Кварки и глюоны лептоны что это
Просто о сложном: бозоны, фермионы, кварки и другие элементарные составляющие Вселенной
Теории и практики
Из-за обширной терминологии большинство популярных книг и статей по физике элементарных частиц не углубляются дальше самого факта существования кварков. Сложно что-либо обсуждать, если широкой аудитории не до конца понятны основные термины. Студент МФТИ и сотрудник лаборатории фундаментальных взаимодействий Владислав Лялин взял на себя функцию путеводителя в то, что называется Стандартной моделью, — главенствующую физическую теорию, объясняющую все известные науке частицы и их взаимодействие между собой, то есть устройство Вселенной на самом глубоком уровне.
Строение вещества
Владислав Лялин
Итак, все состоит из молекул, а молекулы состоят из атомов. Атом состоит из ядра и облаков электронов вокруг него, которые совершают куда более сложные движения, чем просто вращение. Ядро примерно в 10 тысяч раз меньше размера атома, хотя это и есть почти вся его масса, и состоит из протонов и нейтронов. Как правило, на этом большинство школьных курсов физики заканчиваются, но на этом не заканчивается физика. В 50-х годах прошлого века ученые знали о существовании пяти частиц, которые они называли элементарными. Это были протон, нейтрон, электрон, фотон и электронное нейтрино. Уже через несколько десятков лет (с появлением первых коллайдеров) частиц, которые стоило бы причислить к элементарным, стало несколько десятков, и это число только росло. Термин «элементарная частица» пришлось пересматривать — и заодно придумывать новую теорию, еще сильнее углубляться в строение вещества. Со временем была создана теория, названная Стандартной моделью, описывающая все известные взаимодействия (кроме гравитации).
Еще с древних времен материя и силы (взаимодействия) в физике были отделены. Эта идея присутствует и в Стандартной модели. Все элементарные частицы в ней делятся на «кирпичики материи» — фермионы и переносчики взаимодействия — бозоны. Эти классы частиц сильно отличаются друг от друга, одним из самых ярких отличий является отсутствие принципа запрета Паули у бозонов. Грубо говоря, в одной точке пространства может быть не более одного фермиона, но сколько угодно бозонов.
Бозоны
В Стандартной модели всего шесть элементарных бозонов. Фотон не обладает электрическим зарядом, он передает электромагнитное взаимодействие — то самое, которое связывает атомы в молекулы. Глюон передает сильное взаимодействие и обладает своим видом заряда (об этом еще будет сказано). Именно сильное взаимодействие отвечает за ядерные силы, скрепляющие протоны и нейтроны в ядрах. W+, W- и Z0 означает, что бозоны заряжены соответственно положительно, отрицательно и нейтрально (не заряжены). Они отвечают за так называемое слабое взаимодействие, которое умеет превращать одни частицы в другие. Самый простой пример слабого взаимодействия — распад нейтрона: один из кварков, составляющих нейтрон, излучает W-бозон и превращается в другой кварк, а распадается на электрон и нейтрино.
Остается последний бозон — бозон Хиггса. Теоретически он был предсказан еще в 60-х годах прошлого века, но экспериментально его существование было доказано только в 2013 году. Он отвечает за инертную массу элементарных частиц — именно массу, ответственную за эффекты инерции, а не притяжения. Квантовой теории, которая связала бы и инерцию, и гравитацию, пока что нет.
Фермионы
Элементарных фермионов гораздо больше, чем элементарных бозонов. Их делят на два класса: лептоны и кварки. Они отличаются тем, что кварки участвуют в сильном взаимодействии, а лептоны — нет.
