Что такое кварки какими свойствами они обладают
Природа построена по принципу матрешки. Каждый раз открывая каждую последующую матрешку, мы обнаруживаем что-то новое.
Имеются молекулы. Молекулы состоят из атомов. Атомы состоят из электронов и атомного ядра. Ядро состоит из протонов и нейтронов.
Примерно 100 лет назад считалось, что протоны и нейтроны являются элементарными частицами. Потом оказалось, что таких частиц как протоны и нейтроны намного больше. Сначала в космических лучах, а потом и на ускорителях стали открывать все новые и новые частицы. В итоге таких частиц образовалось несколько десятков.
Такое большое количество новых частиц необходимо было проклассифицировать. Чтобы провести правильную классификацию, ученые предположили, что эти частицы состоят из неких других составляющих. То есть было предположено, что протоны, нейтроны и прочие частицы состоят из еще каких-то более мелких частиц.
Этими более мелкими частицами и оказались кварки. Чтобы описать все новые частицы, ученые ввели понятия о верхних, нижних и странных кварках или по-другому u-кварк, d-кварк и s-кварк (от англ. — up, down и strange).
Как строятся частицы из кварков?
Протон и нейтрон состоят из трех кварков. Например протон состоит из двух u-кварков и одного d-кварка. Нейтрон состоит из одного u-кварка и двух d-кварков.
Протон
При помощи комбинации трех кварков, будь то uus, dds, uuu и так далее, мы можем получить ту или иную частицу. То есть все то разнообразие частиц, которое было открыто в середине XX века на ускорителях и в космических лучах, можно описать при помощи трех кварков.
Новые кварки
Безусловно за этой идеей стояла мощная математическая конструкция под названием теория групп. Эта теория говорит о том, что все частицы должны образовывать некие семейства. И все те открытые элементарные частицы отлично укладывались в эти семейства при помощи кварков. Также при помощи этой теории получились некоторые незанятые места в семействах, которые впоследствии были заняты в ходе открытия новых частиц.
В 1974 году была открыта частица джей-пси-мезон, которая не вписывалась ни в какое семейство. Поэтому для этой частицы был введен новый очарованный кварк или c-кварк (от англ. charm).
Об этом четвертом кварке говорили и раньше в 1970 году, поскольку теория трех кварков предсказывала распады, которые не происходят в природе, а четное количество кварков как раз исключает эти ненаблюдаемые распады.
В 1977 году в лаборатории Фермилаб был обнаружен пятый b-кварк (от англ. bottom). Наличие пяти известных кварков означало, что должен быть и шестой.
Поиски шестого кварка продолжались почти 20 лет, пока в 1995 году не были обнародованы результаты об обнаружении нового и на данный момент последнего t-кварка (от англ. top).
Классификация кварков
Когда было выяснено, что всего существует 6 кварков, то возникла необходимость проклассифицировать их. Оказалось что кварки группируются парами. Первую пару составляют u- и d-кварки, вторую c- и s-кварк и третью соответственно t- и b-кварк.
Оказалось что каждая пара кварков обладает идентичными свойствами относительно друг друга. Единственное отличие пар заключалось в том, что каждая следующая пара тяжелее предыдущей. Таким образом эти пары кварков были распределены в три семейства или в три поколения частиц.
Главная загадка кварков
Весь видимый мир вокруг нас и мы сами состоит всего из протонов и нейтронов, которые состоят всего из u- и d-кварков. И загадка заключается в том, зачем природе понадобились по две более массивные копии u- и d-кварков.
Делитесь этой статьей в своих социальных сетях, а также не забывайте поставить палец вверх, подписаться на наш канал и оставить комментарий, если вам понравилась данная публикация!
Telegram: https://t.me/different_angle
Яндекс.Дзен: https://zen.yandex.ru/different_angle
Канал не позиционирует себя, как источник стопроцентно правдивой информации, а лишь претендует быть таковым.
Предложить свою статью, замечание или просто написать автору: @different_angle_bot
Привет, друзья!
Сегодня я хотел бы более подробно описать образование материи в рамках гипотезы Новой физики, на примере протона, который будет состоять из двух u-кварков и одного d-кварка.
Я постараюсь понятно объяснить, как на мой взгляд, устроен протон, почему известно лишь 6 типов кварков, и почему кварки бывают трех цветов. Многие из вас удивятся тому, о чем я сообщу в своих выводах ниже, но это вытекает из представлений гипотезы о Новой физики.
