Структура адронов. Кварки

Большие массы адронов по сравнению с лептонами позволили в 1963 г. американским физикам-теоретикам Мюррею Геллману и Джорджу Цвейгу предположить, что адроны являются составными частицами. Согласно их гипотезе, нуклоны состоят из трех фундаментальных, электрически заряженных частиц, названных кварками.

Наличие этих частиц можно обнаружить, например, при рассеивании частиц высоких энергий.

В 1969 г. в Стэнфорде было экспериментально подтверждена кварковая структура нуклонов при опытах по рассеиванию электронов с энергией 20 ГэВ на протонах и нейтронах. Было обнаружено пространственное распределение электрического заряда в нуклоне.

При увеличении энергии рассеивающихся электронов до 50ГэВ удалось установить существование трех точечных зарядов в нуклонах. Эти частицы, свободно перемещающиеся внутри нуклона, и есть кварки.

Их заряд может быть как положительным, так и отрицательным

Кварки имеют полуцелый спин

Характерной особенностью кварков, не встречающихся у других частиц, является дробный электрический заряд.

Кварк с зарядом +2/3е – u-кварк (англ. up – вверх)

Кварк с зарядом -1/3е – d-кварк (англ. down – вниз)

Кварковый состав протона можно представить как uud, нейтрона – udd

Важной характеристикой кварка является его барионный заряд.

Закон сохранения барионного заряда:

Во всех взаимодействиях барионный заряд сохраняется.

Массовое число А является барионным зарядом ядра: В = А

Для всех барионов В = 1, у антибарионов В = -1.

У частиц, не являющихся барионами, В = 0.

При β-распаде закон сохранения барионного заряда имеет вид:

n ® p + e^- + 1 = 1 + 0 + 0

Барионный заряд кварков принят равным 1/3, что дает для барионов (протона и нейтрона) В = 1.

Сохранение барионного заряда объясняет невозможность распада протона на более мелкие частицы.

Для антикварков электрические и барионные заряды имеют противоположные знаки.

После обнаружения элементарных частиц, состоящих из всех комбинаций u- и d-кварков, были открыты тяжелые адроны, для объяснения свойств которых пришлось использовать еще два пара кварков: s (англ. strange - странный), c(англ. charmed - очарованный), b(англ. beauty - красота), t(англ. truth - правда) Массы этих кварков значительно превышают массы u- и d-кварков.

Все кварки – фермионы. Они имеют полуцелый спин, так как адроны являются фермионами.

Различные типы кварков называют ароматом.

Цвет кварков

Использование кварковой модели привело к тому, что некоторые барионы должны были состоять из кварков только одного аромата, что невозможно по принципу Паули.

Была выдвинута гипотеза, что кварки отличаются цветом. Согласно этой гипотезе каждый тип (аромат) кварков может иметь три цветовых заряда: красный, зеленый, синий. Поэтому кварки одинакового аромата не одинаковы, а отличаются цветом.

Реально кварки не окрашены. Цвет – удобная аналогия для оперирования сложными понятиями.

Антикварки имеют антицвет: антикрасный (фиолетовый), антизеленый (красный), антисиний (желтый) Основные цвета (красный, зеленый, синий) как бы подобны положительному электрическому заряду, а антицвета – отрицательному.

Цветовой заряд является характеристикой взаимодействия кварков, а не адронов в целом. Цветовое взаимодействие между адронами не наблюдается на опыте.

Все адроны цветонейтральны.

Все цвета представлены в равных количествах, что в результате дает белый цвет

Отдельный кварк имеет цвет и потому не может существовать в свободном состоянии. Цветные кварки, притягивая друг друга, образуют бесцветные комплексы, например нуклоны.

Протоны и нейтроны состоят из кварков, но выделить кварки нельзя. Свободные кварки не наблюдаемы. Это принципиально ограничивает бесконечное дробление структуры материи.

Каждый барион, являясь фермионом, состоит из трех ароматов разного цвета.

В целом барион – цветонейтрален.

Мезоны, как и все адроны, цветонейральны.

С помощью определенной комбинации разноцветных кварков можно построить любой адрон. Существует 6 кварков и 6 антикварков, каждый из них может иметь по три цвета.

Полное число кварков - 36

Дата добавления: 2015-11-14