Лептоны
Кварки
В английском слово funny может иметь значения «забавный» и «странный». Вот кварки как раз и есть funny. Они забавно называются: верхний, нижний, странный, очарованный, прелестный и истинный. И они очень странно себя ведут. Существует три поколения кварков, по два кварка в каждом, и точно так же у них у всех существуют античастицы. Кварки участвуют как в электромагнитном и слабом взаимодействиях, так и в сильном. Для заметки: фермионы, участвующие в сильном взаимодействии, называются адронами; таким образом, адроны — это частицы, состоящие из кварков. Поэтому Большой адронный коллайдер, собственно, называется адронным: там сталкивают протоны или ядра атомов (адроны), но не электроны. Кварки любят образовываться в частицы из трех и двух кварков, но никогда не появляются по одному. В этом и заключается их странность. Частицы из трех кварков называют барионами, а из двух — мезонами.
Почему они так делают? Это происходит из-за особенностей сильного взаимодействия, которое удерживает кварки в адронах. Сильное взаимодействие очень интересно: вместо одного заряда, как в электромагнитном, у сильного их бывает три. И оказывается, что существуют только нейтральные частицы, а нейтральной частица может быть, только если в ней есть либо три разных заряда одного знака, либо два одинаковых заряда разного знака. Из-за этой особенности (и для удобства) заряды начали называть красным, зеленым и синим, а соответствующие отрицательные заряды — антикрасным, антизеленым и антисиним. Получается, что если взять красный, зеленый и синий, мы получим белый, то есть нейтральный; если взять красный и антикрасный, мы тоже получим белый. Это легко запоминается, но стоит подчеркнуть, что это не имеет никакого отношения к цветам, к которым мы привыкли в жизни. Это просто красивая и удобная аналогия со смешиванием. В Стандартной модели каждый кварк может быть любого из трех цветов, а антикварк — любого из трех «антицветов». Получается, что ни один из кварков не может быть непосредственно зарегистрирован, ведь свободно существовать могут только бесцветные частицы, а кварки «раскрашены». Эта особенность их поведения называется конфайнментом, что с английского дословно переводится как «заточение».
Конфайнмент
Хорошо — допустим, что кварки не могут существовать свободно. Но что если просто взять мезон, состоящий из двух кварков, и разорвать его на две части? Не получим ли мы два кварка? (На самом деле нет.) Представьте, что мезон очень сильно растягивают. В отличие от электромагнитного, сильное взаимодействие тем сильнее до определенного предела, чем взаимодействующие частицы дальше друг от друга. Это похоже на пружину: чем сильнее ее растягивать, тем сильнее она будет сжиматься и тем больше у нее будет энергии. Чтобы сильнее стягивать кварки, сильное взаимодействие создает новые глюоны. И чем дальше мы их растягиваем, тем больше глюонов создается. Но в момент энергия этих созданных глюонов становится настолько большой, что выгоднее становится создать новую пару кварк-антикварк, чем продолжать плодить глюоны. Много глюонов исчезает, вместо них появляются кварк и антикварк. В момент появления кварк-антикварковой пары из четырех кварков создаются два мезона, каждый из которых бесцветен.
Может показаться, что теория замкнута сама на себе и что кварков на самом деле не существует, а конфайнмент, по сути, костыль, который придумали только для того, чтобы прекратить поиски кварков; что это просто удобная модель, которая не имеет под собой физического обоснования. Долгое время в научных кругах ходила такая мысль. Однако поздние теоретические исследования и недавние экспериментальные показывают, что при определенных условиях кварки могут покидать адроны. Более того, это состояние материи существовало практически сразу после большого взрыва, и только после сильного охлаждения кварки связались в адроны. Такое состояние материи сейчас исследуют на Большом адронном коллайдере в эксперименте ALICE. Для его получения нужна температура в два триллиона градусов. Это состояние материи называется кварк-глюонной плазмой.
