Кварк - это что за частица? Узнайте, из чего состоят кварки. Какая частица меньше кварка?

Только лишь год назад Питер Хиггс и Франсуа Энглер получили Нобелевскую премию за работу, которая была посвящена исследованию субатомных частиц. Это может показаться нелепым, но свои открытия ученые сделали еще полвека назад, но до сего дня им не придавали хоть сколь-нибудь большого значения.

В 1964 году еще два талантливых физика тоже выступали со своей новаторской теорией. Сперва она также не привлекла практически никакого внимания. Это странно, так как описывала она структуру адронов, без которых невозможно ни одно сильное межатомное взаимодействие. Это была теория кварков.

Что это такое?

Кстати, что такое кварк? Это одна из важнейших составных частей адрона. Важно! Эта частица обладает «половинным» спином, фактически являясь фермионом. В зависимости от цвета (об этом ниже) заряд кварка может быть равен трети или двум третям от заряда протона. Что касается цветов, то их насчитывается шесть (поколения кварков). Нужны они для того, чтобы не нарушался принцип Паули.

Основные сведения

В составе адронов данные частицы находятся на расстоянии, не превышающем значение конфайнмента. Объясняется это просто: они обмениваются векторами калибровочного поля, то есть глюонами. Почему так важен кварк? Глюонная плазма (насыщенная кварками) – это состояние вещества, в котором находилось все мироздание сразу после большого взрыва. Соответственно, существование кварков и глюонов – прямое подтверждение того, что он действительно был.

Они также имеют свой цвет, а потому во время движения создают свои виртуальные копии. Соответственно, при увеличении расстояния между кварками сила взаимодействия между ними значительно увеличивается. Как можно догадаться, при минимальном расстоянии взаимодействие практически исчезает (асимптотическая свобода).

Таким образом, любое сильное взаимодействие в адронах объясняется переходом глюонов между кварками. Если же говорить о взаимодействиях между адронами, то они объясняются передачей пи-мезонного резонанса. Проще говоря, косвенно все опять-таки сводится к обмену глюонами.

Сколько кварков входит в состав нуклонов?

Каждый нейтрон состоит из пары d-кварков, а таже единственного u-кварка. Каждый протон, напротив, – из единственного d-кварка и пары u-кварков. К слову говоря, буквы ставятся в зависимости от квантовых чисел.

Поясним. К примеру, бета-распад объясняется как раз таки превращением одного из однотипных кварков в составе нуклона в другой. Чтобы было лучше понятно, в виде формулы сей процесс можно записать вот так: d = u + w (это нейтронный распад). Соответственно, протонный записывается несколько иной формулой: u= d + w.

Кстати говоря, именно последним процессом объясняется постоянный поток нейтрино и позитронов из крупных звездных скоплений. Так что в масштабах Вселенной мало столь важных частиц, какой является кварк: глюонная плазма, как мы уже и говорили, подтверждает факт большого взрыва, а исследования этих частиц позволяют ученым лучше узнать саму суть того мира, в котором мы живем.

Что меньше кварка?

Кстати, а из чего состоят кварки? Их составной частицей являются преоны. Частицы эти очень малы и плохо изучены, так что даже на сегодняшний день о них известно не очень много. Вот что меньше кварка.

Откуда они взялись?

На сегодняшний день наиболее распространены две гипотезы формирования преонов: теория струн и теория Бильсона-Томпсона. В первом случае возникновение данных частиц объясняется осцилляцией струн. Вторая гипотеза предполагает, что их появление вызвано возбужденным состоянием пространства и времени.

Интересно, что во втором случае явление вполне можно описать, пользуясь матрицей параллельного переноса вдоль кривых спиновой сети. Свойства этой самой матрицы и предопределяют таковые для преона. Вот из чего состоят кварки.

Подводя некоторые итоги, можно сказать, что кварки – своеобразные «кванты» в составе адронов. Впечатлены? А сейчас мы поговорим о том, как вообще был открыт кварк. Это весьма увлекательная история, которая, ко всему прочему, полнее раскрывает некоторые нюансы, описанные выше.

Странные частицы

Сразу после окончания Второй Мировой ученые начали активно исследовать мир субатомных частиц, который до той поры выглядел до примитивного просто (по тем представлениям). Протоны, нейтроны (нуклоны) и электроны образовывали атом. В 1947 году были открыты пионы (а предсказали их существование еще в 1935 году), которые отвечали за взаимное притяжение нуклонов в ядре атомов. Этому событию в свое время была посвящена не одна научная выставка. Кварки еще не были открыты, но момент нападения на их «след» был все ближе.

