Реферат: Кварки

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...............................................................................................................3

ВМИРЕ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ .................................................................3

ГИПОТЕЗАО СУЩЕСТВОВАНИИ КВАРКОВ ..................................................4

                 Супермультиплеты..................................................................................4

                 Свойства ...................................................................................................4

                 Три кошмарные частицы........................................................................5

                 Парк, нарк, ларк .......................................................................................5

НОВЫЕКВАРКИ.....................................................................................................6

                 с-Кварк  (очарованный) ..........................................................................6

                 b-Кварк  (прелестный)............................................................................6

                  t-Кварк  (правдивый)..............................................................................6

ПОИСКИКВАРКОВ...............................................................................................6

                  Природные и «самодельные»кварки ...................................................7

                  Минимальная энергия,необходимая для рождения кварка ...............7

                  Кварки, рожденныекосмическим излучением ....................................7

                  Камера Вильсона....................................................................................8

                  Концентрация кварков в водныхбассейнах Земли .............................8

                  Где еще ищут кварки?............................................................................8

                  Во что верит большинствофизиков?.....................................................9

ПЛЕНЕНИЕКВАРКОВ ВНУТРИ АДРОНОВ ......................................................9

                  Цвет и аромат кварков............................................................................9

                  Квантовая хромодинамика.....................................................................9

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.........................................................................................................10

СПИСОКИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ .................................................11

    

К В А Р К И

ВВЕДЕНИЕ

     Введение понятия «элементарныечастицы» в физике связано с идеей отыскания таких неделимых далее частиц,из которых состоит вся материя. Неделимость вначале приписывалась атомам, потом– ядру, затем – нуклонам.

     Впервыеоб элементарных частицах как о составных частях любого атома стали говорить вконце XIX – начале XXстолетия. Именно в это время было показано, чтоатомы могут преобразовываться друг в друга при радиоактивных превращениях. Вэти же годы были открыты катодное и рентгеновское излучения, испускание которыхразличными атомами свидетельствовало о сходном строении всех атомов.

    Следующими этапами в познании строения атома было открытие тяжелойзаряженной сердцевины атома – атомногоядра (1911 г.) и его составных частей: протона(1919 г.) и нейтрона (1932 г.).

    Элементарными частицами современная физика условно называет большуюгруппу мельчайших микрочастиц, не являющихся атомами или атомными ядрами (заисключением протона, который является ядром атома водорода). В настоящее времяистинно элементарными, т.е. такими, которые нельзя составить ни из каких другихизвестных нам ныне частиц, являются электрон, позитрон, все виды нейтрино,фотоны и кварки.

     Впоследние годы очень большого успеха достигла классификациясильновзаимодействующих частиц – адронов– на основе кварковой модели.Согласно этой модели (которая была предложена еще в 60-е годы) любой адронсостоит из двух-трех истинно элементарных частиц – кварков – с весьманеобычными свойствами. Предполагается, что существует шесть типов (ароматов)кварков (и столько же антикварков), взаимодействие между которыми осуществляетсяглюонами. Кварки и глюоны имеют специфический заряд, который называется цветом.Каждый тип кварка имеет по три цветовых разновидности, глюоны – восемь.

В МИРЕ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

     Внастоящее время открыто и исследовано так много элементарных частиц, что для ихобозначения уже использованы все свободные буквы греческого алфавита и многобукв латинского алфавита. Причем это не означает, что частиц известно столькоже, сколько использованных букв. Гораздо больше! Кроме простых букв для обозначениячастиц используются буквы со штрихами, со звездочками и с цифрами.

     Числооткрытых элементарных частиц, согласно подсчетам одного физика, удваиваетсякаждые 11 лет и (если так пойдет дальше) через некоторое время превзойдет числофизиков! Во всяком случае, в настоящее время число элементарных частиц (включаянестабильные частицы – резонансы) вместе с античастицами в несколько разпревышает число элементов периодической системы Менделеева.

                                         

ГИПОТЕЗА О СУЩЕСТВОВАНИИ КВАРКОВ

     Напротяжении последних десятилетий было предпринято несколько попыток навестипорядок в мире элементарных частиц. И, пожалуй, самая удачная попытказаключается в гипотезе о существовании нескольких фундаментальных частиц, названныхкварками, из которых можно составить(«слепить») любую сильновзаимодействующую (а таких подавляющее большинство)частицу, причем такие «составные» частицы будут обладать всеми основнымисвойствами реальных частиц.Столь необычное название «кварки» заимствовано изкниги Джеймса Джойса «Поминки по Финнигану», где встречается словосочетание «три кварка» как таинственный крик чаек,который слышится герою романа  вкошмарном бреду.

