Каждый человек слышал об атомах и о том, что эти маленькие частички вещества составляют окружающую нас материю. Однако не все люди знают, что атом не является элементарным "кирпичиком" мироздания. Что им является? Однозначного ответа пока нет. Тем не менее рассмотрение вопроса, что это - адрон, поможет прояснить проблему.
Окружающая материя и ее структура
Вопрос, что это - адрон, начнем рассматривать "сверху". Все вещество, с которым человек сталкивается каждый день, которое может пощупать, оценить его цвет и другие свойства, состоит из совокупностей молекул и атомов. Последние, в свою очередь, образованы электронами и ядрами. Этот факт был установлен приблизительно век назад благодаря работам Эрнеста Резерфорда.
Теперь оставим без внимания электрон и рассмотрим атомное ядро. Как известно, оно образовано двумя видами частиц: нейтронами и протонами. И здесь мы, наконец, докопались до сути, поскольку нейтрон и протон - это адроны.
Понятие об адроне
В общем случае адрон - это частица, которая образована кварками и может принимать участие в сильных взаимодействиях. Это определение звучит не совсем понятно, поскольку необходимо знать, что собой представляют кварки и сильные поля, что будет рассмотрено ниже. Каково значение слова "адрон"? Оно имеет греческий корень и переводится как "массивный, плотный". То есть речь идет о плотной частице материи, имеющей большую массу.
Как было сказано выше, адронами являются протон и нейтрон, каждый из них состоит из трех кварков.
Что такое кварк?
Ближе к середине XX века физики со всего мира в различных экспериментах начали наблюдать все новые и новые "элементарные" частицы. Эксперименты сначала ограничивались изучением естественной радиоактивности некоторых химических элементов, а затем были построены первые ускорители частиц, которые позволили сталкивать их высокоэнергетические пучки, что увеличило значительно число частиц. Последние имели разный заряд, спин, массу, время жизни и по-разному вели себя в различных взаимодействиях (слабых, сильных, электромагнитных).
Весь этот огромный пласт информации привел к тому, что необходима была теория, которая бы собрала воедино все частицы. Такой теоретической догадкой стал кварк. Это название впервые использовал Марри Гелл-Ман, американский физик, в 1963 году. Любопытно отметить, что слово "кварк" он подсмотрел в одном из литературных произведений, оно означало имитацию крика чаек.
Благодаря введению нового "кирпичика" в физику элементарных частиц все обнаруженные сгустки материи стройно легли в рамки новой концепции. Отметим, что кварками образованы только адроны, такие частицы, как нейтрино или электрон, относятся к классу лептонов, они считаются элементарными, и кварки к ним не имеют никакого отношения.
Сколько кварков существует и какими характеристиками они описываются?
Адроны состоят из кварков. Но что представляет собой кварк? Это некий реальный объект, размер которого находится в пределах 10-18-10-15 метра. Существует 3 поколения кварков, которые отличаются друг от друга вкусом. В действительности только первое поколение кварков участвует в образовании стабильных адронов. Два других поколения обладают большой массой (энергией), поэтому быстро переходят в "базовые" кварки.
К первому поколению относятся всего две частицы: u или верхний и d или нижний кварки. Отличаются они изоспином (u имеет +1/2, d имеет -1/2), зарядом и массой. Спин приведем специально, чтобы показать, что речь идет о фермионах, поведение которых при высоких плотностях материи отличается от бозонов (целочисленный спин). Примером последних могут быть фотоны, глюоны и любые другие "переносчики" взаимодействия.
Скажем два слова о вкусе и цвете кварков, чтобы не держать читателей в недоумении. Вкус - это совокупность свойств (изоспин, "странность", "чудесность", "дно", "вершина") кварка, которая обуславливает тип его взаимодействия с бозонами Z и W, то есть определяет характер перехода между кварками (слабые взаимодействия). Вкус частиц u и d определяется исключительно изоспином.
Что касается цвета, то это совершенно иное свойство кварков как, например, их электрический заряд или масса. С привычным нам всем словом "цвет" оно, естественно, не имеет никакой физической связи, а названо было так потому, что может принимать одно из 3 значений ("синий", "красный", "зеленый"). Цвет связан с трехмерностью пространства. Грубо можно сказать, что цвет - это вектор, направленный в одном из 3 направлений (x, y, z). Введение цвета для кварков позволило объяснить, почему они могут находиться в одном состоянии (принцип запрета Паули, которому следуют все фермионы).
Если учитывать упомянутых два кварка (u, d), а также то, что каждый из них может иметь один из 3 цветов, то получаем 6 разных "кирпичиков" для построения адронов. Это число нужно умножить на 2, поскольку для каждого из них имеется его античастица.
Классификация адронов
Когда читатель познакомился со значением слова "адрон" и с понятием о кварках, можно привести общепринятую классификацию элементарных частиц. Итак, все они делятся на два больших класса: адроны и лептоны.
Адроны представлены барионами и мезонами. Первые образованы тремя кварками или тремя аникварками, вторые - это совокупность всего 2 частиц: кварк-антикварк, поэтому все мезоны (пионы, каоны) имеют маленькое время жизни и аннигилируют быстро. Барионы - это стабильные частицы-адроны, имеющие получисленный спин (фермионы). Протон и нейтрон - яркие представители барионов, их часто называют нуклонами, поскольку они образуют атомные ядра.
Таким образом, значение адронов во Вселенной велико, ведь вся окружающая нас материя является барионно-лептонной (электрон - это лептон). Однако современная наука подошла к порогу открытия иного вида вещества, то есть не барионно-лептонного (темная материя, вещество черных дыр).
Нуклоны: протон и нейтрон
Эти элементарные частицы-адроны образованы 2 типами кварков: u и d. Состав протона описывается, как u-u-d, нейтрона - u-d-d. В них кварки связаны сильными взаимодействиями, носителями которых являются глюоны. Чем дальше кварки находятся друг от друга, тем сильнее возрастают силы их притяжения. Этот факт объясняет, что отдельный кварк в природе обнаружить не удается.
Что касается массы протона и нейтрона, то определить ее простым суммированием трех кварков нельзя, поскольку она намного больше этой суммы. Дело в том, что вклад в массу этих адронов оказывает не только кварк в покое, но и в движении (кинетическая энергия).
Протон и нейтрон могут переходить друг в друга в результате слабых взаимодействий, ведущих к превращению между кварками u и d.
Заметим, что как кварки в адронах, так и адроны между собой взаимодействуют посредством одного и того же механизма - глюонового поля.
Современное состояние физики элементарных частиц
Кварки появились в физической теории в начале 1960-х годов, а уже в 1970-х было выдвинуто предположение, что они тоже не являются элементарными "кирпичиками" и состоят из так называемых преонов. Последние еще не открыты, однако, если такое произойдет, то это должно существенно упростить существующую теорию элементарного мира.
Помимо проблемы выше, остается еще ряд нерешенных вопросов:
- описание гравитации и темной материи не укладывается в стандартную модель Вселенной;
- почему три кварка в протоне дают точный по модулю заряд элементарной частицы совершенно иного класса - электрона (лептон);
- появились свидетельства существования адронов, состоящих не из 2, как мезоны, или 3, как барионы, но из 5 кварков.
Все упомянутые проблемы не являются простыми. Достаточно лишь сказать, что Альберт Эйнштейн посвятил последние 30 лет своей жизни решению некоторых из них и не пришел ни к какому результату. Он имел IQ 160!
