кварковый заряд что это

Кварки

Содержание

Ква́рк — фундаментальная частица в Стандартной модели, обладающая электрическим зарядом, кратным e/3, и не наблюдающаяся в свободном состоянии. Из кварков состоят адроны, в частности, протон и нейтрон. В настоящее время известно 6 разных «сортов» (чаще говорят — «ароматов») кварков, свойства которых даны в таблице. Кроме того, для калибровочного описания сильного взаимодействия постулируется, что кварки обладают и дополнительной внутренней характеристикой, называемой «цвет». Каждому кварку соответствует антикварк с противоположными квантовыми числами.

Гипотеза о том, что адроны построены из специфических субъединиц, была впервые выдвинута М. Гелл-Манном и, независимо от него, Дж. Цвейгом в 1964 году.

Слово «кварк» было заимствовано Гелл-Манном из романа Дж. Джойса «Поминки по Финнегану», где в одном из эпизодов звучит фраза «Three quarks for Muster Mark!» (обычно переводится как «Три кварка для мюстера Марка!»). Само слово «quark» в этой фразе предположительно является звукоподражанием крику морских птиц. Дж. Цвейг называл их тузами, но данное название не прижилось и забылось — возможно, потому, что тузов четыре, а кварков в первоначальной модели было три.

Свойства кварков

3 МэВ/c 2

В силу неизвестных пока причин, кварки естественным образом группируются в три так называемые поколения (они так и представлены в таблице). В каждом поколении один кварк обладает зарядом +2/3, а другой — (−1/3). Подразделение на поколения распространяется также и на лептоны.

Кварки участвуют в сильных, слабых и электромагнитных взаимодействиях. Сильные взаимодействия (обмен глюоном) могут изменять цвет кварка, но не меняют его аромат. Слабые взаимодействия, наоборот, не меняют цвет, но могут менять аромат. Необычные свойства сильного взаимодействия приводят к тому, что одиночный кварк не может удалиться на какое-либо заметное расстояние от других кварков, а значит, кварки не могут наблюдаться в свободном виде (явление, получившее название конфайнмент). Разлететься могут лишь «бесцветные» комбинации кварков — адроны.

Реальность кварков

Из-за непривычного свойства сильного взаимодействия — конфайнмента — часто неспециалистами задаётся вопрос: а откуда мы уверены, что кварки существуют, если их никто никогда не увидит в свободном виде? Может, они — лишь математическая абстракция, и протон вовсе не состоит из них?

Причины того, что кварки считаются реально существующими объектами, таковы:

В целом, можно сказать, что гипотеза кварков и всё, что из неё вытекает (в частности, КХД), является наиболее консервативной гипотезой относительно строения адронов, которая способна объяснить имеющиеся экспериментальные данные. Попытки обойтись без кварков наталкиваются на трудности с описанием всех тех многочисленных экспериментов, которые очень естественно описывались в кварковой модели.

Альтернативные модели

Открытые вопросы

В отношении кварков остаются вопросы, на которые пока нет ответа:

Впрочем, история с адронами и кварками, а также симметрия между кварками и лептонами, наводит на подозрение, что кварки могут сами состоять из чего-то более простого. Рабочее название для гипотетических частиц-составляющих кварков — преоны. С точки зрения эксперимента, до сих пор никаких подозрений на неточечную структуру кварков не возникало. Однако попытки построить такие теории делаются независимо от эксперимента. Серьёзного успеха в этом направлении пока нет.

Другой подход состоит в построении теории Великого Объединения. Польза от такой теории была бы не только в объединении сильного и электрослабого взаимодействий, но и в едином описании лептонов и кварков. Несмотря на активные исследования, построить такую теорию также пока не удалось.

Источник

Кварк

Содержание

Кварк — фундаментальная частица в Стандартной модели, обладающая электрическим зарядом, кратным e/3, и не наблюдающаяся в свободном состоянии. Кварки являются точечными частицами вплоть до масштаба примерно 0,5·10 −19 м, что примерно в 20 тысяч раз меньше размера протона. Из кварков состоят адроны, в частности, протон и нейтрон. В настоящее время известно 6 разных «сортов» (чаще говорят — «ароматов») кварков, свойства которых даны в таблице. Кроме того, для калибровочного описания сильного взаимодействия постулируется, что кварки обладают и дополнительной внутренней характеристикой, называемой «цвет». Каждому кварку соответствует антикварк с противоположными квантовыми числами.

Гипотеза о том, что адроны построены из специфических субъединиц, была впервые выдвинута М. Гелл-Манном и, независимо от него, Дж. Цвейгом в 1964 году.

