Кварк

Эта статья об элементарной частице и ее античастице. Чтобы узнать о других значениях, см. Кварк (значения) .

Кварк

Протон . состоит из двух верхних кварков , одного нижнего кварка и глюонов , которые обеспечивают силы, «связывающие» их вместе Цветовое присвоение отдельных кварков произвольно, но должны присутствовать все три цвета; красный, синий и зеленый используются как аналогия основных цветов, которые вместе образуют белый цвет.
Состав	элементарная частица
Статистика	фермионный
Поколение	1-й, 2-й, 3-й
Взаимодействия	сильная , слабая , электромагнитная , гравитация
Символ	д
Античастица	антикварк ( д )
Теоретический	Мюррей Гелл-Манн (1964) Джордж Цвейг (1964)
Обнаруженный	СЛАК ( ок. 1968 )
Типы	6 ( вверх , вниз , странно , очарование , низ и верх )
Электрический заряд	+ 2 / 3   е , − 1/3 ​ е  ​
Цветовой заряд	да
Вращаться	1/2 ​ часа  ​
Барионное число	1 / 3

Кварк ) — ( / k w ɔːr k , k w ɑːr k / тип элементарной частицы и фундаментальная составляющая материи . Кварки объединяются, образуя сложные частицы , называемые адронами , наиболее стабильными из которых являются протоны и нейтроны , компоненты атомных ядер . Вся обычно наблюдаемая материя состоит из верхних, нижних кварков и электронов . Из-за явления, известного как ограничение цвета , кварки никогда не встречаются изолированно; их можно найти только внутри адронов, которые включают барионы (такие как протоны и нейтроны) и мезоны , или в кварк-глюонной плазме . По этой причине большая часть того, что известно о кварках, была получена из наблюдений за адронами.

Кварки обладают различными внутренними свойствами , включая электрический заряд , массу , цветовой заряд и спин . Это единственные элементарные частицы в Стандартной модели физики элементарных частиц , которые испытывают все четыре фундаментальных взаимодействия , также известные как фундаментальные силы ( электромагнетизм , гравитация , сильное взаимодействие и слабое взаимодействие ), а также единственные известные частицы, электрические заряды которых не целые кратные элементарному заряду .

Существует шесть типов , известных как ароматы кварков : верхний , нижний , очаровательный , странный , верхний и нижний . Верхние и нижние кварки имеют наименьшую массу среди всех кварков. Более тяжелые кварки быстро превращаются в верхние и нижние кварки в процессе распада частицы : перехода из состояния с более высокой массой в состояние с меньшей массой. По этой причине верхние и нижние кварки, как правило, стабильны и наиболее распространены во Вселенной , тогда как странные, очаровательные, нижние и верхние кварки могут рождаться только в результате столкновений с высокими энергиями (например, с участием космических лучей и в ускорителях частиц ). Для каждого аромата кварка существует соответствующий тип античастицы , известный как антикварк , который отличается от кварка только тем, что некоторые из его свойств (например, электрический заряд) имеют равную величину, но противоположный знак .

Модель кварков была независимо предложена физиками Мюрреем Гелл-Манном и Джорджем Цвейгом в 1964 году. Кварки были введены как часть схемы упорядочения адронов, и доказательств их физического существования было мало до по глубокому неупругому рассеянию экспериментов в Стэнфордском центре линейных ускорителей в 1968 году. Эксперименты программы ускорителя предоставили доказательства всех шести вариантов. Топ-кварк, впервые обнаруженный в Фермилабе в 1995 году, был открыт последним.

Классификация

См. также: Стандартная модель.

Шесть частиц Стандартной модели являются кварками (показаны фиолетовым цветом). Каждый из первых трёх столбцов образует порождение материи.

Стандартная модель — это теоретическая основа, описывающая все известные элементарные частицы . Эта модель содержит шесть ароматов кварков (
д
), названный (
в
), вниз (
д
), странный (
с
), очарование (
с
), нижний (
б
) и сверху (
т
). Античастицы кварков называются антикварками и обозначаются чертой над символом соответствующего кварка, например:
в
для высокого антикварка. Как и антиматерия в целом, антикварки имеют ту же массу, среднее время жизни и спин, что и соответствующие им кварки, но электрический заряд и другие заряды имеют противоположный знак.

