Приглашаем посетить сайт

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах
КВАРКИ

КВАРКИ

КВАРКИ - микроскопич. частицы со спином ¹/₂, элементарные составляющие всех адронов: барионов и мезонов. В пределах точности совр. эксперимента К.- точечные, бесструктурные образования (их размеры <10^-16 см).К нач. 80-х гг. было известно 5 типов К.: и, d, s, с, b. Однако имеются серьёзные теоретич. основания предполагать (см. Аномалии в квантовой теории поля) существование по крайней мере ещё одного, шестого К.- t-K.Типы К. различаются значениями присущих им квантовых чисел и массами. Каждый тип кварка q_i представлен тремя разновидностями q_i^a, у к-рых квантовые числа и масса одинаковы, но есть различие в особой характеристике (отсутствующей у адронов), названной цветом и принимающей три разл. значения, a=1, 2, 3. В первом приближении каждый барион В состоит из трёх К., вообще говоря, разных типов, каждый мезон (М) - из кварка и антикварка. Символически: , причём в обоих случаях реализуются суммы определ. комбинаций цветов (см. ниже).Гипотеза о том, что адроны построены из специфич. субъединиц-К., была впервые выдвинута М. Гелл-Маном (М. Gell-Mann) и независимо от него Дж. Цвейгом (G. Zweig) в 1964 для объяснения существования групп частиц (октетов и декуплетов) с близкими свойствами (см. Элементарные частицы). Стех пор она получила многочисл. косвенные эксперим. подтверждения (см., напр., Партоны).Назв. "К." для элементарных составляющих адронов было введено М. Гелл-Маном. Оно не имеет прямого смыслового значения и было заимствовано из романа Дж. Джойса "Поминки по Финнегану", герою к-рого в снах часто слышались слова о таинственных трёх кварках. (Заметим, что в 1964 для построения всех известных тогда адронов было достаточно трёх типов элементарных слагающих.)Всем К. обычно приписывают барионное число В=¹/₃,с тем чтобы барионы имели B=1. Для мезонов при этом автоматически получается B=0.Тип К. характеризуется прежде всего значениями след. внутренних квантовых чисел: изотопического спина(I) и его проекции I₃, странности (S), очарования (С )и красоты (b), определяющих т. н. аромат К. Не исключено, что в аромат могут входить и др. квантовые числа, напр., истинность (t), связанная с t -К. Электрич. заряд К. выражается через упомянутые внутренние квантовые числа и даётся (в единицах элементарного заряда е )обобщённой ф-лой Гелл-Мана - Нишиджимы:

Q = I₃ +¹/₂(B + S + C-b + t?).(1)

Удвоенное значение второго слагаемого называют гиперзарядом. Значения квантовых чисел К. и результирующий электрич. заряд, а также их символы и названия приведены в таблице. <В соответствии со сказанным выше для каждого типа К. аромат (и электрич. заряд) одинаковы для всех цветов, т. е. для всех значений a. Характерной особенностью К. является дробный электрич. заряд, кратный ¹/₃ е, не встречающийся у др. изученных элементарных частиц. Анализ имеющихся эксперим. данных согласуется с этим свойством К. Обсуждается, однако, и др. точка зрения, согласно к-рой электрич. заряды, а также барионные числа К. могут быть целочисленными. В этом случае Qи В должны были бы зависеть от цвета и лишь усреднённые по цветам значения Qи В для каждого К. совпадали бы со значениями, приведёнными в таблице.

Однако проведение указанной точки зрения сталкивается с рядом трудностей, связанных, в частности, с нарушением цветовой симметрии (см. Квантовая хромодинамик а )и с т. н. удержанием цвета.

Цвет является важной характеристикой К., обеспечивающей необходимую антисимметрию волновой ф-ции адронов, построенных из одинаковых К., напр. (и тем самым соблюдения принципа Паули). С учётом цвета структуры бариона и мезона более точно записываются в виде

Здесь - полностью антисимметричный тензор, . Догадка о существовании цвета у К., впервые высказанная в 1965 Н. Н. Боголюбовым, Б. В. Стру-минским, А. Н. Тавхелидзе и независимо М. Ханом (М. Khan) и Й. Намбу (Y. Nambu), была впоследствии косвенно подтверждена в большом числе экспериментов. Индекс ос обычно рассматривается как индекс, нумерующий компоненты фундам. представления группы SU(3)_c[т. н. группа цвета SU(3)]. Комбинации К., приведённые в (2), инвариантны относительно преобразований SU(3) _с , и это объясняет тот факт, что адроны являются бесцветными объектами (синглетами SU(3) _с ).

