Открытие Вселенной - прошлое, настоящее, будущее
Шрифт:
Кварки (от англ. quark - образ таинственного духа, заимствованный из романа Джеймса Джойса "Поминки по Финнегану") - особые фермионы, существующие внутри адронов, но пока никогда не наблюдавшиеся в свободном виде. Несмотря на это, кварки считаются экспериментально обнаруженными объектами, например, очень быстрые электроны сталкиваются с ними, пролетая сквозь адрон. Для описания современных данных, связанных с адронами, вводят пять типов кварков - так называемых ароматов: u (верхний, от англ. up), d (нижний, от англ. down), с (очарованный, от англ. charm), s (странный, от англ. strange), b (прелестный от англ. beauty, или низший от англ. bottom), кроме того, есть серьезные теоретические основания дополнить их шестым t кварком (высшим от англ. top). Это устанавливает очень полезную симметрию между кварками и лептонами, которую можно задать классификацией обоих семейств по поколениям.
* Такие наименования, как аромат, цвет или очарование - чисто художественные образы, не имеющие отношения к попыткам (в духе древней натурфилософии) понюхать кварки или оценить их "истинное лицо". Поток художественных образов, обрушившийся в последнее время на многие области фундаментальных исследований, можно расценивать как естественную реакцию на формалистическое засушивание языка научных статей и книг.
Данная схема позволяет полностью классифицировать все известные адроны по определенному кварковому составу. Например, считают, что протон состоит из двух u- и одного d-кварка, причем его полный электрический заряд единица (+2/3 + 2/3 -1/3 = +1). Нейтрон представляется комбинацией udd (+2/3 1/3 - 1/3 = 0), ?-гиперон - uds, мезоны - комбинацией кварка и антикварка
(?+ = ud, K+ = us, D+ = cd, F+ = cs, ? = сс, ? = bb и т. п.). Очень важно, что цвета кварков подбираются таким образом, что все наблюдаемые адроны оказываются цветонейтральными или белыми (пользуясь аналогией в смысле смешения трех чистых цветов). В этом плане цветовой заряд похож на электрический, скажем, нейтральный атом водорода можно считать смесью чистого отрицательного (электрон) и положительного (протон) электрических зарядов.
Массы кварков, нерегистрируемых в свободном состоянии, определяются лишь косвенно по анализу их связанных состояний - адронов. Поэтому речь может идти лишь о несколько неопределенной эффективной массовой характеристике. Современные данные позволяют привести, например, такой набор оценок: mu ~ 5 МэВ, md ~ 7 МэВ, ms ~ 150 МэВ, mс ~ 1,4 ГэВ, mb ~ 4,8 ГэВ, mt > 20 ГэВ.
Глюоны (от англ. glue - клей) - безмассовые частицы, играющие роль кваркового клея. Именно глюоны переносят взаимодействие между кварками и удерживают последние в "безвыходной темнице" внутри адронов. Современные теоретические схемы используют 8 глюонов, которые в роли переносчиков взаимодействия похожи на фотон и промежуточные бозоны (тоже имеют спин единица и являются калибровочными бозонами). Но фотон обеспечивает электромагнитную связь, будучи сам электрически нейтральной частицей, тогда как некоторые глюоны сами несут цветовой заряд, и каждый глюон может быть источником других глюонов. 6 глюонов обеспечивают изменение кварковых цветов в процессах взаимодействия, а 2 - ответственны за взаимодействия кварков, сохраняющих цвет. По современным представлениям, глюонные силы оригинальны в том отношении, что они исчезают на очень малых расстояниях, но могут стать велики на больших.
Адроны (от греч. hadros - тяжелый, сильный) - самое обширное семейство частиц, в которое включают и бозоны (мезоны) и фермионы (барионы), сильно взаимодействующие друг с другом. Массы и времена жизни некоторых адронов приводятся в таблице:
ТАБЛИЦА АДРОНОВ
#
Частица Название Масса (МэВ) Время жизни (сек) или ?-ширина для резонансов (МэВ)
#
Мезоны
Стабильные
?0 ?-ноль-мезон 134,9739 (6) 8,4.10-17
?+- ?+--мезон 139,5675 (4) 2,6030 (24).10-8
? Эта-мезон 548,8 (6) ( 8.10-19
(? = (1,19 +- 0,12) кэВ)
Резонансы
? (770) ро-770 768,3 (5) 149,1 (2,9)
?(783) омега-783 781,95 (14) 8,43 (10)
............ .................. .................. ...............
J/? (3097) джи-пси-мезон 3096,93 (9) 0,068 (10)
............ .................. .................. ...............
? (11020) ипсилон-мезон 11019 (8) 79 (16)
Барионы
Стабильные
p протон 938,27231 (28) (0,1 ? 5).1032 лет
n нейтрон 939,56563 (28) 888,6 (3,5)
? лямбда- гиперон 1115,63 (5) 2,632 (20).10-10
?- омега-минус-гиперон 1672,43 (32) 0,822 (12).10-10
Резонансы
N (1700)
эн-1700 1700 (от 1670 до 1730) 100 (от 70 до 120)............ .................. .................. ...............
