Меню

Что такое цвета кварков



Цветные кварки и КХД

Вскоре после того, как успех теории Вайнберга – Салама стал очевиден, возникла идея дальнейшего объединения – слияния сильного взаимодействия с электрослабым. Но прежде чей такое объединение могло бы осуществиться, сильному взаимодействию следовало придать черты калибровочного поля. Мы уже знаем, что сильное взаимодействие можно представлять как результат обмена глюонами, который обеспечивает связь кварков попарно или тройками в адроны. Описание такого процесса на языке калибровочных полей можно построить, вновь воспользовавшись обобщенным представлением об изотопической симметрии.

Суть идеи состоит в следующем. Каждый кварк обладает аналогом электрического заряда, служащим источником глюонного поля. За неимением лучшего термина это? “заряд” назвали цветом. (Разумеется, это название не имеет никакого отношения к обычному цвету.) Электромагнитное поле порождается зарядом только одного сорта, а для создания более сложного глюонного поля потребовалось три различных цветовых заряда. Каждый кварк соответственно мог быть одного из трех возможных цветов, которые совершенно произвольно были названы красным, зеленым и синим.

Связанную с этими цветами калибровочную симметрию наглядно можно представить, снова воспользовавшись “волшебной ручкой”, позволяющей смешивать цвета кварков. В данном случае ручка имеет три указателя цвета – красный, зеленый и синий (рис. 20), – а не два. Поворот ручки превращает красные кварки в зеленые или синие в зависимости от направления вращения. И в этом случае превращение происходит непрерывно: красный цвет постепенно переходит в синий и т.д.

Далее теория сильного взаимодействия развивается по тому же сценарию, что и теория слабого взаимодействия. Требование локальной калибровочной симметрии – инвариантности относительно изменений цвета в каждой точке пространства – приводит к необходимости введения компенсирующих силовых полей. Так как на этот раз “волшебная ручка” имеет не два, а три указателя, симметрия оказывается более сложной, что отражается в большем числе ‘полей, необходимых для поддержания локальной калибровочной симметрии. Всего требуется восемь новых компенсирующих силовых полей. Частицами – переносчиками этих полей, разумеется, являются глюоны, и, таким образом, из теории следует, что должно быть восемь различных типов глюонов. Это изобилие резко отличается от одного‑единственного переносчика электромагнитного взаимодействия (фотона) и трех переносчиков слабого взаимодействия (W+ ‑,W– и Z‑частицы).

Антикварки бывают антикрасные, антизеленые и антисиние. Сами глюоны также несут различные цвета, но не чистые, а смешанные, например сине‑антизеленый. Когда кварк испускает глюон, его цвет изменяется в зависимости от цвета глюона. Например, красный кварк может, испустив красно‑антисиний глюон, изменить свой цвет на синий. Аналогично зеленый кварк, поглотив сине‑антизеленый глюон, превращается в синий и т.д.

Итак, испускание или поглощение глюона сопровождается изменением природы кварка, например превращением красного кварка в зеленый. В этом отношении сильное взаимодействие напоминает слабое, при котором испускание W‑частицы сопровождает, скажем, превращение электрона в нейтрино. Кварки участвуют как в сильном, так и в слабом взаимодействии, но изменение природы кварка, сопровождающееся испусканием переносчика слабого взаимодействия, отличается от того, что происходит с кварком при испускании глюона. В то время как глюоны изменяют цвет кварка, слабое взаимодействие изменяет его аромат. Например, при распаде нейтрона один из его d‑кварков испускает W–частицу, превращаясь в u‑кварк. Важно помнить, что кварки обладают и цветом, и ароматом, и не путать эти их характеристики.

В типичном адроне (например, в протоне) три кварка постоянно обмениваются глюонами, изменяя свой цвет. Однако такие изменения не носят произвольный характер. Математический аппарат теории накладывает жесткое ограничение в виде очень важного правила, которому должна неукоснительно следовать эта “игра цветов”. В любой момент времени “суммарный” цвет трех кварков должен представлять собой сумму “красный + зеленый + синий”. Продолжая аналогию с реальным цветом, можно сказать, что комбинация цветов в адроне должна всегда давать белый цвет (смешение первичных цветов, красного, зеленого и синего, дает белый цвет). Итак, мы видим фундаментальную калибровочную симметрию “за работой”. Действие глюонных полей компенсирует внутренние изменения цветов кварков, неизменно сохраняя чисто белым цвет адрона.

