Кварки (физика)

Данная статья была написана Владимиром Горунович и другими для сайта «Викизнание».

1 Кварки в квантовой хромодинамике

Ква́рк — гипотетическая элементарная частица в квантовой хромодинамике, рассматриваемая как составная часть адронов. Предполагается существование 6 разных видов кварков, для различия которых вводится такое понятие как «аромат». Для краткости кваркам присвоены следующие имена: u-кварк, d-кварк, c-кварк, s-кварк, t-кварк, b-кварк (R. Nave. Quarks. HyperPhysics. Georg ia State University, Department of Physics and Astronomy. Проверено 29 июня 2008).

Адроны подразделяются на барионы и мезоны (а также векторные мезоны о которых "забыли"). Если бы кварки существовали в природе, то барионы как частицы с полуцелым спином могли бы состоять из трёх кварков, а мезоны включать в себя по кварку и анти-кварку, поскольку имеют целый спин. Среди барионов наиболее хорошо изучены протон и нейтрон, входящие в состав атомных ядер. Гипотеза кварков позволила объяснить многие свойства симметрии (например, мультиплеты частиц), наблюдаемые у адронов (Quark (subatomic particle). Encyclopedia Britannica. Проверено 29 июня 2008).

Особенностью предполагаемых кварков является то, что они не наблюдаются в природе в свободном состоянии. Это означает, что они могли бы быть внутри адронов, но при распаде частиц кварки каким-то образом комбинировались так, что в результате в продуктах распада видны не кварки, а только какие-то элементарные частицы. Данную ситуацию описывают как конфайнмент, то есть удержание кварков внутри адронов (R. Nave.Confinement of Quarks. HyperPhysics. Georg ia State University, Department of Physics and Astronomy. Проверено 29 июня 2008), (R. Nave. Bag Model of Quark Confinement. HyperPhysics. Georg ia State University, Department of Physics and Astronomy. Проверено 29 июня 2008). Вследствие не наблюдаемости кварков в природе все их гипотетические свойства определяются путём расчётов косвенным путём через свойства адронов.

Предполагается, что U-кварк и d-кварк будут иметь наименьшие массы среди кварков. При распадах адронов, протекающих очень быстро, возможно входящие в состав некоторых адронов более массивные кварки должны преобразовываться, в конце концов, в u-кварки и d-кварки. В семействе адронов только нуклоны, которые могут состоять из u-кварков и d-кварков, имеют наибольшее время жизни, так что мало массивные кварки возможно будут наиболее стабильны и распространены во вселенной. Для рождения новых адронов и массивных кварков потребуются столкновения частиц с большой энергией, как это происходит в ускорителях частиц и при взаимодействии космических лучей с веществом.

В предположении калибровочного описания гипотетического сильного взаимодействия постулируется, что кварки обладают особой внутренней характеристикой, называемой «цвет». При этом у кварков предполагается наличие трёх цветов, что увеличивает количество разновидностей кварков. Каждому кварку q должен соответствовать свой анти-кварк с противоположными квантовыми числами, включая анти-цвет. При образовании из кварков (анти-кварков) адронов комбинация цветных кварков должна дать бесцветный адрон (как в оптике при сложении дополнительных цветов можно получить белый свет). Кварки располагают в три поколения, по два кварка в каждом.

Гипотетическим кваркам приписывается электрический заряд, кратный e/3 (где e – элементарный заряд), и спин ½ в единицах постоянной Дирака ħ. Предполагается, что в каждом поколении один кварк обладает зарядом +2/3, а другой — (−1/3). Исходя из значения спина, кварки будут фермионами. Предполагаемые массы кварков точно не определены, поскольку будут зависеть от условий, в которых их вычисляют. В отличие от наблюдаемых в природе элементарных частиц, кварки, возможно, будут иметь дробный электрический заряд, и участвовать во всех фундаментальных взаимодействиях постулируемых квантовой теорией, включая электромагнитное, гипотетическое слабое, гипотетическое сильное и гравитационное взаимодействия.

2 Кварки в природе

Если бы кварки действительно существовали в природе - тогда в природе должны были бы существовать элементарные частицы с электрическим зарядом, кратным заряду кварков (а не только ±e):

• мезоны с электрическим зарядом (1/3, 2/3, 1, 4/3)e;

• барионы с электрическим зарядом (1/3, 2/3, 1, 4/3, 5/3, 2)e.

Поскольку в природе не наблюдаются элементарные частицы с дробным электрическим зарядом, то в природе нет и кварков. Следовательно, гипотеза кварков не соответствует действительности.

Полевая теория элементарных частиц исключает возможность существования в природе элементарных частиц с дробным электрическим зарядом - дробный электрический заряд внутри элементарных частиц есть, но он имеет несколько иную величину (не кратную 1/3) и связан с дипольным электрическим полем, а не с гипотетическими кварками. Поэтому полевая теория элементарных частиц исключает возможность существования кварков в природе.