Именно на основе кварк-лептонной симметрии еще в 1964 г. было предсказано существование с-кварка. После откры­тия в 1975 г. -лептона на основе той же симметрии было предсказано существование - и -кварков.

Как мы увидим вскоре лептон-кварковая симметрия особенно ярко проявляется в слабых взаимодействиях. Конечно, эта симметрия не является полной: хотя разности зарядов нейтрино и заряженных лептонов равны разностям зарядов верхних и нижних кварков, сами заряды у лепто­нов и кварков различны.

Двенадцать лептонов и кварков естественным образом разбиваются на три группы, или, как говорят, на три поколения фундаментальных фермионов. Каждое поколение содержит четыре частицы, занимающие столбец в таб­личке: «верхний» и «нижний» лептоны и «верхний» и «ниж­ний» кварки. Самые легкие частицы образуют первое поко­ление. В каждом из последующих поколений заряженные частицы тяжелее, чем в предыдущем.

Фермионы первого поколения, в совокупности с фото­нами, являются той материей, из которой построена совре­менная Вселенная. Из и- и d-кварков состоят нуклоны, а значит, и ядра атомов, из электронов — атомные оболочки; без электронных нейтрино не могли бы протекать реакции ядерного синтеза в Солнце и звездах. Что касается фермио­нов второго и третьего поколений, то их роль в современ­ном мире кажется ничтожной. На первый взгляд, мир без них был бы ничуть не хуже. Эти частицы напоминают черновые наброски, которые Творец выбросил, как неудач­ные, а мы с помощью нашей изощренной техники отко­пали их в его мусорной корзине.

Сейчас мы начинаем понимать, что фермионы второго и третьего поколений играли важную роль в ранней Все­ленной, в первые мгновения так называемого большого взрыва. В частности, число сортов (ароматов) нейтрино определило соотношение между распространенностями во­дорода и гелия во Вселенной. Космологические расчеты указывают на то, что число нейтринных ароматов не превы­шает четырех. В рамках схемы лептон-кварковых поколе­ний это означает, что полное число кварковых ароматов не превышает восьми.

Важную роль последующие поколения, по-видимому, играют также и в том, что частицы первого поколения имеют именно те массы, которые они имеют. А от соотноше­ния между массами и-, d-кварков и электрона зависит само наше существование. Ведь разность масс нейтрона и прото­на обусловлена в основном разностью масс и- и d-кварков. А если бы выполнялось неравенство тр—mn+me>0, то водород был бы нестабилен.

Цвет и глюоны.

Источниками этих сил между кварками являются цветовые заряды,а их переносчиками являются частицы- глюоны.

Установлено, что кварки каждого аромата существуют в виде трех строго вырожденных разновидностей. Принято говорить, что эти разновидности отличаются друг от друга своими цветами. Обычно говорят, что кварки бывают трех цветов: желтого, синего и красного. Разумеется, никакого отношения к обычным, оптическим цветам эти кварковые цвета не имеют. В случае кварков «цвет» — это просто удобный термин для обозначения квантовых чисел, харак­теризующих кварки. Выбор трех основных оптических — желтого, синего и красного — цветов для обозначения зарядов кварков позволяет, как мы сейчас увидим, пользоваться нагляд­ной оптической аналогией.

Цветовые заряды антикварков сопряжены зарядам кварков. Иног­да их называют антижелтым, анти­синим, антикрасным, иногда — фио­летовым, оранжевым и зеленым (рис. 5) в соответствии с известной пос­ледовательностью дополнительных цветов в оптическом спектре.

При таком подборе кварковых цветов адроны естест­венно называть бесцветными, белыми частицами. Барионы бесцветны, так как состоят из трех кварков трех взаимно дополнительных цветов. Мезоны представляют собой бес­цветные суперпозиции кварков и антикварков.

В сильном взаимодействии цветовые заряды кварков играют ту же роль, что и электрические заряды частиц в электромагнитном взаимодействии. Роль фотонов при этом играют электрически нейтральные векторные частицы, которые получили название глюонов (от английского glue — клей). Обмениваясь глюонами, кварки «склеива­ются» друг с другом и образуют адроны.

Основное отличие глюонов от фотонов заключается в том, что фотон — один и он электрически-нейтрален, а глюонов — восемь и он.и несут цветовые заряды. Благодаря своим цветовым зарядам глюоны сильно взаимодействуют друг с другом, испускают друг друга. Это как бы «светя­щийся свет». В результате такого нелинейного взаимодей­ствия распространение глюонов в вакууме совершенно не похоже на распространение фотонов, а цветовые силы не похожи на электромагнитные.

Электромагнитное взаимодействие.

В электромагнитном взаимодействии участвуют все заряженные тела, все заряженные элементарные частицы. В этом смысле оно достаточно универсально. Классической теорией электромагнитного взаимодействия является максвелловская электродинамика. В качестве константы связи принимается заряд электрона e.

Если рассмотреть два покоящихся точечных заряда q1 и q2 , то их электромагнитное взаимодействие сведется к известной электростатической силе. Это означает, что взаимодействие является дальнодействующим и медленно спадает с ростом расстояния между зарядами.

Классические проявления электромагнитного взаимодействия хорошо известны, и мы не будем на них останавливаться. С точки зрения квантовой теории переносчиком электромагнитного взаимодействия является элементарная частица фотон - безмассовый бозон со спином 1. Квантовое электромагнитное взаимодействие между зарядами условно изображается следующим образом:

Заряженная частица испускает фотон, в силу чего состояние ее движения изменяется. Другая частица поглощает этот фотон и также изменяет состояние своего движения. В результате частицы как бы чувствуют наличие друг друга. Хорошо известно, что электрический заряд является размерной величиной. Удобно ввести безразмерную константу связи электромагнитного взаимодействия. Для этого надо использовать фундаментальные постоянные и c. В результате приходим к следующей безразмерной константе связи, называемой в атомной физике постоянной тонкой структуры