Рис.20. Волшебная ручка с тремя указателями позволяет объяснить более сложную калибровочную симметрию, связанную с цветом кварков. Вращение ручки не сказывается на взаимодействии кварков (осуществляемом путем обмена глюона), но приводит к изменению цветов красного (R), синего (B) и зеленого (G) кварков.

Адроны могут состоять из пар кварк – антиквзрк. Это так называемые мезоны. Так как антикварк характеризуется антицветом, такая комбинация заведомо бесцветна (“белая”). Например, красный кварк в комбинации с антикрасным кварком образует бесцветный мезон. В этой схеме все лептоны также лишены цвета, поскольку не взаимодействуют с глюонным полем.

Квантовая теория цвета, или квантовая хромодинамика (КХД), великолепно объясняет правила, которым подчиняются комбинации кварков (первоначально, в 60‑х годах, эти правила специально, ad hoc, вводились на каждый случай). С точки зрения КХД сильное взаимодействие есть не что иное, как стремление поддерживать абстрактную симметрию природы; в данном случае это сохранение белого цвета всех адронов при изменении цвета их составных частей. Стоит потребовать существования в природе такой абстрактной калибровочной симметрии, как неизбежно возникнут глюонные поля. Нам нет нужды измышлять их – они автоматически вытекают из математических выкладок.

Читайте также:  Какие цвета считаются холодными таблица

Сильное взаимодействие имеет еще одну важную особенность, о которой пока не упоминалось Когда теория кварков только появилась, казалось, что произвести экспериментальную проверку ее не очень сложно. Необходимо лишь раздробить адрон на части и продемонстрировать составляющие его кварки Изолированный кварк должен сразу “бросаться в глаза”, поскольку его электрический заряд составляет либо 1/3 либо 2/3 заряда любой другой частицы.

С тех пор один за другим вступали в строй все более крупные ускорители, но “расщепить” адрон на составные части так и не удалось, и у физиков возникли сомнения в справедливости теории кварков. Действительно, коль скоро кварки существуют внутри протона, то должна же быть возможность выбить их оттуда при достаточно сильном соударении с протоном. Но даже при соударениях с энергией, многократно превосходящей его массу покоя, протон все равно никак не расщеплялся. При таких столкновениях появлялся лишь поток новых целехоньких адронов. Наблюдать отдельные кварки так и не удалось.

Альтернативная стратегия поиска кварков состояла в том, чтобы обратиться к самой природе. Если кварки существуют, то разумно предположить, что где‑то они возникли в природе. Возможно, что при образовании вещества сначала появились кварки, из которых затем возникли адроны. Не исключено, что при этом нескольким кваркам не хватило партнеров и они в одиночестве блуждают во Вселенной. Но если эта гипотеза верна, то в результате анализа обычного вещества можно обнаружить эти одиночные кварки, все еще блуждающие где‑то неподалеку.

Таким анализом решил заняться Уильям Фейрбэнк из Станфордского университета. „Он тщательно изучил небольшие образцы природных минералов, в частности ниобия, с целью выяснить, не содержат ля они частицы с электрическим зарядом 1/3 или 2/3. Для этого Фейрбэнк наблюдал за поведением образцов в сильном электрическом поле. Он повторял тщательные эксперименты на протяжении ряда лет и не раз сообщал о положительных результатах. В некоторых образцах, по утверждениям Фейрбэнка, присутствовали частицы с дробным электрическим зарядом. Однако аналогичные эксперименты в других лабораториях не подтвердили результатов Фейрбэнка и многие физики относятся к его сообщениям скептически. Означает ли это, что у физиков есть сомнения относительно существования кварков? Отнюдь! Растет убеждение, что кварки могут существовать только внутри адронов. Если так, то должен быть закон природы, запрещающий существование изолированных кварков. Когда мы пытаемся “извлечь” кварк из адрона, что‑то должно препятствовать его полному удалению из адрона. Возможно, таким препятствием оказывается глюонное поле. Очевидно, кварки внутри адрона связаны столь крепко, что никакие силы в мире не в состоянии разорвать эти связи и освободить кварки. Физики говорят, что кварки навсегда “заточены” внутри адронов, и называют придуманное впоследствии объяснение этого факта проблемой конфайнмента, или удержания.

