Кварки странные и очарованные

В 1964 году специалисты по физике частиц осознали, что протоны и нейтроны вовсе не являются элементарными, а состоят из семейства новых элементарных частиц.

Марри Гелл-Манн и Джордж Цвейг независимо пришли к заключению, что не только такие тяжелые частицы, как протон и нейтрон, но также мезоны состоят из нескольких элементарных частиц. Гелл-Манн назвал их кварками, позаимствовав словечко из книги ирландского писателя Джеймса Джойса. Сам исследователь называл их «кворками», но имя не прижилось.

КХД (квантовая хромодинамика) — это теория, которая описывает взаимодействие кварков внутри протонов и других составных частиц. По сути, это взаимодействие между частицами с различным «цветным зарядом» — квантовым числом, аналогичным элементарному электрическому заряду, однако имеющим шесть состояний, а не два, и все это живет очень динамичной жизнью

Триплеты и дуплеты

Цвейг и Гелл-Манн предположили, что протоны и нейтроны — наиболее распространенные представители группы барионов — состоят из трех кварков. Большая часть других барионов наблюдается лишь в процессе столкновений высокоэнергетических частиц и тут же распадается. Мезоны каон (К-мезон) и пион (пи-мезон) состоят из двух кварков. Барионы и мезоны составляют большую группу адронов. Высказывалось предположение, что могут существовать сверхмассивные адроны, состоящие из четырех и даже пяти кварков, но поиски этих тяжеловесов успехом не увенчались. Заметим, что кварк принципиально не может существовать сам по себе.

Ароматы кварков

Существует шесть типов кварков. В литературе их чаще называют по «ароматам»: верхний, нижний, странный, очарованный, прелестный и истинный. Кварки первого поколения (нижний и верхний) наиболее стабильные и легкие. Кварки второго и третьего поколения в ходе слабого взаимодействия меняют «аромат» и превращаются в кварки первого поколения. Протон состоит из двух верхних и одного нижнего кварка, а нейтрон — из одного верхнего и двух нижних. Более экзотические барионы (лямбда-барион, сигма-гиперон, ксигиперон и омега-гиперон) состоят из других комбинаций кварков и имеют очень короткое время жизни (некоторые из них живут триллионные доли секунды, или 10^-12 сек). Каждый кварк электрически заряжен, но его заряд составляет либо треть, либо две трети элементарного электрического заряда (заряда электрона), так что сочетание трех кварков, дающее барион, всегда имеет целое значение электрического заряда от –1 до +2.

Мезоны состоят из одного кварка и одного антикварка и участвуют в работе сложного механизма сильного взаимодействия, которое удерживает в ядре нуклоны (протоны и нейтроны). Но на кварковом уровне сильное ядерное взаимодействие передается еще и другими частицами — глюонами (от англ. glue – клей). Именно эти векторные калибровочные бозоны в конечном итоге склеивают наш мир из элементарных частиц.