Для понимания, что есть кварк-глюонная плазма, стоит провести аналогию. Представьте себе воду в невесомости. Она находится в жидком агрегатном состоянии, и сил поверхностного натяжения она имеет вид шара — можно сказать, что она заточена в этот шар. Начнем повышать температуру. Когда она достигнет 100 градусов, вода начнет кипеть, активно испаряться и со временем полностью станет паром, у которого уже не будет силы поверхностного натяжения. Явление превращения воды в пар называется фазовым переходом. Если продолжить нагревать пар, то примерно при 1 400 градусах молекулы воды разделятся на водород и кислород — сдиссоциируют, — и вода станет смесью кислородной и водородной плазм. Это еще один фазовый переход. Теперь возьмем газ — но не из молекул воды, а из адронов — и начнем его нагревать. Придется нагревать весьма сильно, потому что для фазового перехода нужна температура примерно в два триллиона градусов. При такой температуре адроны как бы «диссоциируют» в свободные кварки и глюоны. Таким образом, адрон совершит фазовый переход в состояние кварк-глюонной плазмы. Это явление называется деконфайнментом, то есть процессом освобождения кварков из адронов.
В поисках теории всего
Последнего экспериментального подтверждения Стандартная модель ждала около 50 лет, но теперь бозон Хиггса найден — что дальше? Можно ли думать, что великие открытия закончились? Конечно, нет. Стандартная модель изначально не претендовала на звание теории всего (ведь она не включает в себя описание гравитации). Более того, в декабре прошлого года ATLAS и CMS в коллаборации опубликовали статьи о возможном обнаружении новой тяжелой частицы, не вписывающейся в Стандартную модель. И физики не грустят, а, наоборот, рады, ведь сам Большой адронный коллайдер строили не для того, чтобы подтверждать уже известное, а чтобы открывать новое. И так же «новая физика» не говорит о том, что Стандартная модель будет вычеркнута и предана анафеме. Мы ученые, и если что-то точно работает (а Стандартная модель это доказала), то оно должно быть частным случаем любой новой теории, иначе новая теория будет противоречить старым экспериментам. Для примера: механика Ньютона является прекрасной моделью для описания движения с низкими (значительно меньше скорости света) скоростями — несмотря на то, что сейчас мы знаем специальную теорию относительности. Точно так же, когда появятся новые модели (или модификации Стандартной), будут существовать условия, при которых будет верно то, что мы знаем сейчас.
Наука стала проще: что такое кварки и глюоны?
Фундаментальные частицы
В этой плазме плотность и температура настолько высоки, что протоны и нейтроны плавятся. Этот суп из кварков и глюонов пронизывал всю Вселенную до нескольких долей секунды после Большого взрыва, когда Вселенная охладилась настолько, что кварки и глюоны застыли в протонах и нейтронах.
Сегодня ученые изучают эту кварк-глюонную плазму на специальных установках, таких как Релятивистский коллайдер тяжелых ионов (RHIC) в Брукхейвенской национальной лаборатории.
Факты про кварки и глюоны:
Министерства энергетики США поддерживает исследования по взаимодействию кварков и глюонов, способам их соединения в композиционные частицы, называемые адронами, и их поведению при высокой температуре и плотности. Ученые изучают эти темы на ускорителях, таких как RHIC и установке непрерывного электронно-лучевого ускорителя (CEBAF) в Национальном ускорителе Томаса Джефферсона.
Понравилась статья? Напишите свое мнение в комментариях.
Подпишитесь на наш ФБ:
Элементарные частицы. Тайны природы, которые нам предстоит открыть
Открытие «невидимых» элементарных частиц положило начало современной физике. В ней всё время совершаются новые грандиозные прорывы: например, подтвердилось существование бозона Хиггса. Знать, что такое лептоны, кварки и бозоны, очень важно для понимания актуальной картины мира. Мы собрали базовые знания по физике элементарных частиц, которые пригодятся всем.
В конце XVIII — начале XIX века физики были твердо убеждены, что в их науке больше нечего исследовать и никаких прорывов в ней не предвидится. Однако прошло всего полвека, и в научных журналах стали появляться статьи, описывавшие необъяснимые результаты экспериментов. То Рентген откроет лучи, которые проникают через стекло и отклоняются в магнитном поле, то Беккерель засветит фотопластинку минералом урана… Эти явления заставили людей задуматься о том, что атомный мир намного сложнее, чем они думали.