Источник

Физика ядра и элементарных частиц

Вступление

Классификация элементарных частиц начала́ интенсивно развиваться с середины 1950-х годов. Параллельно предпринимались попытки «построить» все известные элементарные частицы из небольшого числа составных частей.

К числу таких попыток можно отнести нелока́льную теорию поля Юка́вы, единую теорию Гейзенберга и другие. Этим приятным фантазиям не суждено было стать настоящими физическими теориями. Главная причина их неудачи в том, что в них ещё недостаточно учитывались феноменальные свойства элементарных частиц.

Первый реальный успех в деле классификации элементарных частиц выпал на долю Гелл-Манна и Цвейга, показавших, что все известные к 1964 году барионы и мезоны (см. дальше) можно составить из трех фундаментальных объектов, названных Гелл-Манном кварками.

После 1964 г. были открыты новые барионы и мезоны , для классификации которых оказалось недостаточно трех кварков, введённых Гелл-Манном и Цвейгом. В настоящее время к трём первоначальным кваркам добавлены ещё три: общее число кварков возросло до шести. Кроме того, принято, что каждый кварк существует в трёх «лицах». Если каждое из этих лиц считать за особую частицу, то полное число кварков равно 18 . Забегая вперёд, поясним, что барионы образуются как соответствующим образом подобранные комбинации трёх кварков, разным тройкам кварков отвечают разные барионы. Мезоны строятся из двоек (пар) кварков.

Следует иметь ввиду, что согласно законам квантовой механики, элементарные частицы обладают волновыми свойствами и необычность их поведения определяется именно этим. Хотя стандартная модель способна достаточно точно описать все характеристики элементарных частиц, нам их поведение трудно представить только на основании повседневного опыта. Само слово «квантовый» означает «разбитый на части», т.е. дискретный. Поэтому, описывая элементарные частицы мы будем по мере описания перечислять и пояснять некоторые другие специфические характеристики элементарных частиц, которые описывают квантовые состояния частицы.

Читайте также:  Как определить самый подходящий цвет волос

Основные понятия теории кварков выдвинули американские учёные. Чтобы различить шесть кварков (каждый из которых существует в трёх лицах или видах), американские физики наделили кварки свойством, которое они назвали «аромат» . Разумеется, никакого различимого носом запаха кварки не испускают, но считается, что каждый из шести (тройных) кварков «пахнет» по-своему, имеет, так сказать, особый, собственный аромат. В частности, все три лица каждого кварка «пахнут» одинаково, то есть имеют общий для всей троицы единый аромат.

Кварки

Свойства фермионов (массы указаны в условных единицах относительно массы электрона) — см.*)
Кварки
Аромат Масса Заряд
u 4 2/3
d 10 -1/3
c 2544 2/3
s 196 -1/3
t 338561 2/3
b 8219 -1/3

Что такое Аромат кварка (flavor)?

Название для этой характеристики придумали Мюррей Гелл-Манн (Murray Gell-Mann) и Харальд Фрич (Harald Fritzsch) , проходя мимо популярного кафе компании Baskin-Robbins с привлекательной рекламой множества сортов мороженого: «Count the Flavors. Where flavor counts» (в переводе, «Оцените ароматы. Аромат имеет значение») в 1968 г. Они пытались придумать новые названия для характеристик квантовых состояний.

В своё время, придумывая названия ароматов, американцы позаба́вились: они да́ли такие названия, чтобы не было неприятно нюхать, если бы кварки и в самом деле пахли. Названия даны веселые, смешные, похожие на названия духо́в в парфюмерной лавке: «очарование», «странность». Обычны названия только первых двух ароматов: «вверх» и «вниз». Однако, постепенно высокохудожественные названия (верхний, нижний, очарованный, странный, а особенно истинный и красивый) вышли из употребления учёных, и они предпочитают называть их просто по первой английской букве. Причём, вместо слов «истинный» (true) и «красивый» (beauty), предпочитают использовать слова «самый высокий» (top) и «самый низкий» (bottom). Проще уяснить, что т.н. аромат есть ни что иное, как тип кварка (u,d,s,c,b,t).