? (1232) дельта-три-три 1232 (от 1230 до 1234) 115 (от110 до 120)
............ .................. .................. ...............
N (2600) эн-2600 от 2580 до 2700 ( 400
Эта таблица требует некоторых пояснений. Во-первых, адронов насчитывается 2-3 сотни. Столь удивительная приблизительность связана с тем, что не все они зарегистрированы с одинаковой долей точности. В полных таблицах элементарных частиц приводится 4 степени регистрации (хорошая; ясная и безошибочная; хорошая, но нуждающаяся в подтверждении; слабая). Наряду с отмеченными в таблицу входят обширные группы мезонов (К, D, F, В, ?, ? и др.) и барионов (N, ?, ?, ?, дибарионы). При оценке количества частиц надо иметь в виду, что за некоторыми символами иногда скрывается много частиц. Один из таких случаев явно раскрыт в таблице: ?-мезон - это три близких по массе частицы с разными зарядами (?+, ?- и ?0). Столько же частиц скрывается за символом ? (?+, ?- и ?0), а барионный резонанс ? (1232) - это целых четыре состояния (?++ , ?+, ?0 и ?-). В целом, можно сделать вывод, что адроны образуют довольно плотный спектр состояний мезоны в интервале 135- 11 000 МэВ, а барионы в интервале 940-3000 МэВ. Во-вторых, следует немного задержать внимание на разделении мезонов и барионов на подклассы стабильных и нестабильных (резонансы). На самом деле единственный абсолютно стабильный адрон - это протон, хотя теоретики не уверены и в этом. Стабильными адронами обычно называют те, которые имеют относительно большое время жизни в ядерном масштабе времен (10-23 с), то есть распадаются за счет сравнительно малоинтенсивных слабых (?+-, n, ?-) и электромагнитных (?0, ?) взаимодействий. Резонансы же распадаются очень быстро за счет сильных взаимодействий, и для характеризации этих распадов используют так называемую ?-ширину, обратно пропорциональную времени жизни (? = h/?)*. Из-за быстрого распада резонансы обычно не оставляют собственного следа в регистрирующих устройствах, но приводят к вполне определенной перестройке в распределениях непосредственно детектируемых частиц по энергии, главным образом к возникновению пиков в этих распределениях при тех или иных значениях энергии. Пиковые значения энергии и определяются как массы адронных резонансов, а ширина пика ("размытость массы резонанса") и есть ?-ширина.
* Для расчета собственного времени жизни через ?-ширину удобно использовать постоянную Планка в форме h = 6,5821220(20).10-22 МэВ.с. Таким образом, для ?-мезона получаем ?? ? 4,3.10-24 с, а для J/?
– мезона - ?J/? ? 10-20 с.
Все адроны обладают кварковой структурой, и их в какой-то степени можно рассматривать как кварковые атомы или молекулы. Но в отличие от последних силы, связывающие структурные единицы, имеют неэлектромагнитную природу и вообще ведут себя весьма оригинально - нарастают при попытке раздвинуть кварки на большие расстояния. По современным представлениям этот рост межкварковых сил столь эффективен, что "ионизировать" адрон, т. е. расщепить его на отдельные кварки, невозможно. Здесь усматривается принципиальная разница между сложными адронами и такими структурными уровнями вещества, как атомно-молекулярный и даже ядерный. И атомы и ядра сравнительно легко расщепляются на составные части, адрон же представляет собой, по-видимому, первый пример нерасщепляемой структуры.
Вообще-то, в разных типах экспериментов адроны выглядят несколько по-разному. Скажем, в виде набора 2-3 кварков они проявляются при попытке передать им очень большой импульс, по сути - при попытке заглянуть в глубину адрона. Между прочим, даже такой явно составной ядерный объект, как дейтерий (ядро атома тяжелого водорода, в котором протон связан с нейтроном), при жестком просвечивании похож на набор 6 кварков, разумеется, отбросив все случаи развала на протон и нейтрон.
При менее глубоком зондировании (небольших передачах импульса) адрон представляет собой что-то вроде облака плотной материи, размазанного по области пространства радиусом порядка 10-13 см.
Если весьма грубо усреднить известные данные об адронах, эти частицы
можно нарисовать примерно так. В глубине адрона находятся два (мезон) или
три (барион) так называемых валентных кварка, довольно слабо связанных
глюонными силами. Валентные кварки быстро движутся внутри адрона можно
сказать, что их кинетическая энергия заметно превышает потенциальную.
Однако на больших расстояниях (~10-13 см) глюонные силы резко возрастают и
не выпускают кварки наружу (явление конфайнмента (confinement)