Кварки и глюоны
Вы уже знаете, что существует около четырехсот различных элементарных частиц, но все же большинство из них не такие уж и элементарные, поскольку имеют составляющие. А как удерживаются в ядре одноименно заряженные протоны?
Напомним, что только 28 элементарных частиц на данный момент считаются бесструктурными и рассматриваются как первичные частицы. Поговорим сначала именно о них.
Примем на веру: стандартная модель элементарных частиц включает в себя 12 ароматов фермионов, соответствующие им античастицы, а также калибровочные бозоны, которые переносят взаимодействия между частицами, и обнаруженный в 2012 году бозон Хиггса, отвечающий за наличие инертной массы у частиц.
Одними из частиц, не имеющих структуры и считающихся элементарными, являются кварки.
Элементарное не так уж и элементарно
Физике в настоящее время известно шесть разных «сортов», чаще говорят— «ароматов», кварков, обозначаемых буквами u, d, s, c, b, t — от английских слов up, down, strange, charmed, bottom, top. Кроме того, для калибровочного описания сильного взаимодействия постулируется, что кварки обладают и дополнительной внутренней характеристикой, называемой «цвет». Кварки взаимодействуют между собой подобно тому, как взаимодействуют между собой электрические заряды, однако, в отличие от электрических зарядов, у которых два знака, у кварков три квантовых числа, получивших название «цвет». Их называют «красным», «зеленым» и «синим», хотя эти названия не имеют никакого отношения к цветам, которые мы видим в повседневной жизни. Для каждого цвета существует также антицвет: «антикрасный», «антизеленый» и «антисиний».
Существует модель, согласно которой протоны и нейтроны всех ядер химических элементов состоят из трех кварков двух типов: uud и udd. Почему именно из трех и именно в таком порядке—не поясняется. Просто так вписывается в существующие теории, и все тут.
«Если нет причин, по которым что-либо не может существовать, значит, оно должно существовать» (Марри Гелл-Манн)
Кварки — это элементарные частицы, которые имеют электрический заряд, кратный трети заряда электрона, и которые не могут существовать в свободном состоянии. Их взаимодействие устроено так, что они могут жить только в составе чего-либо. Например, комбинация из трех кварков определенного типа образует протон. Другая комбинация дает нейтрон. На сегодня известно всего шесть кварков, или, как говорят ученые, «ароматов» кварков. Естественно, это понятие весьма условно. Гипотеза о том, что протоны и нейтроны построены из специфических субъединиц, была впервые выдвинута американским ученым Мари Гелл-Манном и независимо от него его соотечественником Джорджем Цвейгом в 1964 году.
Само 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!», что обычно переводится как «Три кварка для мистера Марка» и предположительно является звукоподражанием крику морских птиц.
Может возникнуть вопрос: как можно протон называть элементарной частицей, если он состоит из кварков? Очень просто: протон элементарен, так как его невозможно расщепить на составные части—кварки. Все частицы, которые участвуют в сильном взаимодействии, состоят из кварков и при этом являются элементарными.
Понимание взаимодействий элементарных частиц очень важно для понимания устройства Вселенной. Все что, происходит с макротелами, есть результат взаимодействия частиц. Именно взаимодействием частиц описываются рост деревьев на земле, реакции в недрах звезд, излучение нейтронных звезд и многое другое.
В отношении кварков остаются вопросы, на которые пока нет ответа: почему ровно три цвета, случайно ли совпадение этого числа с размерностью пространства в нашем мире, из чего состоят кварки, как они складываются в частицы и многие другие вопросы, которые ждут своих первооткрывателей.
Глюоны — это гипотетические электрически нейтральные частицы с нулевой массой и спином 1, осуществляющие взаимодействие между кварками. Подобно кваркам, глюоны обладают квантовой характеристикой «цвет».
То, чего, возможно, и нет, или клей для адронов
Как же образуются кварки и какая сила удерживает в ядре одноименно заряженные частицы — протоны, ведь, по идее, они обязаны отталкиваться?
Элементарные частицы, являющиеся причиной взаимодействия кварков, а также косвенно ответственные за соединение протонов и нейтронов в атомное ядро, в физике получили название глюонов, от английского glue—клей.
Глюоны — частицы с единичным спином и нулевой массой, переносят сильное цветное взаимодействие между кварками. При испускании или поглощении глюона кварки изменяют свой цвет. При этом остальные квантовые числа кварка и его аромат не изменяются. Глюоны обладают цветом, являются переносчиками сильного взаимодействия между кварками и «склеивают» их в адроны.
Поскольку глюон обладает способностью создавать другие глюоны при движении и не имеет массы, то это противоречит закону сохранения энергии. На самом деле некоторые ученые считают, что никаких глюонов в природе нет. Они потребовались квантовой теории только для того, чтобы объяснить ядерные силы — фундаментальные силы сильного взаимодействия.
Еще раз акцентируем внимание на том, что в природе существует огромное количество элементарных частиц. Это наводит на мысль, что мы еще очень далеки от осознания истинной картины микромира и впереди нас ждет еще масса открытий, способных, возможно, перевернуть наше представление о природе вещей.
Да, кварки существуют, можно даже сказать, составляют нашу основу. Как известно, мы все состоим из атомов. Атом состоит из ядра и бегающих вокруг него электронов. Ядро состоит из положительно заряженных протонов и незаряженных нейтронов.
А протоны и нейтроны состоят из кварков — по три штуки в каждом. Только вот разделить их на кварки нельзя — в свободном виде кварки не существуют