К ароматам также относятся другие квантовые характеристики элементарных частиц (сейчас эти характеристики принято называть квантовыми числами): лептонное число (lepton number) , барионное число (baryon number) , электрический заряд (!), изоспин (или изотопический спин) (isospin) , гиперзаряд (hypercharge) , слабый гиперзаряд (weak hypercha-rge) , слабый изоспин (weak isospin) , странность (strangeness) , очарование (charm) , низменность (topness) , высотность (bottomness) . Они используются для учёта ряда свойств элементарных частиц.

Что такое цвет кварка?

Чтобы различить три вида (лица́), в которые воплощается каждый из шести кварков, пользуются термином «цвет». Конечно, кварки не имеют никакого видимого цвета. Такое название — просто метка, позволяющая различать «трёх близнецов». Ну, а если говорить более строго научно, то цвет или цветовой заряд — это более сложный аналог спина, который характеризует взаимодействие кварков и глюонов. Название этой характеристики было выбрано по аналогии с оптикой, где красный, зеленый и синий цвета́ при смешении дают белый цвет. Дело в том, что в рамках сильного взаимодействия возможно притяжение либо двух частиц с противоположным цветом (цвет и антицвет), либо трех частиц с определенной комбинацией цветов, которая в сумме даёт «белый» цвет (разумеется, квантовый, а не оптический). Кварк имеет один из трёх цветов, а глюон — один из восьми цветов или антицвето́в. Откуда? Забегая вперед, сразу поясним.

Что такое глюоны?

Глюоны являются переносчиками сильного взаимодействия, именно они и «связывают» кварки между собой. Глюоны имеют не один, а два цветовых индекса (цвет и антицвет). Всего имеется 8 цветных глюонов, поскольку комбинация жж+сс+кк не имеет цветового заряда (т.е. является «белой») и, следовательно, не переносит сильное взаимодействие. В свободном состоянии глюоны не существуют. Они, как и кварки, «за́перты» внутри бесцветных адронов. Все остальные элементарные частицы не имеют цве́та.

Что такое спин?

Спин — одна из самых загадочных характеристик, которая демонстрирует, что существует пространство состояний, никак не связанных с перемещением частицы в обычном пространстве. Спин (от англ. to spin — «крутиться») электрона часто сравнивают с угловым моментом «быстро вращающегося волчка». Это неверно, поскольку спин не связан с движением в пространстве в нашем понимании и является внутренней квантовой характеристикой частицы, которая не имеет аналога в классической механике. Спин измеряется целыми и полуцелыми числами, умноженными на постоянную Планка ( h/2π ) (хотя для краткости часто это умножение не упоминается). Такой фундаментальный вывод вытекает из релятивистской квантовой теории поля, которая предсказывает, а опыт подтверждает, что S=0; 1/2; 1; 3/2 ; 2; .

Читайте также:  Какие цвета помады идут брюнеткам с серыми глазами

Частица, обладающая спином J (сейчас принято спин обозначать через J, чтобы не путать с S-кварком), может находиться в (2J+1) спиновых состояниях. Например, спин J электрона равен 1/2, поэтому у него может быть только два спиновых состояния 2·(1/2)+1, т.е. 1/2 и -1/2.

Электрический заряд

У элементарных частиц электрический заряд может быть кратным только заряду электрона, т.е равным 0, ±1, ±2, . за исключением кварков, заряд которых равен -1/3 и +2/3 заряда электрона, но кварки в совокупности образуют частицы только с целочисленным электрическим зарядом. В микромире справедлив закон сохранения электрического заряда, утверждающий, что суммы зарядов частиц до и после взаимодействия равны.