Нейтрино к тому времени открыты еще не были. Но их явная важность для объяснения бета-распадов атомов была настолько велика, что ученые практически не сомневались в их существовании. Кроме того, уже успели обнаружить или предсказать некоторые античастицы. Оставалась неясна только ситуация с мюонами, которые образовывались при распаде пионов и в дальнейшем переходили в состояние нейтрино, электрона или позитрона. Физики не понимали, для чего вообще нужна эта промежуточная станция.

Увы, но столь простая и непритязательная модель совсем ненадолго пережила момент открытия пионов. В 1947 году два английских физика, Джордж Рочестер и Клиффорд Батлер, опубликовали одну любопытную статью в научном журнале Nature. Материалом для нее послужило их исследование космических лучей посредством камеры Вильсона, в ходе которого они получили прелюбопытные сведения. На одной из фотографий, отснятых в процессе наблюдения, была отчетлива видна пара треков с общим началом. Так как расхождение напоминало латинскую V, то сразу стало ясно – заряд у этих частиц определенно разный.

Ученые сразу предположили, что эти треки указывают на факт распада некой неизвестной частицы, которая не оставила после себя других следов. Расчеты показали, что ее масса - порядка 500 МэВ, что намного больше этого значения для электрона. Разумеется, исследователи нарекли свое открытие V-частицей. Впрочем, это был еще не кварк. Частица эта еще ждала своего часа.

Все только начинается

С этого открытия все и началось. В 1949 году в таких же условиях был обнаружен след частицы, которая дала начало сразу трем пионам. Вскоре выяснилось, что она, равно как и V-частица — совершенно разные представители семейства, состоящего из четырех частиц. Впоследствии их назвали К-мезонами (каоны).

Пара заряженных каонов имеют массу 494 МэВ, а в случае с нейтральным зарядом - 498 МэВ. Кстати говоря, в 1947 году ученым посчастливилось запечатлеть как раз таки весьма редкий случай распада положительного каона, но в то время они просто не смогли правильно интерпретировать снимок. Впрочем, если быть до конца справедливыми, то вообще-то первое наблюдение каона было сделано еще в далеком 1943 году, но информация об этом едва не затерялась на фоне многочисленных послевоенных научных публикаций.

Новые странности

А дальше ученых ждало еще больше открытий. В 1950 и 1951 годах исследователи из Манчестерского и Мельнбурского университетов сумели отыскать частицы, намного тяжелее протонов и нейтронов. Она снова не имела никакого заряда, но распадалась на протон и пион. Последний, как можно понять, имел отрицательный заряд. Новую частицу обозначили буквой Λ (лямбда).

Чем больше проходило времени, тем больше появлялось вопросов у ученых. Проблема была в том, что новые частицы возникали исключительно при сильных атомных взаимодействиях, быстро распадаясь на известные протоны и нейтроны. Кроме того, они всегда появлялись парами, одиночных проявлений не было никогда. А потому группа физиков из США и Японии предложила использовать в их описании новое квантовое число - странность. Согласно их определению, странность всех прочих известных частиц равнялась нулю.

Дальнейшие изыскания

Прорыв в изысканиях случился только после возникновения новой систематизации адронов. Виднейшей фигурой в этом стал израильтянин Юваль Неэман, который поменял карьеру выдающегося военного на столь же блистательный путь ученого.

Он обратил внимание, что открытые к тому времени мезоны и барионы распадаются, образуя скопление родственных частиц, мультиплеты. Члены каждого такого объединения обладают совершенно одинаковой странностью, но противоположными электрическими зарядами. Так как действительно сильные ядерные взаимодействия от электрических зарядов не зависят совсем, во всем прочем частицы из мультиплета выглядят совершенными близнецами.

Ученые предположили, что за возникновение подобных образований отвечает некая природная симметрия, и вскоре им удалось ее отыскать. Она оказалась простым обобщением спиновой группы SU(2), которой ученые всего мира пользовались для описания квантовых чисел. Вот только к тому времени было известно уже 23 адрона, причем их спины были равны 0, ½ или целой единице, а потому пользоваться такой классификацией не представлялось возможным.

В результате пришлось использовать для классификации сразу два квантовых числа, за счет чего классификация значительно расширилась. Так и появилась группа SU(3), которую еще в начале века создал французский математик Эли Картан. Чтобы определить систематическое положение в ней каждой частицы, учеными была разработана исследовательская программа. Кварк впоследствии легко вошел в систематический ряд, что подтвердило абсолютную правоту специалистов.

