Классификация адронов

Литература

• Jean Letessier, Johann Rafelski, T. Ericson, P. Y. Landshoff. Hadrons and Quark-Gluon Plasma. — Cambridge University Press, 2002. — 415 p. — ISBN 9780511037276.
• Боголюбов Н.Н., Логунов А.А., Оксак А.И., Тодоров И.Т. Общие принципы квантовой теории поля. — Москва: Наука, 1987. — С. 3, 226-228, 362, 363, 366, 412, 414-416, 420, 421, 423, 425, 428, 561, 562, 571, 572, 574, 614. — 616 с.
• Намбу Ё. Кварки. — М.: Мир, 1984. — 225 с.
• Клоуз Ф. Введение в кварки и партоны. — М.: Мир, 1982. — 438 с.
• Никитин Ю. П., Розенталь И. Л. Ядерная физика высоких энергий. — М.: Атомиздат, 1980. — 232 с.
• Коккедэ Я. Теория кварков. — М.: Мир, 1971. — 341 с.

Название

Слово «кварк» было заимствовано Гелл-Манном из романа Дж. Джойса «Поминки по Финнегану», где в одном из эпизодов чайки кричат: «Three quarks for Muster Mark!» (обычно переводится как «Три кварка для Мастера/Мюстера Марка!»). Само слово «quark» в этой фразе предположительно является звукоподражанием крику морских птиц. Есть другая версия (выдвинутая Р. Якобсоном), согласно которой Джойс усвоил это слово из немецкого во время своего пребывания в Вене. В немецком слово Quark имеет два значения: 1) творог, 2) чепуха. В немецкий же данное слово попало из западнославянских языков (чеш. tvaroh, польск. twaróg — «творог»). Согласно рассказу ирландского физика , Джойс во время пребывания в Германии на сельскохозяйственной выставке услышал рекламный слоган «Drei Mark für Musterquark» («три марки за образцовый творог»), который был им позже перефразирован для романа.

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

Открытые вопросы

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

• почему ровно три цвета?
• почему ровно три поколения кварков?
• случайно ли совпадение числа цветов и числа поколений?
• случайно ли совпадение этого числа с размерностью пространства в нашем мире?
• откуда берётся такой разброс в массах кварков?
• из чего состоят кварки? (см. Преоны)
• как кварки складываются в адроны?

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.

Примечания

1. ↑ .
2. ↑ .
3. , с. 33.
4. В. В. Иванов. Ранние коптские заимствования в славянском // Славянская языковая и этноязыковая системы в контакте с неславянским окружением. — М.: Языки славянской культуры, 2002. — С. 57—58.
5. , с. 40.
6. Герасимов С. Б. // Физическая энциклопедия : / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Большая российская энциклопедия, 1999. — Т. 5: Стробоскопические приборы — Яркость. — С. 418. — 692 с. — 20 000 экз. — ISBN 5-85270-101-7.
7. Хлопов М. Ю. // Физическая энциклопедия : / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Советская энциклопедия, 1988. — Т. 1: Ааронова — Бома эффект — Длинные линии. — С. 85—86. — 707 с. — 100 000 экз.
8. , с. 246.
9. A. V. Belitsky, A. V. Radyushkin. Unraveling hadron structure with generalized parton distributions // Phys. Rept. — 2005. — № 418. — P. 1—387. — arXiv:hep-ph/0504030. arXiv:hep-ph/0504030
10. , с. 23.
11. , с. 306.
12. , с. 369.
13. , с. 379.
14. , с. 116.
15. Ахиезер А. И., Рекало М. П. Кварковая модель и процессы взаимодействия адронов // Проблемы теоретической физики. Сборник, посвящённый Николаю Николаевичу Боголюбову в связи с его шестидесятилетием. — М., Наука, 1969. — Тираж 4000 экз. — c. 197-216
16. Игорь Иванов. . Сложные вопросы в физике элементарных частиц (2 августа 2013). Дата обращения 9 августа 2013.
17. Y. Katayama, K. Matumoto, S. Tanaka, E. Yamada. Possible unified models of elementary particles with two neutrinos. Progr. Theor. Phys. 28 (1962), 675

Свойства кварков

В силу неизвестных пока причин, кварки естественным образом группируются в три так называемые поколения (они так и представлены в таблице). Кварки имеют дробный электрический заряд, а в каждом поколении один кварк обладает зарядом +23{\displaystyle +{\frac {2}{3}}}, а другой −13{\displaystyle -{\frac {1}{3}}}. Кварки одного поколения были бы неразличимы, если бы не поле Хиггса. Подразделение на поколения распространяется также и на лептоны.

