Оглавление

Введение. 3

Глава 1. Основные характеристики теории кварков. 4

1.1. Открытия сортов (ароматов) кварков. 4

1.2. Цветовые состояния кварков. 5

Глава 2. Взаимодействие между кварками. 6

2.1. Квантовая хромодинамика 6

2.2. Ядерный скейлинг и суперскейлинг. 7

Глава 3. Развитие кварковой теории в будущем. 8

3.1. Кваркглюонная плазма 8

3.2. Модели супергравитации. 9

Заключение. 12

Список использованной литературы 13

Введение

Уже давно известно, что вещество состоит из молекул, молекулы - из атомов, которые представляют собой планетарные системы, где электроны по определенным орбитам вращаются вокруг ядер. Сами ядра состоят из элементарных частиц: протонов и нейтронов.

Помимо электронов, протонов и нейтронов, из которых построена окружающая нас материя, были открыты другие элементарные частицы и их античастицы. Их число и разнообразие велики, их больше, чем элементов и даже изотопов в Периодической таблице Менделеева. Античастицы обладают той же массой, что и частицы, но с противоположными свойствами или, по-другому, противоположными квантовыми числами.

Обилие элементарных частиц и наблюдающиеся симметрии в их свойствах позволили сначала предположить, а затем обнаружить в экспериментах, что большинство элементарных частиц вовсе не элементарны, а состоят из более простых объектов: кварков и антикварков. Кварков всего шесть сортов, правда, в каждом сорте по три кварка, которые отличаются новым квантовым числом, названным цветом. Элементарные частицы бывают только белые, то есть содержат либо пару кварк-антикварк, либо белую комбинацию из трех кварков основных цветов (отсюда условное название цвет).

На уровне кварков мы встретились с новым, неожиданным и пока до конца непонятым явлением - конфайментом, невылетанием кварков. Кварки, частицы с дробным электрическим и барионным зарядами и новым квантовым числом - цветом, не могут быть в свободном состоянии, они замкнуты в области порядка размера элементарных частиц. Сила взаимодействия между кварками, обусловленная обменом так называемыми глюонами, растет с расстоянием, как сила в растянутой пружине, что связано с тем, что глюон также имеет цветной заряд. В ряде моделей считается, что кварки "живут" в пузырьках в вакууме и удерживаются поверхностным давлением этих пузырьков.

Уже создана теория, так называемая квантовая хромодинамика, которая описывает поведение кварковых систем в вакууме. Квантовохромодинамические расчеты на качественном уровне, а для некоторых случаев (например, водородоподобных систем из двух тяжелых кварков) на точном количественном уровне описывают экспериментальные данные.

Понятия о кварках и их свойствах, конечно, непросты и непривычны. Это мировоззренческое достижение современной физики.

Глава 1. Основные характеристики теории кварков.

1.1. Открытия сортов (ароматов) кварков.

Физики выяснили, что прежде всего свойства частицы определяются ее способностью (или неспособностью) участвовать в сильном взаимодействии. Частицы, участвующие в сильном взаимодействии, образуют особый класс и называются адронами.

Все адроны встречаются в двух разновидностях - электрически заряженные и нейтральные. Среди адронов наиболее известны и широко распространены нейтрон и протон. Остальные адроны короткоживущие и быстро распадаются. Это класс т.н. барионов (тяжелые частицы гипероны) и большое семейство мезонов (мезонные резонансы).Адроны участвуют в сильном, слабом и электромагнитном взаимодействиях.

Все атомные ядра построены из протонов и нейтронов. Протонно-нейтронная структура ядер объясняет и все их свойства - спин и статистику ядер, электромагнитные свойства, структурные особенности типа оболочек, энергетические спектры ядер, ядерные реакции, включая деление, особенности рассеяния ядерных частиц и электронов. Из опыта по рассеянию электронов нуклонами следует, что нуклоны в отличие от электронов представляют собой сложные образования. Поэтому естественным представляется желание иметь наподобие протонно-нейтронной картины ядер также и структурную картину адронов, в которой адроны "состоят" из некоторых основных структурных единиц. Адроны разделяются на две большие группы - барионы и мезоны. Они отличаются своими квантовыми числами и в частности спином: барионы имеют полуцелый спин, а мезоны целый спин.[5]

Эти структурные единицы носят название кварков, а гипотеза, согласно которой адроны построены из кварков, называется кварковой гипотезой. Теория была впервые выдвинута М. Гелл-Манном (M. Gell-Mann) и, независимо от него Дж. Цвейгом (G. Zweig) в 1964 году.[4]

Гелл-Манн и Цвейг, чтобы учесть все известные в 60-е гг. адроны ввели три сорта (аромата) кварков: u, d (от down- нижний) и s. Кварки несут дробный электрический заряд: они обладают зарядом, величина которого составляет либо -1 / 3 или +2 / 3 фундаментальной единицы - заряда электрона.[3]

Кроме кварков должны быть введены соответсвующие антикварки. Мезоны строятся из кварка и антикварка, а барионы из трех кварков. Чтобы из кварков можно было строить адроны с целыми и полуцелыми значениями изотопического спина, кварки должны содержать изотопический дублет (u, d), причем проекция изотопического спина u-кварка принимается равной +1/2 (отсюда и его обозначение 'u' от английского 'up' - вверх, т.е. изотопический спин u-кварка ориентирован в положительном направлении - по оси). Чтобы из кварков можно было строить странные адроны, нужно ввести третий кварк - s-кварк - носитель странности (strange - странный). Изотопический спин s-кварка полагается равным нулю. В связи с наличием пси-частиц нужно ввести четвертый кварк. Он несет на себе внутреннее квантовое число, которое принято называть charm и обозначается через с. В связи с наличием ню-частиц нужно ввести пятый кварк. Он обозначается через b (от bottom - дно, а чаще beauty - красота, или прелесть);. В единой теории слабого и электромагнитного взаимодействий вводится еще шестой кварк. Он обозначается буквой t ( от top - верхний) U, d, s, c, b, t - называют сортом или иначе ароматом кварка.

Каждый кварк имеет спин, равный 1/2. Чтобы получить состояние с максимальным спином, т.е. в случае трех кварков - со спином 3/2, нужно взять симметричную спиновую волновую функцию. Что касается унитарной волновой функции, то декуплету соответствует симметричная волновая функция (относительно перестановки внутренних квантовых чисел кварков). Но симметрия полной волновой функции системы трех кварков противоречит принципу Паули, согласно которому полновая волновая функция частиц с полуцелым спином должна быть антисимметричной.[5]

1.2. Цветовые состояния кварков.

Таким образом, если кварк рассматривать как реальную частицу, то возникает противоречие между предположением, что барионы составлены из кварков и принципом Паули. Чтобы устранить это противоречие, т.е. получить антисимметричную волновую функцию трех кварков, образующих барионы, нужно наряду с гиперзарядом, изотопическим спином и чармом ввести еще одну степень свободы для кварков, которую принято называть цветом. Таким образом, кварки обладают фундаментальной внутренней симметрией, называемой цветовой симметрией. Каждый кварк может находиться в трех различных состояниях, которые называются цветовыми. Можно говорить о красном(r, red), синем(b, blue) и зеленом(g, green) кварках. Цвет как фундаментальная характеристика кварков был введен Н.Н.Боголюбовым, Б.В.Струминским и А.Н.Тавхелидзе и независимо М.Ханом и Й.Намбу в 1965 г.[5]