Кварковое строение частиц

Федеральное государственное  бюджетное общеобразовательное  учреждение

высшего профессионального  образования

Уфимский государственный  нефтяной технический университет

кафедра физики

 

 

 

Реферат

«Кварковое строение элементарных частиц»

 

 

 

 

Выполнил студент группы БАЭ-12-01                                       А. А. Конев

Проверила преподаватель  кафедры физики                              А. Е. Курамшина

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Уфа 2013

Содержание

Введение…………………………………………………………………………3

Элементарные частицы..…………………………………………………..……4

Гипотеза о существовании  кварков ……………………………………..…….5

Кварковая гипотеза ……………………...……………………………………...6

Квановая хромодинамика ……………………………..……………………….8

Глюоны …………………………………………………………………….…....9

Некоторые общие проблемы теории элементарных частиц………………...11

Заключение………………………………………………………..................…12

Список использованной литературы……………………………..……...…....13

Приложение………………………………………………………………....….14

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

По первоначальному смыслу понятие "элементарный" означает простейший, не имеющий внутренней структуры, неделимый. По мере углубления  знаний о природе материи многие объекты микромира, ранее считавшиеся элементарными, потеряли право так называться. На данный момент наиболее точной моделью строения элементарных частиц является кварковая.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Элементарные  частицы

Атомы, отвечающие определенным хим. элементам, как известно, состоят из электронов и атомных ядер. Физические исследования показали, что ядра тоже составные частицы, они построены из протонов и нейтронов. Следовательно, ни ядра, ни тем более атомы не являются элементарными частицами Электроны, а также протоны и нейтроны называются элементарными частицами, хотя протоны и нейтроны, как установлено, состоят из кварков. На современном уровне знаний у электронов и лептонов , а также у кварков внутренняя структура не обнаружена, хотя и существуют теоретические модели, согласно которым и лептоны, и кварки построены из более фундаментальных кирпичиков мироздания - преонов (этот термин, впрочем, пока не является общепринятым).

Исторически первыми экспериментально обнаруженными элементарными частицами  были электрон, протон, а затем нейтрон. Казалось, что совокупности этих частиц и кванта эл.-магн. поля фотона достаточно для построения известных форм вещества (атомов и молекул). Вещество при таком подходе строилось из протонов, нейтронов и электронов, а эл.-магн. поле (фотоны) осуществляло взаимодействие между ними. Однако вскоре выяснилось, что мир устроен значительно сложнее. Было установлено, что для каждой частицы имеется своя античастица, отличиющаяся от нее лишь знаком зарядов (см. ниже); для частиц с нулевыми значениями всех зарядов античастица совпадает с частицей (пример - фотон). Далее, с развитием экспериментальной ядерной физики, к перечисленным выше четырем (или с учетом античастиц - семи) частицам прибавилось еще свыше 300 частиц. Можно считать установленным, что большинство этих частиц построено из кварков, число к-рых равно 6 (или 12 с учетом антикварков).

Еще одним важнейшим достижением  физики микромира стало открытие, что Элементарным частицам присуще  не только эл.-магн. взаимодействие. С изучением строения атомных ядер выяснилось, что силы, удерживающие протоны и нейтроны в ядре, не являются электромагнитными.

Характерное для нуклонов (протонов и нейтронов в ядре) взаимодействие получило название сильного. Оно оказалось короткодействующим - на расстояниях r, превышающих 10^-13 см, сильное взаимодействие пренебрежимо мало. Однако при r < 10^-13 см его величина существенно (в 10-100 раз) превосходит электромагнитное, что отражено в его названии. Открытие нестабильности нейтрона и нек-рых атомных ядер указало на существование еще одного типа взаимодействия, названного слабым. Тремя перечисленными выше типами взаимодействий, а также гравитационным взаимодействием исчерпываются известные типы фундаментальных физ. взаимодействий. Существует точка зрения, что все 4 (или хотя бы 3) типа взаимодействий представляют собой явления одной природы и должны описываться единым образом.

Единая теория слабых и эл.-магн. взаимодействий уже построена и подтверждена опытом; имеются теоретические модели, единообразно описывающие все типы взаимодействий

 

 Гипотеза о существовании кварков

 

В последние годы очень  большого успеха достигла классификация  адронов на основе кварковой модели. Кварки были придуманы в 1964 г. американскими физиками Гелл-Маном и независимо от него Цвейгом для объяснения существующей в природе симметрии в свойствах сильновзаимодействующих частиц — адронов.

Согласно этой модели, любой  адрон состоит из трех кварков  с весьма необычными свойствами. Предполагается, что существует шесть ароматов кварков (и столько же антикварков), взаимодействие между которыми осуществляется глюонами. Кварки и глюоны имеют специфический заряд, который называется цветом. Каждый тип кварка имеет по три цветовых разновидности, глюоны – восемь.

