Кварки и глюоны. Единая теория слабого и электромагнитного взаимодействия

Микрофизику еще иногда называют физикой элементарных частиц. В настоящее время элементарными (фундаментальными) называют частицы, которые на современном уровне знаний не состоят из более простых частиц. Еще недавно к ним относились нуклоны (барионы), лептоны, мезоны и фотоны. Сейчас уже известно, что барионы, в свою очередь, состоят из кварков и антикварков, имеющих дробный электрический заряд. Именно они сейчас считаются элементарными.

Как в физику элементарных частиц были введены кварки? В 1964 г. американские ученые Мюррей Гелл-Манн (р. 1929) и Джордж Цвейг (р. 1937) независимо друг от друга выдвинули гипотезу о том, что адроны (протон, нейтрон, гиперон, мезон) построены из более мелких частиц. Гелл-Манн назвал их кварками (этот термин был заимствован из книги Дж. Джойса «Поминки по Финнегану», где в одном из эпизодов звучит фраза: «Три кварка для мистера Марка!»). Необычность кварков состоит в том, что им приписывают дробное барионное

1 2 1

число В = — и дробные электрические заряды: Q = — и Q = -—

от элементарного электрического заряда электрона е. Объекты с такими характеристиками в природе ранее не встречались! Несмотря на изящность кварковой гипотезы, она столкнулась с двумя серьезными проблемами.

Во-первых, из нее следовала возможность существования состояний, запрещенных принципом Паули (например, получалось, что три одинаковых кварка должны находиться в одном и том же состоянии с параллельными спинами). Для того чтобы «спасти» кварковую гипотезу, была введена особая характеристика (квантовое число) — цвет. Он не имеет никакого отношения к обычным цветам и назван так просто для удобства. В настоящее время известно 6 видов (чаще говорят «ароматов») кварков. Каждый из них существует в трех цветовых разновидностях: желтой, синей или красной. Каждому кварку соответствует антикварк с противоположными квантовыми числами. Антикварки несут цветовые антизаряды. Важно подчеркнуть, что три заряда и три антизаряда совершенно не зависят от «ароматов» кварков. Таким образом, в настоящее время полное число кварков и антикварков (с учетом трех цветов и шести ароматов) достигло 36. Кроме того, имеется еще 9 глюонов

(элементарные частицы, являющиеся причиной взаимодействия кварков). Глюоны, так же как и кварки, не наблюдаются в свободном виде. В этом заключается явление конфайнмента. Существование кварков и глюонов при больших энергиях приводит к появлению нового состояния вещества, которое носит название кварк-глюоная плазма.

Во-вторых, попытки обнаружить частицы с дробным электрическим зарядом в свободном состоянии оказались неудачными. Только к концу 1980-х гг. после экспериментов в DESY (Германия), Fermilab (США) и Европейском Центре Ядерных Исследований (ЦЕРН) удалось зафиксировать явления, которые косвенно свидетельствовали о существовании кварков. Эти эксперименты провели Джером Айзек Фридман (р. 1930), Генри Уэй Кендалл (1926—1999) и Ричард Эдвард Тейлор (р. 1929) — Нобелевские лауреаты по физике 1990 г. После тщательной обработки результатов эксперимента удалось провести классификацию найденных частиц, которые были названы: «верхний» (up), «нижний» (down), «очарованный» (charm), «странный» (strange), «истинный» (truth), «красивый» (beauty).

Сегодня обнаружены все кварки, и в их существовании никто не сомневается. А из чего состоят сами кварки? Недавно была выдвинута гипотеза о протокварках (преонах и т.д.) — частицах следующего структурного уровня строения материи. Однако возможно, что процесс дробления вещества останавливается именно на кварках. Как образно сказал Гинзбург: «...“матрешка”—деление вещества на все более “мелкие” части, должна же когда-то исчерпаться».

В таблицах 24.1 и 24.2 представлены все экспериментально открытые в настоящее время элементарные частицы — это

  • 12 элементарных фермионов (со спином S = —) и 4 бозона
  • (со спином S = 0), не считая соответствующих античастиц. В табл. 24.1 приведены также массы частиц (верхние пределы масс для нейтрино и фотона) и годы, когда эти частицы были экспериментально обнаружены. Значения масс кварков характеризуют их массы в составе адронов, так как кварки не существуют в виде свободных изолированных частиц.

