Мартинсон Л.К., Смирнов Е.В. - Квантовая физика (2004) (1076130), страница 73
Текст из файла (страница 73)
В настоящее время установлено, что существуют шесть типов 1 кварков: и, д, л, с, Ь и ~. Спин всех кварков равен — (кварки 2 1 являются фермионами), а барионный заряд В = —. Остальные ха- 3 рактеристики кварков приведены в табл. 7.3. Таблица 7.3 472 Кварк з является носителем квантовой характеристики— странности 5, кварк с — шарма (очарования) С, кварк Ь— красоты Ь, кварк г — правдивости (истинности) к Соответствующие квантовые числа для этих величин приведены в табл. 7.3. Следует отметить, что кварки существенно отличаются от всех известных частиц — они обладают дробным электрическим (в единицах е) и дробным бариоиным зарядами.
Наличие дробных электрических зарядов у кварков было подтверждено в опытах по прямому просвечиванию нуклонов (и других адронов) быстрыми электронами. Результаты экспериментов показали, что внутри адронов электроны рассеиваются на точечных объектах с электрическими зарядами +2/Зе и — 1/Зе. С точки зрения кварковой модели каждый барион состоит из трех кварков, поскольку только в этом случае бариониый заряд составной частицы В =1.
Так, протон состоит из двух и-кларков и одного Ы-кварка: р =ил~1(ТИ). Стрелками здесь отмечена ориентация сливов кварков. В итоге, как и следовало ожидать, электрический заряд протона равен е, а 1 спин —. Нейтрон состоит из одного и-кварка и двух Ы-кларков: 2 л = иЫ(ТИ). Такой кварковый состав обеспечивает элекгронейтральность ней- „1 трона и спин, равный —.
2 У мезонов барионный заряд В = О, поэтому ясно, что образовывать мезоны могут только пары кварк — антикварк. Так, к -мезон состоитизкварка и и антикварка Й: "=.г(ТЦ. Это обеспечивает электрический заряд к+-мезона, равный е, и спин, равный нулю.
Для к -мезона соответственно получаем 473 я =й(('И,). А вот нейтральный и -мезон представляет собой линейную су- перпозицию состояний ий и Ы, т. е. л = — (ий-~Ы), Гг и может с равной вероятностью находиться в каждом из них. Квантовая хромодинамика. Введение кварковой модели позволило объяснить внутреннюю структуру адронов и свести несколько сотен адронов к различным комбинациям шести кварков и антикварков, образующих связанные состояния.
Это было несомненным успехом кварковой модели. Однако иа этом пути возникли определенные трудности. Так, в частности, согласно этой 3 модели, й -гиперон (спин которого, напомним, равен — ) должен 2 состоять из трех з-кварков с параллельной ориентацией синцов: й =ззз(П'Т) Но, как уже отмечалось, кварки являются ферми-частицами и, следовательно, подчиняются прин и Па ли согласно к в одном квантовом с ниц может нахо иться не более одного ~ермиона. Здесь же в одном квантовом состоянии оказалась сразу три фермиона, причем подобные проблемы были характерны и для структур некоторых других адронов. Чтобы снять это противоречие, было введено новое квантовое число — цвет, или цветовой заряд (его не следует связывать с обычным цветом). Цвет кварка может принимать три значения: желтый, красный и синий (голубой), смесь которых считается бесцветной.
Именно в этом просматривается аналогия между оптическим и квантовым цветом. Равномерная смесь трех основных цветов и в том и в другом случае оказывается бесцветной (белой). Очень важным положением квантовой хромодинамики является постулат, который получил название принципа бесцветности адронов. Согласно этому постулату, все наб аемые в п о е ге- —— ад оны бесцветны, т. е. в адронах кварки разного цвета образуют есцветные комбинации. Кроме того, антикварку приписывают "антицвет", т. е.
цветовой заряд со знаком минус, который являет- 474 ся дополнительным к цвету соответствующего кварка, в результате пара кварк — антикварк также бесцветна. Введение нового квантового числа — цвета — и принципа бесцветности адронов позволило разрешить отмеченные трудности со структурой й -гиперона и некоторых других частиц.
Поскольку й -гиперонявляется бесцветной частицей, то образующие его три в-кварка должны иметь различный цвет, т. е. отличаться друг от друга значением этого квантового числа. Следовательно, они находятся в разных квантовых состояниях, так что рассмотренная структура й -гиперона согласуется с принципом Паули. Кварки участвуют в сильном взаимодействии. Переносчиками этого взаимодействия являются частицы, получившие название глюонов (от англ. я1ие — клей).
Эти частицы удерживают, как бы "склеивают" кварки в адронах. Глюоны являются электронейтральными безмассовыми частицами. Как и у других переносчиков взаимодействия, спин глюона равен 1, т. е. они представляют собой бозоны. Важной особенностью глюонов является наличие цвета, причем при испускании и поглощении глюонов цвет кварка может измениться. Таким образом, сильное взаимодействие представляет собой обмен глюонами, т.
