність змінюється на одиницю, J / ψ-мезон побудований з кварка с і антикварка з (J / ψ = сс). Його чарівність дорівнює нулю і відносять його до числа мезонів з прихованим чарівністю. Приховане чарівність у часток проявляється в тому, що вони легко розпадаються на зачаровані частинки, якщо розпад не заборонений законами збереження енергії та імпульсу, а розпади на неочарованние частинки сильно пригнічені (так як пригнічена анігіляція сс в більш дрібні кварки), тобто відбуваються з малою ймовірністю.

2.2.2 ВІДКРИТТЯ В - кварк

Історія відкриття нового кварка b аналогічна історії відкриття кварка с. У 1977 р. в Батавії (США) був відкритий новий мезон, позначений через ү. Він виникав при бомбардуванні мішені з міді і свинцю пучком протонів з енергією 400 ГеВ. Цей надважкий мезон при масі m _ү характеризувався відносно малою шириною (близько 0,04 МеВ). Властивості нової частинки не вкладалися в схему четирехкварковой моделі, і довелося ввести п'ятого кварк b, який був названий чарівним, або красивим. (Адрони, в які входить кварк b, називають красивими, або чарівними.) Мезон є одним з збуджених станів зв'язаної системи bb зі спіном 1. Надалі мезон ү та інші порушені стану тієї ж системи ү ', ү ", ү"' виходили у зустрічних електрон-позитронного пучках, а на зустрічних рр. - пучках в ЦЕРН (Швейцарія) був також виявлений перший, самий легкий «гарний» Баріон Λ _b = udb масою 5400 МеВ. Різниця між числами b-кварків і їх антикварков b називається красою. Краса зберігається при сильних і електромагнітних взаємодіях і може порушуватися при слабких.

Якщо переглянути всі квантові числа для адронів, то легко виявити, що електричний заряд Адрону можна обчислити за формулою

Q = T ₃ + 1 / 2 (B + S + C + b).

Зокрема, ця формула застосовна для нуклонів. У них S = С = b = 0, В = +1, для протона Т ₃ = +1 / 2, для нейтрона Т ₃ = -1 / 2.

3. КВАНТОВА ХРОМОДИНАМІКА

Квантова теорія поля і, зокрема, теорія калібрувальних полів є природним розвитком квантової механіки - революційної фізичної теорії, створеної в перших десятиліттях XX століття.

Один із принципів квантової механіки - принцип тотожності, або нерозрізненості частинок, з якого випливає важливий наслідок: в системі частинок з напівцілим спіном (тобто спіном 1 / 2, 3 / 2 і т. д.) в кожному квантовому стані не може бути більше однієї частинки. Це положення називають забороною Паулі. Заборона Паулі є наслідком вимоги симетрії по відношенню до перестановки частинок: перестановка часток не повинна приводити до зміни стану системи. Для частинок з напівцілим спіном цю вимогу призводить до неможливості стану з двома однаковими частками. Заборона Паулі відіграє визначальну роль у теорії періодичної системи елементів Менделєєва; він пояснює розподіл електронів атома по оболонок. Теорія електронів у твердому тілі теж має в основі заборону Паулі.

Розглянемо на основі заборони Паулі кварки в баріонів Δ ^{+ +,} Δ ^- і Ω ^-. Їх кваркова структура виглядає так: uuu, ddd, sss. Кварки мають спін 1 / 2 і повинні підкорятися забороні Паулі. Тому в трьох розглянутих баріонів кварки повинні відрізнятися один від одного.

Спочатку не виключали можливість, що по відношенню до кварків потрібно узагальнення законів квантової механіки, що дозволяє трьом однаковим кварків перебувати в одній системі. Однак більш природним представляється вважати кварки у зазначених баріонів різними. Таку пропозицію було зроблено в 1965 р. радянськими вченими М.М. Боголюбовим, Б.В. Струмінським та А. Н. Тавхелідзе. Пізніше квантове число, яке відрізняє кварки і може приймати три різні значення, було названо «кольором». Таким чином, Ω ^- слід передавати у вигляді s _r s _g s _b, де r відзначає «червоний», g - «Зелений», b - «Синій» кварки. Фізичні адрони повинні бути безбарвними (білими): колірне квантове число будь-якого Адрону дорівнює нулю.

Відповідно до гіпотези кольору, кварків не шість, а вісімнадцять: кожен із шести кварків може бути трьох можливих кольорів. Для видів кварків введено термін «аромат» (flavour): існують кварки шести ароматів (запахів) і трьох кольорів. Втім, можна прийняти число квітів рівним не трьом, а чотирьом, якщо додати до кварків лептони.