     Кваркибыли придуманы в 1964 г.американскими физиками Гелл-Маном инезависимо Цвейгом для объяснениясуществующей в природе симметрии в свойствах сильновзаимодействующих частиц –адронов.  

 

                                                         Супермультиплеты                                                                                                                                                    

      Оказывается, если известные адроны рассортировать по значениям их спинаи внутренней четности, то образуется несколько больших групп адронов (в среднемпо десятку частиц в одной группе), внутри которых наблюдаются интересныезакономерности. Такие группыназывают супермультиплетамиили унитарными мультиплетами.

     В этовремя можно было вполне четко выделить четыре большие группы частиц.

     Мезонные адроны с нулевым спином иотрицательной четностью образуют группу из девяти частиц (нонет). Электрическийзаряд, странность и масса членов этой девятки закономерно изменяются от частицык частице. Аналогичную девятку образуют также мезонные адроны со спином, равнымединице, и отрицательной четностью. Барионы со спином ½ и положительнойчетностью образуют сходный октет. Наконец, барионныеадроны соспином3/2и положительной четностью составляют десятку –декуплет.

                                                                  

Свойства

     По свойствам девяти известных частиц Гелл-Ман в 1962 г. однозначно предсказал все известные характеристикидесятой частицы. Набор параметров для этой частицы: масса, электрический заряд,барионный заряд, странность, изотопический спин, четность, схема рождения,схема распада, время жизни. Этот перечень настолько хорошо характеризуетсвойства предсказанной частицы, что появилась возможность организоватьпо-настоящему научный ее поиск. В начале 1964 г.    гиперон с предсказанными свойствами былнайден. Это, вероятно, самый маленький интервал времени между моментамипредсказания и обнаружения «настоящей» (долгоживущей) элементарной частицы.

     Закономерностиможно проследить также и в других супермультиплетах. Для объяснения закономерностейбыло предложено несколько различных теорий. Общим для всех этих теорий являетсяпредположение о существовании двух разновидностей сильного взаимодействия:очень сильного и умеренно сильного, которые вместе с электромагнитнымопределяют основные свойства адронов. Очень сильное взаимодействие одинаководля всех членов унитарного мультиплета и определяет главную часть их энергиивзаимодействия (а значит, и массы). Умеренно сильное взаимодействие зависит отстранности и потому различно для членов разных изотопических мультиплетов, т.е.для частиц, стоящих в разных строках.

Три кошмарные частицы

     Наиболееестественно существование унитарных мультиплетов можно было объяснить, введя врассмотрение три гипотетические частицы – кварки – с довольно экзотическимисвойствами, а именно с дробными барионным и электрическим зарядами. В связи стакой экзотичностью свойств и с тем, что их три, кварки и получили своенеобычное название. Словосочетание «три кварка» встречается в романе ДжеймсаДжойса «Поминки по Финнегану» как таинственный крик чаек, который слышитсягерою романа во время кошмарного бреда.

     Есликваркам приписывать некоторые известные свойства, то достаточно всего трехкварков и трех антикварков, чтобы из них, как из деталей конструктора,построить любой из перечисленных выше адронов, причем можно показать, чтоадроны. «слепленные» из кварков, будут группироваться в те самыесупермультиплеты, которые были известны в то время.

    

Парк, нарк, ларк

     В более ранней и довольно успешной теории Сакаты в качестве трехосновных фундаментальных частиц для построения адронов использовались протон (p), нейтрон  (n) и лямбда-частица (^). Поэтому те же самыесимволы используют и в современной теории для обозначения трех кварков. Назовемэти кварки парком (p), нарком (n) и ларком (^). Кварки не надо путать с адронами, которыеобозначаются теми же самыми символами.         

Электрические заряды кварков  изначения других квантовых чисел для них

Название кварка     Символ         Q           S            Y            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– электрический заряд в единицах заряда электрона;

S – квантовое число странности;

Y– квантовое число гиперзаряда (Y=B+S);

Iz– квантовое число z-компоненты изоспина;

B– барионное число;

о –внутренний момент импульса (спин).

     Для всех кварков барионное число Bи спинo  одинаковы.                     