Ряд экспериментальных данных указывает с несомненностью на реальное существование кварков. К их числу  относятся результаты изучения рассеяния  быстрых электронов протонами. Характер рассеяния свидетельствует о  наличии внутри протона трех точечных рассеивающих центров с зарядами 2/3е и 1/3е, что полностью согласуется  с трехкварковой моделью протона.

Вместе с тем все  попытки наблюдать кварки в свободном  состоянии оказались безуспешными. Это привело к выводу, что кварки могут существовать только внутри адронов  и в принципе не могут наблюдаться  в свободном состоянии. Появился даже применительно к кваркам  термин конфайнмент (от англ. confinement - «тюремное заключение»).

Причиной конфайнмента является необычное поведение сил взаимодействия кварков друг с другом. При малых расстояниях эти силы крайне малы, так что кварки оказываются практически свободными (это состояние называется асимптотической свободой). Однако с увеличением расстояний между кварками силы взаимодействия очень быстро растут, не позволяя кваркам вылететь из адрона.

 Кварковая гипотеза

 

Самой удачной попыткой навести порядок в мире элементарных частиц является создание гипотезы о существовании нескольких фундаментальных частиц, названных кварками, из которых можно составить любую сильновзаимодействующую частицу, причем такие "составные" частицы будут обладать всеми основными свойствами реальных частиц.

Если известные адроны рассортировать по значениям их спина  и внутренней четности, то образуется несколько больших групп адронов (в среднем по десятку частиц в  одной группе), внутри которых наблюдаются  интересные закономерности. Такие группы называют супермультиплетами или унитарными мультиплетами.

Наиболее естественно  существование унитарных мультиплетов можно было объяснить, введя в  рассмотрение три гипотетические частицы  — кварки — с дробными барионным и электрическим зарядами. В связи с такой экзотичностью свойств и с тем, что их три, кварки и получили свое необычное название (словосочетание "три кварка" встречается в романе Дж.Джойса "Поминки по Финнегану" как таинственный крик чаек, который слышится герою романа во время кошмарного бреда).

Достаточно всего трех кварков и трех антикварков, чтобы из них построить любой из адронов, причем можно показать, что адроны, «слепленные» из кварков, будут группироваться в те самые супермультиплеты, которые были известны в то время. Буквы u, d и s – сокращения от других общепринятых названий up – верхний, down – нижний, strange – странный. Позднее в кварковую модель ввели четвертый с (charm – «очарованный») и пятый b (beauty – «красота, прелесть» или bottom – «нижний») кварки. Предполагается, что существует еще один, шестой, t-кварк (truth – «правдивый» или top – «верхний»). К настоящему времени установлено существование пяти разновидностей (или так называемых ароматов) кварков: u, d, s, с, b. Их массы:m_u ≈ 5 МэВ, m_d ≈ 7 МэВ, m_s ≈ 150 МэВ, m_с ≈ 1,3 ГэВ, m_b ≈ 5 ГэВ. На эти данные надо смотреть как на оценочные и грубо ориентировочные, так как кварки в свободном состоянии не наблюдались и поэтому их массы нельзя было измерить прямыми методами. Неоднократно поступали предварительные сообщения об открытии t-кварка (m_t > 22 ГэВ), но окончательно существование t-кварка еще не установлено. Каждому кварку соответствует свой антикварк.

Все кварки имеют спин 1/2 и барионный заряд 1/3. Кварки u,c,t называют верхними, так как они имеют дробный электрический заряд +2/3. Остальные кварки d, s, b с электрическим зарядом -1/3 принято называть нижними. В соответствии с этой терминологией кварки можно расположить в таблице:

u, с, t (заряд 2/3);

d, s, b (заряд - 1/3);

Кварк s является носителем странности, с — очарования, b — красоты (прелести).

Протон состоит из двух u-кварков и одного d-кварка (р → uud), нейтрон состоит из одного u-кварка и двух d-кварков (n → udd). Их античастицы построены из антикварков: р̃ → ũũd̃, ñ → ũd̃d̃.

Мезоны построены из двух частиц: кварка и антикварка. Поэтому их барионное число равно нулю. Посмотрим, какие комбинации из двух таких частиц могут быть составлены из трех самых легких кварков u, d, s и их антикварков ũ, d̃, s̃. Очевидно, всего таких комбинаций будет девять:

 

uũ, ud̃, us̃,

dũ, dd̃, ds̃,

sũ, sd̃ ss̃.

 

Кварки и антикварки могут входить в эти (и всякие другие) комбинации с различными орбитальными угловыми моментами. Спины кварков и антикварков могут различно ориентироваться друг относительно друга. Общий угловой момент составленной из кварков и антикварков частицы (античастицы) найдется по правилу векторного сложения спинового и орбитального моментов.