Кварки участвуют в сильных, слабых, электромагнитных и гравитационных 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. Кварки асимптотически свободны при высоких энергиях.

Математический аппарат теории кварков основан на экспериментально подтверждённом предположении, что взаимодействия кварков инвариантны относительно группы изоспиновых преобразований SU(3){\displaystyle SU(3)}.

Кварк и антикварк могут аннигилировать. Однотипные разнозаряженные кварки аннигилируют, как правило, с испусканием двух фотонов (то есть через электромагнитные взаимодействия). Например, нейтральный пи-мезон π, являющийся комбинацией лёгких кварка и антикварка (uu¯−dd¯),{\displaystyle (u{\bar {u}}-d{\bar {d}}),} распадается путём электромагнитной аннигиляции. Другие кварконии, более тяжёлые, чем нейтральный пион (J/ψ-мезон, ϒ-мезон и т. п.), могут аннигилировать с участием сильного взаимодействия в два или три глюона, в зависимости от суммарного спина, хотя такие процессы обычно подавлены правилом Окубо — Цвейга — Иизуки. При высоких энергиях в столкновениях адронов наблюдается рост сечения процессов слабой (то есть идущей с участием слабого взаимодействия) аннигиляции кварков и антикварков в виртуальный или реальный W±- или Z-бозон. Следует отметить, что аннигилирующие кварк и антикварк не обязаны быть одного типа; так, доминирующий распад заряженного пи-мезона π+ → μ+ν_μ обусловлен слабой аннигиляцией разнотипной пары кварков du в виртуальный W+-бозон, который затем распадается в пару лептонов. Наблюдаются и обратные аннигиляции процессы рождения кварк-антикварковых пар.

Дробный заряд кварков проявляется в процессе рождения струй адронов в аннигиляции e+e− при высоких энергиях.

Кварки порождаются глюонами только парой кварк-антикварк.

Свойства

Глюон — это квант векторного (то есть обладающего единичным спином и отрицательной внутренней чётностью) поля в КХД. Он не имеет массы. В квантовой теории поля ненарушенная калибровочная инвариантность требует, чтобы калибровочный бозон был безмассовым (эксперимент ограничивает массу глюона сверху значением не более нескольких МэВ). Все эти свойства (а также нулевой электрический заряд) сближают его с фотоном.

В то время как массивные векторные частицы имеют три состояния поляризации, безмассовые векторные калибровочные бозоны, такие, как глюон и фотон, имеют только две возможных поляризации из-за того, что калибровочная инвариантность требует поперечной поляризации.

Глюон обладает нулевым изоспином. Бесцветные глюоны g3{\displaystyle g_{3}} и g8{\displaystyle g_{8}} являются античастицами самим себе, то есть истинно нейтральными частицами.

Конфайнмент

Кварки и глюоны, составляющие адроны, в обычных условиях не способны находиться в свободном состоянии. Так, если попытаться «растащить» их на расстояние, большее, чем размер адрона (10-13 см), энергия кварков и глюонов быстро и неограниченно возрастает. Явление невозможности разделить кварки называется «конфайнмент», что с английского переводится как «тюремное заключение». Описывается данное явление с использованием уже упоминаемой ранее характеристики – цвета. Таким образом в свободном состоянии могут существовать лишь составные из кварков объекты, которые имеют белый цвет. Например, протон состоит из кварков, цвета которых: зеленый, синий и красный, что в сумме дает белый.

Комбинация цветных зарядов

Однако, существуют условия, при которых конфайнмент работает иначе. К таким условиям относится сверхнизкая температура или сверхвысокое давление. В случае таких условий волновые функции двух нуклонов (общее название протонов и нейтронов, составляющих ядро атома) перекрываются, говоря простым языком – эти частицы как бы «налезают друг на друга». Вследствие этого кварки перестают различать свои родные нуклоны и начинают свободно перемещаться по всему объему ядра, состоящего из этих нуклонов. Таким образом конфайнмент имеет место, однако объем его «тюремной клетки» в разы увеличивается. Следовательно, чем больше нуклонов соприкасаются и «накладываются», тем больше размер «клетки». Подобное явление может достигать макроскопических масштабов и более.

Все о плазме

Оказывается, при высоких температурах (или высокой плотности энергии) кварки и глюоны могут покидать частицы, образуя своего рода «суп». Так как этот «суп» в сумме не имеет цветного заряда, это не противоречит принципу конфайнмента. По аналогии с квазинейтральной плазмой (то есть таким состоянием вещества, при котором оно состоит из частиц с ненулевым электрическим зарядом, оставаясь в целом электрически нейтральным), новое состояние вещества получило название кварк-глюонной плазмы (КГП).

