Фундаментальные частицы. Кварки
Классификация элементарных частиц все время сопровождалось поисками новых, более фундаментальных частиц, которые могли бы служить базисом для построения всех адронов. Гипотеза о существовании таких частиц, названных кварками, была высказана независимо друг от друга Дж. Цвейгом и Гелл-Манном (1964 г.).
Изначально модель Гелл-Манна — Цвейга постулировала существование трех типов кварков (и, d, s) и соответствующих антикварков ( , , ). Кварки имеют дробные электрические и барионные заряды, спин кварка равен ½. Обозначения и названия кварков соответствуют английским словам «up»- верхний, «down»- нижний, «strange» - странный.
Адроны строятся из кварковследующим образом: мезоны состоят из пары кварк — антикварк, барионы — из трех кварков (антибарион — из трех антикварков). Так, например, пион p+ имеет кварковую структуру , пион p– — , каон К+ — , протон — uud, нейтрон — udd, S+-гиперон — uus, S0-гиперон — uds и т. д.
Кварки и антикварки никогда не были обнаружены в свободном состоянии — это объясняется явлением конфайнмента: для разделения элементарной частицы (адрона) на кварки требуется большая энергия чем, их масса покоя, так как кварки притягиваются тем сильнее, чем дальше они друг от друга.
Открытие в 1974 г. джей-пси-мезона (J/Y) массой около 6000 me со временем жизни примерно 10–20 с и спином, равным единице, привело к введению в модель нового кварка — так называемого с-кварка (от англ. charm - очарование).
В 1977 г. был открыт сверхтяжелый мезон массой около 20 000 me, который представляет собой структуру из кварка и антикварка нового типа — b-кварка (является носителем сохраняющейся в сильных взаимодействиях величины, названной«красотой»(от англ. beauty)). Заряд b-кварка равен – 1/3. Предполагается, что существует и шестой кварк t с зарядом + 2/3, который называют истинным (от англ. truth — истина).
В настоящее время признана точка зрения, что между лептонами и кварками существует симметрия: число лептонов должно быть равно числу типов кварков. Развитие теории Гелл-Манна привело к созданию стандартной модели, которая описывает электромагнитное, слабое и сильное взаимодействие всех элементарных частиц.
Рис. 4.5
Стандартная модельсостоит из следующих положений (рис 4.5):
1. Всё вещество состоит из 6 лептонов (электрон, мюон, тау-лептон, электронное нейтрино, мюонное нейтрино и тау-нейтрино), 6 кварков (u, d, s, c, b, t) и 12 соответствующих им античастиц.
2. Кварки участвуют в сильных, слабых и электромагнитных взаимодействиях; заряжённые лептоны (электрон, мюон, тау-лептон) — в слабых и электромагнитных; нейтрино — только в слабых взаимодействиях.
3. Частицами-переносчиками взаимодействий являются бозоны: 8 глюонов - переносчиков сильного ядерного взаимодействия, отвечающих за взаимодействие между кварками; 3 тяжёлых калибровочных бозона (W+, W−, Z0) для слабого взаимодействия; один фотон для электромагнитного взаимодействия.
Кроме этого, стандартная модель предполагает существование бозона Хиггса с энергией покоя около 125 ГэВ (на рис. 4.6. не показан).