Для начала повторим тот курс физики, которым все пользуются, и вспомним, что кварков в природе 6: u-кварк, или верхний (up) кварк; d-кварк, или нижний (down)кварк; c-кварк, или очарованный (charm) кварк; s-кварк, или странный (strange)кварк; t-кварк, или истинный (true) кварк; b-кварк, или красивый (beauty) кварк. Те эпитеты, которые присвоены кваркам никакое отношение к самим кваркам не имеют, это просто у тех, кто их открывал и называл, свои тараканы в голове. 🙂 Массы каждого типа кварка довольно сильно отличаются, сейчас я объясню почему. Более того, согласно гипотезе Новой физики, массы кварков могут меняться, при чем одинаковых значений масс не может быть более, чем у трех кварков.
Для начала представим из чего состоит протон в представлении автора. В современной физике частицы и пространство разделены, их объединяют силовые поля 4-х видов фундаментальных взаимодействий. Согласно гипотезе Новой физики, пространство, материя и силовые поля-это одно целое. Для тех, кто не знаком с первым и вторым постулатом Новой физики, поясняю.
Пространство представляет из себя объемный носитель информации, в котором ячейки памяти сформированы из узлов, каждый из которых имеет 12 нерушимых связей со своими соседними узлами. Элементарная частица, например кварк или лептон представляет собой объемную петлю пространства. Образно это можно представить таким образом, представьте перед собой пространство, в котором его узлы представляют шарики на пружинках. А теперь возьмите и защипните двумя пальцами кусочек пространства, и поверните его на 180 градусов, это и будет объемной петлей пространства. При резком отпускании, пространство вернется в исходное состояние, при этом по пространству пойдет волна, сигнализирующая о том, что частица исчезла, перейдя в волну. Одним из свойств объемной петли является то, что петля беспрепятственно может перемещаться из одной точки пространства в другую, при этом сами узлы пространства никуда не перемещаются. Петля пространства аналогична биту информации, только лишь с тем различием, что в компьютере, информация не может сама перемещаться по дисковому накопителю. Это наводит на мысль, что наш мир виртуален. Но этот вид виртуальности не такой, каким мы привыкли считать, играя в компьютерные игры. Для создания виртуального мира на компьютере, необходим тотальный контроль в виде просчетов состояния каждого объекта посредством мощного процессора. Виртуальность нашего мира лишена этого процессора — само пространство обладающее некоторыми свойствами, позволяет информации (в нашем случае это материя) самой перемещаться и взаимодействовать между собой, подчиняясь некоему единому Закону. В результате этого взаимодействия и образован наш мир. Мной описано только пространство и частица, но вы скажете, что есть еще и силовые поля. Силовые поля в пространстве, это всего лишь сжатость, растянутость или скручивание пространства, благодаря чему расстояния между узлами пространства становятся больше или меньше. Одним из свойств петли является стремление в ту область пространства, где расстояния между узлами больше, то есть, где пространство более растянуто.
Давайте рассмотрим вариацию на тему того, как устроен протон, подчеркиваю, что это вариация. Возможно, что расположение кварков относительно друг друга, может быть и иным.
Протон состоит из 3 легких кварков: два u-кварка и одного d-кварка. При чем суммарный цветовой заряд всех трех кварков должен составлять 0, то есть быть бесцветным.
В нашем случае, будем считать, что кварк это петля пространства, которая может быть сформирована в одном из 6 пространственных направлений, которые просматриваются в его структуре.
Если представить дальнейшее расположение узлов, получающихся при складывании икосаэдра, то можно увидеть 6 равнозначных направлений.
Узлы пространства в котором формируются различные типы кварков. Вдоль каждого из шести направлений формирования свой тип кварка (всего 6 типов)
То есть если вдоль какого либо из 6-ти направлений формируется пространственная петля, появляется кварк. Следует заметить, что у каждой кварковой петли свой угол атаки по отношению к пространству, если петля пространства будет перемещаться «плашмя», то ее масса будет минимальной. Из анимации движения самого тяжелого t-кварка видно, что его петля движется почти в плоскости движения материи. Этой петле трудно проходить сквозь пространство и она быстро распадается, не успев возникнуть, поэтому t-кварки не могут существовать долго. Можно заметить, что при движении t-кварка, имеет место квазивращение частицы, у t-кварка квазивращение максимально. Чем больше это вращение, тем больше масса частицы. Следует так же отметить, что у кварков есть цветной заряд, это принято для удобства представления в квантовой хромодинамике (КХД). На самом деле конечно, кварки не окрашены в цвета. Цветность кварка, по мнению автора, объясняется тем, что при своем движении петля может вращаться вокруг своего направления формирования.