     Позднее в кварковую модель ввели четвертыйи пятый кварки.

     Предполагается, что существует еще один,шестой кварк.

     Сама тройка кварков (а также тройкаантикварков) тоже образует супермультиплет – унитарный триплет.

НОВЫЕ КВАРКИ

с-Кварк(очарованный)

     В конце 1974 г. одновременно в двух лабораториях была открыта новаячастица, свойства которой оказались таковы, что их не удалось объяснить врамках трехкварковой  модели. Дляинтерпретации этих свойств потребовалось ввести четвертый кварк – с-кварк, названный очарованным ( от слова charm–очарование).

     с-Кваркоказался вполне равноправной частицей по отношению к остальным трем кваркам. Комбинируяс-кварк с антикварками u, d, s,можно получить новыемезоны, которые были названы очарованными.

     В настоящеевремя уже обнаружены представители всех очарованных мезонов и некоторыеочарованные барионы. На этом основании, казалось бы, можно было считать, чтокварковая модель достигла совершенства, т.е. описывает все существующие частицыи не конструирует лишних, не встречающихся в природе.

b-Кварк (прелестный)

     Однако, в 1977 г.  была открытаеще одна частица, названная ипсилон-мезоном, свойства которой не укладывались вчетырехкварковую модель. Новый, пятыйкварк  b, названный прелестным (отслова beauty– прелесть, иногда название b-кварка производят от слова botom–низ).

t-Кварк (правдивый)

     Наконец, имеются основания считать, что должен существовать еще и шестой кварк t, названный правдивым (отслова truth) или верхним (от слова top). Одним из таких основанийявляется предсказываемая теорией электрослабого взаимодействия симметрия вчисле кварков и лептонов (которых открыто шесть).

         

ПОИСКИ  КВАРКОВ

     Являются ли кварки реальными частицами или просто математическимиизмышлениями, нужными только для классификации адронов, еще неясно. В начале1970 г. в научных журналах было опубликовано несколько работ, авторы которых заявлялиоб обнаружении кварков в космических лучах, однако пока что это неподтверждено. Если кварки и в самом деле существуют в природе, то из этогофакта мы сможем вывести целый ряд замечательных следствий. В частности,космогонические теории и теории источников энергии излучения звезд придетсякоренным образом пересмотреть. Далее, кварки смогут выступать в ролиэффективных катализаторов ядерных реакций. Вполне возможно, что по крайней мереодин из трех кварков окажется стабильным и не будет распадаться, а может быть,и все три кварка будут стабильными.

Природные и «самодельные» кварки

     Успех кварковой модели и желание свести многообразие частиц кнескольким фундаментальным заставляют физиков искать кварки в природе.

     Кваркаместественно приписать большую массу. Но рождение частиц с большой массойтребует больших кинетических энергий, поэтому поиски кварков следует вести втаких условиях (естественно или искусственно созданных), когда имеетсявозможность трансформации большой порции кинетической энергии в энергию покоя(массу). Связь между массой кварка m q    и минимальной кинетической энергией,бомбардирующей частицы Тмин, необходимой для рождения кварка этой массы,зависит от типа реакции, в которой образуется кварк. В соответствии с законамисохранения образование кварка может происходить только в паре с антикварком.

Минимальная энергия,необходимая для рождения кварка массой  m q

       

         m q                             m p           3m p           5m p             10m p             20m p

   Тмин’m p c                       6                30               70                  240                  880

   Тмин’ ГэВ                       5,6             28               65                  225                  825

     Для реакции образования кварка присоударении двух протонов получается следующая зависимость Тмин  от предполагаемого значения m q: 

Тмин=2(m q /m p) (2m p + m q) c

     В таблице приведены значения Тмин, вычисленные по данной формуле вразных предположениях о значении массы кварка. Существуют соображения, изкоторых следует, что при данной энергии Т  могут рождаться частицы большеймассы, чем указано в таблице (напр., при Т=30 ГэВ могут родиться кварки массойдо 5m p). Однако вероятность такого процесса настолько мала, что его можно неучитывать в расчетах. Из таблицы видно, что кварки массой m q < 3 m p  имеет смысл искать среди частиц,образующихся в мишенях ускорителей протонов на энергию 30 ГэВ, кварки массой m q < 5 m p   -  в мишенях ускорителей на энергию 70 ГэВ ит.д.