Новые квантовые числа

Так ученые подошли к идее использования абстрактных квантовых чисел, которыми стали гиперзаряд и изотопический спин. Впрочем, с тем же успехом можно брать странность и электрический заряд. Данная схема была условно названа Восьмеричным Путем. В этом улавливается аналогия с буддизмом, где до достижения нирваны также нужно пройти восемь уровней. Впрочем, все это лирика.

Свои работы Неэман и его коллега, Гелл-Манн, напечатали в 1961 году, а количество известных тогда мезонов не превышало семи. Но в своих работах исследователи не побоялись упомянуть о высокой вероятности существования восьмого мезона. В том же 1961 году их теория с блеском подтвердилось. Найденную частицу назвали эта-мезоном (греческая буква η).

Дальнейшие находки и эксперименты с блеском подтвердили абсолютную правильность классификации SU(3). Это обстоятельство стало мощным стимулом для исследователей, которые обнаружили, что стоят на верном пути. Даже сам Гелл-Манн уже не сомневался в том, что в природе существуют кварки. Отзывы о его теории были не слишком положительными, но ученый был уверен в своей правоте.

Вот и кварки!

Вскоре вышла статья «Схематическая модель барионов и мезонов». В ней ученые смогли дальше развить идею систематизации, которая оказалась настолько полезной. Они выяснили, что SU(3) вполне допускает существование целых триплетов фермионов, электрический заряд которых колеблется от 2/3 до 1/3 и –1/3, причем в триплете одна частица всегда отличается ненулевой странностью. Уже небезызвестный нам Гелл-Манн назвал их «элементарные частицы кварки».

Согласно зарядам, он обозначил их как u, d и s (от английских слов up, down и strange). В соответствии с новой схемой, каждый барион образован сразу тремя кварками. Мезоны устроены куда проще. В их состав входит один кварк (это правило незыблемо) и антикварк. Только после этого в научном сообществе стало известно о существовании этих частиц, которым и посвящена наша статья.

Еще немного предыстории

Эта статья, которая во многом предопределила развитие физики на годы вперед, имеет довольно любопытную предысторию. Гелл-Манн думал о существовании такого рода триплетов задолго до ее публикации, но ни с кем не обсуждал свои предположения. Дело в том, что его предположения о существовании частиц, обладающих дробным зарядом, выглядели как бред. Однако после разговора с выдающимся физиком-теоретиком Робертом Сербером он узнал, что его коллега сделал точно такие же выводы.

Кроме того, ученый сделал единственно правильный вывод: существование подобных частиц возможно только в том случае, если они являются не свободными фермионами, а входят в состав адронов. Ведь в этом случае их заряды составляют единое целое! Сперва Гелл-Манн назвал их кворками и даже упомянул о них в MTI, но реакция студентов и преподавателей была весьма сдержанной. А потому ученый очень долго думал о том, стоит ли ему выносить свои исследования на суд публики.

Само слово «кварк» (это звук, напоминающий крик уток) было взято из произведения Джеймса Джойса. Как ни странно, но американский ученый отправил свою статью в престижный европейский научный журнал Physics Letters, так как всерьез опасался того, что редакция аналогичного по уровню американского издания Physical Review Letters не примет ее в печать. Кстати, если вы хотите взглянуть хотя бы на копию той статьи – вам прямая дорога в тот же Берлинский музей. Кварки в его экспозиции не имеются, зато полная история их открытия (точнее, документальные свидетельства) есть.

Начало кварковой революции

Справедливости ради стоит отметить, что практически в то же время до аналогичной мысли дошел ученый из ЦЕРНа, Джордж Цвейг. Сперва его наставником был сам Гелл-Манн, а затем Ричард Фейнман. Цвейг также определил реальность существования фермионов, которые обладали дробными зарядами, только назвал их тузами. Более того, талантливый физик также рассматривал барионы как тройку кварков, а мезоны – как комбинацию кварка и антикварка.

Проще говоря, ученик полностью повторил выводы своего учителя, причем совершенно отдельно от него. Его работа появилась даже на пару недель раньше публикации Манна, но только в качестве «домашней заготовки» института. Впрочем, именно наличие двух независимых работ, выводы по которым были практически идентичными, сразу убедило некоторых ученых в верности предложенной теории.

От неприятия к доверию

Но многие исследователи приняли эту теорию далеко не сразу. Да, журналисты и теоретики быстро полюбили ее за наглядность и простоту, но серьезные физики приняли ее только спустя целых 12 лет. Не стоит упрекать их в излишнем консерватизме. Дело в том, что первоначально теория кварков резко противоречила принципу Паули, о котором мы упоминали в самом начале статьи. Если предположить, что в протоне содержится пара u-кварков и единственный d-кварк, то первые должны находиться строго в одном и том же квантовом состоянии. Согласно же Паули, такое невозможно.