Кварки спин- 1/2 фермионами согласно частицы, что означает, что они являются теореме спин -статистики . На них распространяется принцип Паули , который гласит, что никакие два идентичных фермиона не могут одновременно занимать одно и то же квантовое состояние . В этом отличие от бозонов (частиц с целым спином), любое количество которых может находиться в одном и том же состоянии. В отличие от лептонов , кварки обладают цветовым зарядом , что заставляет их вступать в сильное взаимодействие . Возникающее в результате притяжение между различными кварками приводит к образованию сложных частиц, известных как адроны (см. « Сильное взаимодействие и цветовой заряд » ниже).

Кварки, определяющие квантовые числа адронов, называются валентными кварками ; кроме них, любой адрон может содержать неопределенное число виртуальных « морских » кварков, антикварков и глюонов , не влияющих на его квантовые числа. Существует два семейства адронов: барионы с тремя валентными кварками и мезоны с валентными кварком и антикварком. Наиболее распространенными барионами являются протон и нейтрон, строительные блоки атомного ядра . Известно большое количество адронов (см. список барионов и список мезонов ), большинство из них различаются по составу кварков и свойствам, которые эти составляющие кварки придают. Существование «экзотических» адронов с большим количеством валентных кварков, таких как тетракварки (
д

д

д

д
) и пентакварки (
д

д

д

д

д
), было высказано с самого начала кварковой модели но обнаружен только в начале 21 века.

Элементарные фермионы сгруппированы в три поколения , каждое из которых состоит из двух лептонов и двух кварков. В первое поколение входят верхние и нижние кварки, второе – странные и очаровательные кварки, а третье – нижние и верхние кварки. Все поиски четвертого поколения кварков и других элементарных фермионов не увенчались успехом. и есть убедительные косвенные доказательства того, что существует не более трех поколений. Частицы более высоких поколений обычно имеют большую массу и меньшую стабильность, что приводит к их распаду на частицы более низкого поколения посредством слабых взаимодействий . В природе обычно встречаются только кварки первого поколения (верхние и нижние). Более тяжелые кварки могут рождаться только в результате столкновений с высокими энергиями (например, при столкновениях с космическими лучами ) и быстро распадаться; однако считается, что они присутствовали в течение первых долей секунды после Большого взрыва , когда Вселенная находилась в чрезвычайно горячей и плотной фазе ( эпоха кварков ). Исследования более тяжелых кварков проводятся в искусственно созданных условиях, например, в ускорителях частиц .

Обладая электрическим зарядом, массой, цветовым зарядом и ароматом, кварки — единственные известные элементарные частицы, которые участвуют во всех четырех фундаментальных взаимодействиях современной физики: электромагнетизме, гравитации, сильном и слабом взаимодействии. Гравитация слишком слаба, чтобы иметь отношение к взаимодействиям отдельных частиц, за исключением крайних значений энергии ( энергия Планка ) и масштабов расстояний ( расстояние Планка ). Однако, поскольку успешной квантовой теории гравитации не существует, гравитация не описывается Стандартной моделью.

См. таблицу свойств ниже для более полного обзора свойств шести вкусов кварка.

История

Мюррей Гелл-Манн (2007)

Джордж Цвейг (2015)

Модель кварков была независимо предложена физиками Мюрреем Гелл-Манном. и Джордж Цвейг в 1964 году. Это предложение появилось вскоре после того, как в 1961 году Гелл-Манн сформулировал систему классификации частиц, известную как « Восьмеричный путь» – или, говоря более техническими терминами, SU(3) ароматную симметрию , упрощающую ее структуру. В том же году физик Юваль Нееман независимо разработал схему, аналогичную Восьмеричному пути. Ранняя попытка учредительной организации была доступна в модели Саката .

Во времена зарождения теории кварков « зоопарк частиц » включал, помимо других частиц, множество адронов . Гелл-Манн и Цвейг утверждали, что они не являются элементарными частицами, а состоят из комбинаций кварков и антикварков. Их модель включала три разновидности кварков: верхний , нижний и странный , которым они приписывали такие свойства, как спин и электрический заряд. Первоначальная реакция физического сообщества на это предложение была неоднозначной. Особые споры возникали по поводу того, был ли кварк физической сущностью или простой абстракцией, используемой для объяснения концепций, которые в то время не были полностью поняты.

