ПОШУК ФУНДАМЕНТАЛЬНИХ ЧАСТИНОК. КВАРКИ І ЛЕПТОНИ

При дослідженні центральної позитивно зарядженої області атома - ядра виявилася його внутрішня структура: ядро складається з протонів і нейтронів. У складі ядра їх утримують потужні ядерні сили, радіус дії яких обмежений величиною близько 10 15 м. Навколо ядра розташовується електронна оболонка. У такій моделі атома все три субатомні частинки вважаються елементарними , в сенсі далі неподільними, як колись вважали неподільним атом.

До середини 60-х років XX століття виявилася не тільки множинність елементарних частинок, але і те, що багато хто з них є складовими (можуть розпадатися на інші частинки). У такій ситуації термін «елементарна частинка» змінив своє фізичне утримання. У сучасному природознавстві це всього лише об'єднує назву для цілого «світу» мікрочастинок.

Парадигма класичного природознавства включає в себе концепцію цілісного, простого і гармонійного світоустрою. Основа світової гармонії - вертикальне супідрядність ( ієрархія ) різних, але подібних структурних рівнів. «Те, що нагорі, подібно до того, що внизу». В рамках класичного природознавства завжди були обґрунтованими (наказувала парадигма!) Пошуки першоелементів. Класичне ідейна спадщина підштовхувало до пошуку гармонії в новому різноманітності об'єктів природознавства і до пошуку «дійсно елементарних» частинок.

М. Гелл-Манн і Дж. Цвейг

Мал. 32. М. Гелл-Манн і Дж. Цвейг

Три такі фундаментальні мікрочастинки запропонували в 1964 р, незалежно один від одного, фізики-теоретики Марі Гелл-Манн і Джордж Цвейг (рис. 32). Для абсолютно нового шару частинок, які претендують на фундаментальність, необхідно було навмисно парадоксальне, незвична назва, яке будить асоціації з чимось незвичайним. Запропоноване М. Гелл-Манном назву «кварк» не має перекладу на будь-якої мова людства і є незвичайним придуманим звукосполученням.

Дійсно, за моделлю М. Гелл- Манна і Цвейга, властивості кварків були дуже незвичними навіть для більшості фізиків.

  • 1. Електричний заряд кварків дробовий: плюс дві третини і мінус одна третина від «природної одиниці заряду», т. Е. Від заряду протона.
  • 2
  • 2. Кварки були названі: верхній (і) з зарядом + / 3, нижній (d) з зарядом -V3 і дивний (s) з зарядом -V3.
  • 3. У вільному стані, поодинці, кварки себе не проявляють. Як реальності, у вигляді інших «елементарних» частинок, кварки проявляють себе тільки в комбінаціях по три або по два (кварк - антікварк).
  • 4. У взаємодіях за участю кварків повинно було проявлятися властивість, для характеристики якого потрібно три різних якості. Гелл-Манн і Цвейг запропонували назву для властивості - колірної заряд, або просто колір. Три прояви колірного заряду кварків: червоний, синій, зелений. Для антикварків протилежні колірні заряди називаються відповідно антікрасний, антісіній і антизелена. Очевидно, що фізичний зміст введеного кольори не той, що в звичному людині світі. Але чому не звук або смак?

Вся справа в певній аналогії.

Вам відомо, що І. Ньютон відкрив розкладання безбарвного променя світла в спектр веселки (пам'ятаєте мнемонічне правило: Кожен Мисливець Бажає Знати, Де Сидить Фазан '?). Як зворотну дію, суперпозиція (додавання, суміш) семи кольорів веселки безбарвна - це білий колір. Але, крім палітри семи кольорів, якість білого кольору може бути досягнуто складанням трьох, називамих основними, кольорів: червоного, зеленого і синього. Це властивість нашого зору використовують художники в живопису і інженери в технології кольорового телебачення (сигнал RGB: Red, Green, Blue).

Комбінація трьох різних кваркових колірних зарядів теж біла, або безбарвна. Звідси і аналогічне з оптикою назва трьох якостей кварків. Більш того, виконується правило безбарвності: реально існують (у вигляді інших елементарних частинок) тільки такі комбінації кварків і антикварків, які безбарвні.

Перш за все кваркова гіпотеза наступним чином пояснила будову «ядерного речовини». До складу протона входять три кварка duu, а нейтрон побудований з кварків udd (рис. 33).

