Кварк — бесструктурная элементарная частица и фундаментальная составляющая материи. Кварки объединяются в составные частицы, называемые адронами, наиболее стабильными из которых являются протоны и нейтроны, компоненты атомных ядер . Всё обычно наблюдаемое вещество состоит из верхних кварков, нижних кварков и электронов. Из-за явления, известного как удержание цвета, кварки никогда не встречаются изолированно; их можно найти только в составе адронов, которые включают барионы (такие как протоны и нейтроны) и мезоны, или в кварк-глюонной плазмеИмеется также теоретическая возможность существования более экзотических фаз кварковой материи.. По этой причине много информации о кварках было получено из наблюдений за адронами.
Кварки обладают различными свойствами, включая электрический заряд, массу, цветовой заряд и спин. Это единственные элементарные частицы в Стандартной модели физики элементарных частиц, которые участвуют во всех четырёх фундаментальных взаимодействиях (электромагнитном, гравитационном, сильном и слабом), а также единственные известные частицы, электрические заряды которых — не целые числа, кратные элементарному заряду.
Существует шесть типов кварков, известных как ароматы: нижний, верхний, странный, очарованный, прелестный, истинный. У верхних и нижних кварков самые малые массы среди всех кварков. Более тяжёлые кварки быстро превращаются в верхние и нижние кварки в процессе : перехода из состояния с большей массой в состояние с меньшей массой. Из-за этого верхние и нижние кварки, как правило, стабильны и наиболее распространены во Вселенной, в то время как странные, очарованные, прелестные и истинные кварки могут образовываться только в столкновениях с высокой энергией частиц (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 его свойства (например, электрический заряд) имеют одинаковую величину, но противоположный знак.
Кварковая модель была независимо предложена физиками Мюрреем Гелл-Манном и Джорджем Цвейгом в 1964 году, которые ввели их в физику как часть схемы упорядочения свойств адронов, хотя в то время было мало доказательств их физического существования до экспериментов по глубоко неупругому рассеянию в Стэнфордском центре линейных ускорителей в 1968 году. Эксперименты с ускорительной программой предоставили доказательства существования всех шести разновидностей кварков. Истинный кварк, впервые обнаруженный в лаборатории Ферми в 1995 году, был открыт последним.
Классификация
Стандартная модель — это теоретическая основа, описывающая все известные элементарные частицы. Эта модель содержит шесть сортов или ароматов кварков (): верхний (), нижний (), странный (), очарованный (), прелестный () и истинный (). Античастицы кварков называются антикварками и обозначаются чертой над символом соответствующего кварка, например для верхнего антикварка. Как и антивещество в целом, антикварки имеют ту же массу, среднее время жизни и спин, что и их соответствующие кварки, но электрический заряд и другие заряды имеют противоположные знаки .
Кварки — это частицы со , то есть фермионы в соответствии с теоремой Паули о связи спина со статистикой. Они подчиняются принципу запрета Паули, который гласит, что никакие два идентичных фермиона не могут одновременно занимать одно и то же квантовое состояние (в 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, который заставляет их вступать в сильное взаимодействие. В результате притяжения между различными кварками образуются составные частицы, известные как адроны. Независимо друг от друга гипотезу о том, что каждый кварк обладает тремя различными цветовыми состояниями, высказали в 1965 году советские физики Н. Н. Боголюбов, Б. В. Струминский, А. Н. Тавхелидзе, американский — и японский — И. Намбу. В 1964 году подобную гипотезу высказал американский физик в другом виде.
Кварки, определяющие квантовые числа адронов, называются валентными кварками; кроме того, любой адрон может содержать неопределённое число виртуальных пар кварков и антикварков, которые могут рождаться на короткое время согласно принципу неопределённости и формировать море кварковых пар, не влияющих на его квантовые числа. Есть два семейства адронов: барионы с тремя валентными кварками и мезоны с валентным кварком и антикваркомРаздел 6.1. в. Наиболее распространёнными барионами являются протон и нейтрон, строительные блоки атомного ядра. Известно большое количество адронов (список барионов и список мезонов), большинство из них различаются по своему кварковому составу и свойствам, зависящих от составляющих их кварков. Существование экзотических адронов с большим количеством валентных кварков, таких как тетракварки () и пентакварки (), предполагалось с самого начала кварковой модели, но не было обнаружено до начала XXI 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 — странный и очарованный кварки и третье — прелестный и истинный кварки. Все поиски четвёртого поколения кварков и других элементарных фермионов потерпели неудачу, и есть веские косвенные доказательства того, что существует не более трёх поколенийОсновное свидетельство основано на ширине резонанса Z0-бозона, который ограничивает массу нейтрино 4-го поколения величиной более ~45 ГэВ/c2, что будет сильно контрастировать с нейтрино трёх других поколений, массы которых не могут превышать 2 МэВ/c2.. Частицы более высокого поколения обычно имеют бо́льшую массу и меньшую стабильность, что приводит к их на частицы более низкого поколения посредством слабых взаимодействий. В природе обычно встречаются только кварки первого поколения (верхние и нижние). Более тяжёлые кварки могут образовываться только в столкновениях с высокой энергией (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 тяжёлых кварков ведутся в искусственно созданных условиях, например в ускорителях частиц.