Менее чем через год было предложено расширение модели Гелл-Манна-Цвейга. Шелдон Глэшоу и Джеймс Бьоркен предсказали существование четвертого аромата кварка, который они назвали очарованием . Дополнение было предложено потому, что оно позволяло лучше описать слабое взаимодействие (механизм, позволяющий распадаться кваркам), уравнивало количество известных кварков с числом известных лептонов и подразумевало массовую формулу, которая правильно воспроизводила массы известные мезоны .

по глубоконеупругому рассеянию, Эксперименты проведенные в 1968 году в Стэнфордском центре линейных ускорителей (SLAC) и опубликованные 20 октября 1969 года, показали, что протон содержит гораздо меньшие точечные объекты и, следовательно, не является элементарной частицей. В то время физики не хотели твердо отождествлять эти объекты с кварками, вместо этого называя их « партонами » — термин, придуманный Ричардом Фейнманом . Объекты, которые наблюдались на SLAC, позже были идентифицированы как верхние и нижние кварки, когда были открыты другие разновидности. Тем не менее, «партон» по-прежнему используется как собирательный термин для составляющих адронов (кварков, антикварков и глюонов ). Ричард Тейлор , Генри Кендалл и Джером Фридман получили Нобелевскую премию по физике 1990 года за свою работу в SLAC.

Фотография события, которое привело к открытию
С ⁺⁺
_c барион , в Брукхейвенской национальной лаборатории , 1974 год.

Существование странного кварка было косвенно подтверждено экспериментами по рассеянию SLAC: он не только был необходимым компонентом трехкварковой модели Гелл-Манна и Цвейга, но и дал объяснение каону (
К
) и пион (
Пи
) адроны, открытые в космических лучах в 1947 году.

В статье 1970 года Глэшоу, Джон Илиопулос и Лучано Майани представили механизм GIM (названный по их инициалам), чтобы объяснить экспериментальное отсутствие наблюдения нейтральных токов, изменяющих вкус . Эта теоретическая модель требовала существования пока еще неоткрытого очаровательного кварка . Число предполагаемых ароматов кварков выросло до нынешних шести в 1973 году, когда Макото Кобаяши и Тошихидэ Маскава отметили, что экспериментальное наблюдение CP-нарушения можно было бы объяснить, если бы существовала еще одна пара кварков.

Очаровательные кварки были произведены почти одновременно двумя командами в ноябре 1974 года (см. «Ноябрьская революция» ) — одной в SLAC под руководством Бертона Рихтера и одной в Брукхейвенской национальной лаборатории под руководством Сэмюэля Тинга . Очаровательные кварки наблюдались связанными с очарованными антикварками в мезонах. Обе стороны присвоили открытому мезону два разных символа: J и ψ ; таким образом, он стал официально известен как
Дж/п
мезон . Это открытие окончательно убедило физическое сообщество в справедливости модели кварков.

В последующие годы появился ряд предложений по расширению кварковой модели до шести кварков. Из них статья Хаима Харари 1975 года был первым, кто ввел термины «верх» и «низ» для обозначения дополнительных кварков.

В 1977 году нижний кварк наблюдала группа Фермилаб под руководством Леона Ледермана . Это был убедительный индикатор существования высшего кварка: без верхнего кварка нижний кварк остался бы без партнера. Только в 1995 году топ-кварк был наконец обнаружен, также с помощью CDF. и делай команды в Фермилабе. Его масса была намного больше, чем ожидалось. почти такого же размера, как атом золота .

Этимология

Некоторое время Гелл-Манн не мог определиться с правильным написанием термина, который он намеревался ввести, пока не нашел слово « кварк» в книге Джеймса Джойса » 1939 года «Поминки по Финнегану :

– Три кварка для Мастера Марка!
Конечно, у него не так много коры
И конечно, все, что у него есть, не соответствует действительности.