Адроны, построенные по правилам (2) из и- и d-K., образуют семейство "обычных" адронов (к ним относятся нуклоны, и -мезоны, резонансы с S = С = b= 0). Мезоны и барионы, в состав к-рых помимо и- и d-K. входит один или более s-K., образуют семейство странных частиц. Введение в состав адронов с- и 6-К. (наряду с и-, d-,s-K.) даёт начало семействам соответственно очарованных частиц и красивых (прелестных) частиц. Знание кваркового строения адронов (2) позволяет полностью воспроизвести все известные в систематике адронов группы этих частиц и изученные характеристики отд. адронов.

Вся информация о К. была получена на основе изучения особенностей разл. процессов с участием адронов, т. е. в условиях, в к-рых проявляются свойства связанных К. Попытки обнаружить К. в свободном состоянии к успеху не привели. Это означает, что пока нет возможности говорить о массе К. в обычном для элементарных частиц смысле. Можно говорить лишь об эфф. массе связанных К., зависящей, вообще говоря, от условий, в к-рых осуществляются измерения (в частности, от квадрата переданного 4-импульса . В соответствии с этим для масс К. (особенно лёгких) получаются сильно варьирующиеся значения. Тем не менее можно определённо сказать, что

Эти неравенства отражают иерархию масс разл. семейств адронов. Значения масс К. в статич. пределе равны:

Такие К. называют к о н с т и т у е н т н ы м и ("составляющими") К. Масса t-K., согласно эксперименту, не менее 45 ГэВ. С ростом эфф. масса К. уменьшается. По этой причине значения масс т. н. т о к о в r.t x К. (т. е. К., образующих нач. и конечное состояния токов перехода, отвечающего сильному, эл.-магн. или слабому взаимодействию и ненулевому значению ) заметно отличаются от приведённых выше величин и составляют:

К. в адронах удерживаются специфич. силами, порождаемыми обменами особыми безмассовыми частицами - глюонами, также являющимися носителями цвета (их число равно 8). Глюоны - калибровочные мезоны группы SU(3)_c; по своим трансформац. свойствам они принадлежат присоединённому представлению группы. Взаимодействие глюонов с К., задаваемое свойствами группы SU(3)_c, довольно сильное (примерно в 10- 100 раз сильнее эл.-магнитного). По этой причине глюоны, испускаемые К., могут с заметной вероятностью рождать пары К.-антикварк (с тем большей вероятностью, чем меньше масса К.). В результате в любом адроне в каждый данный момент наряду с К., составляющими, согласно (2), основу его структуры и определяющими его квантовые числа (т. н. в а л е н т-н ы м и К. ), содержится равновесная примесь глюонов и пар К-антикварков разл. типов. Последние образуют как бы "море" К.-антикварковых пар; соответственно их часто называют морскими К., g_sea. Море К. в основном образовано парами и- и d-K., несколько меньше в нём пар s-K., ещё меньше (по крайней мере на порядок) пар е-К. и т. д. Примесь морских К. в адронах в среднем не очень велика, однако зависит от типа адрона и, в частности, в мезонах, по имеющимся данным, более выражена. Кроме того, море К. в адроне при его взаимодействии с др. частицами в той или иной степени возмущается, изменяя при этом свои свойства. Количественно относительная роль валентных и морских К., а также глюонов в адроне может быть охарактеризована средним значением f доли полного импульса адрона, переносимой каждой из названных компонент. Для наиб. детально изученных адронов - нуклонов - типичные цифры при переданном нуклону квадрате импульса 5 (ГэВ/с)² таковы:

Т. о., доля импульса нуклона, приходящаяся на глюоны, высока (примерно такая же картина: в и К-мезонах). На морские К. в ср. приходится ок. 20% импульса, переносимого валентными К. Следует, однако, иметь в виду, что число морских К. с очень малой долей х от полного импульса нуклона ( х<0,1) быстро растёт с уменьшением х(~1/ х), и в определ. условиях это обстоятельство существенно проявляется.

С учётом присутствия в адронах морских К. и глюонов структура адрона уточняется след, образом: каждый образующий адрон валентный К. (антикварк) в действительности окружён как бы облаком из К.-антикварковых пар и глюонов. Такой "облачённый" валентный К. иногда называют в а л о н о м. Размеры облака, окружающего валентный К., ( - размер нуклона). Масса валона соответствует массе К. в статич. пределе.

