Физика элементарных частиц
Кварки: меньше, чем элементарные частицы
Оказывается, протоны и нейтроны имеют структуру. Ои состоят из кварков, которые обладают уникальными свойствами, такими как электрический заряд, спин и цветовой заряд. В этой статье мы поговорим, как ученые пришли к этой идеи и какие кварки существуют.
Разоблачение обмана
В школе нам говорили, что вещество состоит из молекул, молекулы — из атомов. Атом представляет собой планетарную систему, где электроны по определенным орбитам вращаются вокруг ядер (что тоже не совсем правда), а ядро состоит из протонов и нейтронов.
Протоны и нейтроны мы считали элементарными частицами, самыми маленькими кирпичиками материи. Оказывается, они не таки уж и элементарные.
В школе нам говорили, что вещество состоит из молекул, молекулы — из атомов. Атом представляет собой планетарную систему, где электроны по определенным орбитам вращаются вокруг ядер (что тоже не совсем правда), а ядро состоит из протонов и нейтронов.
Протоны и нейтроны мы считали элементарными частицами, самыми маленькими кирпичиками материи. Оказывается, они не таки уж и элементарные.
Протоны и нейтроны имеют структуру
Другие частицы
К середине 1960-х было число обнаруженных элементарных частиц превысило 100. Также наблюдалась симметрия между некоторыми из них. Тогда появилось предположение, что элементарные частицы не элементарны, а тоже имеют какую-то структуру. Так в 1964 году была предложена модель кварков.
К середине 1960-х было число обнаруженных элементарных частиц превысило 100. Также наблюдалась симметрия между некоторыми из них. Тогда появилось предположение, что элементарные частицы не элементарны, а тоже имеют какую-то структуру. Так в 1964 году была предложена модель кварков.
Другие частицы
К середине 1960-х было число обнаруженных элементарных частиц превысило 100. Также наблюдалась симметрия между некоторыми из них. Тогда появилось предположение, что элементарные частицы не элементарны, а тоже имеют какую-то структуру. Так в 1964 году была предложена модель кварков.
К середине 1960-х было число обнаруженных элементарных частиц превысило 100. Также наблюдалась симметрия между некоторыми из них. Тогда появилось предположение, что элементарные частицы не элементарны, а тоже имеют какую-то структуру. Так в 1964 году была предложена модель кварков.
Экспериментальный поиск кварков
Эксперименты по рассеянию электронов и пионов на нуклонах показали, что нейтрон и протон, в отличие от лептонов, имеют сложную внутреннюю структуру, поэтому гипотеза о новых фундаментальных частицах казалась вполне правдоподобной.
Однако кваркам пришлось приписать довольно необычные свойства. Кварки должны были иметь дробный электрический заряд +2/3 или -1/3 (в единицах элементарного заряда, т. е. заряда позитрона). Например, u-кварк имеет электрический заряд +2/3, d- и s-кварки имеют электрические заряды -1/3.
Эксперименты по рассеянию электронов и пионов на нуклонах показали, что нейтрон и протон, в отличие от лептонов, имеют сложную внутреннюю структуру, поэтому гипотеза о новых фундаментальных частицах казалась вполне правдоподобной.
Однако кваркам пришлось приписать довольно необычные свойства. Кварки должны были иметь дробный электрический заряд +2/3 или -1/3 (в единицах элементарного заряда, т. е. заряда позитрона). Например, u-кварк имеет электрический заряд +2/3, d- и s-кварки имеют электрические заряды -1/3.
Классификация элементарных частиц
Мы уже упоминали термин адроны. Адрон — это частица, способная участвовать в сильном взаимодействии. Адроны существуют двух типов — барионы и мезоны.
Барионы состоят из 3 кварков и являются фермионами, т.е. имеют полуцелый спин. В соответствие им ставят барионный заряд равный 1.
Мезоны состоят из 2 кварков (кварка и антикварка). Они являются бизонами, т.е. имеют целый спин. Мезонам в соответствие ставят барионный заряд равный 0.
Сравнительно недавно ученым также удалось найти адроны, которые состоят из 4 кварков [4].
Мы уже упоминали термин адроны. Адрон — это частица, способная участвовать в сильном взаимодействии. Адроны существуют двух типов — барионы и мезоны.
Барионы состоят из 3 кварков и являются фермионами, т.е. имеют полуцелый спин. В соответствие им ставят барионный заряд равный 1.
Мезоны состоят из 2 кварков (кварка и антикварка). Они являются бизонами, т.е. имеют целый спин. Мезонам в соответствие ставят барионный заряд равный 0.
Сравнительно недавно ученым также удалось найти адроны, которые состоят из 4 кварков [4].