Конфайнмент

Итак, каждый из 18 кварков имеет собственный аромат и цвет. При помощи цвета мы различаем кварковые лица, «пахнущие» одинаково: существует шесть различных «запахов»-ароматов. Выше мы говорили, что барионы строятся как подходящие комбинации трех кварков. Под словом «подходящая» имеется в виду бесцветная комбинация. То же относится и к парам кварков, из которых строятся мезоны. Комбинации надо выбирать «бесцветными», потому что наблюдаемые реально элементарные частицы не имеют цвета. Например, протон имеет кварковую структуру p=(uud), т.е. состоит из двух u-кварков и одного d-кварка, нейтрон — n=(udd), т.е. состоит из одного u-кварка и двух d-кварков.

Сами кварки не существуют в свободном состоянии, они всегда «связаны» между собой в частицах, которые они образуют, по крайней мере, свободных кварков, то есть кварков, сильно отдаленных от всех иных кварков обнаружить не удаётся. Кварки существуют только в связанном состоянии, и явление, приводящее к неразрывности кварковых связей, называется конфайнмент.

Кратко суть конфайнмента (т.е. «удержания», «пленения») состоит в том, что силы, связывающие кварки друг с другом, при удалении не уменьшаются, а возрастают (!). Это приписывается свойствам сильного взаимодействия — глюонного поля, которое связывает кварки внутри адронов. Такой непривычный вывод даёт квантовая хромодинамика — теория, описывающая все свойства адронов и их столкновений. Так, например, при попытке «вырвать» кварк из протона глюонное поле порождает дополнительную кварк-антикварковую пару, и от протона уже отделяется не кварк, а пи-мезон. Пи-мезон уже может улететь сколь угодно далеко от протона, потому что силы между адронами ослабевают с расстоянием.

Насколько реально существование самих кварков?

Теперь возникает естественный вопрос: насколько реально существование самих кварков? Экспериментаторы интенсивно искали их, причём самыми разными способами (например, с помощью счетчиков, трековых детекторов и опытов типа опыта Милликена) и в самых различных источниках (на ускорителях, в космическом излучении, в морской воде, в земных породах, в метеоритах и т.п.). Однако все попытки непосредственной регистрации кварков пока оказались безуспешными.

Сейчас общепринята точка зрения, согласно которой кварки, будучи цветными объектами, в принципе не могут существовать в свободном состоянии, а могут находиться только внутри белых частиц — адронов.

В частности, нельзя непосредственно зарегистрировать не только сами кварки q, но и дикварки qq, которые также должны нести некоторый цвет. Теоретическое обоснование конфайнмента цвета (его «удержания», «пленения») внутри адронов находится пока в стадии разработки. Решение проблемы кроется в весьма необычных свойствах сил, действующих между кварками: оказывается, энергия взаимодействия кварков не убывает с ростом расстояния между ними, как мы привыкли считать, а возрастает.

И тем не менее только с помощью кварков удаётся описать и объяснить всё многообразие свойств и превращений адронов, образующих чрезвычайно широкий класс. Мало того, опыты по рассеянию лептонов высоких энергий на протонах и нейтронах позволили измерить экспериментально основные характеристики кварков. Результаты этих опытов однозначно свидетельствуют о том, что кварки внутри адронов действительно есть, что их спин равен именно 1/2, что они обладают дробными электрическими зарядами и существуют в трех цветовых разновидностях.

Опыты по рассеянию электронов и позитронов из встречных пучков позволили почти непосредственно «увидеть» кварки. При столкновении эти частицы превращаются в фотон (виртуальный), который порождает кварк-антиква́рковую пару. Полный импульс системы равен нулю, а потому кварк и антикварк разлетаются в противоположные стороны. Они не могут существовать в свободном состоянии и «обесцвечиваются»: каждый генерирует большое количество мезо́нов, летящих преимущественно в его первоначальном направлении. В итоге образуются две достаточно узкие струи мезо́нов, которые и были зарегистрированы на опыте. Ни одна теоретическая схема, кроме кварковой, не в состоянии объяснить сколько-нибудь естественным способом двухструйную структуру событий и описать характеристики рождающихся мезо́нов.

Таким образом, принципиальная правильность общих концепций теории кварков сейчас не вызывает никаких сомнений. Кварки несомненно существуют, но только в связанном состоянии. Поэтому сам термин «существование» обрёл в физике микромира несколько неожиданную трактовку, и он требует даже философского переосмысления.

Источник

Adblock
detector