Дж. Цвейг называл их тузами, но данное название не прижилось и забылось — возможно, потому, что тузов четыре, а кварков в первоначальной модели было три.

Свойства кварков

3 МэВ/c²

В силу неизвестных пока причин, кварки естественным образом группируются в три так называемые поколения (они так и представлены в таблице). В каждом поколении один кварк обладает зарядом + 2 /₃, а другой — − 1 /₃. Подразделение на поколения распространяется также и на лептоны.

Кварки участвуют в сильных, слабых и электромагнитных взаимодействиях. Сильные взаимодействия (обмен глюоном) могут изменять цвет кварка, но не меняют его аромат. Слабые взаимодействия, наоборот, не меняют цвет, но могут менять аромат. Необычные свойства сильного взаимодействия приводят к тому, что одиночный кварк не может удалиться на какое-либо существенное расстояние от других кварков, а значит, кварки не могут наблюдаться в свободном виде (явление, получившее название конфайнмент). Разлететься могут лишь «бесцветные» комбинации кварков — адроны.

Реальность кварков

Из-за непривычного свойства сильного взаимодействия — конфайнмента — часто неспециалистами задаётся вопрос: а откуда мы уверены, что кварки существуют, если их никто никогда не увидит в свободном виде? Может, они — лишь математическая абстракция, и протон вовсе не состоит из них?

Причины, по которым кварки считают реально существующими объектами, таковы:

В целом, можно сказать, что гипотеза кварков и всё, что из неё вытекает (в частности, КХД), является наиболее консервативной гипотезой относительно строения адронов, которая способна объяснить имеющиеся экспериментальные данные. Попытки обойтись без кварков наталкиваются на трудности с описанием всех тех многочисленных экспериментов, которые очень естественно описывались в кварковой модели.

Открытые вопросы

В отношении кварков остаются вопросы, на которые пока нет ответа:

Впрочем, история с адронами и кварками, а также симметрия между кварками и лептонами, наводит на подозрение, что кварки могут сами состоять из чего-то более простого. Рабочее название для гипотетических частиц-составляющих кварков — преоны. С точки зрения данных экспериментов, до сих пор никаких подозрений на неточечную структуру кварков не возникало. Однако попытки построить такие теории делаются независимо от экспериментов. Серьёзных успехов в этом направлении пока нет.

Другой подход состоит в построении теории Великого объединения. Польза от такой теории была бы не только в объединении сильного и электрослабого взаимодействий, но и в едином описании лептонов и кварков. Несмотря на активные усилия, построить такую теорию также пока не удалось.

Источник

Кварковый заряд что это

По мнению ученых, человечеству нужно очень надеяться, что подобные вооружения останутся лишь на страницах фантастических романов

Специалисты отмечают, что это чуть меньше, чем выделяется энергии при слиянии ядер дейтерия и трития с образованием ядра гелия — реакции, лежащей в основе термоядерного синтеза. По подсчетам физиков, слияние двух более тяжелых B-кварков даст 138 мегаэлектронвольт энергии, позволив получить реакцию в десятки раз мощнее термоядерной.

Успех западных физиков тут же вновь актуализировал вопрос о возможности создания кварковой бомбы. «Если кидать в кварковое вещество обычное, то оно превратится в кварковое, причем с выделением энергии. Часть унесет нейтрино, часть пойдет в тепло, – поделился своими размышлениями с журналистами «РИА Новости» доктор физико-математических наук Сергей Попов, ведущий научный сотрудник Государственного астрономического института имени П. К. Штернберга. – При этом поглотить всю планету начавшаяся реакция не сможет, так как кварковое вещество, так же как и ядра обычных атомов, имеют положительный заряд, а значит, при достижении определенной пороговой величины процесс будет прерван. «От заряда придется избавляться. Можно, в принципе, придумать как. Почему бы и нет? Ученые пытаются обсуждать даже, как черпать энергию из расширяющейся Вселенной. Мы не знаем, реализуется ли такой процесс в природе, удастся ли им манипулировать. Но понимая, что проблемы технические, а не фундаментальные, я не могу не допустить эту идею в фантастическом романе», – пояснил ученый.

Источник

Ещё дальше в микромир: кварки

Когда ядро кувалдой разбиваешь,
Добыть пытаясь в нём какой-нибудь нейтрон —
Оттуда вдруг со страшным скрипом выползает
Частица анти-сигма-минус-гиперон.