Слово «кварк» — устаревшее английское слово, означающее «квакать». а приведенные выше строки повествуют о птичьем хоре, насмехающемся над королем Марком Корнуоллским в легенде о Тристане и Изольде . Однако особенно в немецкоязычных частях света широко распространена легенда, что Джойс взял это слово от слова Quark , немецкое происхождения , слово славянского обозначающее творожный сыр , но это также разговорный термин, обозначающий «тривиальную чепуху». В легенде говорится, что он услышал это во время путешествия в Германию на фермерском рынке во Фрайбурге . Некоторые авторы, однако, защищают возможное немецкое происхождение слова Джойса « кварк» . Гелл-Манн более подробно рассказал о названии кварка в своей книге « Кварк и Ягуар» 1994 года :

В 1963 году, когда я присвоил название «кварк» фундаментальным составляющим нуклона, я сначала услышал звук, без написания, который мог бы быть «кворк». Затем, во время одного из моих случайных прочтений « Поминок по Финнегану » Джеймса Джойса, я наткнулся на слово «кварк» во фразе «Три кварка для Мастера Марка». Поскольку слово «кварк» (означающее, во-первых, крик чайки) явно предназначалось для рифмы с «Марком», а также со «лаем» и другими подобными словами, мне пришлось найти предлог, чтобы произнести его как «кворк». ". Но книга представляет собой мечту трактирщика по имени Хамфри Чимпден Эрвикер. Слова в тексте обычно взяты сразу из нескольких источников, как, например, слова- портманто в « Алисе в Зазеркалье » . Время от времени в книге встречаются фразы, частично обусловленные призывами к напиткам в баре. Поэтому я утверждал, что, возможно, одним из многочисленных источников крика «Три кварка для Мистера Марка» может быть «Три кварта для Мистера Марка», и в этом случае произношение «кворк» не было бы полностью неоправданным. В любом случае число три идеально соответствовало тому, как кварки встречаются в природе.

Цвейг предпочитал называть частицу, которую он теоретизировал, именем «ас» , но терминология Гелл-Манна приобрела известность после того, как модель кварков стала общепринятой.

Кварковые ароматизаторы получили свои названия по нескольким причинам. Верхние и нижние кварки названы в честь верхних и нижних компонентов изоспина , которые они несут. Странные кварки получили свое название потому, что они были обнаружены как компоненты странных частиц , обнаруженных в космических лучах, за годы до того, как была предложена кварковая модель; эти частицы считались «странными», потому что они имели необычайно долгое время жизни. Глэшоу, который вместе с Бьоркеном предложил идею очарования кварка, сказал: «Мы назвали нашу конструкцию «очарованным кварком», поскольку были очарованы и довольны той симметрией, которую она привнесла в субъядерный мир». Названия «нижний» и «верхний», придуманные Харари, были выбраны потому, что они являются «логическими партнерами верхних и нижних кварков». Альтернативные названия нижних и верхних кварков — «красота» и «истина» соответственно. но эти имена несколько вышли из употребления. Хотя «истина» так и не прижилась, ускорительные комплексы, предназначенные для массового производства нижних кварков, иногда называют « фабриками красоты ».

Свойства

Электрический заряд

См. Также: Электрический заряд

Кварки имеют дробные значения электрического заряда – либо (− 1 / 3 ) или (+ 2/3 В элементарного раза больше заряда (e), в зависимости от вкуса. Up-кварки, шарм-кварки и топ-кварки (совместно называемые кварками up-типа ) имеют заряд + 2/3 ​ е ; Нижние, странные и нижние кварки ( кварки нижнего типа ) имеют заряд — 1/3 ​ эл . Антикварки имеют заряд, противоположный соответствующим кваркам; Антикварки повышенного типа имеют заряд — 2/3 Антикварки e и down -типа имеют заряд + 1/3 ​ эл . Поскольку электрический заряд адрона представляет собой сумму зарядов составляющих его кварков, все адроны имеют целые заряды: комбинация трех кварков (барионов), трех антикварков (антибарионов) или кварка и антикварка (мезонов) всегда приводит к в целых зарядах. Например, адронные составляющие атомных ядер, нейтроны и протоны, имеют заряды 0 е и +1 е соответственно; нейтрон состоит из двух нижних кварков и одного верхнего кварка, а протон — из двух верхних кварков и одного нижнего кварка.

Вращение

Смотрите также: Спин (физика)

Спин — это внутреннее свойство элементарных частиц, а его направление — важная степень свободы . Иногда его представляют как вращение объекта вокруг собственной оси (отсюда и название « спин »), хотя это понятие несколько ошибочно на субатомных масштабах, поскольку элементарные частицы считаются точечными .

