Кварковое строение частиц

Вспомним, что мы знаем  о квантовой электродинамике. Ее уравнения обладают определенной симметрией — калибровочной инвариантностью, связанной с отсутствием у  фотона массы. При калибровочном  преобразовании функции, описывающие  заряженные частицы, изменяются одновременно с потенциалом электромагнитного  поля, но если первоначальные функции  были решением уравнения, то и преобразованные  функции тоже будут решением при  соответствующем изменении поля. В этом смысле электромагнитное поле играет в квантовой электродинамике «компенсирующую» роль.

Калибровочная теория сильных  взаимодействий строится аналогично. Разница в том, что здесь не один заряд, а три цвета. Естественно  считать кварки, отличающиеся цветом, одной и той же частицей в различных  цветовых состояниях, подобно тому, как протон и нейтрон считают  разными зарядовыми состояниями  нуклона. Для описания переходов  между зарядовыми состояниями адронов  вводится изотопическое пространство. Для рассмотрения симметрии кварков  вводится пространство цвета. Но в отличие  от изотопической симметрии, которая  нарушается электромагнитными и  слабыми взаимодействиями, симметрия  в цветовом пространстве точная.

Конечно, теория, в которой  вместо обычного заряда вводится его  обобщение, должна быть сложнее, чем  квантовая электродинамика; принцип  калибровочной инвариантности нужно  обобщить на случай сложного зарядового пространства. Такого рода обобщение  калибровочной теории рассматривалось  еще в 1954 г. американскими физиками Ч. Н. Янгом и Р. Л. Миллсом. Янг и Миллс изучали взаимодействие нуклонов с гипотетическим полем со спином и изоспином, равными 1, и строили теорию, инвариантную при вращении в изотопическом пространстве. Наиболее характерным отличием этой теории от электродинамики является наличие «заряда» у частиц, осуществляющих взаимодействие. Это значит, что агенты взаимодействия должны взаимодействовать друг с другом. Ничего подобного нет для фотонов: у них нет заряда; электромагнитное поле подчиняется принципу суперпозиции; поля, созданные разным и частицами, друг на друга не влияют и действуют на любую заряженную частицу так, как если бы другого поля не было. И, конечно, фотоны не могут испускать фотоны. Частицы Янга — Миллса ведут себя иначе: их поля «самодействующие».

Теория Янга — Миллса была использована при построении квантовой  хромодинамики. Глюонное поле — это и есть поле Янга — Миллса, обеспечивающее симметрию при калибровочном преобразовании. Разница в том, что симметрия эта не в изотопическом, а в цветовом пространстве.

Итак, глюоны имеют цвет. Сколько же существует видов, глюонов? Глюон должен превращать кварк одного цвета в кварк другого цвета, например, красный — в синий. Это значит, что поглощаемый глюон должен быть суперпозицией цветов — синего и антикрасного br̃, испускаемый же — суперпозицией красного и антисинего rb̃. Всего возможно девять комбинаций цветов и антицветов.

 

rr̃ rg̃ rb̃

gr̃ gg̃ gb̃

br̃ bg̃ bb̃

 

Каждой из таких комбинаций соответствует глюон. Цвет, подобно электрическому заряду, сохраняется. Поэтому шесть недиагональных явно окрашенных комбинаций не могут перемешиваться между собой. Три диагональные комбинации бесцветны, и перемешивание их между собой не меняет цвет. Каждая из диагональных комбинаций может быть получена путем линейной суперпозиции двух остальных комбинаций. Существует, следовательно, всего восемь соответствующих им глюонов. Представим схематически взаимодействие между кварками путем обмена глюонами. Будем изображать красный, зеленый и синий кварки любого аромата символами q_r, q_g, q_b (q ≡ u,d, s,c,b,t). Тогда взаимодействие между красным и зеленым кварками запишется так:

 

q_r → q_g +g_rg̃ ;

q_g + g_rg̃ → q_r ;

 

Первое равенство означает, что красный кварк испустил красно-зеленый  глюон и превратился в зеленый кварк q_g. Второе означает, что зеленый кварк, поглотив красно-зеленый глюон, превратился в красный кварк.

