Загальна фізика. Частина 2. Магнетизм. Коливання і хвилі. Оптика. Елементи атомної фізики, квантової механіки і фізики твердого тіла. Фізика ядра та елементарних часток

У 1964 році М. Гел-Ман і Дж. Цвейг висунули гіпотезу: частинки, що відповідають фундаментальному представленню розмірності 3, не є адронами; вони являють собою нову різновидність сильновзаємодіючих часток зі спіном  , з яких побудовані всі адрони. Ці частинки трьох типів (ароматів) були названі кварками: u (верхній), d (нижній), s (дивний).

Спостережувана розмірність унітарних мультиплетів адронів 1, 8, 10 була відтворена в припущенні, що мезони складаються із кварка q і антикварка  , а баріони – з трьох кварків . В подальшому, з врахуванням нових експериментальних фактів (відкриттям -лептона, чарівних і красивих адронів) і усвідомленням важливості лептон-кваркової симетрії, ця модель будови адронів була розширена шляхом включення в неї ще трьох ароматів кварків: чарівного c, красивого b, істинного t. З теорії випливають квантові числа кварків, наведені в таблиці 2.

Таблиця 2.

J B I S C b t Q

u 1/2 1/3 1/2 0 0 0 0 2/3

d 1/2 1/3 1/2 0 0 0 0 – 1/3

s 1/2 1/3 0 –1 0 0 0 – 1/3

c 1/2 1/3 0 0 1 0 0 2/3

b 1/2 1/3 0 0 0 1 0 – 1/3

t 1/2 1/3 0 0 0 0 1 2/3

Привертають увагу дробові значення баріонного та електричного заряду кварків, які не зустрічались в жодної зі спостережуваних часток.

Вся багатоманітність адронів виникає за рахунок різних комбінацій кварків. Зокрема, звичайні адрони побудовані лише із u і d кварків; наприклад:  ,  ,  ,  ,   являє собою лінійну суперпозицію станів   і  . Якщо в склад адрона входять s, c, b–кварки, він буде дивним (S  0), чарівним (С  0), красивим (b  0): омега-мінус-гіперон   з дивністю S = –3, деон   з чарівністю C = 1, беон  , краса якого b = 1. Існують і частинки з прихованою чарівністю та красою:  ,  ; у них різниця між числом відповідних кварків і антикварків рівна 0.

Оскільки квантові числа елементарних часток Q, B, L, S, C, b, t – адитивні (для античастинок вони мають протилежний знак), баріонний і електричний заряд адронів визначається сумуванням відповідних зарядів кварків (антикварків), що входять до складу адрона. Це дає B = 1 для баріонів і B = 0 для мезонів. Електричний заряд адронів визначається за формулою Гел-Мана-Нішіджіми

  (8.47)

де   – так званий гіперзаряд адрона.

В основному стані спін мезонів може бути 0 або 1, а баріонів –   чи   відповідно до спінових конфігурацій кварків: , ;, . В цьому відношенні гіпотеза кварків спочатку зустрілась з трудністю: хвильова функція адронів, побудованих з однакових кварків (наприклад  ) була симетричною, хоча повинна бути антисиметричною, оскільки кварки – ферміони. Ця трудність була подолана припущенням (М. Боголюбов, Й. Намбу, 1965 р.), що кварки, крім аромату, мають ще внутрішню характеристику “колір”, яка є аналогом електричного заряду. Тоді симетрична по просторових, спінових і унітарних змінних хвильова функція  – може бути антисиметричною по кольорових змінних. Виявилося необхідним для кожного аромату кварка ввести три основні кольори: червоний R, зелений G, синій B; для антикварків – відповідні антикольори  . Введення кольору потроює число різних кварків.

Вибір терміну “колір” обумовлений тим, що з його допомогою можуть бути стисло сформульовані правила побудови адронів: дозволені лише “білі” (безбарвні) комбінації кварків. Цього можна досягти або змішуванням трьох основних кольорів, або комбінуванням основного кольору з відповідним антикольором. Перша можливість реалізується в баріонах, друга – в мезонах. При цьому хвильові функції адронів виявляються інваріантними відносно перетворень групи SUc(3), що діє в кольоровому просторі. Така симетрія називається калібровчою інваріантністю (в даному випадку, відносно перетворень кольорів кварків).

Екзотичність властивостей кварків обумовила тривалі експериментальні пошуки їх існування у вільному стані, однак всі вони закінчились безрезультатно. В зв’язку з цим виникла гіпотеза конфайнменту (полонення) кварків в адронах.

На основі експериментально визначених мас звичайних, дивних, чарівних, красивих адронів можна оцінити ефективну масу кварків в адронах. Такі оцінки приводять до закономірності:

 ; (8.48)

тобто можна говорити про легкі і важкі кварки з масами 0,5 – 0,7 ГеВ у легких кварків і 1,5 – 22 ГеВ у важких.

З’явившись як гіпотетичні структурні елементи адронів, зручні для їх класифікації, в подальшому кварки набули статусу істинно елементарних часток, які завершують ланцюг структурних складових речовини. Ця думка стала переконанням після побудови теорії сильної і електрослабкої взаємодії елементарних часток.

Для опису взаємодії елементарних часток суттєвим є поняття поля як матеріального утворення, в кожній точці якого на частинку діє сила. Поля, що співставляються з елементарними частинками, мають квантову природу. Квантами електромагнітного поля є фотони; кванти інших полів відповідають усім іншим відомим елементарним частинкам. Розрізняють скалярні (однокомпонентні) поля, спінорні (двокомпонентні) поля, векторні поля… Математично