Физика ядра и частиц Взаимодействие частиц с веществом
Электромагнитное взаимодействие Кварки Атомное ядро Магнитный дипольный момент ядра Законы радиоактивного распада ядер. Альфа-распад. Бета-распад Естественная радиоактивность

Кварки - частицы, из которых состоят адроны

    К середине шестидесятых годов число обнаруженных сильновзаимодействующих элементарных частиц - адронов перевалило за 100. Возникла уверенность, что наблюдаемые частицы не отражают предельный элементарный уровень материи.
    В 1964 году независимо друг от друга М. Гелл-Манн и Д. Цвейг предложили модель кварков - частиц, из которых могут состоять адроны. Появление такой модели было вполне естественным. Эксперименты по рассеянию электронов на нуклонах показали, что нейтрон и протон в отличие от электрона имеют сложную структуру. Поэтому гипотеза о новых фундаментальных частицах, из которых можно строить адроны, казалась вполне правдоподобной.
    Легко видеть, что кварков в составе нуклона должно быть не меньше двух, чтобы из них можно было получить нулевой электрический заряд нейтрона и положительный - протона. Спины у нуклонов 1/2, следовательно, для того, чтобы получить такие спины, кварков в нуклоне должно быть нечетное число, а спины их полуцелые. Таким образом, в нуклоне должно быть 3 кварка двух типов. Решая несложную систему уравнений для электрических зарядов

q1 + q1 + q2 = 0,
q1 + q2 + q2 = 1,

получим q1 = -1/3 и q2 = +2/3. Приписав кваркам такие заряды и положив их спины 1/2, можно описать не только нуклоны и нуклонные резонансы, но и pi и ro-мезоны. Барионы "конструировались" из трех кварков, мезоны "конструировались" из кварка и антикварка.
    Все обнаруженные до 1974 г. адроны, в том числе и странные, для которых необходимо было ввести s-кварк,  можно было описать, составляя их из кварков всего лишь трех типов - u, d, s. При этом трехкварковая модель адронов казалась достаточно замкнутой - каждой комбинации кварков соответствовала экспериментально наблюдаемая частица, а "лишних" частиц не получалось.
    1974 год завершился для физиков сенсацией. Одновременно две группы физиков объявили о наблюдении новой частицы. Теперь ее называют jpsi. Масса обнаруженной частицы ~3.1 ГэВ. Причиной сенсации было необычайно большое время жизни jpsi. Оказалось, что ее время жизни почти в 1000 раз больше, чем у известных частиц такой массы. Дальнейшие исследования показали, что причиной такого долгожития является то, что в ее состав входит новый неизвестный ранее с-кварк, названный очарованным кварком.Было высказано предположение, что jpsi это мезон, состоящий из с-кварка и с-антикварка, т.е. это частица со скрытым очарованием. Так же как с s-кварком связано квантовое число s - странность, с-кварк несет новое квантовое число c, названное "очарованием". Очарованный кварк должен порождать новое семейство адронов, имеющих в своем составе с-кварк или с-антикварк. Все эти частицы тяжелые, т.к. масса очарованного кварка больше массы странного кварка. Итак кварков стало 4, но на этом открытие новых кварков не завершилось.


    В 1977 году были открыты нейтральные мезоны с массами около 10 ГэВ. Они получили название ипсилон-мезонов. Так же как и jpsi-мезоны они наблюдались в реакции образования мюонных пар в протон-ядерных столкновениях и на электронно-позитронных коллайдерах и также как jpsi-мезоны они долго живущие (ширина распада ipsilon-мезона 53 кэВ). Это означало открытие пятого кварка b (от beauty). В состав ipsilon-мезона входят b-кварк и b-антикварк и он обладает скрытой красотой.
    После почти двадцатилетних поисков, в 1995 году был открыт шестой, самый "тяжелый" кварк - t-кварк.
    Таким образом, на этом этапе развития наших представлений о структуре материи на первый план выходят "новые элементарные частицы" - кварки. Все адроны состоят из шести кварков и есть достаточно серьезные основания считать, что их не должно быть больше. Квантовые числа кварков приведены в табл.1.