Кварковая модель будови протона і нейтрона

Мал. 33. Кварковая модель будови протона і нейтрона

Сума зарядів складовою частинки тут дорівнює сумі зарядів складових її кварків, з урахуванням знаків електричних зарядів отримуємо плюс одиницю для протона і нуль для нейтрона. В останньому випадку нейтральність є наслідок рівності позитивно і негативно заряджених складових.

Кожному кварку відповідає антікварк, так що в структуру антинейтрона будуть включені антикварки udd, що несуть, відповідно, заряди мінус дві третини і два по плюс одна третина. В сумі знову нейтральність, але очевидно відмінність зарядовим структури порівнюваних часток. Звідси стає зрозуміла і нетождсствснность антинейтрона і нейтрона, незважаючи на однаковість їх загального електричного заряду.

Відразу ж відзначимо, що входять до складу протона пара кварків UU, і пара кварків del - це пари різнокольорових кварків, а в цілому і протон і нейтрон є безбарвними, або білими.

Важливим невід'ємною властивістю всіх мікрочастинок є наявність у них власного механічного (обертального) моменту, його називають спін (від англійського to spin - обертати). Це властивість векторне, що має напрямок в просторі. У трехчастічних структурах протона і нейтрона два спина компенсують один одного, так що ці частинки мають загальне сумарне спінове число, рівне V2.

Група елементарних частинок, що відносяться до сімейства мезонів, має значення спінового квантового числа, яке дорівнює нулю. Виходячи з цього можна очікувати, що мезони повинні містити дві структурні складові, так що їх спини будуть спрямовані в протилежні сторони і компенсовані.

Як видно з даних табл. 6, мезони можуть нести цілочисельні значення позитивного і негативного зарядів. Але як побудувати модель мезонів тільки з двох кварків? Ясно, що цілочисельні значення суми при цьому не можуть бути досягнуті.

Гелл-Манн і Цвейг запропонували кваркової моделі мезонів будувати з комбінацій «один кварк - один антікварк» (рис. 34).

кваркової моделі будови пі-мезонів

Мал. 34. кваркової моделі будови пі-мезонів

У цьому випадку легко виходять необхідні цілочисельні електричні заряди, позитивні і негативні.

Нагадаємо, що антикварки мають антіцветовие заряди. Тому для досягнення білого стану, наприклад для пі-плюс-мезона, варіант колірних зарядів повинен бути такий: «червоний і кварк, антікрасний d антікварк». Для моделі нейтрального пі-мезона була запропонована більш складна комбінація:

З точки зору квантово-хвильових уявлень це можливо - як суперпозиція кваркових стоячих хвиль, знак мінус може бути інтерпретований як складання хвиль в протифазі.

Дуже витончено кваркова гіпотеза пояснила наявність в світі елементарних частинок так званого декуплета гиперонов (рис. 35). У центрі групи знаходиться гіперон, до складу якого входять три типи кварків. За вершин групи розташовані гіперони, побудовані з кварків одного типу: або d, або і, або S. Проміжні комбінації розташовані по сторонам трикутника. Таким чином, гіпотеза кварків мала безсумнівні успіхи в теоретичному поясненні багатьох експериментальних фактів. Проте, за спогадами Дж. Цвейга, вона зустріла недовіру такої міри, що один з видних фізиків США назвав гіпотезу кварків «вигадкою шарлатана».

кваркової моделі будови гиперонов

Мал. 35. кваркової моделі будови гиперонов

Визнати кварки реальними частками, а не об'єктами комбінаторики дробів на папері, заважали психологічні бар'єри. По-перше, це дробові заряди - незвично і фізикам, і хімікам. По-друге, незвичне уявлення про суперпозиції структур (див. Вираз 13). По-третє, це так зване невилетаніе кварків із складових частинок, їх сильне утримання (полон), при якому не було виявлено слідів одиночних кварків.

Останнє дуже важливо для експериментаторів. Істинність наукових гіпотез перевіряється на практиці, гіпотеза, за визначенням, - це наукове припущення, що висувається в формі наукових понять з метою зв'язати різні емпіричні знання в єдине ціле або висунуте для пояснення будь-якого явища, фактів і вимагає перевірки на досвіді для того, щоб стати достовірною науковою теорією.

