§ 61. Кварки

Определения и обозначения

Кварк — фундаментальная частица, из которой вместе с другими кварками состоят адроны — частицы, участвующие в сильном взаимодействии. Электрический заряд кварка дробный: возможны значения +⅔e и −⅓e, где e — элементарный заряд. Это понятие нужно, чтобы описывать внутреннее устройство протона и нейтрона, а не считать их неделимыми объектами.

Аромат кварка — его разновидность, определяемая набором физических свойств. Известны шесть ароматов: u, d, s, c, b и t; для удобства их называют верхним, нижним, странным, очарованным, прелестным и истинным. Понятие аромата помогает различать кварки и составлять из них модели адронов.

Цветовой заряд — характеристика кварка, связанная с сильным взаимодействием. Слово «цвет» здесь условное: кварк не имеет видимой окраски, а названия обозначают типы цветового заряда. Эта характеристика нужна для описания того, как кварки взаимодействуют и удерживаются вместе.

Глюон — частица-переносчик сильного взаимодействия, связывающего кварки внутри адронов. Взаимодействуя, кварки обмениваются глюонами, и цветовой заряд при этом меняется. Понятие глюона позволяет объяснить, как действует сильное взаимодействие на уровне составляющих адрона.

Как это устроено

В опытах по рассеянию частиц на протонах изучали, как меняется направление и энергия налетающих частиц после столкновения. Если бы протон был однородным и неделимым, результаты рассеяния выглядели бы иначе: наблюдались признаки компактных внутренних составляющих. Анализ таких данных привёл физиков к выводу, что внутри протона есть кварки. Похожие исследования показали, что кварки входят и в состав нейтронов.

Кварки разделяют на шесть ароматов, потому что эксперименты обнаружили частицы с различными свойствами и массами. По электрическому заряду они делятся на два типа: верхние u, c, t имеют заряд +⅔e, а нижние d, s, b — заряд −⅓e. При этом буквы обозначают не только заряд, но и конкретный аромат: например, u и c имеют одинаковый тип заряда, но это разные частицы. Такое деление позволяет систематизировать кварки и устанавливать возможные составы адронов.

Из кварков образуются адроны двух основных видов. Барион состоит из трёх кварков, а мезон — из кварка и антикварка; сочетания подбираются так, чтобы получалась связанная частица. Например, протон — барион, а K⁺ — мезон. Антикварк является античастицей кварка, поэтому его электрический заряд противоположен заряду соответствующего кварка.

Состав протона — uud, то есть два u-кварка и один d-кварк. Сумма их зарядов равна +⅔e + ⅔e − ⅓e = +e, что соответствует положительному заряду протона. Нейтрон состоит из udd: его заряд равен +⅔e − ⅓e − ⅓e = 0. Так кварковая модель объясняет, почему у протона и нейтрона разные электрические заряды.

Сильное взаимодействие связано с цветовым зарядом кварков; его переносчиками являются глюоны. Обмен глюонами связывает кварки, а взаимодействие при попытке раздвинуть их не ослабевает так, чтобы можно было получить отдельную частицу. Поэтому энергия связи приводит к образованию новых частиц, а не к появлению свободного кварка. Это явление называется конфайнментом и объясняет, почему кварки наблюдают только в составе связанных систем.

Основные ароматы кварков

По строке заряда удобно сразу определить, к какому типу относится кварк, а поколение показывает, к какой группе он принадлежит. Последняя строка приводит лишь примеры: состав адронов не исчерпывается этими сочетаниями. Знак над буквой, как в s̄, указывает на антикварк.

Разбор задач

Задача 1. Определить состав протона и нейтрона и вычислить их электрические заряды, если u-кварк имеет заряд +⅔e, а d-кварк — −⅓e. Для решения используем составы uud и udd. Заряд частицы находим сложением зарядов всех входящих в неё кварков.

1. Для протона складываем заряды двух u-кварков и одного d-кварка: +⅔e + ⅔e − ⅓e = +e.
2. Для нейтрона складываем заряд одного u-кварка и двух d-кварков: +⅔e − ⅓e − ⅓e = 0.
3. Сопоставляем вычисления с составом: uud даёт положительный заряд, а udd — нулевой.