К объяснению цветности кварков.
t-кварк (красный цветной заряд)
t-кварк (зеленый цветной заряд)
t-кварк (синий цветной заряд)
При переходе из одного цветного состояния в другое, происходит перетекание петли из одной «цветной» плоскости в другую, при этом происходит небольшая деформация внутри петельного пространства, в результате которой появляются дополнительная частица — глюон. Но это отдельная тема, поэтому пока распространяться не стану.
Если взять более стабильные кварки, такие как u-кварк и d-кварк, те, из которых состоят протоны и нейтроны в ядрах окружающей нас материи, то скорость квазивращения у них минимальна, им проще перетекать сквозь пространство, потому что кварковые петли почти плашмя движутся относительно пространства, они словно перетекают, квазивращение минимально, и масса их так же одна из самых маленьких в своем классе частиц.
Для того, чтобы представить как выглядит протон, представляю вариацию на эту тему.
Протон, состоящий из двух u-кварков и одного d-кварка, с учетом цветного заряда. (Фантазия художника)
Подводя итог сегодняшнего рассказа, можно сказать, что кварк — это петля пространства одного вида, масса кварка зависит от того, с какой скоростью происходит квазивращение при перемещении в пространстве. Тип кварка (u,d,c,s,b или t) зависит от того, в каком направлении сформированы кварковые петли.
К объяснению масс кварков.
Приведу еще один пример. Если в одной части пространства яблоко будет двигаться в одном направлении, а в нашей части Вселенной такое же яблоко будет двигаться перпендикулярно движению первого, то «их» яблоко будет сформировано из b и t-кварков в их части Вселенной u- и d- кварки будут тяжелыми и нестабильными, в отличие от нашего яблока. В виду разности направлений, массы кварков будут перераспределены согласно направлению своего перемещения. Все кварки однотипны!
Ваш Михаил Н. Бровкин.
bmiha@mail.ru
Огромное спасибо всем, кто поддерживает развитие канала лайками, репостами и донатами:
Подробно:
Владимир Каланов.
Вступление
Классификация элементарных частиц начала́ интенсивно развиваться с середины 1950-х годов. Параллельно предпринимались попытки «построить» все известные элементарные частицы из небольшого числа составных частей.
К числу таких попыток можно отнести нелока́льную теорию поля Юка́вы, единую теорию Гейзенберга и другие. Этим приятным фантазиям не суждено
было стать настоящими физическими теориями. Главная причина их неудачи в том, что в них ещё недостаточно учитывались феноменальные свойства элементарных частиц.
Первый реальный успех в деле классификации элементарных частиц выпал на долю Гелл-Манна и Цвейга, показавших, что все известные к 1964 году
барионы и мезоны (см. дальше) можно составить из трех фундаментальных объектов, названных Гелл-Манном кварками.
После 1964 г. были открыты новые барионы и мезоны, для классификации которых оказалось
недостаточно трех кварков, введённых Гелл-Манном и Цвейгом. В настоящее время к трём первоначальным кваркам добавлены ещё три: общее число кварков возросло до
шести. Кроме того, принято, что каждый кварк существует в трёх «лицах». Если каждое из этих лиц считать за особую частицу, то полное число кварков равно 18.
Забегая вперёд, поясним, что барионы образуются как соответствующим образом подобранные комбинации трёх кварков,
разным тройкам кварков отвечают разные барионы. Мезоны строятся из двоек (пар) кварков.
Следует иметь ввиду, что согласно законам квантовой механики, элементарные частицы обладают волновыми свойствами и необычность их поведения
определяется именно этим. Хотя стандартная модель способна достаточно точно описать все характеристики элементарных частиц, нам их поведение трудно
представить только на основании повседневного опыта. Само слово «квантовый»
означает «разбитый на части», т.е. дискретный. Поэтому, описывая элементарные частицы мы будем по мере описания перечислять и пояснять
некоторые другие специфические характеристики элементарных частиц, которые описывают квантовые состояния частицы.
Основные понятия теории кварков выдвинули американские учёные. Чтобы различить шесть кварков (каждый из которых существует в трёх лицах или
видах), американские физики наделили кварки свойством, которое они назвали «аромат». Разумеется, никакого различимого носом запаха кварки не
испускают, но считается, что каждый из шести (тройных) кварков «пахнет» по-своему, имеет, так сказать, особый, собственный аромат. В частности, все три
лица каждого кварка «пахнут» одинаково, то есть имеют общий для всей троицы единый аромат.
| Свойства фермионов (массы указаны в условных единицах относительно массы электрона) — см.*) | ||
| Кварки | ||
| Аромат | Масса | Заряд |
| u | 4 | 2/3 |
| d | 10 | -1/3 |
| c | 2544 | 2/3 |
| s | 196 | -1/3 |
| t | 338561 | 2/3 |
| b | 8219 | -1/3 |
Название для этой характеристики придумали Мюррей Гелл-Манн (Murray Gell-Mann) и Харальд Фрич (Harald Fritzsch), проходя мимо популярного
кафе компании Baskin-Robbins с привлекательной рекламой множества сортов мороженого: «Count the Flavors. Where flavor counts» (в переводе, «Оцените
ароматы. Аромат имеет значение») в 1968 г. Они пытались придумать новые названия для характеристик квантовых состояний.
В своё время, придумывая названия ароматов, американцы позаба́вились: они да́ли такие названия, чтобы не было неприятно нюхать, если бы
кварки и в самом деле пахли. Названия даны веселые, смешные, похожие на названия духо́в в парфюмерной лавке: «очарование», «странность». Обычны названия только
первых двух ароматов: «вверх» и «вниз». Однако, постепенно высокохудожественные названия (верхний, нижний, очарованный, странный, а
особенно истинный и красивый) вышли из употребления учёных, и они предпочитают называть их просто по первой английской букве. Причём, вместо слов «истинный» (true)
и «красивый» (beauty), предпочитают использовать слова «самый высокий» (top) и «самый низкий» (bottom). Проще уяснить, что т.н. аромат есть ни что иное, как тип кварка (u,d,s,c,b,t).
К ароматам также относятся другие квантовые характеристики элементарных частиц (сейчас эти характеристики принято
называть квантовыми числами): лептонное число (lepton number), барионное число (baryon number), электрический заряд (!), изоспин (или
изотопический спин) (isospin), гиперзаряд (hypercharge), слабый гиперзаряд (weak hypercha-rge), слабый изоспин (weak isospin), странность (strangeness),
очарование (charm), низменность (topness), высотность (bottomness). Они используются для учёта ряда свойств элементарных частиц.
Чтобы различить три вида (лица́), в которые воплощается каждый из шести кварков, пользуются термином «цвет». Конечно, кварки не имеют
никакого видимого цвета. Такое название — просто метка, позволяющая различать
«трёх близнецов». Ну, а если говорить более строго научно, то цвет или цветовой заряд — это более сложный аналог спина,
который характеризует взаимодействие кварков и глюонов. Название этой характеристики было выбрано по аналогии с оптикой, где красный, зеленый и синий
цвета́ при смешении дают белый цвет. Дело в том, что в рамках сильного взаимодействия возможно притяжение либо двух частиц с противоположным цветом
(цвет и антицвет), либо трех частиц с определенной комбинацией цветов, которая в сумме даёт «белый» цвет (разумеется, квантовый, а не оптический). Кварк имеет
один из трёх цветов, а глюон — один из восьми цветов или антицвето́в. Откуда? Забегая вперед, сразу поясним.
Глюоны являются переносчиками сильного взаимодействия, именно они и «связывают» кварки между собой. Глюоны имеют не один,
а два цветовых индекса (цвет и антицвет). Всего имеется 8 цветных
глюонов, поскольку комбинация жж+сс+кк не имеет цветового заряда (т.е. является «белой») и, следовательно, не переносит сильное взаимодействие.
В свободном состоянии глюоны не существуют. Они, как и кварки, «за́перты» внутри бесцветных адронов. Все остальные элементарные частицы не имеют цве́та.
Спин — одна из самых загадочных характеристик, которая демонстрирует, что существует пространство состояний,
никак не связанных с перемещением частицы в обычном пространстве. Спин (от англ. to spin — «крутиться») электрона часто сравнивают с угловым моментом
«быстро вращающегося волчка». Это неверно, поскольку спин не связан с движением в пространстве в нашем понимании и является внутренней квантовой
характеристикой частицы, которая не имеет аналога в классической механике. Спин измеряется целыми и полуцелыми числами, умноженными на постоянную Планка
(h/2π) (хотя для краткости часто это умножение не упоминается). Такой фундаментальный вывод вытекает из релятивистской квантовой
теории поля, которая предсказывает, а опыт подтверждает, что S=0; 1/2; 1; 3/2; 2; …
Частица, обладающая спином J (сейчас принято спин обозначать через J, чтобы не путать с S-кварком), может находиться в (2J+1)
спиновых состояниях. Например, спин J электрона равен 1/2, поэтому у него может быть только два спиновых состояния 2·(1/2)+1, т.е. 1/2 и -1/2.
У элементарных частиц электрический заряд может быть кратным
только заряду электрона, т.е равным 0, ±1, ±2, … за исключением кварков, заряд
которых равен -1/3 и +2/3 заряда электрона, но кварки в совокупности образуют частицы только с целочисленным электрическим зарядом. В микромире справедлив
закон сохранения электрического заряда, утверждающий, что суммы зарядов частиц до и после взаимодействия равны.
Итак, каждый из 18 кварков имеет собственный аромат и цвет. При помощи цвета мы различаем кварковые лица, «пахнущие»
одинаково: существует шесть различных «запахов»-ароматов. Выше мы говорили, что барионы строятся как подходящие комбинации трех кварков. Под словом «подходящая»
имеется в виду бесцветная комбинация. То же относится и к парам кварков, из которых строятся мезоны. Комбинации надо выбирать «бесцветными», потому что
наблюдаемые реально элементарные частицы не имеют цвета. Например, протон имеет кварковую структуру p=(uud), т.е. состоит из двух u-кварков и
одного d-кварка, нейтрон — n=(udd), т.е. состоит из одного u-кварка и двух d-кварков.
Сами кварки не существуют в свободном состоянии, они всегда «связаны» между собой в частицах, которые они образуют, по крайней мере, свободных кварков, то есть кварков, сильно отдаленных от всех иных кварков
обнаружить не удаётся. Кварки существуют только в связанном состоянии, и явление, приводящее к неразрывности кварковых связей, называется конфайнмент.
Кратко суть конфайнмента (т.е. «удержания», «пленения») состоит в том, что силы, связывающие кварки друг с другом, при удалении не уменьшаются, а возрастают (!). Это приписывается свойствам сильного
взаимодействия — глюонного поля, которое связывает кварки внутри адронов. Такой непривычный вывод даёт квантовая хромодинамика — теория, описывающая все
свойства адронов и их столкновений. Так, например, при попытке «вырвать» кварк из протона глюонное поле порождает дополнительную кварк-антикварковую пару, и от
протона уже отделяется не кварк, а пи-мезон. Пи-мезон уже может улететь сколь угодно далеко от протона, потому что силы между адронами ослабевают с расстоянием.
Теперь возникает естественный вопрос: насколько реально существование самих кварков? Экспериментаторы интенсивно искали их, причём
самыми разными способами (например, с помощью счетчиков, трековых детекторов и опытов типа опыта Милликена) и в самых различных источниках (на ускорителях, в
космическом излучении, в морской воде, в земных породах, в метеоритах и т.п.). Однако все попытки непосредственной регистрации кварков пока оказались безуспешными.
Сейчас общепринята точка зрения, согласно которой кварки, будучи цветными объектами, в принципе не могут существовать в свободном состоянии, а могут находиться только внутри белых частиц — адронов.
В частности, нельзя непосредственно зарегистрировать не только
сами кварки q, но и дикварки qq, которые также должны нести некоторый цвет. Теоретическое обоснование конфайнмента цвета (его «удержания», «пленения») внутри адронов находится пока в стадии разработки. Решение проблемы кроется в
весьма необычных свойствах сил, действующих между кварками: оказывается, энергия взаимодействия кварков не убывает с ростом расстояния между ними, как мы привыкли считать, а возрастает.
И тем не менее только с помощью кварков удаётся описать и объяснить всё многообразие свойств и превращений адронов, образующих чрезвычайно широкий класс. Мало того, опыты по рассеянию лептонов высоких энергий на
протонах и нейтронах позволили измерить экспериментально основные характеристики кварков. Результаты этих опытов однозначно свидетельствуют о том, что кварки
внутри адронов действительно есть, что их спин равен именно 1/2, что они обладают дробными электрическими зарядами и существуют в трех цветовых разновидностях.
Опыты по рассеянию электронов и позитронов из встречных пучков позволили почти непосредственно «увидеть» кварки. При столкновении эти частицы
превращаются в фотон (виртуальный), который порождает кварк-антиква́рковую пару. Полный импульс системы равен нулю, а потому кварк и антикварк разлетаются в
противоположные стороны. Они не могут существовать в свободном состоянии и «обесцвечиваются»: каждый генерирует большое количество мезо́нов, летящих преимущественно в его первоначальном направлении. В итоге образуются две
достаточно узкие струи мезо́нов, которые и были зарегистрированы на опыте. Ни одна теоретическая схема, кроме кварковой, не в состоянии объяснить
сколько-нибудь естественным способом двухструйную структуру событий и описать характеристики рождающихся мезо́нов.
Таким образом, принципиальная правильность общих концепций теории кварков сейчас не вызывает никаких сомнений. Кварки несомненно
существуют, но только в связанном состоянии. Поэтому сам термин «существование» обрёл в физике микромира несколько неожиданную трактовку, и он требует даже философского переосмысления.