Свойства волны и частицы во многом противоположны. Например, частица, ударяясь о препятствие, отскакивает, а волна может его огибать. Показателен в этом плане эксперимент Томаса Юнга, в котором ученый пропускал свет через две узкие щели. Казалось бы, если фотоны (еще одна элементарная частица, квант света) — это частицы, то они должны проходить через щель и оставлять на экране за ней две полосы. Но оказалось, что полос гораздо больше! Всё это легко объяснимо, если принять, что фотон — это волна, а волнам свойственно огибать препятствия (это явление называется дифракцией). Как рябь на воде огибает камень, так и электромагнитные волны могут «обходить» встречающиеся на их пути преграды.
Какие бывают элементарные частицы
С каждым витком развития науки люди стремились поделить вещество на мельчайшие части, чтобы понять, как оно устроено. Оказалось, что вся материя, которая нас окружает, похожа на матрешку с четырьмя оболочками:
Последняя «оболочка» была открыта не так давно и на данный момент считается самой маленькой. Она включает в себя все элементарные или фундаментальные частицы.
Да, их очень много — но так даже интереснее. Со времен открытия электрона ученые обнаружили огромное количество фундаментальных частиц и разделили их на две большие группы: фермионы (от фамилии итальянского физика Энрико Ферми) и бозоны (в честь индийского физика Сатьендры Нат Бозе).
Все частицы Стандартной модели, собранные в подобие системы Менделеева. Справа — бозоны, слева — фермионы
Элементарные частицы, в отличие от атомов, — это не всегда реально существующие объекты. Это, скорее, модели, созданные для описания разных видов взаимодействий и свойств материи.
Например, электромагнитное взаимодействие передается с помощью фотонов, ядро атома находится в стабильном состоянии благодаря мезонам — частицам, удерживающим протоны и нейтроны.
Физики выделяют разные виды взаимодействий (сильное, слабое, электромагнитное, гравитационное) и типы материи (атомы, антиматерия, темная материя, излучения). Чтобы изучить их свойства, нужно подробно описать их природу.
Во второй половине ХХ века группа ученых создала теорию под названием «Стандартная модель». Она помогла систематизировать большое количество открытых на тот момент элементарных частиц и соотнести каждую со своим видом материи или взаимодействия. Сейчас эта теория считается завершенной и включает 17 видов элементарных частиц, вместе описывающих 3 фундаментальных взаимодействия и некоторую часть известных видов материи. Однако Стандартная модель описывает далеко не всё. Например, в ее рамках нельзя описать силу гравитации, и ученые до сих пор ломают голову над тем, как бы ее объяснить.
Чтобы разобраться в мире элементарных частиц, мы расскажем обо всех 17 частицах Стандартной модели, разделив их на две большие группы: фермионы и бозоны.
I. Фермионы
В этот класс входят 12 обычных частиц и столько же античастиц. Они противоположны по заряду: например, античастица отрицательно заряженного электрона — это положительно заряженный позитрон.
Эти 12 частиц, в свою очередь, можно поделить на две группы по 6 штук: кварки и лептоны.
Как устроен атом
Атом состоит из ядра, в котором сосредоточено более 99 % его массы, и электронной оболочки, окружающей его, как облако. Электроны, составляющие внешнюю оболочку, — это элементарные частицы. Ядро же состоит из протонов и нейтронов (вместе они называются нуклонами). Протоны заряжены положительно, чтобы компенсировать отрицательный заряд электронов на внешней оболочке, а нейтроны, как следует из названия, вообще не имеют заряда и «склеивают» ядро, не давая ему распасться (как это происходит с радиоактивными элементами).
Долгое время протоны и нейтроны считались неделимыми, но они слишком большие для элементарных частиц. Позже ученые установили, что каждая из них состоит из трех кварков.