Из физфаковской песни

Эта статья для тех, кто читал про элементарные частицы и ядерные реакции в «Квантиках» № 8 и № 9 за 2019 г. Раз вы уже так много узнали, нужно признаться вам ещё кое в чём. До сих пор у нас так получалось, что всё на свете состоит из протонов, нейтронов (объединённых в атомные ядра) и электронов. И это правда — почти. Всё вещество, с которым мы привыкли иметь дело, всё, что мы видим вокруг, действительно именно из них и состоит. Но всё же это не единственные на свете виды элементарных частиц. Если хорошенько поискать, найдутся и другие. И этих видов очень много! Если очень сильно стукнуть по ядру «кувалдой», оттуда элементарные частицы так и посыпятся. Всякие-разные мезоны, гипероны, совсем недолго живущие резонансы. Откуда они все берутся в ядре, если их там не было? И как стукнуть по ядру кувалдой? Точнее, что взять вместо кувалды, чтобы по такому маленькому ядру попасть?

Такие установки, в которых разгоняются заряженные частицы (можно и электроны разгонять, не обязательно протоны), называются ускорителями. А установки, в которых разогнанные частицы сталкиваются друг с другом, называются ускорителями на встречных пучках, или коллайдерами: to collide по-английски — ‘сталкиваться’.

Ну хорошо, стукнем мы очень сильно протоном по антипротону (или по протону или нейтрону в ядре) — что же при этом произойдёт? А вот что: во все стороны полетит куча протонов, антипротонов и новых, незнакомых нам пока частиц. Откуда они все там взялись? Ответ такой: родились.

Мы привыкли к закону сохранения массы: материя просто исчезнуть не может. Если игрушка пропала — значит, она или её обломки лежат где-нибудь под шкафом. Даже если вода из стакана исчезла, мы понимаем, что она испарилась, и масса водяных паров в воздухе увеличилась на столько же, на сколько уменьшилась масса воды. Закон сохранения массы прекрасно работает в окружающей нас природе, но не годится, когда скорости близки к скорости света.

Чтобы породить при столкновении новую пару протон-антипротон, надо разогнать уже имеющиеся частицы «батарейкой» напряжением в миллиард (!) вольт. Пару электрон-позитрон породить гораздо легче, ведь они в 2000 раз легче протона — поэтому хватит «батарейки» в полмиллиона вольт. Самый мощный из существующих Большой адронный коллайдер на границе Швейцарии и Франции имеет «разгонную батарейку» напряжением в 7 тысяч миллиардов вольт! Так что при столкновении рождаются не одна-две, а сотни и тысячи частиц.

Некоторые из них легче протонов, другие — во много раз тяжелее. Одни заряжены, другие нет. Их открыто уже больше 300. Но все частицы, из которых состоит материя, кроме уже известных нам протонов, электронов и их античастиц, да ещё нескольких совсем-совсем легких, — нестабильны, то есть распадаются (превращаются во что-то другое) через короткое время. Для нейтрона это время, как вы, может быть, помните из прошлой статьи, около 15 минут. Для всех остальных частиц — намного меньше, это крошечные доли секунды.

Но как же теперь быть? Только мы решили, что всё на свете состоит всего из трёх сортов элементарных «кирпичиков» — а их, оказывается, снова целый зоопарк. Как в них разбираться?

А что же остальные, адроны, которых несколько сотен? Вот они все состоят из. кварков.

Кварков тоже всего 12, как и лептонов, и тоже половина из них — антикварки. Остаётся 6. И они тоже подразделяются, как и лептоны, на три пары, которые по свойствам похожи друг на друга, а отличаются массой. В каждой паре один из кварков имеет заряд плюс 2/3 заряда электрона (!), а другой — минус 1/3. У антикварков, как всегда, всё ровно наоборот.

Таблица 2. Кварки: их обозначения, английские и русские названия и заряды

Цветная линия показывает порядок возрастания массы. Обратите внимание, что заряды более тяжёлого и более лёгкого кварков в первом столбце «перепутаны» по сравнению с остальными столбцами.

Вот новости! До сих пор у нас дробных зарядов не было. И не будет! Кварки могут комбинироваться только в такие сочетания, в которых их суммарный заряд (в единицах заряда электрона) целый. И только в таких сочетаниях их можно наблюдать в природе. Эти сочетания и есть элементарные частицы; хоть они и состоят из кварков, но отдельный кварк из них выделить нельзя, невозможно разделить элементарную частицу на кусочки. Поэтому они всё-таки элементарные, несмотря на их внутреннюю структуру.

Удивительное свойство «пленения» кварков внутри частицы называется конфайнментом. Во всех уже изученных нами взаимодействиях чем дальше частицы оказываются друг от друга, тем слабее сила, притягивающая их друг к другу (или отталкивающая). А у кварков наоборот — чем дальше они отодвигаются друг от друга, тем сильнее притягиваются! И наоборот: чем ближе они друг к другу прижимаются, тем слабее взаимодействуют. Как и почему такое получается, пока не очень понятно.

Задача 1

Задача 2

Второй нестранный адрон — это нейтрон. Из каких кварков состоит он? Бывает ли антинейтрон?

Нейтрон: \(uud\). Антинейтрон — не то же самое, что нейтрон: \(\bar\bar\bar\).

Задача 3

Гиперонами называют странные, но не очарованные (и тем более не прелестные) барионы. Сигма-гипероны — лёгкие. Индекс плюс или минус (или ноль) в обозначении и названии адрона соответствует знаку заряда. Что же такое анти-сигма-минус-гиперон? Отличается ли он от сигма-плюс-гиперона?

Сигма-минус-гиперон, Σ − : \(dds\), анти-сигма-минус-гиперон: \(\bar\bar\bar\). Другой гиперон с зарядом +1 — сигма-плюс-гиперон, Σ + : \(uus\).

Бывают ещё тетра— и пентакварки, состоящие из четырёх и пяти кварков. Но это уже совсем экзотика.

Кварки участвуют в сильном взаимодействии — собственно, их конфайнмент это как раз проявление сильного взаимодействия. И уж там, внутри адрона, это взаимодействие действительно сильное — его энергия во много раз больше энергии, заключённой в самих кварках. Из-за этого масса любого адрона много больше массы составляющих его кварков. Сильное взаимодействие, которое удерживает протоны и нейтроны в ядре, — это всего лишь жалкие «хвостики» тех сил, которые бушуют внутри них самих. И в слабом взаимодействии кварки тоже участвуют — иначе как бы могли в нём участвовать сделанные из них адроны? Легко догадаться, что уже знакомый нам по прошлой статье распад нейтрона — это превращение d-кварка в u-кварк: \(d\) → \(u\) + \(e\) − + \(\bar<ν>\)_\(e\).

Теория кварков прекрасно объясняет многочисленные виды новых частиц, рождающихся в столкновениях при очень высоких энергиях. К сожалению, для понимания того, что творится в атомных ядрах при обычных «ядерных» энергиях — например, для понимания, как именно устроены ядерные силы или какие именно ядра устойчивы, а какие нет и почему, — она не очень помогает. Во всяком случае, и в «кварковой» теории, и в «обычной» ядерной физике ещё куча неотгаданных загадок. Подрастайте, некоторые из них вас дождутся!

Художник Мария Усеинова

1 Они называются фундаментальными.

2 Есть ещё несколько особых частиц — переносчиков взаимодействия. Здесь мы их обсуждать не будем.

Источник

«Хорошо, что кварки связаны». Ученые рассказали о субатомном оружии

МОСКВА, 3 авг — РИА Новости, Татьяна Пичугина. Теоретики полагают, что во Вселенной существует кварковое вещество. Оно образует звезды, блуждает по космосу, достигая Земли в виде страпелек, на мгновение возникает в ускорителях. Найдется ли кваркам и энергии их взаимодействия практическое применение — в материале РИА Новости.

Пруд во Вселенной

Все, что мы видим вокруг — почва, деревья, животные, люди, — на базовом уровне состоит из кварков. И у них очень необычные свойства.

Кварки не существуют по отдельности, а образуют агрегаты, например, протоны и нейтроны в ядрах обычного вещества. Между собой кварки связаны чудовищными силами, разорвать которые нельзя.

Кварки — массивные частицы. Массу им придает вакуумный конденсат, равномерно заполняющий все пространство.

«Вакуум — это наша среда обитания, в которую мы все погружены. Раньше считали, что пространство абсолютно пустое. Теперь поняли: так не бывает. Пространство всегда чем-нибудь заполнено. Его можно очистить от посторонних частиц, но не до конца. Что-то в любом случае остается, в том числе хиггсовский, глюонный конденсаты», — рассказывает доктор физико-математических наук Сергей Баранов, ведущий научный сотрудник лаборатории взаимодействия излучения с веществом ФИАН.

Вакуумные конденсаты равномерно разлиты в пространстве, словно вода в пруду, приводит аналогию ученый. Когда вода спокойная, мы ее не замечаем. Подул ветер — пошла волна, которую мы и наблюдаем.

