Сегодня мы поговорим о том, чего никто никогда не видел, но считается, что они существуют. Это кварки.
К 60-м годам прошлого века несколько учёных высказывали подозрение, что некоторые частицы, считавшиеся элементарными и неделимыми, состоят из более простых.
Марри Гелл-Манн, Казухико Нисиджима и Ричард Фейнман независимо друг от друга изучали свойства излучения, испускаемого при распаде адронов (нейтроны, протоны). И сделали следующие удивительные выводы: адроны, по всей видимости, имеют внутреннюю структуру!
Мюррей Гелл-Манн назвал эти предполагаемые частицы кварками. Возможно, потому, что это слово встречается в довольно странном романе Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану», в котором три разные птицы издают три разных крика (Джойс, любивший каламбуры, называет крики птиц «кварками» как бы звукоподражая им): три кварка для Мастера Марка!
Поскольку в то время были известны три кварка, и они были очень странными штуками, это название в конечном итоге прижилось.
Фейнман же назвал предполагаемые субчастицы партонами (от английского «part» - «часть»), поскольку они являются «частью адронов». Однако в итоге было обнаружено, что и кварки, и партоны — это одно и то же. И окончательное название сохранилось «кварки».
В «свободном» состоянии кварки существовать не могут. По крайней мере, долго («долго» в физике элементарных частиц это гораздо меньше секунды). Они всегда связаны, образуя другие частицы, например, протоны, и «прилипают» друг к другу другими посредством частиц, называемых глюонами.
Поэтому, если на новом месте службы старшина роты выдаёт Вам из каптёрки ведро и приказывает отправиться на склад для получения кварков, то вежливо объясните ему, что в природе в свободном виде они никогда встречаются. После чего медленно порвите прямо перед лицом начальника накладную и идите готовиться к внеочередному наряду (шутка).
Но откуда же наука знает, что кварки вообще существуют, если никто никогда их не видел? Правда состоит в том, что никто достоверно ничего, конечно же, не знает. Существует лишь модель, которая не только очень хорошо объясняет поведение и свойства кварков, но и неизвестных ранее частиц, образованных определёнными комбинациями кварков.
Поэтому, несмотря на то, что кварки являются лишь теоретически существующими частицами, и не наблюдаются непосредственно, они объясняют то, что наука знает, и предсказывают то, чего она не знает. Именно поэтому кварковая модель общепринята.
Более того, хотя учёные и не наблюдали кварки непосредственно, они обнаруживали их «следы».
Один из кварков, который мы сейчас опишем, «верхний» кварк, имеет период полураспада на другие частицы около 10^-25секунды. Только представьте, как это мало: за это время свет не смог бы пересечь даже ядро атома! Но учёным удалось, сталкивая частицы, имеющие высокие энергии, произвести «верхние» кварки, а затем обнаружить частицы, на которые они распадаются (другие кварки и бозоны).
Так становится совершенно очевидно, что кварки там присутствовали.
Кварки являются частью Стандартной модели элементарных частиц. И существуют расширения этой модели, предполагающие, что… и сами кварки состоят из каких-то более мелких «составных частей»!
Но сейчас давайте сосредоточимся на наиболее широко распространённой теории, которая утверждает, что кварки являются фундаментальными частицами.
Существует шесть разных кварков, которым даны интересные имена: верхний, нижний, странный, очарованный, прелестный и истинный, и, конечно же, их шесть античастиц (по одной на каждый кварк, антиверхний, антинижний...и т.д.).
Три из них (верхний, очарованный и истинный) имеют заряд +2/3, а остальные три (нижний, странный и прелестный) — заряд -1/3. Таким образом, если у Вас в гараже есть, например, два верхних кварка и один нижний, то заряд образовавшейся частицы будет равен 1, а если у вас есть верхний, странный и нижний, то результирующий заряд будет равен нулю и т. д.
Все кварки имеют спин 1/2, то есть они являются фермионами. Другими словами, это частицы, которые не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии. Однако при этом существуют составные частицы, такие как протон, у которых есть два верхних кварка с одинаковым зарядом и одинаковым спином, что, казалось бы, невозможно.
Из этого физики сделали вывод, что существует ещё одно квантовое число, то есть свойство частиц, которое может иметь три значения. Они назвали это новое свойство «цветом» и присвоили ему три возможных значения: красный, зелёный и синий.
Таким образом, протон может иметь два верхних кварка одновременно, но разного «цвета». Кстати, именно эта штука с цветами (которая, конечно, не имеет ничего общего с реальными цветами) дала часть названия квантовой хромодинамике.
Итак: кварки — это фермионы, которые всегда связаны, и не могут существовать в одиночестве. Как мы уже говорили, говоря о протоне, все частицы, состоящие из кварков, называются адронами.
Известны два способа объединения кварков, то есть бывает только два типов адронов: либо два вместе, либо три вместе.
Поскольку спин кварков всегда равен 1/2, то несложно понять, что любая частица с тремя кварками будет фермионом, потому что складывая и вычитая 1/2 три раза, можно получить только -3/2, -1/2, 1/2 или 3/2, но никогда не целое число. Эти частицы, образованные тремя кварками, которые всегда являются фермионами, называются барионами.
А вот любая частица, состоящая из двух кварков, будет иметь спин -1, 0 или 1 (потому что, прибавляя или вычитая 1/2 дважды, вы никогда не сможете получить дробь), то есть это будет бозон. Эти частицы, образованные двумя кварками, всегда бозоны, называются мезонами.
Поскольку кварки «чувствуют» все фундаментальные силы, адроны также ощущают их, хотя некоторые из них (например, нейтрон) могут иметь такую комбинацию кварков, что ни одна из них в целом не влияет на него.
Таким образом, адроны (то есть частицы, состоящие из кварков) могут быть барионами (образованными тремя кварками и, следовательно, фермионами, как протоны и нейтроны) или мезонами (образованными двумя кварками и, следовательно, бозонами). И мы можем «видеть» все эти частицы, но не кварки, из которых они состоят. По крайней мере, на данный момент.
Я надеюсь мой уважаемый читатель не сильно устал от сегодняшнего текста. Но согласитесь, интересно иногда поразмышлять о том, чего никто никогда не видел.
Всем добра.
Вы можете👉 поблагодарить автора за труд
И не пропускайте новые материалы! Подпишитесь и нажмите на колокольчик на главной странице:
Главная страница проекта👇
Всё для дома. Скидки до 50%👇
Реклама ООО Яндекс ИНН 7736207543