Обратимся теперь к барионам. Спин их полуцелый, следовательно, если кварки не обладают орбитальными моментами, то барионы должны быть построены  из нечетного числа частиц. Рассмотрим случай, когда такими частицами являются кварки u, d, s. Спин бариона может быть равен либо 1/2 (когда спины двух кварков параллельны, а спин третьего направлен противоположно), либо 3/2 (когда спины всех кварков параллельны). В первом случае образуется октет (восьмерка) барионов:

 

p (uud), n (udd), Λ^о (uds),

Σ^- (dds) Σ^о (uds), Σ⁺(uus), Ξ^- (dss), Ξ^о(uss).

 

Барионы со спином 3/2 образуют декуплет барионов:

 

ddd udd uud uuu Δ^- Δ^o Δ⁺ Δ⁺⁺ 1232 МэВ

dss uds uus Σ^- Σ^o Σ⁺ 1385 МэВ

dss uss Ξ^- Ξ⁺ 1530 МэВ

sss Ω^- 1672 МэВ

 

 Квановая хромодинамика

 

Квантовая теория поля и, в  частности, теория калибровочных полей  являются естественным развитием квантовой  механики — революционной физической теории, созданной в первых десятилетиях XX века.

Один из принципов квантовой  механики — принцип тождественности, или неразличимости частиц, из которого вытекает важное следствие: в системе частиц с полуцелым спином (т. е. спином 1/2 , 3/2 и т. д.) в каждом квантовом состоянии не может быть более одной частицы. Это положение называют запретом Паули. Запрет Паули является следствием требования симметрии по отношению к перестановке частиц: перестановка частиц не должна приводить к изменению состояния системы. Для частиц с полуцелым спином это требование приводит к невозможности состояния с двумя одинаковыми частицами. Запрет Паули играет определяющую роль в теории периодической системы элементов Менделеева; он объясняет распределение электронов атома по оболочкам. Теория электронов в твердом теле тоже имеет в основе запрет Паули.

Рассмотрим на основе запрета  Паули кварки в барионах Δ⁺⁺, Δ^- и Ω^-. Их кварковая структура выглядит так: uuu, ddd, sss. Кварки имеют спин 1/2 и должны подчиняться запрету Паули. Поэтому в трех рассматриваемых барионах кварки должны отличаться друг от друга.

Вначале не исключали возможность, что по отношению к кваркам  требуется обобщение законов  квантовой механики, позволяющее  трем одинаковым кваркам находиться в одной системе. Однако более  естественным представляется считать  кварки в указанных барионах различными. Такое предложение было сделано  в 1965 г. советскими учеными Н.Н. Боголюбовым, Б.В. Струминским и А.Н. Тавхелидзе. Позднее квантовое число, которое отличает кварки и может принимать три различных значения, было названо «цветом». Таким образом, Ω^- следует изображать в виде s_r s_g s_b, где r отмечает «красный», g — «зеленый», b — «синий» кварки. Физические адроны должны быть бесцветными (белыми): цветовое квантовое число любого адрона равно нулю.

Согласно гипотезе цвета, кварков не шесть, а восемнадцать: каждый из шести кварков может  быть трех возможных цветов. Для  видов кварков введен термин «аромат» (flavour): существуют кварки шести ароматов (запахов) и трех цветов. Впрочем, можно принять число цветов равным не трем, а четырем, если добавить к кваркам лептоны.

Доказательства существования  цвета были получены в опытах на встречных е^-е⁺ - пучках. Полное сечение аннигиляции пропорционально сумме квадратов электрических зарядов всевозможных кварков. Это значит, что вероятность процесса при условии, что существуют кварки трех цветов, в 3 раза больше, чем в случае одноцветных кварков. Опыты, проведенные при различных энергиях (т. е. с различным числом ароматов кварков), подтвердили трехцветную модель.

 

          Глюоны

 

Может показаться, что наличие  цвета усложняет картину кварк-лептонной симметрии. На самом деле, именно цвет обусловливает сильное взаимодействие, удерживающее кварки в адронах. Цвет для сильного взаимодействия кварков играет такую же роль, как электрический заряд для электромагнитного взаимодействия. Введение цвета позволяет построить калибровочную теорию сильных взаимодействий - квантовую хромодинамику.

Создание квантовой хромодинамики относится к 1973 г., когда почти одновременно появились три статьи разных авторов, предположивших, что сильное взаимодействие между кварками осуществляется безмассовыми частицами. Одна из этих статей была написана А. Саламом и И. Пати, другая —М. Гелл-Манном, Р. Фричем и Г. Лейтвиллером, третья — С. Вайнбергом. Частицы, осуществляющие сильное взаимодействие, названы глюонами (от англ. glue — клей). Они играют роль, аналогичную роли фотонов в электродинамике. Однако отличие хромодинамики от электродинамики весьма существенно и обусловливает ряд удивительных особенностей поведения кварков и глюонов.