Обладая электрическим зарядом, массой, цветовым зарядом и ароматом, кварки являются единственными известными элементарными частицами, которые участвуют во всех четырёх фундаментальных взаимодействиях современной физики: электромагнетизме, гравитации, сильном взаимодействии и слабом взаимодействии. Гравитация слишком слаба, чтобы иметь отношение к взаимодействиям отдельных частиц, за исключением крайних значений энергии (планковская энергия) и масштабов расстояний (планковская длина). Однако, поскольку успешной квантовой теории гравитации не существует, гравитация не описывается Стандартной моделью.
Более полный обзор свойств шести ароматов кварка представлены в таблице .
История
Кварковая модель была независимо предложена физиками Мюрреем Гелл-Маном и Джорджем Цвейгом в 1964 году. Предложение поступило вскоре после того, как Гелл-Ман в 1961 году сформулировал систему классификации частиц, известную как Восьмеричный путь, или, выражаясь более техническими терминами, ароматическую симметрию SU(3), оптимизирующую её структуруОригинал: . В том же году физик Юваль Неэман независимо разработал схему, аналогичную Восьмеричному Пути Оригинал: . До кварковой модели имелись другие модели адронов. Например, модель Сакаты с базисом, состоящим из p, n, Λ и их античастиц, описывала все мезоны и барионы, известные на момент публикации. Модель Гольдгабера использовала p, n, и Κ−. Впоследствии базис расширили до четырёх частиц (и четырёх античастиц).
Во время зарождения кварковой теории «» включал множество адронов, среди прочих частиц. 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. Были особые разногласия 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 были предложены расширения модели Гелл-Манна — Цвейга. Шелдон Глэшоу и Джеймс Бьёркен предсказали существование четвёртого аромата кварка, который они назвали очарованным. Увеличение числа кварков позволило лучше описать слабое взаимодействие (механизм, позволяющий кваркам распадаться), уравняло число известных кварков с числом известных лептонов и подразумевало массовую формулу, которая правильно воспроизводила массы известных мезонов.
В 1968 году эксперименты по глубоко неупругому рассеянию электронов высокой энергии на протонах в Стэнфордском центре линейных ускорителей (SLAC) показали, что протон содержит гораздо меньшие точечные объекты и, следовательно, не является элементарной частицей. В то время физики не хотели твёрдо отождествлять эти объекты с кварками, вместо этого называя их «партонами» — термин, придуманный Ричардом Фейнманом. Объекты, которые наблюдались в SLAC, позже будут идентифицированы как верхние и нижние кварки по мере открытия других ароматов.
Существование странного кварка было косвенно подтверждено экспериментами SLAC по рассеянию: он не только был необходимым компонентом трёхкварковой модели Гелл-Мана и Цвейга, но и дал объяснение каона () и пиона () — адронов, открытых в космических лучах в 1947 году.
В статье 1970 года Глэшоу, Иоаннис Илиопулос и Лучано Майани представили (названный по их инициалам), для объяснения экспериментального отсутствия наблюдения . Эта теоретическая модель требовала существования ещё не открытого очарованного кварка. Число предполагаемых ароматов кварков выросло до нынешних шести в 1973 году, когда Макото Кобаяси и Тосихидэ Маскава заметили, что экспериментальное наблюдение нарушения СР-инвариантности можно объяснить, если бы существовала другая пара кварковНарушение CP-инвариантности — это явление, из-за которого слабые взаимодействия ведут себя по-разному, когда левое и правое меняются местами (P-симметрия) и частицы заменяются соответствующими им античастицами (C-симметрия)..
Очарованные кварки были получены почти одновременно двумя командами в ноябре 1974 года (см. Ноябрьская революция) — одной в SLAC под руководством Бертона Рихтера, а другой в Брукхейвенской национальной лаборатории под руководством Сэмюэля Тинга. Очарованные кварки наблюдались связанными с очарованными антикварками в мезонах. Обе стороны присвоили открытому мезону два разных символа, и ; таким образом, он стал официально известен как мезон. Это открытие окончательно убедило физическое сообщество в правильности кварковой модели.
В последующие годы появился ряд предложений по расширению кварковой модели до шести кварков. Из них в статье 1975 года Хаима Харари впервые были введены термины «истинный» и «прелестный» для дополнительных кварков .
В 1977 году группа учёных из Фермилаба во главе с Леоном Ледерманом наблюдала прелестный кварк. Это был сильный индикатор существования истинного кварка, так как иначе прелестный кварк не имел бы партнёра. Лишь в 1995 году истинный кварк был наконец обнаружен, также группами и в Фермилабе. Его масса оказалась намного больше, чем ожидалось, почти такая же, как у атома золота.
Доказательства существования кварков Из-за контринтуитивного свойства сильного взаимодействия — конфайнмента — для неспециалиста зачастую нетривиально существование кварков: поскольку их невозможно увидеть в свободном виде, возникает сомнение, не являются ли они лишь математической абстракцией.
Причины, по которым кварки считаются реально существующими объектами: