Кварки

Ква́рки, частицы со спином ¹ /₂ , элементарные составляющие всех адронов: барионов и мезонов. В пределах точности современного эксперимента кварки – точечные, бесструктурные образования (их размеры <10^–16 см). Известно 6 типов кварков: ${\displaystyle u}$, ${\displaystyle d}$, ${\displaystyle s}$, ${\displaystyle c}$, ${\displaystyle b}$, ${\displaystyle t}$. Типы кварков различаются значениями присущих им квантовых чисел и массами. Каждый тип кварка ${\displaystyle q_{i}}$ представлен тремя разновидностями ${\displaystyle q_{i}^{\alpha }}$, у которых квантовые числа и масса одинаковы, но есть различие в особой характеристике (отсутствующей у адронов), названной цветом и

принимающей 3 различных значения ( ${\displaystyle \alpha =1,2,3}$ ). В первом приближении каждый барион В состоит из трёх кварков, вообще говоря, разных типов, каждый мезон М – из кварка и антикварка,

cимволически: B = (${\displaystyle q_{i}q_{j}q_{k}}$), M = (${\displaystyle q_{i}{\tilde {q}}_{j}}$), причём в обоих случаях реализуются суммы определённых комбинаций цветов (см. ниже).

Гипотеза о том, что адроны построены из специфических субъединиц – кварков, впервые выдвинута М. Гелл-Маном (Нобелевская премия, 1969) и, независимо от него, Дж. Цвейгом в 1964 г. для объяснения существования групп частиц с близкими свойствами. С тех пор она получила многочисленные косвенные экспериментальные подтверждения (см., например, Партоны). Название «кварки» для элементарных составляющих адронов было введено Гелл-Маном.

Всем кваркам обычно приписывают барионное число В = ¹ /₃ , чтобы барионы имели B = 1. Для мезонов при этом получается B = 0. Тип кварков характеризуется следующими внутренними квантовыми числами: изотопическим спином (${\displaystyle I}$) и его проекцией ${\displaystyle I_{3}}$, странностью (${\displaystyle S}$), очарованием ( ${\displaystyle C}$), красотой (${\displaystyle b}$) и истинностью (${\displaystyle t}$), определяющими т. н. аромат кварков, и электрическим зарядом ${\displaystyle Q}$. Символы и названия известных кварков, а также значения их квантовых чисел и электрических зарядов приведены в таблице.

Характерная особенность кварков – дробный электрический заряд, кратный ¹ /₃ ${\displaystyle e}$ (${\displaystyle e}$ – заряд электрона), не встречающийся у других изученных элементарных частиц. Анализ имеющихся экспериментальных данных согласуется с этим свойством кварков.

Цвет является важной характеристикой кварков, обеспечивающей необходимую антисимметрию волновой функции адронов, построенных из одинаковых кварков, например ${\displaystyle (q_{i}q_{i}q_{i})}$ (и тем самым соблюдение принципа Паули). Структуры бариона и мезона с учётом цвета более точно записываются в виде:

${\displaystyle B_{ijk}={\frac {1}{\sqrt {6}}}\sum _{\alpha ,\beta ,\gamma =1}^{3}\varepsilon _{\alpha \beta \gamma }q_{i}^{\alpha }q_{j}^{\beta }q_{k}^{\gamma };}$
${\displaystyle M_{ij}={\frac {1}{\sqrt {3}}}\sum _{\alpha =1}^{3}q_{i}^{\alpha }{\tilde {q}}_{j}^{\alpha }\qquad {(*).}}$

Здесь ${\displaystyle \varepsilon _{\alpha \beta \gamma }}$ – полностью антисимметричный тензор, ${\displaystyle \varepsilon _{123}=1}$. Предположение о существовании у кварков особой характеристики, названной цветом, впервые было высказано в 1965 г. Н. Н. Боголюбовым, Б. В. Струминским, А. Н. Тавхелидзе и независимо – М. Ханом (США) и Й. Намбу. Оно было впоследствии подтверждено большим числом экспериментов.

Индекс ${\displaystyle \alpha }$ у кварков трактуется как индекс, нумерующий компоненты фундаментального представления группы SU(3)_c [т. н. группа цвета SU(3)], которая определяет симметрийные свойства кварков. При этом комбинации кварков, приведённые в (*), автоматически инвариантны относительно преобразований SU(3)_с , и это объясняет тот факт, что адроны не имеют цвета. Знание кваркового строения адронов (*) позволяет полностью воспроизвести все известные в систематике адронов группы этих частиц и изученные характеристики отдельных адронов.

Вся информация о кварках была получена опосредованно на основе изучения особенностей различных процессов с участием адронов в условиях, в которых ярко проявляются свойства связанных в них кварков. Попытки обнаружить кварки в свободном состоянии к успеху не привели. Более того, современные представления о кварках исходят из того, что кварки в свободном состоянии вообще не существуют. Поэтому говорить о массе кварков в обычном для элементарных частиц смысле нельзя. Тем не менее можно оценивать эффективные массы ${\displaystyle m_{q}}$ связанных кварков, зависящие от условий, в которых осуществляются измерения. В соответствии с этим для масс ${\displaystyle m_{q}}$ кварков (особенно лёгких) получаются сильно варьирующиеся значения. Можно определённо сказать, что ${\displaystyle m_{u}\approx m_{d}<m_{s}\ll m_{c}<m_{b}\ll m_{t}}$. Эти неравенства отражают иерархию масс различных семейств адронов. Значения масс кварков в статическом пределе равны: ${\displaystyle m_{u}\approx m_{d}\approx 300}$ МэВ, ${\displaystyle m_{s}\approx 500}$ МэВ, ${\displaystyle m_{c}\approx 1,5}$ ГэВ, ${\displaystyle m_{b}\approx 5}$ ГэВ. Такие кварки иногда называют конституентными, т. е. «составляющими». Кварк ${\displaystyle t}$ в силу очень большой массы (${\displaystyle m_{t}\approx 170}$ ГэВ) быстро распадается и в состав адронов не входит. С ростом квадрата переданного четырёхмерного импульса ${\displaystyle Q^{2}}$ эффективная масса кварков уменьшается. По этой причине значения масс т. н. токовых кварков (т. е. кварков, образующих начальное и конечное состояния токов перехода, отвечающих различным взаимодействиям и ненулевым значениям ${\displaystyle Q^{2}}$) заметно отличаются от приведённых выше величин и составляют: ${\displaystyle m_{u}\approx 4,5}$ МэВ, ${\displaystyle m_{d}\approx 7}$ МэВ, ${\displaystyle m_{s}\approx 150}$ МэВ, ${\displaystyle m_{c}\approx 1,2}$ ГэВ, ${\displaystyle m_{b}\approx 4,5}$ ГэВ, ${\displaystyle m_{t}\approx 170}$ ГэВ.

Связь кварков в адронах осуществляется за счёт обмена особыми безмассовыми частицами – глюонами, также являющимися носителями цвета. Глюоны являются калибровочными бозонами группы SU(3)_c . Обмен глюонами между кварками составляет основу сильных взаимодействий всех адронов (см. Квантовая хромодинамика). Отрицательный результат поисков кварков в свободном состоянии обычно интерпретируется как проявление специфической особенности взаимодействия кварков друг с другом, обусловленной обменом глюонами и приводящей к тому, что взаимодействие между ними не ослабевает с увеличением расстояния (конфайнмент, удержание цветных кварков и глюонов внутри бесцветных адронов). В этих условиях возникновение свободных кварков принципиально невозможно, т к. для этого потребовалась бы бесконечно большая энергия.

В современной физике микромира кварки выступают как предельная ступень дробления адронной материи. Они бесструктурны и по совокупности известных свойств, как и лептоны, хорошо вписываются в представление об истинно элементарных частицах. Так ли это, покажут дальнейшие исследования. Иногда обсуждаются модели, в которых кварки рассматриваются как сложные частицы, построенные из субкварков, называемых преонами (первочастицами). Эксперименты пока не дают никаких указаний на существование преонов.