Докази існування кольори були отримані в дослідах на зустрічних е ^- е ⁺ - пучках. Повне перетин анігіляції пропорційно сумі квадратів електричних зарядів всіляких кварків. Це означає, що ймовірність процесу за умови, що існують кварки трьох кольорів, в 3 рази більше, ніж у випадку одноколірних кварків. Досліди, проведені при різних енергіях (тобто з різною кількістю ароматів кварків), підтвердили триколірну модель.

3.1 Глюон

Може здатися, що наявність кольору ускладнює картину кварк-лептонний симетрії. Насправді, саме колір обумовлює сильна взаємодія, що утримує кварки у адронів. Колір для сильної взаємодії кварків відіграє таку ж роль, як електричний заряд для електромагнітної взаємодії. Введення кольору дозволяє побудувати калібрувальну теорію сильних взаємодій - квантової хромодинаміки.

Створення квантової хромодинаміки відноситься до 1973 р., коли майже одночасно з'явилися три статті різних авторів, котрі припустили, що сильна взаємодія між кварками здійснюється безмасові частинками. Одна з цих статей була написана А. Саламом та І. Паті, інша-М. Гелл-Манном, Р. Фрічем і Г. Лейтвіллером, третя - С. Вайнбергом. Частинки, які здійснюють сильна взаємодія, названі глюонами (від англ. Glue - Клей). Вони грають роль, аналогічну ролі фотонів в електродинаміці. Однак відмінність хромодинаміки від електродинаміки дуже суттєво і обумовлює ряд дивовижних особливостей поведінки кварків і глюонів.

Згадаймо, що ми знаємо про квантової електродинаміки. Її рівняння мають певну симетрію - калібрувальної інваріантністю, пов'язаної з відсутністю у фотона маси. При калібрувальному перетворенні функції, що описують заряджені частинки, змінюються одночасно з потенціалом електромагнітного поля, але якщо початкові функції були рішенням рівняння, то і перетворені функції теж будуть рішенням при відповідній зміні поля. У цьому сенсі електромагнітне поле грає в квантової електродинаміки «компенсуючу» роль.

Калібрувальна теорія сильних взаємодій будується аналогічно. Різниця в тому, що тут не один заряд, а три кольори. Природно вважати кварки, що відрізняються кольором, однієї і тієї ж часткою в різних колірних станах, подібно до того, як протон і нейтрон вважають різними зарядовими станами нуклона. Для опису переходів між зарядовими станами адронів вводиться ізотопічного простір. Для розгляду симетрії кварків вводиться простір кольору. Але на відміну від ізотопічний симетрії, яка порушується електромагнітними і слабкими взаємодіями, симетрія в колірному просторі точна.

Звичайно, теорія, в якій замість звичайного заряду вводиться його узагальнення, має бути складнішою, ніж квантова електродинаміка; принцип калібрувальної інваріантності потрібно узагальнити на випадок складного зарядового простору. Такого роду узагальнення калібрувальної теорії розглядалося ще в 1954 р. американськими фізиками Ч. Н. Янгом і Р. Л. Міллсом. Янг і Міллс вивчали взаємодію нуклонів з гіпотетичним полем зі спіном та ізоспіном, рівними 1, і будували теорію, інваріантну при обертанні в ізотопічного просторі. Найбільш характерною відмінністю цієї теорії від електродинаміки є наявність «заряду» у часток, що здійснюють взаємодію. Це означає, що агенти взаємодії повинні взаємодіяти один з одним. Нічого подібного немає для фотонів: у них немає заряду; електромагнітне поле підкоряється принципу суперпозиції; поля, створені різним і частинками, один на одного не впливають і діють на будь-яку заряджену частинку так, як якщо б іншого поля не було. І, звичайно, фотони не можуть випускати фотони. Частинки Янга - Міллса поводяться інакше: їх поля «самодіючі».

Теорія Янга - Міллса була використана при побудові квантової хромодинаміки. Глюонної полі - це і є поле Янга - Міллса, що забезпечує симетрію при калібрувальному перетворенні. Різниця в тому, що симетрія ця не в ізотопічного, а в колірному просторі.