Кварки — любители ходить в парах
В отличие от электронов кварки не могут существовать в свободном состоянии и соединяются в пары. Эти пары называются мезонами — это частицы, которые перемещаются между протонами и нейтронами и удерживают ядро в стабильном состоянии. Три кварка образуют нуклоны — протон или нейтрон. Частицы, состоящие из четырех или пяти кварков, являются экзотическими и отчасти вызывают гравитационное взаимодействие между телами.
Лептоны — одиночки
Лептоны похожи на волков-одиночек, и самый влиятельный и могущественный среди них (прямо как волк с Уолл-стрит) — электрон, самый распространенный и наиболее изученный лептон.
Долгое время ученые не могли понять, в чем «сила» электрона. В конце концов они нашли этому одно разумное объяснение: электрон — это единственная стабильная заряженная частица из своего класса. Остальные 5 заряженных лептонов не существуют дольше 2 микросекунд: они либо распадаются на несколько более мелких частиц, либо, наоборот, соединяются в одну более крупную.
Нейтрино — неуловимые лептоны
Еще один вид лептонов — нейтрино, практически неуловимые частицы, которые движутся в космосе со скоростью света. Еще с середины ХХ века проводятся эксперименты, чтобы их поймать и изучить. Многое в этих «неуловимых» частицах уже исследовано, и ученые даже пытались создать коммуникацию с их помощью, но идея осталась лишь в планах. Нейтрино могут быть индикаторами различных процессов, происходящих в ядрах звезд. Например, в нашем Солнце протекает множество термоядерных реакций каждую секунду, и практически каждая такая реакция выделяет хотя бы одно нейтрино.
Нейтрино бывают нескольких видов: электронное, мюонное и тау-нейтрино. Все эти названия взяты не с потолка.
Каждое нейтрино соответствует своему лептону (электрону, мюону, тау-лептону), так как напоминает его по своим квантовым характеристикам. Разные виды этих частиц, двигаясь совместно, могут переходить друг в друга — это называется нейтринной осцилляцией.
Итак, фермионы бывают двух видов: кварки и лептоны. Первые могут существовать только группами, а вторые — только по отдельности. Первые входят в состав ядер атомов, вторые — в состав электронных оболочек этих атомов.
А теперь мы переходим ко второй, не менее интересной группе элементарных частиц — бозонам. Готовы спорить, что она у вас на слуху благодаря одному известному ее представителю.
II. Бозоны
Невольно возникает вопрос: а чем фермионы отличаются от бозонов? Всё дело в квантовой характеристике — спи́не. У фермионов он дробный: чтобы при повороте в пространстве частица стала симметричной себе, надо повернуть ее больше чем на один полный оборот. А у бозонов спин целый — то есть либо они одинаковы, как ни крути, либо для совмещения самих с собой в пространстве их нужно повернуть на 180 или 360 градусов.
Спин обуславливает обменное взаимодействие элементарных частиц, когда между двумя одинаково заряженными частицами может возникать связь (это свойство исчезает при переходе к большим системам). Если по законам классической механики два электрона должны отталкиваться, то квантовая механика «разрешает» им находиться относительно близко друг от друга — на одной орбитали.
Траектории движения элементарных частиц, образующихся в результате столкновения двух протонов
Бозоны, слава богу, не делятся ни на какие группы. В Стандартной модели их выделяют всего пять: фотон, W-бозон, Z-бозон, глюон и бозон Хиггса. С фотоном мы уже знакомы, его функция — переносить электромагнитное возбуждение (то есть свет разного диапазона длин волн). W- и Z-бозоны — это своего рода волшебные палочки. W-бозоны переносят электрический заряд, понижая или повышая его у выбранной цели, и могут превращать один вид кварков в другой. Z-бозоны помогают передавать импульс и спин от одной частицы к другой при их столкновении.
Выделяют 8 типов глюонов.
Глюоны напоминают кварки и фотоны одновременно: их никогда не видели в свободном состоянии, они не имеют заряда и в теории не обладают массой. Глюоны отвечают за передачу между кварками квантовой характеристики, называемой цветом (общее с теми цветами, которые мы видим, — только название).