Отрицат. результаты поисков К. в свободном состоянии, хотя они могут отражать наличие у них очень основном из странных кварков s и антикварков И объяснить подавление взаимодействия этих мезонов с адронами, состоящими из и-,d-кварков,- т. н. п р а-вило Цвейга [Дж. Цвейг (G. Zweig), 1964].

Модель, в к-рой принимается, что почти вся масса адрона сосредоточена в кварках, наз. моделью констптуентных кварков. Конкретные реализации этой модели отличаются предположениями о характере взаимодействия между кварками [1-3]. Наблюдаемые свойства адронов удаётся количественно описать, если принять, что силы между кварками зависят в основном от расстояния между ними. При этом волновая ф-ция адрона приобретает дополнит. симметрию относительно перестановки спинов кварков: из SU(3)-симметрии адронных состояний возникает унитарная симметрия SU(6). Осн. состояние бариона полностью симметрично относительно перестановки кварков (вместе с их спинами), но антисимметрично относительно перестановки цветов кварков. Оно соответствует представлению 56 группы SU(6 )п включает октет по группе SU(3) со спин-чётностью (всего 16 состояний, включая спиновые степени свободы) и декуплет (всего 40 состояний). На опыте наблюдаются также барионы, группирующиеся в муль-типлет 70 группы SU(6): октеты декуплет и синглет Для мезонов состояния пары классифицируются по орбитальному моменту l и спину пары, что позволяет вычислить спин, пространственную чётность и зарядовую четность мезонов. На опыте наблюдаются все псевдоскалярные (0^-) и векторные (1^-) мезоны, принадлежащие мультиплету с l=0, а для мезонов с l=1. полностью заполнен только мультиплет тензорных мезонов. Согласуются с опытом расчёты магн. моментов мезонов и барионов, соотношения между ширинами полулептонных распадов, между сечениями рассеяния адронов, входящих в один SU(6)-мультип-лет, между сечениями рассеяния мезонов и барионов. Примером является отношение сечений (в рр-рассеянии возможны 9 однократных столкновений кварков, а в - только 6). При соответствующем выборе взаимодействия между кварками удаётся количественно описать возбуждённые состояния адронов, их динамич. характеристики типа эл.-магн. форм-факторов. Ряд проблем, поставленных К. м. адронов (SU(6)-симметрия, природа правила Цвейга и др.), удалось понять только с появлением квантовой хромо-динамики (КХД). Однако не выяснено, совместимы ли с КХД предположения о существовании конституент-ных кварков и о феноменологич. динамике их взаимодействия. Конституентные кварки качественно отличаются от элементарных кварков (их называют также токовыми кварками), изучаемых в жёстких процессах. Наличие в сильном взаимодействии приближённой киралъной симметрии - проявление малости массы токовых и-, d -кварков по сравнению с массой конститу-ентного кварка.

Попыткой учесть динамику кварков в духе КХД является модель мешков [3]. В этой модели вводится представление о двух фазах адронного вещества. Первая фаза - вакуум КХД, к-рый содержит конденсат глюонных и кварковых полей (см. Вакуумный конденсат, Правила сумм). Предполагается, что в вакууме невозможно распространение свободных кварков и глюонов. Вторая фаза соответствует области внутри адрона. Адрон представляется как пузырь, удерживаемый внутр. движением почти свободных кварков и глюонов от схлопывания из-за внеш. давления вакуума. В модели мешков удаётся рассчитать в согласии с опытом статич. характеристики адронов: магн. моменты, массы и т. д. В отличие от модели конститу-ентных кварков, в модели мешков значит, часть массы адрона распределена по его объёму. Модель мешков не является внутренне согласованной: из-за жёсткой формы мешка в ней не соблюдается принцип причинности, не учтено спонтанное нарушение киральной симметрии в КХД.

В целом проблема построения последовательной К. м. не решена. Осн. трудности в построении кварк-глюон-ной модели адрона обусловлены отсутствием эфф. методов работы с ур-ниями КХД в области сильной связи. Из-за свойства асимптотической свободы в КХД наиб. последовательным является описание адронов, содержащих тяжёлые кварки с, b,. . . (см. Кварконий).

Лит.:1) Левин Е. М., Франкфурт Л. Л., Нерелятивистская модель кварков, "УФН", 1968, т. 94, с. 243; 2) Коккедэ Я., Теория кварков, пер. с англ., М., 1971;3) К л оуз Ф., Кварки и партоны, пер. с англ., М., 1982.

М. Стрикман, Л. Л. Франкфурт.