Спин можно представить вектором , длина которого измеряется в единицах приведенной постоянной Планка ħ (произносится как «h bar»). Для кварков измерение компоненты вектора спина вдоль любой оси может дать только значения + ħ / 2 или — х / 2 ; по этой причине кварки классифицируются как спин- 1/2 ​ частицы . Компонента вращения вдоль данной оси – условно оси z – часто обозначается стрелкой вверх ↑ для значения + 1 / 2 и стрелка вниз ↓ для значения — 1/2 , расположенное после символа вкуса. Например, ап-кварк со спином + 1/2 . обозначается по оси z u↑

Слабое взаимодействие

Основная статья: Слабое взаимодействие

Диаграмма Фейнмана бета -распада с течением времени вверх. Матрица CKM (обсуждаемая ниже) кодирует вероятность этого и других распадов кварков.

Кварк одного аромата может превратиться в кварк другого аромата только посредством слабого взаимодействия — одного из четырех фундаментальных взаимодействий в физике элементарных частиц. Поглощая или излучая W-бозон , любой кварк верхнего типа (верхний, очарованный и верхний кварк) может превратиться в любой кварк нижнего типа (нижний, странный и нижний кварки) и наоборот. Этот механизм трансформации аромата вызывает радиоактивный процесс бета-распада , при котором нейтрон (
н
) «расщепляется» на протон (
п
), электрон (
Это ⁻
) и электронное антинейтрино (
н
_д ) (см. рисунок). Это происходит, когда один из даун-кварков нейтрона (
в

д

д
) распадается на ап-кварк, испуская виртуальный
В ⁻
бозон, превращающий нейтрон в протон (
в

в

д
).
В ⁻
Бозон затем распадается на электрон и электронное антинейтрино.

н	→	п	+	Это −	+	н Это	(Бета-распад, адронные обозначения)
в д д	→	в в д	+	Это −	+	н Это	(Бета-распад, кварковые обозначения)

И бета-распад, и обратный процесс обратного бета-распада обычно используются в медицинских целях, таких как позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ), и в экспериментах по обнаружению нейтрино .

Сила слабых взаимодействий между шестью кварками. «Интенсивности» линий определяются элементами матрицы СКМ .

Хотя процесс трансформации аромата одинаков для всех кварков, каждый кварк предпочитает превращаться в кварк своего собственного поколения. Относительные тенденции всех трансформаций вкуса описываются математической таблицей , называемой матрицей Кабиббо-Кобаяши-Маскавы (матрица СКМ). Для обеспечения унитарности приблизительные величины элементов матрицы CKM таковы:

${\begin{bmatrix}|V_{\mathrm {ud} }|&|V_{\mathrm {us} }|&|V_{\mathrm {ub} }|\\|V_{\mathrm {cd} }|&|V_{\mathrm {cs} }|&|V_{\mathrm {cb} }|\\|V_{\mathrm {td} }|&|V_{\mathrm {ts} }|&|V_{\mathrm {tb} }|\end{bmatrix}}\approx {\begin{bmatrix}0.974&0.225&0.003\\0.225&0.973&0.041\\0.009&0.040&0.999\end{bmatrix}},$

где V _ij представляет собой тенденцию кварка аромата i превратиться в кварк аромата j (или наоборот).

Существует эквивалентная матрица слабого взаимодействия для лептонов (правая часть W-бозона на приведенной выше диаграмме бета-распада), называемая матрицей Понтекорво – Маки – Накагавы – Саката (матрица PMNS). Вместе матрицы CKM и PMNS описывают все трансформации вкуса, но связи между ними пока не ясны.

и цветовой

См. Также: Цветовой заряд и Сильное взаимодействие.

Все типы адронов имеют нулевой общий цветовой заряд.

Схема сильных зарядов для трех цветов кварка, трех антикварков и восьми глюонов (с двумя перекрывающимися нулевыми зарядами).

Согласно квантовой хромодинамике (КХД), кварки обладают свойством, называемым цветовым зарядом . Существует три типа цветного заряда, условно обозначенные синим , зеленым и красным . Каждый из них дополнен антицветом — антисиним , антизеленым и антикрасным . Каждый кварк имеет цвет, а каждый антикварк — антицвет.