Последний тип — бозоны Хиггса — очень странная вещь. Они существовали лишь теоретически, их долго не могли обнаружить, однако в 2012 году это удалось сделать с помощью Большого адронного коллайдера (БАК).
Бозон Хиггса обуславливает массы всех элементарных частиц. Его открытие завершило Стандартную модель.
Она описывает 3 вида взаимодействий: электромагнитное, сильное (между нуклонами в ядре атома) и слабое, но ее нельзя считать Теорией всего, так как она не описывает, например, гравитационное взаимодействие, темную материю и энергию. Так что у физики большое и светлое будущее.
Итак, бозоны переносят различные виды взаимодействий. Они имеют целочисленный спин и различаются между собой массой и свойствами. Существование всех этих частиц ученые уже доказали с помощью БАК.
Составные частицы
Фермионы и бозоны — это лишь основа всей физики элементарных частиц. Соединяясь, они образуют что-то вроде молекул. Это очень похоже на химическую реакцию: две элементарные частицы могут соединяться друг с другом, как и химические вещества.
Самый известный вид составных частиц — адроны. Их делят на два вида: барионы и мезоны. Барионы — это частицы, состоящие из кварков, в том числе протоны и нейтроны; мезоны переносят взаимодействие между нуклонами в ядрах атомов.
Физика элементарных частиц невероятно разнообразна. Кроме перечисленных основных классов выделяют также квазичастицы («почти»-частицы), которые формально не существуют: человек придумал их для описания различных природных процессов. Кроме того, есть много гипотетических частиц, существование которых экспериментально не подтверждено.
Сегодня мы знаем Вселенную едва ли на 0,1 %. С помощью физики мы пытаемся расширить границы познания и описать всё, что нам непонятно. Но каждый новый шаг вперед всё труднее: если пять лет назад вы были на острие прогресса и понимали всё, что происходит в вашей науке, то сегодня она вас озадачит своей сложностью и запутанностью.
Однако сложность добавляет физике прелесть и очарование, которое притягивает новые пытливые умы. С помощью них мы, быть может, скоро создадим Теорию всего и постигнем все тайны мироздания.
А потом природа преподнесет нам сюрприз, и окажется, что всё, что мы знали, — полная туфта.
Классификация адронов
Вводные слова
Адронами называют частицы, участвующие в сильном взаимодействии. Все адроны — составные частицы, они состоят из кварков или антикварков. Мезоны — это адроны, состоящие из кварк-антикварковой пары, барионы — это адроны, состоящие из трех кварков (соответственно, антибарионы состоят их трех антикварков).
И уже в этом определении, таком простом и коротком, скрыто несколько тонкостей, про которые можно говорить очень долго. Мы пускаться в эти разговоры не будем, а упомянем только три самых важных момента.
Составные кипричики
Обычно, когда говорят, что какой-то предмет состоит из частей, то предполагают, что эти части можно, по крайней мере в принципе, отделить друг от друга и предъявить каждую из них по отдельности. Для кварков это предположение не работает. Да, это не очень интуитивное свойство, его трудно совместить с повседневным опытом, но дела в кварковом мире обстоят именно так.
Физики видят в многочисленных экспериментах, что протоны, нейтроны и другие адроны действительно состоят из отдельных «комочков материи», которые, хоть и движутся друг относительно друга, но навеки скреплены глюонными силами. Разделить протон на отдельные кварки, отделить один кварк от других не получится. Как только вы попытаетесь это сделать, приложите достаточную силу для вытягивания одного кварка из протона, так сразу же глюонное поле породит новую кварк-антикварковую пару. Вместо вытягивания кварка вы извлечете из протона мезон, а протон так и останется протоном (рис. 1). Этот процесс называется адронизация — «превращение в адроны».