Отже, глюони мають колір. Скільки ж існує видів, глюонів? Глюон повинен перетворювати кварк одного кольору в кварк іншого кольору, наприклад, червоний - у синій. Це означає, що поглинається глюон повинен бути суперпозицією кольорів - синього і антікрасного br, що випускається ж - суперпозицією червоного і антісінего rb. Всього можливо дев'ять комбінацій кольорів і антіцветов.

rr rg rb

gr gg gb

br bg bb

Кожній з таких комбінацій відповідає глюон. Колір, подібно до електричного заряду, зберігається. Тому шість недіагональні явно забарвлених комбінацій не можуть перемішуватися між собою. Три діагональні комбінації безбарвні, і перемішування їх між собою не змінює колір. Кожна з діагональних комбінацій може бути отримана шляхом лінійної суперпозиції двох інших комбінацій. Існує, отже, всього вісім відповідних їм глюонів. Уявімо схематично взаємодія між кварками шляхом обміну глюонами. Будемо зображати червоний, зелений і синій кварки будь-якого аромату символами q _r, q _g, q _b (Q ≡ u, d, s, c, b, t). Тоді взаємодія між червоним і зеленим кварками запишеться так:

q _r → q _g + G _rg ;

q _g + G _rg → q _r ;

Перше рівність означає, що червоний кварк випустив червоно-зелений глюон і перетворився в зелений кварк q _g. Друге означає, що зелений кварк, поглинувши червоно-зелений глюон, перетворився на червоний кварк.

Самодіючі глюонного поля призводить до такої особливості хромодинаміки, яка не тільки чудова сама по собі, але дозволяє вирішити важливу проблему взаємодії частинок на надмалих відстанях.

3.2 АСИМПТОТИЧНА СВОБОДА

Напруженість електричного поля зменшується обернено пропорційно квадрату відстані від заряду, що створює поле. Подібного роду сили, повільно убуваючі з відстанню, називають дальнодії. Для сил типу електричних немає можливості ввести кінцевий «радіус» їх дії; поле звертається в нуль тільки на нескінченно великій відстані від заряду. Можна сказати, що радіус електричних сил дорівнює нескінченності. Відповідно до квантової теорії нескінченний радіус дії пов'язаний з рівністю нулю маси фотона. Слабка взаємодія здійснюється дуже важким мезоном (він приблизно в 80 разів важче нуклона), і воно є блізкодействія. Радіус слабкої взаємодії можна оцінити величиною 10 ^-16 см.

Глюони не мають маси, тому радіус сильної взаємодії має бути нескінченним. Спостережуване сильна взаємодія безбарвних адронів з коротким 10 ^-13 см радіусом - всього лише видимий прояв кварк-глюонної сил, аналогічне електричному взаємодії нейтральних атомів або молекул між собою.

Таким чином, сили в хромодинамике, як і в електродинаміці, дальнодействующіх. У електродинаміки вони убувають обернено пропорційно квадрату відстані від точкового заряду. А в хромодинамике вони зростають із зростанням відстані між цветозаряженнимі частинками.

Якщо в деяку середу поміщений електричний заряд - джерело електричного поля, то відбувається поляризація середовища: частинки середовища під дією поля повертаються так, що заряди знака, протилежної внесеного заряду, виявляються ближче до нього, ніж однойменні. У результаті дія заряду на великій відстані послаблюється, заряд «екранізується» зарядами протилежного знака. «Екранований» заряд менше первинного.

Відповідно до квантової електродинаміки, розглянутий ефект виникає не тільки в середовищі, а й у вакуумі: існує явище поляризації вакууму, викликане виникненням та зникненням в ньому віртуальних електронно-позитронного пар. При наближенні до джерела поля - електрично зарядженою частці - ефективний заряд повинен зростати.

Вимірюваний при звичайних енергіях заряд електрона е = 1,6 * 10 ^-19 Кл - це ефективний заряд; він оточений хмарою віртуальних пар. «Справжній» заряд, заряд «голого» електрона, без шуби з віртуальних частинок, можна було б спробувати виміряти, вивчаючи процеси при дуже високих енергіях, коли заряджені частинки повинні виявитися на дуже малій відстані один від одного. Однак у таких експериментах починають грати роль сильні взаємодії, так що про процеси при надвисоких енергіях квантова електродинаміка взагалі не дає ніякої інформації.

У хромодинамике переносник взаємодії-глюонної поле саме є зарядженим (тобто кольоровим). Утворюючи навколо джерела поля - кварка - поляризаційне хмара, глюони беруть на себе заряд кварка. Виходить ефект антіекраніровкі. Розрахунок показує, що антіекраніровка переважає над звичайною екрануванням, викликаної віртуальними парами кварк - антікварк, якщо число ароматів кварків не надто велика, не більше 16 (нагадаємо, що нам відомо 5 ароматів).

