Кварковая модель адронов

Классификация элементарных частиц начала интенсивно развиваться с середины 50-х годов ХХ в. Были предприняты попытки потсроить все известные элементарные частицы из небольшого числа составных частей. Такие попытки предпринимали Юкава и Гейзенберг. Первый реальный успех в деле классификации элементарных частиц выпал на долю М.Гелл-Манна и Дж.Цвейга, показавших, что все известные к 1964 г. барионы и мезоны можно составить из трех фундаментальных частиц– кварков. У названия «кварк» нет точного перевода, оно имеет литературное происхождение (было заимствовано М. Гелл-Маном из романа Дж. Джойса «Поминки по Финегану», где означало нечто неопределённое, мистическое). Такое название для частиц, очевидно, было выбрано потому, что кварку необходимо приписать ряд необычных свойств, выделяющих их из всех известных элементарных частиц (например, дробный электрический заряд). Согласно кварковой модели, все известные тогда адроны можно было построить, постулируя существование трех типов кварков (u, d, s) и соответствующих антикварков (u, d, s).

После 1964 года были открыты новые барионы и мезоны, для классификации которых оказалось недостаточно этих трех кварков. В настоящее время к трем первоначальным кваркам добавлены еще три: общее число кварков возросло до 6. Чтобы различать эти 6 кварков, ученые наделили кварки свойством, которое они назвали «аромат». Разумеется, запаха кварки не имеют, но считается, что каждый из 6 кварков «пахнет» по-своему, имеет свой особый «аромат». Три кварка, введенные М. Гелл-Маном и Дж.Цвейгом, имели ароматы «вверх» (u – up), «вниз» (d –down) и «странность» (s – strange). Другие кварки имели ароматы «очарованный» (с – charm), «истинный» (t – truth), «прелестный» (b – beauty). Вот некоторые характеристики кварков:

	Час- тица	Электри- ческий заряд q	Бари- онный заряд В	Спин J	Cтран- ность S
Кварки	u d s с t b	+2/3 –1/3 –1/3 +2/3 +2/3 –1/3	1/3 1/3 1/3 1/3	1/2 1/2 1/2 1/2	–1
Антикварки		–2/3 +1/3 +1/3 –2/3 –2/3 +1/3	-1/3 -1/3 -1/3 -1/3	1/2 1/2 1/2 1/2	+1

Кроме того, существуют три кварка каждого аромата, отличающихся квантовым число, называемым цветом и принимающим три значения – желтый, синий, красный. Каждому кварку соответствует антикварк, имеющий по отношению к данному кварку противоположный электрический заряд и так называемый антицвет: антижелтый, антисиний, антикрасный. Таким образом, принимая во внимание число ароматов и цветов, получается 36 кварков и антикварков.

Кварки взаимодействуют друг с другом посредством обмена восемью глюонами, которые представляют собой безмассовые бозоны со спином 1. Кварк, входящий в состав адрона, испускает глюон, в силу чего состояние движения адрона изменяется. Этот глюон поглощается кварком, входящим в состав другого адрона, и меняет состояние его движения. В результате возникает взаимодействие адронов друг с другом. Комбинации кварков, составляющих элементарные частицы, таковы, что наблюдается бесцветный образ. Отличительная особенность кварк-кваркового взаимодействия через глюоны состоит в том, что с уменьшением расстояния их взаимодействие ослабляется. Это ведет к тому, что внутри адронов кварки можно рассматривать как свободные частицы. Имеются убедительные экспериментальные доказательства их существования в связанном состоянии внутри адронов. Кваркам выгодно находиться внутри адронов. Это означает, что возможно наблюдать только бесцветные адроны. Одиночные кварки, будучи цветными объектами, не могут существовать в свободном состоянии, а могут находиться только внутри белых частиц – адронов. Как следствие, для отделения кварков друг от друга требуется бесконечно большая энергия.

Мезоны состоят из пары кварка-антикварк (символически ); а барионы – из трех кварков, символически . Кварковый состав некоторых адронов приведен в следующей таблице:

Мезоны	Барионы
p +	p -	p 0	К+	Протон p	Нейтрон n	S+-гиперон	S0-гиперон

В отличие от барионов и мезонов лептоны в настоящее время рассматриваются как элементарные частицы в буквальном смысле слова как не имеющие внутренней структуры. Интересно, что число видов лептонов (их шесть) совпадает с числом кварков, если три цвета одного и того же кварка рассматривать как одну частицу. Является ли схема из шести лептонов и шести кварков окончательной или же число лептонов (кварков) будет расти, покажут дальнейшие исследования.

Заключение.

Итак, на этом изложение курса общей физики завершаем. Начав его детальное изучение с физичес­ких основ механики, мы последовательно рассмотрели основы молекулярной физики и термодинамики, учение об электричестве и электромагнетизме, колебания и волны, оптику, элементы квантовой физики и физики твердого тела, физики ядра и элементар­ных частиц. Приведенный перечень разделов курса позволяет просле­дить логику развития физики и эволюцию ее идей, а также представить основные периоды и этапы ее становления.

Со времени выхода в свет труда И. Ньютона «Математические начала натура­льной философии» ([1687), в котором он сформулировал три основных закона механики и закон всемирного тяготения, прошло более трехсот лет. За это время физика прошла путь от макроскопического уровня изучения явлений до исследования материи на уровне элементарных частиц.

Однако, несмотря на огромные успехи, которых физика достигла за это время и особенно в XX столетии, современная физика и астрофизика стоят перед целым рядом нерешенных проблем.

Например, проблемы физики плазмы – разработка методов разогрева плазмы до примерно 10⁹ К и ее удержание в течение времени, достаточного для протекании термоядерной реакции; квантовой электроники – существенное повышение к.п.д. лазеров, расширение диапазона длин волн лазерного излучения с плавной перестройкой по частоте и т. д.; физики твердого тела – получение материалов с наперед заданными свойствами и, в частности, с экстремальными параметрами по большому «спектру» характеристик, создание высокотемпературных сверхпроводников и т. д.; физики атомного ядра – осуществление управляемого термоядерного синтеза, поиск долго живущих элементов с Z= 114¸126, предсказанных теорией, построение теории сильны» взаимодействий и т. д.; физики элементарных частиц ­– доказательство реальности существования кварков и глюонов (частиц, осуществляющих взаимодействие между кварками), построение квантовой теории тяготения и т. д.; астрофизики – природа квазаров (мощных внегалактических источников электромагнитного излучения), при чины вспышек сверхновых звезд, состояние материи при огромных плотностях и давлениях внутри нейтронных звезд и т. д. Поставленные проблемы требуют дальнейшею разрешения.

Список рекомендуемой литературы.

1. Акоста В. и др. Основы современной физики.– М.: Просвещение, 1981.

2. Гершензон Е.М., Малов Н.Н., Мансуров А.Н. Курс общей физики. Оптика и атомная физика.– М.: Просвещение, 1992.

3. Гершензон Е.М., Малов Н.Н., Эткин В.С. Курс общей физики. Оптика и атомная физика.– М.: Наука, 1972.

4. Королев Ф.А.. Курс физики. Оптика, атомная и ядерная физика. – М.,1974.

5. Савельев И.В. Курс общей физики. В 3-х т. Т.3. – М.: Наука, 1982.

6. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Атомная и ядерная физика. – М: Наука, 1988.

7. Шпольский Э.В.. Атомная физика. В 2-х т. Т.1. –М.: Нака, 1974.

8. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Курс физики. Т.3. – М.: Просвещение, 1971.