е. цветом. Поэтому теория, описывающая сильное взаимодействие, называется квантовой хромодинамикой (от др.-греч. урйра — цвет). Следует подчеркнуть, что цвет представляет собой очень важную характеристику кварков и глюонов. Для взаимодействий между кваркамн он играет примерно ту же роль, гхо и электрический заряд для электромагнитных взаимодействий. В квантовой хромодинамнке сила взаимодействия пропорциональна цветовым зарядам (цветам) кварков и равна нулю для бесцветных состояний.
Силы, действующие между кварками, удивительным образом зависят от расстояния. Так,при сближении кварков на малые расстояния, силы взаимодействия убывают, и, чем ближе кварки друг к другу, тем больше они похожи на невзаимодействующие, свободные частицы. Это свойство получило название асимптотической свободы. В то же время при увеличении расстояния между кварками сила притяжения между ними возрастает. Эту зависимость можно проиллюстрировать следующим образом.
Рассмотрим бесцветный адрон,состоящий из кварка д иантикварка д. Силовыелиниидействующего между ними цветового поля на малых расстояниях по- 475 добны силовым линиям кулоновского поля двух точечных зарядов е и е+. Однако с увеличением расстояния между частицами внд этих двух силовых полей оказывается существенно различным. Как известно, при увеличении расстояния между зарядами плотность силовых линий электрического поля убывает, что приводит к уменьшению силы взаимодействия в полном соответствии с законом Кулона. В случае цветового поля в результате взаимодействия Д глюонов друг с другом силовые линии с увеличением расстояния между кварком и антикварком сжимаются в трубко образную область (рис.
7.15). При этом плотность силовых линий, а следователь- в но, и сила взаимодействия между частицами увеличиваются. Значит, чтобы вырвать ,у кварк из адрона, необходимо Рнс. 7.1а. К че енн й в оных затРатить бесконечно боль- линий цветового поля прн увеличении расстояния между кваркамн С возрастанием расстоя- ния между д и ф потенциальная энергия системы будет увеличиваться до тех пор, пока не станет достаточной для образования пары кварк — антикварк. Дальнейшее растяжение приводит к разрыву трубки цветовых силовых линий с образованием в точке разрыва кварка д и антик- варка д (рис.
7.16). При увеличении растяжения трубка делится на три, четыре и т. д. более коротких трубки с меньшей суммарной энергией. Видимо, именно поэтому цаарки в свободном состоянии не обнаружены ни в одном эксперименте, несмотря на все попытки исследователей. Невозможность выделения кварков из адронов получила название удержание кварков, или конфайнмент (от англ.
сопбпешеп1— пленение, тюремное заключение). "Если эта интерпретация ненаблюдаемости кварков верна, то она дает интересную возможность ограничить бесконечное дробление структуры материи. Атомы 476 можно разложить на электроны и ядра, ядра — на протоны и нейтроны, а протоны и нейтроны — на кварки, но теория неразделимости кварков предполагает, что на этом все кончается. Трудно представить себе, как частица может иметь внутреннюю структуру, если она даже не может быть образована". Эти слова, характеризующие современное состояние физики элементарных часпщ, принадлежат одному из видных специалистов в этой области, лауреату Нобелевской премии по физике Ш. Глэшоу.
Рис. 7.16. Механизм удержания кварков в бесцветных адронах Первые эксперименты, подтвердившие наличие кварков в адронах, были выполнены в 1968 — 1969 гг. на линейном ускорителе электронов в Стэнфорде (США). В этих опытах пучок электронов с энергией 20 ГэВ бомбардировал протоны. Поскольку электроны не участвуют в сильном взаимодействии, то они проникают в глубь протона и взаимодействуют с кварками за счет электромагнитных сил. В эксперименте анализировались только так называемые глубоконеупругие события, т. е.
такие, в которых большая часть энергии и импульса налетающего электрона расходовалась на изменение внутреннего состояния протона. Результаты опытов показали: 1. Внутри протона существуют частицы, названные партонами -18 (от англ. рагт — часть), размер которых менее 10 м. В партонах сосредоточена практически вся масса протона, этн часпщы могут иметь электрический заряд, а могут быть и электрически нейтральными.
2. Заряженные партоны обладают всеми свойствами кварков: их 1 2 спин равен —, а электрический заряд составляет либо +-е, 2 3 1 либо — е. 3 477 3. Электронейтральные партоны отождествляются с глюонами. На их долю приходится около половины внутреннего импульса протона. В дальнейшем аналогичные опыты были выполнены также с пучками других лептонов — мюонов и нейтрино, энергия которых составляла 15...200 ГэВ. Во всех этих опытах кварковая структура адронов бь|ла подтверждена экспериментально.
Глубоконеупругое рассеяние лептонов адронамн получило название опыта Резерфорда третьего поколения. Законы сохранения в мире элементарных частиц. Огромный экспериментальный материал, накопленный в физике элементарных частиц, позволил сформулировать наблюдаемые закономерности в виде законов сохранения. Эти законы можно разделить на точные, т. е.
такие, которые выполняются при любых взаимодействиях, и приближенные, которые справедливы не для всех, а лишь для некоторых взаимодействий. К точным законам сохранения относятся: 1. Закон сохранения энергии Е. 2. Закон сохранения импульса р. 3. Закон сохранения момента импульса Е. 4. Закон сохранения электрического заряда Д. 5.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