Элементарные фермионы — это 6 видов («ароматов») кварков, объединенных в три поколения. Из трех поколений кварков на первый взгляд достаточно первого, так как мир вокруг нас, как и мы сами, построены из нуклонов и электронов, и то обстоятельство, что нуклоны состоят из кварков, ничего не меняет для нас. Однако такой подход не позволяет объяснить ряд фундаментальных явлений. Так, даже согласно простейшим теоретическим моделям без кварков второго и третьего поколений не может иметь место нарушение CP-инвариантности, без которого мы не в состоянии объяснить барионную асимметрию Вселенной (существование Антимира).

Таблица 24.1. Фундаментальные фермионы

Частицы

Поколения

Электрический

заряд

первое

второе

третье

Кварки

верхние

и

5 МэВ 1964 г.

с

1300 МэВ 1974 г.

t

176 ГэВ 1994 г.

+ 2/3

нижние

d

10 МэВ 1964 г.

  • 5
  • 150 МэВ 1964 г.

Ъ

4,3 ГэВ 1977 г.

-1/3

Лептоны

нейтрино

vc < 10 эВ 1956 г.

v < 170 кэВ l!?62 г.

v( < 24 МэВ 1975 г.

0

заряженные

е

0,51 МэВ 1897 г.

Ц

105,7 МэВ 1937,1947 гг.

т

1777 МэВ 1975 г.

1

В научно-популярной литературе фундаментальные фермионы принято считать «кирпичиками» мироздания, а векторные бозоны (табл. 24.2) — переносчиками фундаментальных взаимодействий, неким «клеем», скрепляющим эти «кирпичики».

Таблица 24.2. Векторные бозоны

Наименование

Обозначение

Величина

заряда

Год

открытия

Фотон

У

< Ю-15 эВ

1926*

Глюон

G

0

1973

Нейтральный слабый бозон

Z0

91,2 ГэВ

1983

Заряженные слабые бозоны

IV*, W-

80,4 ГэВ

1983

Гравитон

* Термин «фотон» введен американским химиком Гилбертом Льюисом (1875—1946).

Так, электромагнитное взаимодействие обусловлено обменом фотонами. Их источником является электрический заряд е. Движущиеся свободные фотоны создают электромагнитные волны: свет, радиоволны, рентгеновские лучи, у-кванты. Нейтральный (Z0) и заряженные (W+, W ) бозоны — переносчики слабого взаимодействия между электронами, протонами, нейтронами и нейтрино. Переносчиками сильного взаимодействия являются глюоны. Они как бы «склеивают» кварки в адронах. Их источники — специфические «цветовые» заряды.

К одной из главных задач микрофизики, о решении которой мечтал еще А. Эйнштейн, относится создание единой теории поля, объединяющей все четыре известных во Вселенной фундаментальных взаимодействия: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое (табл. 24.3). Создание такой теории означало бы фундаментальный прорыв во всех областях науки.

Таблица 24.3. Фундаментальные взаимодействия в природе

Взаимодействие

Квант

поля

Радиус

действия,

см

Порядок

величины

константы

взаимодействия

Пример

проявления

Сильное

Глюон

10-13

1

Ядро, адроны

Электромагнитное

у-квант

00

ю-2

Атом

Слабое

W+, W-, Z0

10-16

10-6

Р-распад

Гравитационное

Гравитон

00

Ю-40

Сила тяжести

К настоящему времени создана и признана теория, объединяющая два фундаментальных взаимодействия — слабое и электромагнитное. Она называется единой теорией слабого и электромагнитного (электрослабого) взаимодействия. В ней утверждается, что переносчиками взаимодействия между электронами, протонами, нейтронами, нейтрино являются W+, W' и Z0 бозоны, теоретически предсказанные в 70-х гг. XX в. и экспериментально обнаруженные в 1983 г. на ускорителе в Европейском Центре ядерных исследований, сокращенно ЦЕРНе (Женева, Швейцария).

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >