FAQ: Кварки

1.Русская матрешка

Природа, как мы сейчас понимаем, построена по принципу русской матрешки, в которой есть несколько слоев. Мы открываем каждый раз новый слой, и там появляется что-то новое. Так и в природе: есть атом, в нем атомное ядро, которое в свою очередь состоит из протонов и нейтронов. Когда-то ученые думали, что эти протоны и нейтроны и есть элементарные частицы. Потом оказалось, что таких частиц гораздо больше. Сначала в космических лучах, потом на ускорителях стали открывать все новые и новые частицы, их образовалось несколько десятков, и возникло желание как-то их классифицировать, создать систему наподобие таблицы Менделеева, где все эти частицы занимали свои места.

2.Восьмеричный путь

Оказалось, что можно этого добиться, если предположить, что протоны, нейтроны, к-мезоны, ро-мезоны и другие элементарные частицы, которые открыли физики, состоят из еще более мелких составляющих, которые и предложили назвать кварками. Для того чтобы составить все известные на то время частицы, достаточно было всего трех таких вот «кирпичиков». Эти составляющие получили названия «верхний», «нижний» и «странный» — u, d и s (от английских слов up, down и strange).

За этими кубиками стояла определённая математическая конструкция — «теория групп», которая говорила о том, что все частицы должны образовывать некие «семейства». Эти семейства могли состоять из трех, восьми, девяти или десяти частиц. Оказалось, что все элементарные частицы, которые к тому времени были открыты, очень хорошо укладывались в эти самые «семейства». При этом в них ещё оставались незанятые места, которым должны были соответствовать новые частицы. Эти частицы были впоследствии открыты. Такой путь построения частиц получил название «восьмеричный путь».

3.Очарованная физика

Однако в 1974 году была открыта новая частица, которая не укладывалась в эту схему. Оказалось, что для того, чтобы ее объяснить, пришлось придумать еще одну частицу, еще один кварк, четвертый.

Более того, когда физики пытались построить теорию, которая объясняет не просто наличие частиц, а описывает их свойства, взаимодействие, взаимные превращения, три кварка оказались неудачной комбинацией, поскольку некоторые распады частиц, которые в природе почему-то не обнаружены, в этой теории, наоборот, происходят. И тогда поняли, что вот если бы было четыре кварка, то тогда эти распады были бы подавлены, и всё пришло бы в соответствие с наблюдениями.

Четвертый кварк получил название «очарованный кварк», или по-английски charmed, с-кварк. Он породил целую «физику очарования». Через некоторое время открыли пятый кварк, который получил название b-кварк, по-английски от слова bottom, или от английского слова beauty, то есть «прелестный» или «прекрасный».

Кварков стало пять, и опять возникла та самая проблема с подавлением нежелательных распадов. Тогда стали искать шестой кварк. И в конце прошлого века он был найден, его назвали t, или top, или truth, и в результате появилась система из шести кварков.

4.Поколения кварков

Но когда кварков стало шесть, стали думать уже не просто о том, что все частицы строятся из них, а о собственной классификации самих кварков. Оказалось, что кварки обладают специфическим свойством: они группируются в пары и обладают абсолютно идентичными свойствами внутри них. Первая пара — это u- и d-кварки, которые были с самого начала, вторая пара — это c- и s-, и третья пара — это top и bottom. Единственное, что их отличает: каждая следующая пара тяжелей предыдущей.

И тогда возникла идея, что частицы образуют так называемые «поколения». Существуют три поколения: первые пара кварков — это первое поколение, вторая пара — второе поколение, третья пара — это третье поколение, и они абсолютно идентичны, только одно поколение старше другого. На языке физики «старше» означает в данном случае «тяжелее». То есть существуют три поколения, и возникает вопрос: почему, собственно, нужно три поколения? На этот вопрос есть ответ, но связан он уже со свойствами Вселенной, точнее с барионной асимметрией Вселенной — неравенством числа барионов и антибарионов.

5.Свойства кварков

У протона есть электрический заряд. В единицах заряда электрона этот заряд равен +1. У нейтрона заряда нет. У кварков, если они образуют протоны и нейтроны, должен быть такой электрический заряд, чтобы в сумме получился нужный заряд протона и нейтрона. Поскольку протон состоит из трех кварков, то весьма естественно предположить, что электрический заряд кварка кратен одной трети. Вот так мы и выбираем: электрический заряд u-кварка — две трети, d-кварка — минус одна треть. Значит, как протон строится из кварков — uud: две трети плюс две трети минус одна треть получается +1. А как нейтрон строится — udd: две трети минус одна треть минус одна треть получается ноль.

Все барионы — сильновзаимодействующие частицы, имеющие полуцелый спин, то есть спин одна вторая, три вторых и так далее, — состоят из трех кварков. Каждый кварк имеет спин одна вторая. И из трех этих половинок набирается полуцелый спин бариона. Мы всегда строим комбинации из трех кварков. А мезоны имеют спин ноль, поэтому они строятся из двух кварков: со спином либо плюс половинка, либо минус половинка. Вот так, например, известный π-мезон — переносчик ядерных сил — имеет спин ноль, а заряд у него бывает либо плюс один, либо минус один, либо ноль. Он состоит из двух кварков, точнее из кварка и антикварка.

У всех частиц есть античастицы, так же и у кварков они есть. Античастицы имеют противоположный электрический заряд. Вот если мы возьмем, скажем, u-кварк и анти-d-кварк: u-кварк — это заряд две трети, у d-кварка — минус одна треть; соответственно, у анти-d — плюс одна треть; значит, две трети плюс одна треть равняется единице. Вот получается π-мезон. И так все остальное.

Таким образом из кварков с дробными зарядами строятся все наблюдаемые элементарные частицы, как барионы, так и мезоны.