Система притяжения и отталкивания между кварками, заряженными различными комбинациями трех цветов, называется сильным взаимодействием , которое опосредовано переносящими силу частицами, известными как глюоны ; это подробно обсуждается ниже. Теория, описывающая сильные взаимодействия, называется квантовой хромодинамикой (КХД). Кварк, имеющий одно значение цвета, может образовывать связанную систему с антикварком, несущим соответствующий антицвет. Результатом двух притягивающихся кварков будет цветовая нейтральность: кварк с цветовым зарядом ξ плюс антикварк с цветовым зарядом − ξ приведет к цветовому заряду 0 (или «белому» цвету) и образованию мезона . Это аналог аддитивной цветовой модели в базовой оптике . Точно так же комбинация трех кварков, каждый с разными цветными зарядами, или трех антикварков, каждый с разными антицветными зарядами, приведет к одному и тому же заряду «белого» цвета и образованию бариона или антибариона .

В современной физике элементарных частиц калибровочные симметрии — своего рода группа симметрии — связывают взаимодействия между частицами (см. Калибровочные теории ). Цвет SU(3) (обычно сокращенно SU(3) _c ) — это калибровочная симметрия, которая связывает цветовой заряд в кварках и является определяющей симметрией для квантовой хромодинамики. Подобно тому, как законы физики не зависят от того, какие направления в пространстве обозначены x , y и z , и остаются неизменными, если оси координат поворачиваются в новую ориентацию, физика квантовой хромодинамики не зависит от того, какие направления в трехмерном пространстве Цветовое пространство идентифицируется как синий, красный и зеленый. Преобразования цвета SU(3) _c соответствуют «поворотам» в цветовом пространстве (которое, математически говоря, является комплексным пространством ). Каждый аромат кварков f , каждый из которых имеет подтипы f _B , f _G , f _R, соответствующие цветам кварков, образует тройку: трехкомпонентное квантовое поле , которое преобразуется в соответствии с фундаментальным представлением SU(3) _c . Требование, чтобы SU(3) _c было локальным, т. е. чтобы его преобразования могли изменяться в пространстве и времени, определяет свойства сильного взаимодействия. В частности, это подразумевает существование восьми типов глюонов , которые действуют как носители силы.

Массовый

Текущие массы кварков для всех шести ароматов в сравнении как шарики пропорциональных объемов. Протон (серый) и электрон (красный) показаны в левом нижнем углу для масштаба.

Смотрите также: Инвариантная масса

Для обозначения массы кварка используются два термина: кварка текущая масса относится к массе самого кварка, тогда как составляющего кварка масса относится к текущей массе кварка плюс масса поля глюонных частиц, окружающего кварк. Эти массы обычно имеют очень разные значения. Большая часть массы адрона исходит от глюонов, которые связывают вместе составляющие кварки, а не от самих кварков. Хотя глюоны по своей сути безмассовы, они обладают энергией – точнее, энергией связи квантовой хромодинамики (QCBE) – и именно это вносит большой вклад в общую массу адрона (см. массу в специальной теории относительности ). Например, протон имеет массу примерно 938 МэВ/ с. ² , вклад массы покоя трех валентных кварков которого составляет всего около 9 МэВ/ с. ² ; большую часть остального можно отнести к энергии поля глюонов (см. нарушение киральной симметрии ). Стандартная модель утверждает, что элементарные частицы получают свою массу из механизма Хиггса , который связан с бозоном Хиггса . Есть надежда, что дальнейшие исследования причин большой массы топ-кварка ~ 173 ГэВ/ c ² , почти масса атома золота, может рассказать больше о происхождении массы кварков и других элементарных частиц.

Размер

В КХД кварки считаются точечными объектами нулевого размера. По состоянию на 2014 год экспериментальные данные показывают, что их размер не превышает 10. ⁻⁴ раз больше размера протона, т.е. менее 10 ⁻¹⁹ метры.

Таблица свойств

См. Также: Аромат (физика элементарных частиц)

В следующей таблице суммированы ключевые свойства шести кварков. Квантовые числа аромата ( изоспин ( I ₃ ), очарование ( C ), странность ( S , не путать со спином), вершинность ( T ) и низость ( B ′)) присваиваются определенным ароматам кварков и обозначают качества кварковые системы и адроны. Барионное число ( B ) равно + 1/3 для всех кварков , поскольку барионы состоят из трех кварков. У антикварков электрический заряд ( Q ) и все ароматные квантовые числа ( B , I ₃ , C , S , T и B ′) имеют противоположные знаки. Масса и полный угловой момент ( J ; равны спину для точечных частиц) не меняют знак у антикварков.