У кварков ненулевой «коэффициент вязкости» в хиггсовском конденсате, а также есть цветовой заряд, благодаря которому они «цепляются» за глюонный конденсат. Поэтому их масса складывается из двух источников.

Кварки неделимы, их по праву можно назвать истинными кирпичиками мироздания. Стандартная модель описывает шесть типов кварков в трех поколениях. Самый тяжелый — топ-кварк — смогли обнаружить только в мощнейших ускорителях (Теватрон, БАК).

Можно ли расщепить кварки

Кварки и глюонный конденсат взаимодействуют благодаря особой характеристике — цвету. Конечно, это совсем не то, что мы называем цветом в нашей реальности.

«Цветной заряд похож на электрический, только сложнее устроен. Силовые электрические линии располагаются гуще или реже — в зависимости от расстояния до носителя заряда. У цветного заряда картина иная. Все силовые линии стянуты в узкий шнурок, соединяющий два цветных заряда. Толщина у него постоянная. Это означает, что напряжение поля между зарядами не меняется с расстоянием. Строго говоря, разъединить кварки нельзя, потому что нужно затратить бесконечную энергию», — поясняет Баранов.

Однако природа устроена более хитро. В ускорителе кварки растягивают связывающий их силовой шнурок, и в какой-то момент он просто рвется, потому что так энергетически выгоднее. При этом на концах шнурков образуются новые кварки с массой, равной затраченной на разрыв энергии. И возникает всегда тоже пара — на цветном шнурке. Это называется конфайнментом.

Конфайнмент ставит крест на кварковой бомбе. Расщепить кварковые агрегаты и запустить цепную реакцию их распада с выделением энергии, по аналогии с ядерным распадом, нельзя.

«Энергия в кварках не запасается, а превращается во множество родившихся в этом столкновении частиц. Пока это игрушки для ума, от которых практической выгоды не видно», — заключает Сергей Баранов.

Кварковый термояд

Что если рассмотреть не распад кварков, а их синтез? Согласно опубликованной в Nature статье физиков из Израиля и США, слияние двух странных кварков (так называют одну из их разновидностей) с образованием дикварка сопровождается выходом энергии 12 мегаэлектронвольт. Это чуть меньше, чем при слиянии ядер дейтерия и трития с образованием ядра гелия — реакции, используемой в водородной бомбе. Слияние двух более тяжелых B-кварков даст 138 мегаэлектронвольт.

Однако кварковый синтез слишком стремителен, чтобы успеть его куда-то упаковать или как-то удержать.

«Если кидать в кварковое вещество обычное, то оно превратится в кварковое, причем с выделением энергии. Часть унесет нейтрино, часть пойдет в тепло», — рассуждает доктор физико-математических наук Сергей Попов, ведущий научный сотрудник Государственного астрономического института имени П. К. Штернберга.

И добавляет, что совсем поглотить наш мир кварковое вещество не сможет. Оно заряжено положительно, как и атомные ядра. Следовательно, заряд будет накапливаться, и кварковое пожирание материи в какой-то момент затормозится.

«От заряда придется избавляться. Можно, в принципе, придумать как. Почему бы и нет? Ученые пытаются обсуждать даже, как черпать энергию из расширяющейся Вселенной. Мы не знаем, реализуется ли такой процесс в природе, удастся ли им манипулировать. Но понимая, что проблемы технические, а не фундаментальные, я не могу не допустить эту идею в фантастическом романе», — говорит ученый.

Пульс звезд

Гипотезу о кварках выдвинули в 1964 году американские ученые. Уже через год советские физики Дмитрий Иваненко и Дмитрий Курдгелаидзе предположили, что при некоторых условиях кварки могут существовать по отдельности (произойдет деконфайнмент). Следовательно, они способны образовывать вещество и звезды. Попытки найти в космосе такие объекты пока не увенчались успехом, однако это не значит, что их нет.

«Возможно, какие-то из нейтронных звезд — кварковые с тоненькой оболочкой обычного вещества», — объясняет Сергей Попов.

Нейтронные звезды очень плотные. Их радиус — всего десятки километров. Не исключено, что внутренняя часть состоит из отдельных кварков. Теоретически возможны и целиком кварковые звезды с радиусом шесть-восемь километров.

«Если сближать нейтроны, произойдет обобществление кварков, образуется кварковое ядро во внутренней части звезды. В разных моделях такие ядра возникают. Но на нынешней стадии развития наблюдательной астрофизики ни подтвердить, ни опровергнуть это нельзя», — уточняет Олег Теряев.

Источник