     Длявыделения кварков из огромного числа других, рождающихся в мишени ускорителя,можно  воспользоваться их специфическимисвойствами, обусловленными дробностью электрического заряда. Например,пониженной ионизирующей способностью. Ионизирующая способность заряженнойчастицы изменяется пропорционально квадрату ее электрического заряда. Так каккварки имеют заряд, равный 1/3  или  2/3заряда  электрона, ионизирующаяспособность кварков составляет соответственно 1/9  или 4/9 ионизирующей способностиэлектронов. Такие опыты были действительно предприняты сначала на ускорителях вЦЕРНе и в  Брукхейвенской лаборатории,затем в Серпухове, а потом снова в ЦЕРНе на ускорителе протонов до энергии 400ГэВ и в Батавии на ускорителе протонов до энергии 500 ГэВ, но они не далиположительного результата. Это означает, что либо масса кварков превышает 15протонных масс, либо они рождаются с гораздо меньшей вероятностью, чемпредполагали, либо, наконец, кварков в свободном виде нет вообще.

Кварки, рожденные космическим излучением

     В составе космического излучения имеются протоны энергией выше 500 ГэВ.Эти протоны в соударениях с ядрами атмосферы могут рождать кварки, даже если ихмасса превышает 15 m p. Кварки, рожденные космическим излучением, можнопытаться регистрировать при помощи детекторов, чувствительных к ионизации,вызываемой быстродвижущимися частицами с дробным электрическим зарядом.

Камера Вильсона

     Одним из таких детекторов может быть камера Вильсона, следы заряженныхчастиц в которой имеют вид цепочек из капелек жидкости. Эти капельки образуютсяв результате

    Конденсации пересыщенного пара на ионах, возникающих вдоль траекториизаряженной частицы. Ионизирующая способность кварка составляет 1/9  или 4/9  ионизирующей способности электрона. Поэтомуплотность капелек на следе кварка должна быть в 9 раз меньше, чем на следеэлектрона. В свое время в печати появились работы, в которых сообщалось обобнаружении частиц с 50%-ной ионизирующей способностью. Однако впоследствииоказалось, что полученные результаты являются сильной флюктуацией ионизирующейспособности обычной частицы с z=1.

Концентрация кварков в водных бассейнах Земли

     Кварки пытаются «вылавливать» не только из падающего на Землюкосмического излучения, но и из земных водных бассейнов. Естественно считать,что кварки, возникающие при взаимодействии космических частиц с атомными ядрамиатмосферы, становятся центрами конденсации водяных паров, падают вместе сдождем на землю и в конце концов попадают в озера, моря и океаны. Так какописанный механизм образования кварков действует постоянно, а распадаться онине могут*, концентрация кварков в водных бассейнах Земли должна непрерывновозрастать с течением времени.

     * В связис дробностью заряда можно предполагать, что по крайней мере один из кварков (снаименьшей массой) стабилен, т.к. ему    не на что   распадаться. (Болеетяжелый кварк может превращаться в легкий без нарушения закона сохранения электрического  и барионного зарядов.)

     Оценкипоказывают, что за время существования Земли с помощью такого механизма моглонакопиться до 100 000 кварков в каждом 1 куб.см воды.  Но и в воде кварков ненашли!

Где еще ищут кварки?

     Ищут кварки и в метеоритах, которые при достаточно больших размерах идлительном существовании в космическом пространстве могли накопить много  кварков. Пытались обнаружить кварки припомощи опытов типа опыта Миллекена по определению заряда электрона. Но и здесьоднозначных результатов получить не удалось.

     Из того,что кварки не найдены, строго говоря, рано делать вывод об их отсутствии.Прошло еще слишком мало времени! Так что еще не все потеряно, тем более чторезультаты сделанных опытов не отрицают возможности существования кварковмассой m q > 15 m p.   Кстати,чем тяжелее кварки, тем заманчивее становится мечта их открыть. Ведь еслипротон «слеплен» из трех кварков массой 5m pкаждый, то «энергия связи»протона равна: 14m p c, или 13 ГэВ, т.е. в процессе образования протона изкварков должно освобождаться 14/15 = 93% энергии покоякварков.

Во что верит большинство физиков в настоящее время?

     Наконец, еще одна возможность, в которую в настоящее время веритбольшинство физиков, заключается в следующем: кварки существуют, но только всвязанном состоянии внутри адронов. Вылететь из адронов и существовать всвободном виде кварки не могут.