Таблица 1

Характеристики кварков

Характеристика

Тип кварка

 

d

u

s

c

b

t

Электрический заряд Q

-1/3

+2/3

-1/3

+2/3

-1/3

+2/3

Барионное число B

1/3

1/3

1/3

1/3

1/3

1/3

Спин J

1/2

1/2

1/2

1/2

1/2

1/2

Четность P

+1

+1

+1

+1

+1

+1

Изоспин I

1/2

1/2

0

0

0

0

Проекция изоспина I3

-1/2

+1/2

0

0

0

0

Странность s

0

0

-1

0

0

0

Charm c

0

0

0

+1

0

0

Bottomness b

0

0

0

0

-1

0

Topness t

0

0

0

0

0

+1

Масса в составе адрона, ГэВ

0.33

0.33

0.51

1.8

5

180

Масса "свободного" кварка, ГэВ

0.007

0.005

0.15

1.3

4.1-4.4

178.0 + 4.3

    Каждый тип кварка имеет еще одно квантовое число - цвет, которое может принимать три значения - красный, синий и зеленый.Это чисто условные названия. Главное, что каждый кварк имеет еще три дополнительных квантовых числа. Введение цветовой степени свободы кварков было необходимо, чтобы сохранить принцип Паули. Так например у omega--гиперона все три s-кварка находятся в одном квантовом состоянии. Для одинаковых фермионов это противоречило бы принципу Паули. Необходимое различие фермионов (в данном случае s-кварков) было получено введением трех цветов. 
    Гипотеза о существовании цвета у кварков, впервые высказанная в 1965 году независимо Н. Боголюбовым, Б. Струминским, А. Тавхелидзе и М. Ханом, Й. Намбу, была впоследствии подтверждена в большом количестве экспериментов. Существует цветовая симметрия сильных взаимодействий. Сильное взаимодействие кварка не зависит от его цветового состояния, т.е. оно одинаково для всех трех цветов. Поскольку адроны состоят из кварков, то структура адронов в основном определяется сильным и электромагнитным взаимодействием кварков.

Глюоны
Чармоний, боттоний
Количество поколений фундаментальных фермионов
Слабые взаимодействия. Промежуточные бозоны
Открытие промежуточных бозонов
Слабые распады лептонов и кварков
Распады и реакции в кварковой модели
Слабые взаимодействия нарушают симметрии
Поляризация. Спиральность
Пространственная инверсия. Р-четность.
Примеры процессов с сохранением и без сохранения пространственной четности
Зарядовое сопряжение. Зарядовая четность
Комбинированная инверсия. CP-четность
Нейтральные каоны нарушают CP-симметрию
Осцилляции в пучке нейтральных каонов
Обращение времени
СРТ-теорема
Законы сохранения и симметрии
Атомное ядро
N-Z диаграмма атомных ядер
Масса и энергия связи ядра
Спин ядра
Электрический квадрупольный момент и форма ядра.
Магнитный дипольный момент ядра
Изоспин ядер. Изоспиновые мультиплеты
Дейтрон. Свойства нуклон-нуклонного взаимодействия.
Мезонная теория ядерных сил
Модели атомных ядер
Капельная модель ядра. Формула Вайцзеккера.
Модель ядерных оболочек. Одночастичные состояния.
Коллективные возбуждения ядер.
Законы радиоактивного распада ядер.
Альфа-распад.

Распространение и поглощение позитронного излучения происходит также как и электронного излучения, но естественно в магнитном и электрическом полях позитроны отклоняются в противоположном направлении по сравнению с электронами. Для позитронов характерен малый срок жизни. Позитрон существует только тогда когда движется. Замедленный позитрон взаимодействует с ближайшим электроном среды, в результате чего образуются два -кванта с энергией 0,51 Мэв каждый, излучающихся в противоположных направлениях.

Основные вопросы по курсу Физика ядра и частиц