Самодействие глюонного поля приводит к такой особенности хромодинамики, которая не только замечательна сама по себе, но позволяет разрешить важную проблему взаимодействия частиц на сверхмалых расстояниях.

 

          Некоторые общие проблемы теории элементарных частиц.

 

Новейшее развитие физики Э. ч. явно выделяет из всех Э. ч. группу частиц, которые  существенным образом определяют специфику  процессов микромира. Эти частицы - возможные кандидаты на роль истинно  Э. ч. К их числу принадлежат: частицы  со спином ¹/₂ - лептоны и кварки, а также частицы со спином 1 - глюоны, фотон, массивные промежуточные бозоны, осуществляющие разные виды взаимодействий частиц со спином ¹/₂. В эту группу скорее всего следует также включить частицу со спином 2 - гравитон; квант гравитационного поля, связывающий все Э. ч. В этой схеме многие вопросы, однако, требуют дальнейшего исследования. Неизвестно, каково полное число лептонов, кварков и различных векторных (с J = 1) частиц и существуют ли физические принципы, определяющие это число. Неясны причины деления частиц со спином ¹/₂ на 2 различные группы: лептоны и кварки. Неясно происхождение внутренних квантовых чисел лептонов и кварков (L, В, 1, Y, Ch) и такой характеристики кварков и глюонов, как "цвет". С какими степенями свободы связаны внутренние квантовые числа? С обычным четырёхмерным пространством-временем связаны только такие характеристики Э. ч., как J и Р. Какой механизм определяет массы истинно Э. ч.? Чем обусловлено наличие у Э. ч. различных классов взаимодействий с различными свойствами симметрии? Эти и другие вопросы предстоит решить будущей теории Э. ч.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

 

Кварковая модель в настоящее время – единственная модель строения элементарных частиц, наиболее точно объясняющая строение адронов.

Создание квантовой хромодинамики — весьма примечательное явление в научной жизни.

С одной стороны, оно свидетельствует  в пользу единства мира. В конце 50-х  годов мысль, что теория сильных  взаимодействий может быть построена  по аналогии с квантовой электродинамикой, казалась просто наивной. И все же теория сильных взаимодействий оказалась  теорией поля, мало того, теорией  калибровочного поля, подобной электродинамике.

С другой стороны, создание хромодинамики свидетельствует о качественно новых свойствах «цветных» частиц и их взаимодействий по сравнению с ранее изученными объектами. Среди этих новых свойств — счастливая для этой теории особенность взаимодействия, его ослабление на малых расстояниях, позволившее создать методы расчета глубоко неупругих процессов.

Необходимо заметить, что  кварковая гипотеза не единственная. Существуют гипотезы (основанные на наблюдаемой на опыте симметрии между кварками и лептонами в электромагнитных взаимодействиях, а также на идеях Великого объединения сил) о том, что кварки и лептоны сами состоят из более фундаментальных частиц — «преонов».

Физика не стоит на месте, особенно физика элементарных частиц. Эта одна из молодых областей знания, поэтому многие открытия еще впереди. Она поможет глубже понять строение мира и откроет перед человечеством  новые горизонты знания.

 

 

 

 

 

 

 

 

Список использованной литературы

 

1. Элементарные частицы. Классификация эл. частиц   [эл. ресурс]. URL: http://www.astronet.ru/db/msg/1188327
2. Кварковая модель адронов. Адроны, кварки, глюоны [эл. ресурс]. URL: http://nuclphys.sinp.msu.ru/students/quarks/index.html
3. Кварки и другие эл. частицы. Суть кварковой модели [эл. ресурс]. URL: http://chemworld.narod.ru/public/quarks.html

4. Википедия: элементарные частицы, классификация    [эл. ресурс]. URL: http://ru.wikipedia.org/wiki/Элементарная_частица

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Приложение

Рисунок 1 – Таблица элементарных частиц

Рисунок 2 – Шесть типов  кварков

Рисунок 3 – Обзор различных  семейств элементарных и составных  частиц

Рисунок 4 – Специфические  признаки элементарных частиц