Это понятие оказалось очень полезным для физики. Например, спустя примерно микросекунду после Большого Взрыва вся Вселенная была наполнена такой плазмой. Именно процессы в этой плазме привели к тому, что обычное вещество возобладало над антивеществом — будь все симметрично, атомы спокойно бы аннигилировались и получилась бы почти пустая, наполненная преимущественно излучением Вселенная. Этого, однако, не произошло, и причины этого события кроются в поведении плазмы.

Впервые получить плазму удалось только в 2000-х годах — оно и понятно, речь идет об огромных энергиях, соответствующих температуре вещества порядка триллиона (1012) градусов Цельсия. Пока Большой адронный коллайдер в CERN набирает обороты и ищет бозон Хиггса, лидером по изучению кварк-глюонной плазмы является Брукхейвенская национальная лаборатория.

На установленном в этой лаборатории ускорителе RHIC сталкиваются ионы золота. Скорости пучков при этом составляют 99,995 процента от скорости света (при такой скорости из-за релятивистских эффектов ионы выглядят как плоские блины). При таком столкновении цветные ленточки между кварками рвутся (обычно в нескольких местах сразу), и стартует процесс адронизации. При этом образуются целые пучки — джеты — элементарных частиц. Их и регистрируют детекторы ускорителя.

Надо сказать, что физикам, работающим с RHIC, уже удалось получить множество уникальных данных. Например, в 2005 году исследователи установили, что кварк-глюонная плазма — наиболее близкая к идеальной жидкость в природе. Важным параметром жидкости является вязкость, определяющая внутреннее трение. Типичный пример вязкой жидкости — мед, а невязкой — вода. Используя методы теории струн, теоретики рассчитали по сути минимальную возможную вязкость для реального физического объекта (некоторое время назад, однако, этот вывод был оспорен). Получилась очень маленькая величина (много меньше вязкости, например, жидкого гелия).

Так вот, в 2008 году в Nuclear Physics A вышла работа, в которой физики, используя экспериментальные данные RHIC, установили, что на энергиях порядка 170 мегаэлектронвольт кварк-глюонная плазма обладает вязкостью, близкой к теоретическому пределу (на самом деле в работе и в теории рассматривается отношение вязкости и так называемой плотности энтропии, однако, в данном случае это не так важно). Из этого, по словам ученых, можно вывести много интересного — например, в прежних расчетах кварк-глюонную плазму рассматривали как газ

Другое интересное следствие (впрочем, не столь важное для науки) — неожиданное сходство динамики поведения у веществ при температурах, близких к абсолютному нулю (например, жидкого гелия) и при крайне высоких температурах. Просто удивительная симметрия!

Из этого, по словам ученых, можно вывести много интересного — например, в прежних расчетах кварк-глюонную плазму рассматривали как газ

Другое интересное следствие (впрочем, не столь важное для науки) — неожиданное сходство динамики поведения у веществ при температурах, близких к абсолютному нулю (например, жидкого гелия) и при крайне высоких температурах. Просто удивительная симметрия!

Нумерология глюонов

В отличие от единственного фотона в КЭД или трёх W— и Z-бозонов, переносящих слабое взаимодействие, в КХД существует 8 независимых типов глюонов.

Кварки могут нести три типа цветового заряда; антикварки — три типа антицветового. Глюоны могут быть осмыслены как носители одновременно цвета и антицвета, либо как объяснение изменения цвета кварка во время взаимодействий. Исходя из того, что глюоны несут ненулевой цветовой заряд, можно подумать, что существует только шесть глюонов. Но на самом деле их восемь, так как говоря техническим языком, КХД — это калибровочная теория с SU(3)-симметрией. Кварки представлены как поля спиноров в N_f ароматах, каждый в фундаментальном представлении (триплет, обозначается 3) цветовой калибровочной группы, SU(3). Глюоны являются векторными полями в присоединённом представлении (октеты, обозначаются 8) цветовой SU(3)-группы. Вообще говоря, для калибровочной группы число переносчиков взаимодействия (таких как фотоны и глюоны) всегда равно размерности присоединённого представления. Для простого случая SU(N) размерность этого представления равна N2 − 1.

В терминах теории групп утверждение, что синглетные по цвету глюоны отсутствуют, является просто заявлением, что квантовая хромодинамика имеет симметрию SU(3), а не U(3). Априорных причин для предпочтения той или другой группы нет, но эксперимент согласуется лишь с SU(3).

