В мире элементарных частиц

 Кваркам естественно  приписать большую массу. Но  рождение частиц с большой  массой требует больших кинетических  энергий, поэтому поиски кварков  следует вести в таких условиях (естественно или искусственно  созданных), когда имеется возможность  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 законами сохранения 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 при соударении 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 в разных предположениях  о значении массы кварка. Существуют  соображения, из которых следует,  что при данной энергии  Т  могут рождаться частицы большей массы, чем указано в таблице (напр., при Т=30 ГэВ могут родиться кварки массой до 5m p). Однако вероятность такого процесса настолько мала, что его можно не учитывать 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 и т.д.    

 Для выделения кварков  из огромного числа других, рождающихся  в мишени ускорителя, можно  воспользоваться их специфическими свойствами, обусловленными дробностью электрического заряда. Например, пониженной ионизирующей способностью. Ионизирующая способность заряженной частицы изменяется пропорционально квадрату ее электрического заряда. Так как кварки имеют заряд, равный 1/3  или  2/3 заряда  электрона, ионизирующая способность кварков составляет соответственно 1/9  или 4/9 ионизирующей способности электронов. Такие опыты были действительно предприняты сначала на ускорителях в ЦЕРНе и в  Брукхейвенской лаборатории, затем в Серпухове, а потом снова в ЦЕРНе на ускорителе протонов до энергии 400 ГэВ и в Батавии на ускорителе протонов до энергии 500 ГэВ, но они не дали положительного результата. Это означает, что либо масса кварков превышает 15 протонных масс, либо они рождаются с гораздо меньшей вероятностью, чем предполагали, 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 их масса  превышает 15 m p. Кварки, рожденные космическим излучением, можно пытаться 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  заряженных частиц в которой  имеют вид цепочек из капелек  жидкости. Эти капельки образуются  в результате    

 Конденсации пересыщенного  пара на ионах, возникающих  вдоль траектории заряженной  частицы. Ионизирующая способность  кварка составляет 1/9  или 4/9  ионизирующей способности электрона. Поэтому плотность капелек на следе кварка должна быть в 9 раз меньше, чем на следе электрона. В свое время в печати появились работы, в которых сообщалось об обнаружении частиц с 50%-ной ионизирующей способностью. Однако впоследствии оказалось, что полученные результаты являются сильной флюктуацией ионизирующей способности обычной частицы с z=1.

 

Концентрация кварков  в водных бассейнах Земли    

 Кварки пытаются «вылавливать»  не только из падающего на  Землю космического излучения,  но и из земных водных бассейнов.  Естественно считать, что кварки, возникающие при взаимодействии  космических частиц с атомными  ядрами атмосферы, становятся  центрами конденсации водяных  паров, падают вместе с дождем  на землю и в конце концов попадают в озера, моря и океаны. Так как описанный механизм образования кварков действует постоянно, а распадаться они не могут*, концентрация кварков в водных бассейнах Земли должна непрерывно возрастать с течением времени.

 
    

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

 
    

 Оценки показывают, что  за время существования Земли  с помощью такого механизма  могло накопиться до 100 000 кварков  в каждом 1 куб.см  воды.  Но и в воде кварков не нашли!

 

Где еще ищут кварки?    

 Ищут кварки и в  метеоритах, которые при достаточно  больших размерах и длительном  существовании в космическом  пространстве могли накопить  много  кварков. Пытались обнаружить кварки при помощи опытов типа опыта Миллекена по определению заряда электрона. Но и здесь однозначных 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 что результаты сделанных  опытов не отрицают возможности существования кварков массой m q > 15 m p.   Кстати, чем тяжелее кварки, тем заманчивее становится мечта их открыть. Ведь если протон «слеплен» из трех кварков массой 5m p каждый, то «энергия связи» протона равна: 14 m p c, или 13 ГэВ, т.е. в процессе образования протона из кварков должно освобождаться 14/15 = 93% энергии покоя кварков.

 

Во что верит большинство  физиков в настоящее время?    

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

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

 

ПЛЕНЕНИЕ  КВАРКОВ ВНУТРИ АДРОНОВ

 

Цвет и аромат кварков     

 Пленение кварков внутри  адронов является, пожалуй, главной  трудностью кварковой модели. Другая трудность этой модели связана с тем, что она допускает барионные комбинации из трех тождественных кварков, находящихся в одинаковых состояниях. А это запрещено принципом Паули, согласно которому два (и тем более три) фермиона с одинаковыми квантовыми числами не могут находиться в одном и том же состоянии. Обе эти трудности удалось преодолеть введением еще одной характеристики кварков, которая условно называется ЦВЕТОМ.    

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

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

 Подчеркнем, что термин  «цвет», употребляемый как характеристика  сильного взаимодействия, не имеет  никакого отношения (кроме терминологического) к оптическим цветам.

 

Квантовая хромодинамика    

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

 Наличие цветного заряда  у глюонов резко отличает их от квантов электромагнитного взаимодействия – фотонов, которые не имеют заряда. В отличие от фотона глюон может испускать новые глюоны, что приводит к росту эффективного заряда кварка с увеличением расстояния и, следовательно, к возрастанию энергии взаимодействия между кварками. В результате кварки  не могут освободиться друг от друга (пленение) и встречаются в природе только в связанном виде – в форме «белых», «бесцветных» адронов. Наоборот, на очень малых расстояниях кварки взаимодействуют относительно слабо, и их можно рассматривать как практически свободные частицы (центральная свобода). Это обстоятельство позволяет получить ряд количественных соотношений, подтвержденных экспериментами.                                        

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 
    

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

 Классификация адронов  оказалась очень успешной, при  этом удалось немного заглянуть  в структуру адронов, представить  их состоящими из кварков. Но  многое еще предстоит выяснить.     

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

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

СПИСОК   ИСПОЛЬЗОВАННОЙ   ЛИТЕРАТУРЫ:

 
 

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

2)   И.Розенталь «Элементарные частицы и структура Вселенной», М. Наука, 1984;

3) К.Мухин «Занимательная  ядерная физика», М. Энергоатомиздат, 1985.