§ 8.6. Кварки

Определения и обозначения

Кварк — фундаментальная частица, из которой состоят адроны. Известны шесть типов: up, down, strange, charm, bottom и top; их электрические заряды равны +2/3 или −1/3 элементарного заряда. Это обозначение помогает описывать состав протонов, нейтронов и других адронов.

Аромат кварка — его разновидность, определяемая типом: up, down, strange, charm, bottom или top. Слово «аромат» не связано со вкусом или запахом, а служит названием квантового свойства. По аромату различают кварки в формулах состава частиц.

Цветовой заряд — особый заряд кварков, связанный с сильным взаимодействием. Для него условно используют три названия: красный, зелёный и синий. Это не настоящий цвет, а способ описать, как кварк участвует в сильном взаимодействии.

Адроны — составные частицы, состоящие из кварков и удерживаемые сильным взаимодействием. Их делят на барионы, содержащие три кварка, и мезоны, состоящие из кварка и антикварка. Такое разделение позволяет быстро определять строение частицы.

Как это устроено

Кварковая модель возникла потому, что число открытых адронов стало очень большим, а их свойства повторялись в определённых сочетаниях. Учёные предположили, что адроны являются разными комбинациями небольшого набора более фундаментальных частиц. Такая модель упорядочила семейство адронов и позволила предсказывать новые частицы.

Барион строится из трёх кварков, а мезон — из кварка и антикварка. Электрический заряд составной частицы равен алгебраической сумме зарядов её компонентов. Поэтому дробные заряды отдельных кварков дают целые заряды наблюдаемых адронов, например протона и нейтрона.

Шесть ароматов кварков образуют три поколения: (u, d), (c, s) и (t, b). Кварки одного поколения похожи по основным свойствам, но имеют разные электрические заряды: первый кварк пары имеет +2/3, второй — −1/3. Более тяжёлые поколения важны для описания процессов высоких энергий.

Цветовой заряд нужен потому, что сильное взаимодействие зависит не только от аромата кварка, но и от особого внутреннего состояния. У каждого кварка есть один из трёх условных цветов, а у антикварка — соответствующий антицвет. В адронах цветовые заряды объединяются так, чтобы общая частица была бесцветной.

Свободные кварки не наблюдаются из-за явления удержания. При увеличении расстояния между кварками сильное взаимодействие не ослабевает обычным образом, и энергия системы становится достаточной для рождения новых кварк-антикварковых пар. В результате образуются новые бесцветные адроны, а изолировать один кварк не удаётся.

Основные свойства кварков

В таблице сначала определяйте аромат и знак заряда, затем смотрите поколение. Для антикварка знак электрического заряда меняется на противоположный. Обозначения состава записывают подряд, например uud или u анти-d.

Разбор задач

1. Состав протона и нейтрона

Условие: записать кварковый состав протона и нейтрона и вычислить их электрические заряды.

1. Протон имеет состав uud, нейтрон — udd.
2. Подставим заряды: u = +2/3 e, d = −1/3 e.
3. Для протона получаем +2/3 + 2/3 − 1/3 = +1. Для нейтрона +2/3 − 1/3 − 1/3 = 0.

Ответ: протон — uud, заряд +e; нейтрон — udd, заряд 0.

2. Состав мезонов π+ и K⁰

Условие: определить кварковый состав и заряд мезонов π+ и K⁰.

1. Положительный пион состоит из u и анти-d: π+ = u анти-d.
2. Заряд анти-d равен +1/3 e, поэтому заряд пиона равен +2/3 + 1/3 = +1.
3. Нейтральный каон имеет состав K⁰ = d анти-s. Заряд равен −1/3 + 1/3 = 0.

Ответ: π+ = u анти-d, его заряд +e; K⁰ = d анти-s, его заряд 0.

3. Частица из u, d и s

Условие: частица состоит из кварков u, d и s. Определить её класс, заряд и состав античастицы.

1. Три кварка означают, что частица является барионом.
2. Суммируем заряды: +2/3 − 1/3 − 1/3 = 0, значит частица нейтральна.
3. Для античастицы заменяем u, d и s на анти-u, анти-d и анти-s. Каждый заряд меняет знак, но сумма всё равно равна нулю.

Ответ: это нейтральный барион uds; античастица имеет состав анти-u, анти-d, анти-s и также нулевой заряд.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что дробный заряд кварка означает дробный заряд наблюдаемого адрона. Адрон имеет суммарный заряд всех составляющих, поэтому он может быть целым. Проверяйте себя буквальным сложением зарядов с учётом знаков.

Иногда мезон записывают как три кварка, а барион — как кварк с антикварком. Причина путаницы — оба класса относятся к адронам. Запомните правило: три кварка — барион, кварк и антикварк — мезон.

Нельзя приписывать антикварку тот же заряд, что и кварку. Антикварк имеет противоположные электрический и цветовой заряды. Для проверки замените знак каждого заряда при переходе к античастице.

Цветовой заряд часто понимают буквально как цвет частицы. На самом деле красный, зелёный и синий — условные названия квантовых состояний, связанных с сильным взаимодействием. Если речь идёт о цвете кварка, не следует представлять окрашенный шарик.

Связь с другими темами

Перед изучением кварков нужно знать строение атома, смысл понятия элементарной частицы, отличие античастицы и закон сохранения электрического заряда. Эти знания позволяют понимать состав адронов и правильно складывать их заряды.

Кварковая модель является частью Стандартной модели элементарных частиц. Она помогает классифицировать частицы и связать их свойства с фундаментальными взаимодействиями, прежде всего с сильным взаимодействием.

Кварки нужны для объяснения строения протонов и нейтронов, процессов в ядрах и ядерных реакций. Через них описывают свойства сильного взаимодействия, которое удерживает составляющие адронов.

Что запомнить

• Кварки являются составными частицами адронов.
• Существуют шесть ароматов кварков: up, down, strange, charm, bottom, top.
• Заряды u-, c- и t-кварков равны +2/3 элементарного заряда, а d-, s- и b-кварков — −1/3.
• Барионы состоят из трёх кварков, мезоны — из кварка и антикварка.
• Антикварк имеет противоположные электрический и цветовой заряды.
• Кварки обладают цветовым зарядом и участвуют в сильном взаимодействии.
• Свободные кварки в обычных условиях не наблюдаются.