Зазвичай нова частинка відкривалася при спостереженні се слідів (треків) в спеціальних камерах, по спрацьовуванню лічильників або інших способів реєстрації індивідуальної дії частки на прилади. Чи реальні частки, які не створюють індивідуальної дії, індивідуальних треків і т. Д.? Чи не впадають чи фізики в містицизм?

Визнати кварки реальними частками допомогли досліди з розсіювання електронів дуже високих енергій (2000 МеВ) на протонах. Ідейно досліди були схожі на розсіювання альфа-частинок на ядрах атомів (див. Рис. 36), але в даному випадку замість одного ядра були три кварка.

Якщо позитивний заряд рівномірно розподілений в протоні, то електрони такої високої кінетичної енергії будуть розсіюватися вперед і тільки під малими кутами. Якщо ж в складі протона є локальні, електрично заряджені складові, то можливо розсіювання на великі кути і назад.

Схема зондування протонів електронами

Мал. 36. Схема зондування протонів електронами

Досліди, виконані на прискорювачі Стенфордського університету, показали, що дуже часто електрони розсіюються на великі кути. На відміну від розсіювання на одному заряді в дослідах Резерфорда, в даному випадку розсіювання електрона відбувалося на трьох точкових заряди і вклади процесів розсіювання на кожному з них перекривалися. Тому тільки після ретельних вимірів кутових і енергетичних розподілів розсіяних електронів вдалося виділити вклади окремих центрів розсіювання і визначити величину їх зарядів. Заряди виявилися дробовими і відповідними гіпотезі кварків.

Існує й інша можливість перевірки наявності кварків в складі нуклонів. Вона пов'язана з використанням нейтрино. Ці частинки можуть легко проникати в протони або нейтрони і реагувати з одним з кварків. В результаті реакції за участю нейтрино можуть народжуватися електрон або мюон. А ці частинки заряджені негативно, і їх легко можна ідентифікувати в експерименті. Дослідження розсіювання нейтрино на нуклонах привели до висновків, повністю узгоджується з результатами дослідів з розсіювання електронів на протонах. Тільки після цих вирішальних експериментів кварки були визнані в природознавстві як реально існуючі в природі.

Початкового кількості кварків (трьох) виявилося недостатньо для пояснення подальших результатів експериментів в області високих енергій частинок, що стикаються, тому в даний час сімейство включає шість кварків (табл. 8).

Таблиця 8

сімейство кварків

Назва

позначення

Величина електричного заряду

Нижній

с!

-'ь

верхній

і

+ 2 Ь

зачарований

з

+2 Ь

дивний

S

Л

Вищий

t

+2 | з

прекрасний

b

_Л_

Протягом майже сорока ліг після появи гіпотези кварків у фізиці елементарних частинок вважали, що комбінації кварків і антикварків по три і два вичерпують вага можливості.

Однак, вже в XXI столітті з'явилися теоретичні роботи групи російських теоретиків, що передбачив можливість і інших варіантів об'єднання кварків. Зокрема, П. Дьяконовим і його учнями були розраховані умови, при яких можлива поява елементарних частинок, що складаються з п'яти кварків.

Структурні рівні мікросвіту

Мал. 37. Структурні рівні мікросвіту

Ця комбінація відповідає своєрідною кварковой «молекулі», що складається з одного мезона і одного баріону. Настільки екзотичну можливість освіти (правда, дуже короткочасного) мезо-баріону підтвердили дві групи дослідників - одна в США, інша в Японії. Ведуться пошуки «молекул» з двох мезонів і двох баріонів, так що історія кварків триває і в наші дні.

В кінцевому рахунку схема організації структурних рівнів речовини на рівні мікросвіту набула вигляду, показаний па рис. 37.

Були зроблені спроби теоретично уявити кварки складовими системами і виділити в їх складі якісь додаткові частки, ще більш елементарного рівня (наприклад Рішон, Стратон, прсони і т. Д.). Однак вага зусилля виявилися безрезультатними. Тому сімейства леп- тонів і кварків в даний час вважають єдиними представниками фундаментальних частинок речовини. З них побудовано все інше різноманітність об'єктів мікросвіту.

 
Переглянути оригінал
< Попер   ЗМІСТ   ОРИГІНАЛ   Наст >