Рис. 1. Поэтапная иллюстрация процесса адронизации. Рис. с сайта www.nature.com
Такое поведение кварков называют конфайнментом — «пленением» кварков внутри адронов. Получается так вовсе не из-за самих кварков, а из-за сил, которые между ними действуют. Связывающее их силовое поле не просто сильное, оно очень особенное, непохожее на электромагнитные силы. Это силовое поле способно чувствовать само себя, способно взаимодействовать с собой и от этого усиливаться. В результате получается, что если этому силовому полю предоставить всё пространство, то его энергия будет неограниченно возрастать. Это очень невыгодно с точки зрения энергии; гораздо выгоднее для этого поля будет породить много кварк-антикварковых пар, которые замкнут на себя это поле. И вот тогда оно будет спрятано в отдельных кварковых или антикварковых комбинациях, а на всё пространство распространяться не будет.
На жаргоне физиков то свойство, которое позволяет кваркам чувствовать глюонное поле, называется цвет (он, конечно, не имеет никакого отношение к оптическим цветам, это просто приятное название для новой величины). Цветов у кварков три, и еще три противоположных цвета у антикварков. А адронами являются не произвольные, а именно такие комбинации, в которых все цвета «сокращаются», или, как говорят физики, бесцветные комбинации (то есть три кварка с тремя разными цветами или кварк и антикварк с противоположным цветом).
Конечно, это всё — очень упрощенное описание; реальное положение дел гораздо сложнее. Более того, явление конфайнмента до сих пор не понято на достаточном уровне математической строгости. Математический институт Клэя даже назначил премию в миллион долларов за решение этой задачи. Однако на описательном уровне явление конфайнмента считается установленным.
Наивная кварковая модель
Описанная выше схема, по которой кварки группируются по двое и по трое и становятся бесцветными адронами, называется наивной кварковой моделью. Эта модель не объясняет, почему все адроны объединяются только по двое и по трое. Можно построить и другие бесцветные комбинации кварков и антикварков, создать многокварковые адроны, но они почему-то на опыте не встречаются.
А точнее, они не встречались до недавнего момента. Начиная с середины 2000-х годов стали появляться надежные экспериментальные данные, что некоторые адроны не вписываются в простую схему наивной кварковой модели. Такие адроны называются экзотическими. Правда, количество известных на сегодня экзотических адронов очень невелико, всего несколько штук против нескольких сотен обычных адронов — и причем все они мезоны; подтвержденных данных по пентакваркам и другим экзотическим барионам пока нет.
Получается, что природа всё же выходит за рамки простейшей схемы, но очень уж неохотно. Почему так происходит и что вообще представляют из себя экзотические адроны, пока что остается предметом активных исследований.
Состав — понятие относительное!
Даже в слове «состоит» скрыто немало тонкостей. Дело в том, что утверждение «протон состоит из трех кварков» хорошо работает только для неподвижного или медленно движущегося протона. Если же протон летит со скоростью, близкой к скорости света, то его состав кардинально меняется: в нем словно «нарождаются» многочисленные кварки, антикварки и глюоны (они совокупно называются партоны), которые летят вперед одним компактным облаком и, собственно, представляют собой протон. В столкновении таких быстролетящих протонов реально сталкивается не вся толпа этих отдельных частиц, а лишь по одному партону (изредка — больше); см. рис. 2.
Рис. 2. Протон, движущийся с околосветовой скоростью, представляет из себя облако партонов: кварков, антикварков и глюонов. Когда происходит столкновение двух таких протонов, реально сталкивается лишь пара партонов. Изображение с сайта kjende.web.cern.ch
Получается, что состав протона — вещь не абсолютная, а зависит от системы отсчета, то есть от того, как мы на протон посмотрим. Это явление квантового мира тоже может показаться противоречащим повседневной интуиции, но что ж поделать, именно так и получается в квантовом мире. Подробнее об этом свойстве читайте в статье Многоликий протон и в заметке Как выглядит ультрарелятивистский протон.