     Напомним, что адроны участвуют в электромагнитных, слабых и сильныхвзаимодействиях. Их можно сгруппировать в два больших семейства: семействомезонов (спин 0,1 и т.д.) и семейство барионов (спин  ½, 3/2  и т.д.).Название «адрон» означает «сильно взаимодействующая частица». Оказалось, чтоадроны можно более детально классифицировать, объединяя их в подсемейства(называемые супермультиплетами) по признаку одинаковости спина и четностивходящих в подсемейство частиц.

ПЛЕНЕНИЕ КВАРКОВ ВНУТРИ АДРОНОВ

                     

Цвет и аромат кварков

     Пленение кварков внутри адронов является, пожалуй, главной трудностьюкварковой модели. Другая трудность этой модели связана с тем, что она допускаетбарионные комбинации из трех тождественных кварков, находящихся в одинаковыхсостояниях. А это запрещено принципом Паули, согласно которому два (и тем болеетри) фермиона с одинаковыми квантовыми числами не могут находиться в одном итом же состоянии. Обе эти трудности удалось преодолеть введением еще однойхарактеристики кварков, которая условно называется ЦВЕТОМ.

     Каждыйкварк независимо от его типа (u, d, s, c, b, t), который, кстати говоря,называется ароматом  (flavour), имеет трицветовые разновидности, соответствующие трем “основным цветам”:  «красному», «синему» и «зеленому».

     В состав любогобариона входят обязательно «разноцветные» кварки, так  что     -гиперон, например, является «бесцветной» («белой») комбинацией,которая не противоречит принципу Паули. Соответственно каждый мезонпредставляет собой комбинацию кварков и антикварков с «дополнительными цветами»(например, «красный» и «антикрасный» и т.п.), которые также в сумме дают«белый» цвет.

     Подчеркнем, чтотермин «цвет», употребляемый как характеристика сильного взаимодействия, неимеет никакого отношения (кроме терминологического) к оптическим цветам.

Квантовая хромодинамика

     Кроме этой функции нового квантового числа цвет играет очень важнуюроль нового заряда. Согласно современной теории сильных взаимодействий – КВАНТОВОЙ ХРОМОДИНАМИКЕ, взаимодействие между кварками осуществляется припомощи восьми цветных  глюонов(от слова glue– клей. Глюоны как бы склеивают кварки междусобой), которые являются квантами, т.е. переносчиками сильного взаимодействиямежду кварками любых ароматов и цветов.

     Наличиецветного заряда у глюонов резко отличает их от квантов электромагнитноговзаимодействия – фотонов, которые не имеют заряда. В отличие от фотона глюонможет испускать новые глюоны, что приводит к росту эффективного заряда кварка сувеличением расстояния и, следовательно, к возрастанию энергии взаимодействиямежду кварками. В результате кварки  немогут освободиться друг от друга (пленение) и встречаются в природе только всвязанном виде – в форме «белых», «бесцветных» адронов. Наоборот, на оченьмалых расстояниях кварки взаимодействуют относительно слабо, и их можнорассматривать как практически свободные частицы (центральная свобода). Этообстоятельство позволяет получить ряд количественных соотношений,подтвержденных экспериментами.ы                                        

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

     Изучение структуры различных элементарных частиц, и в первую очередьпротона и нейтрона, находится на самом переднем крае фронта исследований вфизике элементарных частиц.  Протон инейтрон – это окончательные основные состояния всех барионов. Из обеих этихчастиц построены все атомные ядра, находящиеся в своих основных состояниях.

    Классификация адронов оказалась очень успешной, при этом удалось немногозаглянуть в структуру адронов, представить их состоящими из кварков. Но многоееще предстоит выяснить.

     Не такдавно появилась новая теория элементарных частиц, названная «теорией зашнуровки». Согласно ей ниодна из частиц не является более фундаментальной и элементарной, чем остальные.Каждая элементарная частица существует потому, что существуют все остальныечастицы.

СПИСОК   ИСПОЛЬЗОВАННОЙ   ЛИТЕРАТУРЫ:

1)<span Times New Roman"">     

В.Акоста, К.Кован,Б.Грэм  « Основы современной физики», М.Просвещение, 1981;

2)<span Times New Roman"">     

И.Розенталь «Элементарныечастицы и структура Вселенной», М. Наука, 1984;

3)<span Times New Roman"">      

К.Мухин «Занимательнаяядерная физика», М. Энергоатомиздат, 1985.