Вкусовые свойства творога

Частица		Масса * ( МэВ/ с 2 )	Дж	Б	Вопрос ( е )	я 3	С	С	Т	Б'	Античастица
Имя	Символ										Имя	Символ
Первое поколение
вверх	в	2.3 ± 0.7  ± 0.5	1 / 2	+ 1 / 3	+ 2 / 3	+ 1 / 2	0	0	0	0	антиуп	в
вниз	д	4.8 ± 0.5  ± 0.3	1 / 2	+ 1 / 3	− 1 / 3	− 1 / 2	0	0	0	0	антидаун	д
Второе поколение
очарование	с	1275 ± 25	1 / 2	+ 1 / 3	+ 2 / 3	0	+1	0	0	0	античарм	с
странный	с	95 ± 5	1 / 2	+ 1 / 3	− 1 / 3	0	0	−1	0	0	антистранный	с
Третье поколение
вершина	т	173 210 ± 510 ± 710 *	1 / 2	+ 1 / 3	+ 2 / 3	0	0	0	+1	0	антитоп	т
нижний	б	4180 ± 30	1 / 2	+ 1 / 3	− 1 / 3	0	0	0	0	−1	антидно	б

J = полный угловой момент , B = барионное число , Q = электрический заряд ,
I ₃ = изоспин , C = очарование , S = странность , T = верхность , B ′ = низость .

* Обозначения типа 173 210 ± 510 ± 710 в случае топ-кварка обозначают два типа измерений .
неопределенность : первая неопределенность носит статистический характер, а вторая – систематическая .

Взаимодействующие кварки

См. Также: Ограничение цвета и глюон.

Согласно квантовой хромодинамике , сильное взаимодействие между кварками осуществляется глюонами, безмассовыми векторными калибровочными бозонами . Каждый глюон несет один цветной заряд и один антицветной заряд. В стандартной системе взаимодействий частиц (часть более общей формулировки, известной как теория возмущений ) глюоны постоянно обмениваются между кварками посредством виртуального процесса испускания и поглощения. Когда глюон передается между кварками, в обоих происходит изменение цвета; например, если красный кварк испускает красно-антизеленый глюон, он становится зеленым, а если зеленый кварк поглощает красно-антизеленый глюон, он становится красным. Поэтому, хотя цвет каждого кварка постоянно меняется, их сильное взаимодействие сохраняется.

Поскольку глюоны несут цветовой заряд, они сами способны излучать и поглощать другие глюоны. Это вызывает асимптотическую свободу : по мере сближения кварков хромодинамическая сила связи между ними ослабевает. И наоборот, по мере увеличения расстояния между кварками сила связи усиливается. Цветовое поле становится напряженным, подобно тому, как эластичная лента напрягается при растяжении, и спонтанно создается больше глюонов соответствующего цвета, чтобы усилить поле. Выше определенного энергетического порога создаются пары кварков и антикварков . Эти пары связываются с разделяющимися кварками, вызывая образование новых адронов. Это явление известно как ограничение цвета : кварки никогда не появляются изолированно. Этот процесс адронизации происходит до того, как кварки, образовавшиеся в результате столкновения высоких энергий, смогут взаимодействовать каким-либо другим способом. Единственным исключением является топ-кварк, который может распасться до адронизации.

Морские кварки

Адроны содержат наряду с валентными кварками (
д
_v ), которые вносят вклад в их квантовые числа , виртуальный кварк-антикварк (
д

д
) пары, известные как морские кварки (
д
_с ). Морские кварки образуются при расщеплении глюона цветового поля адрона; этот процесс также работает и в обратном направлении: при аннигиляции двух морских кварков образуется глюон. Результатом является постоянный поток глюонных расщеплений и образований, в просторечии известный как «море». Морские кварки гораздо менее стабильны, чем их валентные аналоги, и обычно они аннигилируют друг друга внутри адрона. Несмотря на это, морские кварки при определенных обстоятельствах могут адронизироваться в барионные или мезонные частицы.

кварковой

Основная статья: Вопрос КХД

Качественная визуализация фазовой диаграммы кварковой материи. Точные детали диаграммы являются предметом продолжающихся исследований.

В достаточно экстремальных условиях кварки могут «высвободиться» из связанных состояний и распространяться как термализованные «свободные» возбуждения в большей среде. В ходе асимптотической свободы сильное взаимодействие становится слабее с ростом температуры. В конце концов, ограничение цвета будет фактически потеряно в чрезвычайно горячей плазме свободно движущихся кварков и глюонов. Эта теоретическая фаза материи называется кварк-глюонной плазмой .

