КВАРКИ І ГЛЮОНИ. ЄДИНА ТЕОРІЯ СЛАБКОГО І ЕЛЕКТРОМАГНІТНОГО ВЗАЄМОДІЇ

Мікрофізики ще іноді називають фізикою елементарних частинок. В даний час елементарними (фундаментальними) називають частинки, які на сучасному рівні знань не перебувають з більш елементарних частинок. Ще недавно до них ставилися нуклони (баріони), лептони, мезони і фотони. Зараз вже відомо, що баріони, в свою чергу, складаються з кварків і антикварків, що мають дробовий електричний заряд. Саме вони зараз вважаються елементарними.

Як в фізику елементарних частинок були введені кварки? У 1964 р американські вчені Мюррей Гелл-Манн (р. 1929) і Джордж Цвейг (р. 1937) незалежно один від одного висунули гіпотезу про те, що адрони (протон, нейтрон, гіперонів, мезон) побудовані з більш дрібних частинок. Гелл-Манн назвав їх кварками (цей термін був запозичений з книги Дж. Джойса «Поминки по Финнегану», де в одному з епізодів звучить фраза: «Три кварка для містера Марка!»). Незвичайність кварків полягає в тому, що їм приписують дробове баріонна

1 2 1

число В = - і дробові електричні заряди: Q = - і Q = -

від елементарного електричного заряду електрона е. Об'єкти з такими характеристиками в природі що раніше не зустрічалися! Незважаючи на витонченість кварковой гіпотези, вона зіткнулася з двома серйозними проблемами.

По-перше, з неї випливала можливість існування станів, заборонених принципом Паулі (наприклад, виходило, що три однакових кварка повинні знаходитися в одному і тому ж стані з паралельними спинами). Для того щоб «врятувати» кварковую гіпотезу, була введена особлива характеристика (квантове число) - колір. Він не має ніякого відношення до звичайних кольорів і названий так просто для зручності. В даний час відомо 6 видів (частіше говорять «ароматів») кварків. Кожен з них існує в трьох колірних різновидах: жовтої, синьої або червоної. Кожному кварку відповідає антікварк з протилежними квантовими числами. Антикварки несуть колірні антізаряди. Важливо підкреслити, що три заряду і три антізаряда абсолютно не залежать від «ароматів» кварків. Таким чином, в даний час повне число кварків і антикварків (з урахуванням трьох кольорів і шести ароматів) досягло 36. Крім того, є ще 9 глюонів

(елементарні частинки, які є причиною взаємодії кварків). Глюони, так само як і кварки, які не спостерігаються у вільному вигляді. У цьому полягає явище конфайнмента. Існування кварків і глюонів при високих енергіях приводить до появи нового стану речовини, яке носить назву кварк-глюонної плазми.

По-друге, спроби виявити частинки з дробовим електричним зарядом у вільному стані виявилися невдалими. Тільки до кінця 1980-х рр. після експериментів в DESY (Німеччина), Fermilab (США) і Європейському Центрі Ядерних Досліджень (ЦЕРН) вдалося зафіксувати явища, які побічно свідчили про існування кварків. Ці експерименти провели Джером Фрідман (р. 1930), Генрі Кендалл (1926-1999) і Річард Едвард Тейлор (р. 1929) - Нобелівські лауреати з фізики 1990 г. Після ретельної обробки результатів експерименту вдалося провести класифікацію знайдених частинок, які були названі: «верхній» (up), «нижній» (down), «зачарований» (charm), «дивний» (strange), «істинний» (truth), «гарний» (beauty).

Сьогодні виявлені всі кварки, і в їх існування ніхто не сумнівається. А з чого складаються самі кварки? Нещодавно була висунута гіпотеза про протокварках (преонов і т.д.) - частинках наступного структурного рівня будови матерії. Однак можливо, що процес дроблення речовини зупиняється саме на кварках. Як образно сказав Гінзбург: «..." матрьошка "-деленіе речовини на все більш" дрібні "частини, повинна ж колись вичерпатися».

У таблицях 24.1 і 24.2 представлені всі експериментально відкриті в даний час елементарні частинки - це

  • 12 елементарних ферміонів (зі спіном S = -) і 4 бозона
  • (зі спіном S = 0), беручи до уваги відповідних античастинок. У табл. 24.1 наведені також маси частинок (верхні межі мас для нейтрино і фотона) і роки, коли ці частинки були експериментально виявлені. Значення мас кварків характеризують їх маси в складі адронів, так як кварки не існує у вигляді вільних ізольованих частинок.

