Этот странный квантовый мир - Трейман С.
ISBN 5-93972-117-6
Скачать (прямая ссылка):
как для частицы, так и для античастицы). Эти первые три кварка были
названы up, down и strange1 (эти названия остаются одними из самых
причудливых в субъядерной номенклатуре). Символически они обозначаются
буквами и, d, s.
На раннем этапе кварки воспринимались многими как чисто математический
трюк, который будет отброшен, когда выяснится их математическая
структура. Для других они были реальными физическими частицами, которые
могут быть найдены экспериментально. То, в чем мы сейчас убеждены,
находится где-то посередине. Кварки действительно реальны в том смысле,
что они входят как основные составляющие в современной теории частиц; они
оставляют ни с чем не сравнимые отпечатки во всех проведенных
экспериментах. Но никто не видел их непосредственно, отдельно от других
частиц.
Основные ингредиенты Частицы
За первыми тремя кварками в последующие годы были успешно (но не при
прямом наблюдении) открыты charm, bottom и top2 кварки, часто
обозначаемые как с-, Ь- и t-кварки. Первый из них был предсказан единой
электромагнитной теорией, созданной в конце 60-х годов XX века. Открытие
с-кварка несколькими годами позднее явилось драматическим подтверждением
теории, возникшей примерно в то же время. Тогда, по крайней мере для
истинно убежденных людей, полностью неожиданное открытие тау-лептона в
середине 70-х годов означало существование
'От англ. up - вверх, down - вниз, strange - странный. - Прим. пер.
2От англ. charm - очарование, bottom - низ, top - верх. - Прим. пер.
186
Глава 8
двух дополнительных кварков. Более уверенно существование 6-квар-ка было
доказано в течение нескольких лет; для t-кварка понадобилось почти два
десятилетия. Вместе получилось шесть типов кварков; или, можно сказать,
шесть кварковых ароматов. Более современная теория утверждает, что каждый
кварковый аромат может существовать в трех различных состояниях, каждое
из которых имеет одинаковую массу, заряд, барионное число и спин. То, что
различает эти состояния, математически хорошо определяется в терминах
основополагающей теории, но повседневная жизнь требует использования
повседневных названий. По подобию, с которым образовывались имена
ароматов, эти различные состояния стали обозначать цветом. Можно
использовать любые три цвета, это вопрос соглашения. Можно использовать
красный, белый и голубой. В последующем обсуждении мы будем просто
говорить о шести кварковых ароматах, понимая, что для каждого аромата
есть частица и античастица, каждая из которых может находиться в трех
цветовых состояниях; всего, таким образом, 36 величин. Кварки имеют спин
= 1/2, поэтому являются фермионами. Это свойство объединяет их с тремя
заряженными лептонами и тремя нейтральными лептонами (нейтрино).
Кварки имеют дробный электрический заряд. В единицах заряда протона
квантовые числа заряда для кварковой частицы равны Q = 2/3 для и-, с-, t-
кварков; Q = -1/2 для d-, s-, 6-кварков. Для кварковых античастиц знаки в
точности обратные Q = -2/3 для й-, с-, t-кварков и Q = 1/3 для d-, s-, 6-
кварков. Аналогично, барионное число для всех шести кварков равно В =
1/3; для кварковых античастиц знак обратный, В = -1/3. В самих зарядах
нет ничего таинственного. Если бы d-кварк был открыт до электрона,
величину его заряда можно было бы взять за единицу измерения; тогда при
открытии электрона его заряд был бы равен 3. Но реально, исторически все
произошло иначе, и поэтому иногда тот факт, что могут существовать
величины с зарядами, меньшими, чем известные заряды электрона или
протона, первоначально вызывает удивление.
Поскольку кварки никогда не существуют по отдельности, очень трудно с
большой точностью измерить их массы; существует некоторая теоретическая
свобода в выборе того, как должен быть определен массовый параметр. Но мы
можем достаточно уверенно сказать, что массы и- и d-кварков достаточно
малы по сравнению с известными массами адронов; знаем, что масса s-кварка
значительно больше, хотя и остается скромной по этой шкале. Кварки типа
с-, 6- и t-кварка имеют массы, значительно превосходящие массы этих трех
легких кварков, поэтому их массы могут быть определены с большей
аккуратностью. В таблице 8.1 представлены данные по массам и
электрическим зарядам кварковых и лептонных частиц, разбитых на три
семейства. Там не показано (барионное, лептонное) число, равное (1/3, 0)
для кварков и (0, 1) для
Основные ингредиенты
187
лептонов. Соответствующие античастицы не представлены отдельным списком.
Они имеют те же массы, но противоположные знаки для электрического
заряда, барионного и лептоннго чисел.
Современная теория вводит еще набор других частиц - глюонов. Как и
кварки, они оставляют ясные отпечатки во всех проведенных экспериментах,
но никогда не наблюдаются по отдельности. Всего их 8. Они безмассовы и
электрически нейтральны. Барионное число равно нулю. Глюоны играют ту же
роль в сильных взаимодействиях, какую фотон 7 играет в электромагнитных,