Сколько кварков нужно, чтобы создать элементарные частицы?
Все обнаруженные до 1974 г. адроны можно было описать, составляя их из кварков всего лишь трех типов — u, d, s. При этом трехкварковая модель адронов казалась достаточно замкнутой — практически каждой комбинации кварков (антикварков) соответствовала обнаруженная частица.
Однако 1974 год завершился для физиков сенсацией. Одновременно две группы физиков объявили о наблюдении новой частицы. Теперь ее называют J/ψ -мезоном. Масса обнаруженной частицы была ≥ 3,1 ГэВ. Причиной сенсации было необычайно большое время жизни J/ψ -мезона. Оказалось, что его время жизни почти в 1000 раз больше, чем у известных частиц такой же массы. Дальнейшие исследования показали, что причиной такого долгожития является то, что в ее состав входит новый неизвестный ранее с-кварк, названный очарованным кварком.
Итак, кварков стало 4, но на этом открытие новых кварков не завершилось. В 1977 году были открыты нейтральные мезоны с массами около 10 ГэВ. Они получили название ипсилон-мезонов. Для их обозначения используется буква Y. Открытие семейства ипсилон-мезонов означало открытие пятого кварка b (от английских слов bottom — нижний или beautiful — красивый). В состав Y-мезона входят b-кварк и его антикварк и поэтому можно сказать, что он обладает «скрытой красотой».
После почти двадцатилетних поисков, в 1995 году был открыт шестой, самый «тяжелый» кварк — t-кварк (его обозначение происходит от английского top — верхний).
Все обнаруженные до 1974 г. адроны можно было описать, составляя их из кварков всего лишь трех типов — u, d, s. При этом трехкварковая модель адронов казалась достаточно замкнутой — практически каждой комбинации кварков (антикварков) соответствовала обнаруженная частица.
Однако 1974 год завершился для физиков сенсацией. Одновременно две группы физиков объявили о наблюдении новой частицы. Теперь ее называют J/ψ -мезоном. Масса обнаруженной частицы была ≥ 3,1 ГэВ. Причиной сенсации было необычайно большое время жизни J/ψ -мезона. Оказалось, что его время жизни почти в 1000 раз больше, чем у известных частиц такой же массы. Дальнейшие исследования показали, что причиной такого долгожития является то, что в ее состав входит новый неизвестный ранее с-кварк, названный очарованным кварком.
Итак, кварков стало 4, но на этом открытие новых кварков не завершилось. В 1977 году были открыты нейтральные мезоны с массами около 10 ГэВ. Они получили название ипсилон-мезонов. Для их обозначения используется буква Y. Открытие семейства ипсилон-мезонов означало открытие пятого кварка b (от английских слов bottom — нижний или beautiful — красивый). В состав Y-мезона входят b-кварк и его антикварк и поэтому можно сказать, что он обладает «скрытой красотой».
После почти двадцатилетних поисков, в 1995 году был открыт шестой, самый «тяжелый» кварк — t-кварк (его обозначение происходит от английского top — верхний).
Всего существует 6 кварков
Конструктор элементарных частиц
Кварки называются фундаментальными частица. Все известные в настоящее время адроны могут быть сконструированы из шести кварков (типы кварков принято называть ароматами):
d, u, s, c, b, t.
Кварки называются фундаментальными частица. Все известные в настоящее время адроны могут быть сконструированы из шести кварков (типы кварков принято называть ароматами):
d, u, s, c, b, t.
Таблица с характеристика кварков. Изображение из [1].
Кварк каждого типа (аромата) имеет еще одно квантовое число — цвет, которое может принимать три значения: красный, синий, зеленый. Это чисто условные названия и удобная аналогия. Главное, что каждый кварк имеет еще одно дополнительное квантовое число, которое может принимать три значения.
Элементарные частицы бывают только белые, то есть содержат либо пару кварк-антикварк, либо белую комбинацию из трех кварков основных цветов (отсюда условное название цвет).
Элементарные частицы бывают только белые, то есть содержат либо пару кварк-антикварк, либо белую комбинацию из трех кварков основных цветов (отсюда условное название цвет).
Все фундаментальные частицы. Изображение из [5].
Список литературы:
- Б.С. Ишханов, И.М. Капитонов, Н.П. Юдин. Частицы и атомные ядра, 2019
- Г. А. Лексин. Кварки в ядрах, 1996
- Б. С. Ишханов, Э. И. Кэбин. Антиматерия: Адроны - системы связанных цветных кварков, 2009
- Techinsider. В экспериментах на Большом адронном коллайдере найдены 4 новых субатомных частицы, 2021
- Pikabu. Кварки - кирпичики материи, 2019
Автор: команда проекта Суперпозиция