Кварки и их свойства
Сейчас известно шесть сортов (на физическом жаргоне — ароматов) кварков. Они обозначаются буквами u, d, s, c, b, t и попарно объединяются в три поколения кварков (рис. 3). Из них только первые пять участвуют в образовании адронов. Топ-кварк t настолько тяжел, что распадается исключительно быстро и попросту не успевает образовать адроны. Известно также, что других кварков не существует; по крайней мере, не существует других легких кварков, которые могли бы образовывать настоящие адроны.
Рис. 3. Шесть кварков и их свойства. Изображение с сайта en.wikipedia.org
Классификация адронов
Общепринятые обозначения
Адроны могут содержать любые комбинации этих пяти кварков, которые, к тому же, могут еще и по-разному двигаться друг вокруг друга наподобие того, как электроны могут по-разному двигаться вокруг ядра. Поэтому даже из небольшого числа кварков можно, в принципе, составить неограниченное количество адронов. Конечно, как открыть их эксприментально — это отдельный вопрос.
Мезоны и барионы с разным кварковым составом обозначаются разными прописными буквами; при этом мезоны обычно обозначаются латинскими буквами (K-мезоны, D-мезоны, B-мезоны), а барионы — греческими (Λ, Σ, Ξ, Ω). Исключение составляют исторически сложившиеся названия: π-мезоны, ρ-мезоны, p, n и т. п. Внутри одного семейства частицы обозначаются одинаковой буквой, но к ней либо приписываются индексы, либо в скобках добавляется масса. Например, «обычный» B-мезон c кварковым составом (d-анти-b) так и обозначается: B, но мезон с составом s-анти-b обозначается Bs и называется странным прелестным мезоном. Обычный Λ-барион с кварковым составом uds обозначается просто Λ, а возбужденное состояние тех же кварков с общей массой 1519,5 МэВ обозначается Λ(1520).
Особый класс составляют мезоны с кварком и антикварком одинакового аромата, в особенности c-анти-c и b-анти-b. Такие состояния называются кваркониями (и конкретно — «чармонием» в случае c-анти-c и «боттомонием» в случае b-анти-b), по аналогии с позитронием, который состоит из электрона и его античастицы, позитрона. В семействе кваркониев есть много состояний со слегка отличающимися массами, которые могут переходить друг в друга с излучением фотонов, по аналогии с переходами электронов между уровнями энергии в возбужденных атомах.
Диаграммы
Свойства кварков позволяют удобно распределять семейства адронов в узлах тетраэдральной решетки. На рис. 4 даны схемы этих решеток для барионов со спином 1/2 или 3/2, составленных их первых четырех кварков. Каждое пространственное направление здесь отвечает какому-то аромату кварков: двигаясь слева направо, вы добавляете u-кварки, двигаясь от заднего фона рисунка к переднему — странные кварки, двигаясь вверх — очарованные кварки. По такому же принципу можно добавлять и прелестные кварки, но только тетраэдр при этом получится уже четырехмерный.
Рис. 4. Схема барионов со спином 1/2 (слева) или 3/2 (справа), составленных их первых четырех кварков. Quark model (PDF, 828 Кб)
Аналогичная диаграмма для мезонов, состоящих из первых четырех кварков, приведена на рис. 5.
Рис. 5. Схема мезонов со спином 0 (слева) и 1 (справа), составленных из первых четырех кварков. Изображение из обзора Quark model (PDF, 828 Кб)
На сайте things made thinkable та же тетраэдральная структура, уже с учетом прелестного кварка, приведена в виде плоских интерактивных схем (рис. 6): схема мезонов и схема барионов. При наведении мышкой на разные свойства адронов схема заполняется соответствующими числами, как на уровне самих адронов, так и для отдельных кварков.
Рис. 6. Фрагмент интерактивной схемы адронов с участием всех пяти кварков с сайта Things made thinkable
Что касается кваркониев, то их кварковая структура понятна, но зато состояний тут может быть очень много, и интерес представляет то, как эти состояния расположены относительно друг друга по массе. На рис. 7 приведены массовые спектры чармония и боттомония.