Ответ: протон состоит из uud и имеет заряд +e; нейтрон состоит из udd и имеет заряд 0. Проверка показывает, что результат соответствует известным зарядам этих частиц. Состав и заряд нужно указывать вместе, чтобы не перепутать порядок кварков.

Задача 2. Мезон K⁺ состоит из u-кварка и антикварка s̄. Найти его электрический заряд. Заряд u-кварка равен +⅔e, а s-кварка — −⅓e. Поскольку s̄ — антикварк, его заряд противоположен заряду s-кварка.

1. Записываем заряд u-кварка: +⅔e.
2. Меняем знак заряда s-кварка для антикварка: s̄ имеет заряд +⅓e.
3. Складываем заряды составляющих: +⅔e + ⅓e = +e.

Ответ: заряд мезона K⁺ равен +e. Если бы заряд s̄ ошибочно взяли равным −⅓e, сумма составила бы +⅓e. Поэтому перед сложением важно определить, является частица кварком или антикварком.

Задача 3. Объяснить, почему комбинация трёх кварков образует барион, а комбинация кварка и антикварка — мезон, и почему свободный кварк не наблюдается. Нужно применить правила классификации адронов и учесть роль сильного взаимодействия. Ответ должен различать состав частицы и невозможность отделить её составляющие.

1. По правилу образования адронов три кварка образуют барион, а пара кварк–антикварк — мезон. Это два основных вида адронов, различающиеся составом.
2. Кварки имеют цветовой заряд и взаимодействуют посредством обмена глюонами. Такое взаимодействие удерживает их внутри адронов.
3. При попытке разорвать связь энергия приводит к образованию новых частиц, а не к выделению одного кварка. Это проявление конфайнмента.

Ответ: три кварка составляют барион, кварк с антикварком — мезон; свободные кварки не наблюдаются из-за конфайнмента. Цветовой заряд относится к сильному взаимодействию, а не к обычной окраске. Поэтому невозможно вынуть кварк из адрона и зарегистрировать его как отдельную частицу.

Типичные ошибки

Кваркам иногда приписывают целочисленные заряды, как у протона или электрона. Так происходит, когда заряд целой частицы переносят на её составные части, забывая о значениях +⅔e и −⅓e. Проверка проста: складывайте заряды кварков по составу адрона и сравнивайте сумму с зарядом всей частицы.

При расчёте мезона можно сложить заряд кварка и антикварка с одинаковым знаком. Ошибка возникает, если не учесть, что антикварк — античастица и его электрический заряд противоположен. Перед вычислением отметьте черту над обозначением антикварка, смените знак его заряда и только потом складывайте.

«Цвет» иногда понимают как обычную видимую окраску кварка. Такое прочтение подменяет физическую характеристику образным названием: цветовой заряд связан с сильным взаимодействием. Проверить себя можно вопросом, описывают ли цветом зрительное свойство частицы или тип её взаимодействия; в данном случае верно второе.

Также ошибочно утверждать, что кварк можно извлечь из протона и наблюдать отдельно. Это предположение игнорирует конфайнмент: при разделении кварков возникают новые частицы, а не свободный кварк. Проверяйте объяснение по результату: если оно предсказывает изолированный кварк, значит, свойство конфайнмента не учтено.

Связь с другими темами

Для понимания кварков нужны знания о строении атома и ядра, электрическом заряде, протоне и нейтроне. Пригодятся также понятия элементарной частицы и античастицы: без них трудно описать состав мезона и свойства антикварка. Новые знания продолжают эти темы, раскрывая внутреннюю структуру некоторых частиц, которые раньше можно было считать неделимыми.

Кварковая модель помогает изучать сильное взаимодействие и Стандартную модель — теорию элементарных частиц и их взаимодействий. Она также используется при объяснении ядерных реакций и результатов экспериментов на ускорителях. По следам распада и взаимодействия частиц учёные судят о кварковом составе, хотя свободные кварки не регистрируют.

Что запомнить

• Кварки — составные части адронов.
• Существует шесть ароматов кварков.
• u-, c-, t-кварки имеют заряд +⅔e.
• d-, s-, b-кварки имеют заряд −⅓e.
• Барион состоит из трёх кварков, мезон — из кварка и антикварка.
• Глюоны переносят сильное взаимодействие между кварками.
• Свободные кварки не наблюдаются из-за конфайнмента.