Цветные глюоны:

Бесцветные глюоны:

Третье бесцветное состояние:

(rr¯+bb¯+gg¯)3{\displaystyle (r{\bar {r}}+b{\bar {b}}+g{\bar {g}})/{\sqrt {3}}}

не существует. Нумерация глюонов соответствует нумерации матриц Гелл-Манна — генераторов группы SU(3).

кварк I[править]

Морфологические и синтаксические свойстваправить

кварк

Существительное, неодушевлённое, мужской род, 2-е склонение (тип склонения 3a по классификации А. А. Зализняка).

Корень: -кварк-.

Семантические свойстваправить

Значениеправить

1. физ. элементарная частица с электрическим зарядом, пропорциональным трети заряда электрона, ненаблюдаемая в свободном состоянии и являющаяся составной частью адронов — частиц, участвующих в сильном взаимодействии ◆ Предполагается, что, например, барионы построены из трёх кварков, а мезоны из двух кварков (кварк — антикварк). Владимир Горбачёв, «Концепции современного естествознания», 2003 г. (цитата из Национального корпуса русского языка, см. )
2. физ. кварк , несущий положительный флейвор ◆ Мезоны состоят из кварка и антикварка.

Гипонимыправить

1. кварк , антикварк; верхний кварк, нижний кварк, странный кварк, очарованный кварк, истинный кварк (топ-кварк), красивый кварк (прелестный кварк, боттом-кварк), суперкварк, с-кварк
2. верхний кварк, нижний кварк, странный кварк, очарованный кварк, истинный кварк (топ-кварк), красивый кварк (прелестный кварк, боттом-кварк)

Меронимыправить

1. преон (гипотетич.)
2. преон

Родственные словаправить

Этимологияправить

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 мистера Марка!»). Само слово «quark» в этой фразе предположительно является звукоподражанием крику морских птиц.

Переводправить

Новые слова и значения. Словарь-справочник по материалам прессы и литературы 60-х годов / Под редакцией Н. З. Котеловой и Ю. С. Сорокина. — М. : Советская энциклопедия, 1971.

Температурный рекорд

В 2010 году появилась информация, что физикам из Брукхейвенской лаборатории удалось измерить температуру получаемой ими плазмы. Сделано это было при помощи анализа энергии фотонов, испускаемых при столкновении пучков — грубо говоря, ученые смотрели как ярко светится получившаяся плазма. Трудность при таком подходе заключается в том, что часть фотонов, регистрируемых детекторами, образуется не при столкновении ионов золота, а при вторичных столкновениях. Эти «вторичные» фотоны мешают анализу. После теоретического анализа исследователям удалось установить, что большая часть лишних частиц создается при столкновении протонов.

Поэтому физики действовали по следующему алгоритму: сначала на ускорителе сталкивались протоны. Их излучение регистрировалось, отмечались его особенности. Затем сталкивались ионы золота и регистрировалось их излучение. После этого при помощи специальных алгоритмов из данных об ионах убирался фоновый шум, создаваемый столкновениями протонов. В результате физики получали информацию непосредственно о фотонах, возникших во время столкновения.

Получив эти данные, исследователи определили температуру плазмы — она оказалась равной 4 триллионам градусов Цельсия (в 250 тысяч раз горячее, чем в центре Солнца)! Надо сказать, что в Большом адронном коллайдере при столкновении ионов из-за большей плотности энергии должна возникать температура около 10 триллионов градусов, но это значение — результат расчетов, математических прикидок, так и не проверенных на практике (например, аналогичным брукхейвенскому методом «ловли» фотонов от первоначального столкновения).

Среди прочего, столь высокая температура означает, что ученые действительно имеют дело с КГП — согласно теоретическим выкладкам, вещество переходит в состояние кварк-глюонной плазмы при гораздо меньших температурах.

Теперь эти данные были официально признаны Книгой рекордов Гиннесса. С научной точки зрения, это признание ничего не стоит — книгу выпускает коммерческая организация, не имеющая никакого отношения к науке. Более того, до сих пор измерения не были проверены в независимых экспериментах, поэтому научное сообщество официально результаты RHIC на вооружение пока не взяло

Вместе с тем, быть может, такое, пусть и дешевое, внимание пойдет экспериментам на пользу — ускоритель Брукхейвенской национальной лаборатории как раз проходит модернизацию. А теоретикам очень нужны результаты RHIC, ведь в КГП кроется еще столько всего неизвестного