Елементарні ферміони - це 6 видів ( «ароматів») кварків, об'єднаних в три покоління. З трьох поколінь кварків на перший погляд досить першого, так як світ навколо нас, як і ми самі, побудовані з нуклонів і електронів, і та обставина, що нуклони складаються з кварків, нічого не змінює для нас. Однак такий підхід не дозволяє пояснити ряд фундаментальних явищ. Так, навіть згідно найпростішим теоретичним моделям без кварків другого і третього поколінь не може мати місце порушення CP-інваріантності, без якого ми не в змозі пояснити баріонну асиметрію Всесвіту (існування Антимира).

Таблиця 24.1. фундаментальні ферміони

частинки

покоління

електричний

заряд

перший

друге

третя

кварки

верхні

і

5 МеВ 1964 р

з

1300 МеВ 1974 р

t

176 ГеВ 1994 р

+ 2/3

нижні

d

10 МеВ 1964 р

  • 5
  • 150 МеВ 1964 р

ред

4,3 ГеВ 1977 р

-1/3

лептони

нейтрино

v c <10 еВ 1956 р

v <170 кеВ l!? 62 м

v ( <24 МеВ 1975 р

0

заряджені

е

0,51 МеВ 1897 р

Ц

105,7 МеВ 1937,1947 рр.

т

1777 МеВ 1975 р

1

У науково-популярній літературі фундаментальні ферміони прийнято вважати «цеглинками» світобудови, а векторні бозони (табл. 24.2) - переносниками фундаментальних взаємодій, таким собі «клеєм», який скріплює ці «цеглинки».

Таблиця 24.2. векторні бозони

Найменування

позначення

величина

заряду

рік

відкриття

Фотон

У

15 еВ

1926 *

глюон

G

0

1973

Нейтральний слабкий бозон

Z 0

91,2 ГеВ

1 983

Заряджені слабкі бозони

IV *, W-

80,4 ГеВ

1 983

Гравітон

-

-

-

* Термін «фотон» введений американським хіміком Гілбертом Льюїсом (1875-1946).

Так, електромагнітне взаємодія обумовлено обміном фотонами. Їх джерелом є електричний заряд е. Рухомі вільні фотони створюють електромагнітні хвилі: світло, радіохвилі, рентгенівські промені, у-кванти. Нейтральний (Z 0 ) і заряджені ( W + , W) бозони - переносники слабкої взаємодії між електронами, протонами, нейтронами і нейтрино. Переносниками сильної взаємодії є глюони. Вони як би «склеюють» кварки в адронів. Їх джерела - специфічні «колірні» заряди.

До однієї з головних завдань мікрофізики, про рішення якої мріяв ще А. Ейнштейн, відноситься створення єдиної теорії поля, що об'єднує всі чотири відомих у Всесвіті фундаментальні взаємодії: гравітаційне, електромагнітне, сильне і слабке (табл. 24.3). Створення такої теорії означало б фундаментальний прорив у всіх областях науки.

Таблиця 24.3. Фундаментальні взаємодії в природі

взаємодія

Квант

поля

радіус

дії,

см

порядок

величини

константи

взаємодії

приклад

прояви

сильне

глюон

10 13

1

Ядро, адрони

електромагнітне

у-квант

00

ю- 2

атом

Слабке

W +, W-, Z 0

10 -16

10 6

Р-розпад

гравітаційне

Гравітон

00

Ю-40

Сила тяжіння

До теперішнього часу створена і визнана теорія, яка об'єднує два фундаментальні взаємодії - слабке і електромагнітне. Вона називається єдиною теорією слабкої й електромагнітної ( електрослабкої ) взаємодії. У ній стверджується, що переносниками взаємодії між електронами, протонами, нейтронами, нейтрино є W + , W ' і Z 0 бозони, теоретично передбачені в 70-х рр. XX ст. і експериментально виявлені в 1983 р на прискорювачі в Європейському центрі ядерних досліджень, скорочено ЦЕРНі (Женева, Швейцарія).

 
Переглянути оригінал
< Попер   ЗМІСТ   ОРИГІНАЛ   Наст >