При зменшенні відстані від джерела глюонного поля цветозаряд прагне до нуля. Інакше кажучи, при великих енергіях частинок, що стикаються (точніше, в процесах з великим переданим імпульсом) кварки можна розглядати як вільні, невзаємодіючі один з одним частинки.

Ситуація парадоксальна, але повністю підтверджена експериментом. Вивчення розсіювання лептонів на протонах при великих переданих імпульсах - так зване «глибоко непружне» розсіювання, при якому взаємодія відбувається на дуже малій відстані, а від лептона протону передається великий імпульс - показало, що адрони ведуть себе так, як якщо б вони складалися з невзаємодіючі точкових частинок - Партон. Ці результати були отримані в Стенфорді в 1967-1968 рр.., А Партон модель адронів сформульована Р. Фейнманом в 1969 р. Вивчення струменів повністю підтверджує слабкість сильної взаємодії на малих відстанях. Ослаблення ефективної взаємодії з ростом енергії називається асимптотичної свободою (тобто свободою в межі нескінченно високої енергії). Це властивість полів Янга - Міллса було виявлено теоретично в 1973 р. голландцем т'Хоофтом, а також американськими фізиками Д. Гроссом разом з Ф. Вілчек і незалежно X. Політцера.

Поведінка взаємодії між кварками на великих відстанях також визначається самодіючі глюонів. При видаленні кварків один від одного глюонної полі завдяки тяжінню глюонів один до одного стискається так, що лінії поля стають паралельними аналогічно лініях електричного поля в плоскому конденсаторі. Як відомо, в плоскому конденсаторі поле однорідне, напруженість однакова у всьому обсязі. Потенціал такого поля змінюється в напрямку від однієї пластини до іншої, зростаючи із зростанням координати. При незмінному заряді енергія поля всередині конденсатора зростає із збільшенням відстані між пластинами. Точно так же, чим більше відстань між кварками, тим більше енергія глюонного поля. При достатньому видаленні кварків один від одного можуть виникнути глюон або пари кварк - антікварк, причому вони тут же породжують безбарвні адрони. Вільні частинки з дробовим зарядом до цих пір не спостерігалися, незважаючи на ретельні пошуки. Ймовірно, не може існувати і вільний глюон. Відсутність вільних кварків і глюонів називають «невилетаніем кольору».

Поява кварків фіксується за особливостями освіти адронів в зіткненнях на зустрічних пучках. У результаті розпаду важких кварків виникають два струмені адронів, спрямовані в протилежні сторони. Якщо, крім кварків, в проміжному стані є глюон, то має з'явитися ще один струмінь.

Глюонної струменя були виявлені в 1979 р. в експериментах на зустрічних пучках. При цьому спостерігалося збільшення числа трехструйних подій у міру збільшення енергії частинок, що стикаються, що передбачається теорією. Вивчення кутового розподілу струменів призвело до висновку, що спін глюони дорівнює одиниці, як і повинно бути, раз глюонної поле є калібрувальним.

Оскільки глюони взаємодіють один з одним, можливо існування безбарвних пов'язаних станів двох або більшої кількості глюонів - глюболов («куль з клею»). Ці стани нестабільні і повинні виявлятися як резонанси в розсіянні. Прикладом глюбола є глюонної - частинка, що складається з глюонів і антіглюона, наприклад, rb і br. Глюболи повинні виникати при розпадах «Чармон» з c, т. е. J / ψ - частки: вона може розпадатися на адрони не безпосередньо, а в результаті перетворення в три глюони або два глюони і фотон. Виникаючі глюони можуть об'єднатися в глюбол. При розпаді J / ψ - частки, дійсно, були знайдені нові резонанси; їх маси-1440 ГеВ / с ² і 1700 ГеВ / с ^2, однак немає впевненості, що їх слід ототожнити з глюболамі.

Цікаві результати були отримані в Інституті фізики високих енергій в експерименті, виконаному під керівництвом Ю. Д. Прокошкіна. Пучок негативно заряджених піонів з енергією 40 ГеВ прямував в камеру з рідким воднем. При зіткненні півоній з протонами відбуваються різноманітні події, але дослідників цікавило народження нейтральних частинок: π ^- р → n π ^o π ^o (1)

π ^- р → n η η (2)

π ^- р → n η η '(3)

Маса η - частки дорівнює 550 МеВ / с ^2, η '- частки - 959 МеВ / с ^2.