Точные условия, необходимые для возникновения этого состояния, неизвестны и были предметом множества спекуляций и экспериментов. По оценкам, необходимая температура составляет (1,90 ± 0,02) × 10. ¹² Кельвин . Хотя состояние полностью свободных кварков и глюонов так и не было достигнуто (несмотря на многочисленные попытки ЦЕРН в 1980-х и 1990-х годах), Недавние эксперименты на релятивистском коллайдере тяжелых ионов предоставили доказательства того, что жидкоподобная кварковая материя демонстрирует «почти идеальное» движение жидкости .

Кварк-глюонная плазма будет характеризоваться большим увеличением числа более тяжелых пар кварков по сравнению с числом пар верхних и нижних кварков. Считается, что в период до 10 ⁻⁶ Через несколько секунд после Большого взрыва ( эпоха кварков ) Вселенная была заполнена кварк-глюонной плазмой, поскольку температура была слишком высокой, чтобы адроны были стабильными.

При достаточно высокой плотности барионов и относительно низких температурах (возможно, сравнимых с температурами нейтронных звезд ) кварковая материя, как ожидается, выродится в ферми-жидкость слабо взаимодействующих кварков. Эта жидкость будет характеризоваться конденсацией куперовских цветных кварков пар , тем самым нарушая локальную _{SU(3) c} симметрию . Поскольку пары кварков Купера несут цветовой заряд, такая фаза кварковой материи будет цветной сверхпроводимостью ; то есть цветной заряд сможет пройти через него без сопротивления.

См. также

• блокировка цвета и вкуса
• Формула Койде
• магнитный момент нуклона
• преоны
• кварконий
• кварковая звезда
• кварк-лептонная дополнительность

Дальнейшее чтение

• А. Али; Г. Крамер (2011). «СТРУИ и КХД: исторический обзор открытия кварковых и глюонных струй и его влияние на КХД». Европейский физический журнал H . 36 (2): 245. arXiv : 1012.2288 . Бибкод : 2011EPJH...36..245A . дои : 10.1140/epjh/e2011-10047-1 . S2CID   54062126 .
• Р. Боули; Э. Коупленд. «Кварки» . Шестьдесят символов . Брэди Харан из Ноттингемского университета .
• Диджей Гриффитс (2008). Введение в элементарные частицы (2-е изд.). Уайли – ВЧ . ISBN  978-3-527-40601-2 .
• И. С. Хьюз (1985). Элементарные частицы (2-е изд.). Издательство Кембриджского университета . ISBN  978-0-521-26092-3 .
• Р. Ортер (2005). Теория почти всего: Стандартная модель, невоспетый триумф современной физики . Пи Пресс . ISBN  978-0-13-236678-6 .
• А. Пикеринг (1984). Построение кварков: социологическая история физики элементарных частиц . Издательство Чикагского университета . ISBN  978-0-226-66799-7 .
• Б. Повх (1995). Частицы и ядра: введение в физические концепции . Спрингер-Верлаг . ISBN  978-0-387-59439-2 .
• М. Риордан (1987). Охота на кварк: правдивая история современной физики . Саймон и Шустер . ISBN  978-0-671-64884-8 .
• Б. А. Шумм (2004). Глубокие вещи: захватывающая дух красота физики элементарных частиц . Издательство Университета Джонса Хопкинса . ISBN  978-0-8018-7971-5 .

Внешние ссылки

• Лекция Мюррея Гелл-Манна, получившая Нобелевскую премию по физике 1969 года.
• Лекция Бертона Рихтера, Нобелевская премия по физике 1976 года.
• Лекция Сэмюэля К.С. Тинга, получившая Нобелевскую премию по физике 1976 года.
• Лекция Макото Кобаяши, лауреат Нобелевской премии по физике 2008 г.
• Лекция Тосихидэ Маскавы, лауреат Нобелевской премии по физике 2008 г.
• Топ-кварк и частица Хиггса Т. А. Хеппенхаймера – описание эксперимента ЦЕРН по подсчету семейств кварков.
• Веб-сайт Think Big, Кварки и глюоны
• Веб-сайт Think Big, Quarks 2019