Вот тогда-то и появилось дополнительное квантовое число, выраженное в виде цвета (о чем мы также упоминали выше). Кроме того, было совершенно непонятно, как вообще элементарные частицы кварки взаимодействуют друг с другом, почему не встречаются их свободные разновидности. Все эти тайны сильно помогла разгадать Теория Калибровочных полей, которую «довели до ума» только в середине 70-х годов. Примерно в то же время кварковую теорию адронов органично включили в нее.

Но сильнее всего сдерживало развитие теории полное отсутствие хоть каких-то экспериментальных опытов, которые бы подтверждали как само существование, так и взаимодействие кварков между собой и с другими частицами. А они постепенно начали появляться только с конца 60-х годов, когда быстрое развитие технологий позволило провести опыт с «просвечиванием» протонов электронными потоками. Именно эти опыты позволили доказать, что внутри протонов действительно «скрываются» какие-то частицы, которые первоначально назвали партонами. Впоследствии все же убедились, что это не что иное, как истинный кварк, но это произошло только в конце 1972 года.

Экспериментальное подтверждение

Разумеется, для окончательного убеждения научной общественности потребовалось намного больше экспериментальных данных. В 1964 году Джеймс Бьёркен и Шелдон Глэшоу (будущий лауреат Нобелевской премии, кстати) сделали предположение, будто бы может существовать еще и четвертая разновидность кварка, которую они назвали очарованной (charmed).

Именно благодаря этой гипотезе ученые уже в 1970 году смогли объяснить многие странности, которые наблюдались при распаде нейтрально заряженных каонов. Через четыре года сразу две независимых группы американских физиков сумели зафиксировать распад мезона, в состав которого входил как раз один «очарованный» кварк, а также его антикварк. Неудивительно, что это событие сразу окрестили Ноябрьской Революцией. Впервые теория кварков получила более-менее «наглядное» подтверждение.

О важности открытия говорит хотя бы тот факт, что руководители проекта, Сэмюэль Тинг и Бартон Рихтер, уже через два года принимали свою Нобелевскую премию: это событие отражено во многих статьях. С некоторыми из них вы сможете ознакомиться в оригинале, если посетите Нью-Йоркский естественнонаучный музей. Кварки, как мы уже и говорили, – крайне важное открытие современности, а потому и внимания в научной среде им уделяется очень много.

Последний довод

Только в 1976 году исследователи все же нашли одну частицу с ненулевым очарованием, нейтральный D-мезон. Это достаточно сложная комбинация из одного очарованного кварка и u-антикварка. Тут даже закоренелые противники существования кварков вынуждены были признать правоту теории, впервые изложенной более двух десятков лет тому назад. Один из самых известных физиков-теоретиков, Джон Эллис, назвал очарование «рычагом, перевернувшим мир».

Вскоре в перечень новых открытий вошла и пара особо массивных кварков, top и bottom, которые без труда удалось соотнести с уже принятой на то время систематизацией SU(3). В последние годы ученые говорят о том, что существуют так называемые тетракварки, которые некоторые ученые уже успели окрестить «адронными молекулами».

Некоторые выводы и умозаключения

Нужно понимать, что открытие и научное обоснование существования кварков и в самом деле можно смело считать научной революцией. Началом ее можно считать 1947 год (в принципе, 1943), а конец ее приходится на обнаружение первого «очарованного» мезона. Получается, что продолжительность последнего на сегодняшний день открытия такого уровня составляет, ни много ни мало, целых 29 лет (или даже 32 года)! И все это время было потрачено не только ради того, чтобы отыскать кварк! Глюонная плазма как первичный объект во Вселенной вскоре привлекла куда большее внимание ученых.

Впрочем, чем сложнее становится область изучения, тем больше времени требуется для совершения действительно важных открытий. А что касается обсуждаемых нами частиц, то важность такого открытия не сможет недооценивать никто. Изучая строение кварков, человек сможет глубже проникнуть в тайны мироздания. Возможно, что только после полного их исследования мы сможем узнать, как происходил большой взрыв и по каким законам развивается наша Вселенная. Во всяком случае именно их открытие позволило убедить многих физиков в том, что окружающая нас действительность куда сложнее былых представлений.

Вот вы и узнали, что такое кварк. Частица эта в свое время наделала много шума в научном мире, да и сегодня исследователи полны надежд окончательно раскрыть все ее тайны.