Дослідження реакцій (2) та (3) показало, що частина η - частинок виникає в результаті розпаду невідомої раніше частки без спина з масою 1590 МеВ / с ^2. Її час життя - близько 3 * 10 ^-24 с. Цікаво, що G - мезон (так назвали новий резонанс) не розпадається ні на півонії, ні на каона. Це значить, що він не може мати кваркової структури типу uu, dd або ss. Розпад (3) відбувається в 3 рази частіше, ніж розпад (2), а теорія передбачає таке відношення для розпадів глюбола. Насторожує велика маса G-мезона; теоретично маса глюбола повинна бути менше. І все ж, G-мезон є досить імовірним кандидатом у глюболи.

Тепер звернемося до питання: що може квантова хромодинаміка? Відомі успіхи квантової електродинаміки, її точне відповідність експериментальним даним; її методами не тільки розраховують різні процеси (розсіяння електронів і фотонів, випускання і поглинання світла), а й дуже тонкі ефекти, пов'язані з впливом поляризації вакууму. Ці успіхи значною мірою зобов'язані малій величині електромагнітної взаємодії, яке характеризується безрозмірною величиною α = e ² / hc = 1 / 137, званої постійної тонкої структури. Трохи взаємодії, точніше, трохи α в порівнянні з 1, дозволяє розглядати його як добавку («обурення») до основних членам рівнянь, що описує поведінку вільних частинок, і методом послідовних наближень отримувати рішення з будь-яким ступенем точності.

У квантовій хромодинамике взаємодія стає малим на малих відстанях. У зв'язку з цим з'являється можливість скористатися методами, аналогічними розрахункових методів електродинаміки, щоб отримувати інформацію про процесах при високій енергії. Безрозмірна постійна, що характеризує кольорове взаємодія при високій енергії, близька до 0,2; це значно більше постійної тонкої структури, але все-таки менше одиниці. Для розробки методів розрахунку навіть в області високих енергій довелося подолати ряд труднощів, яких не було в електродинаміці. Значний внесок у розробку апарату квантової хромодинаміки внесли радянські вчені Л. Д Тадея, Є. С. Фрадкін, А. А. Славнов, В. М. Попов та ін Послідовною теорії кольорового взаємодії, на великих відстанях не існує; такі процеси описуються з допомогою моделей, що мають обмежену сферу застосування.

ВИСНОВОК

Кваркова модель в даний час - єдина модель будови елементарних частинок, найбільш точно пояснює будову адронів.

Створення квантової хромодинаміки - вельми примітне явище в науковому житті.

З одного боку, воно свідчить на користь єдності світу. В кінці 50-х років думка, що теорія сильних взаємодій може бути побудована за аналогією з квантової електродинаміки, здавалася просто наївною. І все ж теорія сильних взаємодій виявилася теорією поля, мало того, теорією калібрувального поля, подібної електродинаміки.

З іншого боку, створення хромодинаміки свідчить про якісно нові властивості «кольорових» частинок і їх взаємодій в порівнянні з раніше вивченими об'єктами. Серед цих нових властивостей - щаслива для цієї теорії особливість взаємодії, його ослаблення на малих відстанях, що дозволило створити методи розрахунку глибоко непружних процесів.

Необхідно зауважити, що кваркова гіпотеза не єдина. Існують гіпотези (засновані на що спостерігається на досвіді симетрії між кварками і лептона в електромагнітних взаємодіях, а також на ідеях Великого об'єднання сил) про те, що кварки і лептони самі складаються з більш фундаментальних частинок - «преонов».

Фізика не стоїть на місці, особливо фізика елементарних частинок. Ця одна з молодих областей знання, тому багато відкриттів ще попереду. Вона допоможе глибше зрозуміти будову світу і відкриє перед людством нові горизонти знання.

ДОДАТКИ

Кварк (антікварк)	B	Z	S	T	T 3	s
u	+1 / 3	+2 / 3	0	1 / 2	+1 / 2	1 / 2
u	-1 / 3	-2 / 3	0	1 / 2	-1 / 2	1 / 2
d	+1 / 3	-1 / 3	0	1 / 2	-1 / 2	1 / 2
	-1 / 3	+1 / 3	0	1 / 2	+1 / 2	1 / 2
s	-1 / 3	-1 / 3	-1	0	0	1 / 2
s	-1 / 3	+1 / 3	+1	0	0	1 / 2