WikiDer > Кварк
А протон состоит из двух до кварков, один вниз кварк, а глюоны которые опосредуют силы, «связывающие» их вместе. В присвоение цвета индивидуальных кварков произвольно, но должны присутствовать все три цвета. | |
Сочинение | Элементарная частица |
---|---|
Статистика | Фермионный |
Поколение | 1-й, 2-й, 3-й |
Взаимодействия | Электромагнетизм, гравитация, сильный, слабый |
Символ | q |
Античастица | Антикварк ( q ) |
Теоретически |
|
Обнаруженный | SLAC (ок. 1968 г.) |
Типы | 6 (вверх, вниз, странный, очарование, Нижний, и верх) |
Электрический заряд | +2⁄3 е, −1⁄3 е |
Цвет заряда | да |
Вращение | 1⁄2 |
Барионное число | 1⁄3 |
А кварк (/kшɔːrk,kшɑːrk/) является разновидностью элементарная частица и фундаментальная составляющая иметь значение. Кварки объединяются и образуют композитные частицы называется адроны, наиболее стабильными из которых являются протоны и нейтроны, компоненты атомные ядра.[1] Все обычно наблюдаемое вещество состоит из верхних кварков, нижних кварков и электронов. Из-за явления, известного как ограничение цвета, кварки никогда не встречаются изолированно; они могут быть найдены только внутри адронов, в том числе барионы (например, протоны и нейтроны) и мезоны, или в кварк-глюонная плазма.[2][3][nb 1] По этой причине многое из того, что известно о кварках, было почерпнуто из наблюдений за адронами.
Кварки имеют различные внутренний характеристики, включая электрический заряд, масса, цветной заряд, и вращение. Они единственные элементарные частицы в Стандартная модель из физика элементарных частиц испытать все четыре фундаментальные взаимодействия, также известный как фундаментальные силы (электромагнетизм, гравитация, сильное взаимодействие, и слабое взаимодействие), а также единственные известные частицы, электрические заряды которых не целое число кратные элементарный заряд.
Всего существует шесть типов, известных как ароматы, кварков: вверх, вниз, очарование, странный, верх, и Нижний.[4] Вверх и вниз кварки имеют самый низкий массы всех кварков. Более тяжелые кварки быстро превращаются в верхние и нижние кварки в процессе распад частиц: переход от состояния с более высокой массой к состоянию с более низкой массой. Из-за этого верхние и нижние кварки обычно стабильны и чаще всего встречаются в вселенная, тогда как странные, очаровательные, нижние и верхние кварки могут быть произведены только в высокая энергия столкновения (например, с участием космические лучи И в ускорители частиц). Каждому аромату кварка соответствует свой тип античастица, известный как антикварк, который отличается от кварка только тем, что некоторые его свойства (например, электрический заряд) имеют равная величина, но противоположный знак.
В кварковая модель был независимо предложен физиками Мюррей Гелл-Манн и Джордж Цвейг в 1964 г.[5] Кварки были введены как часть схемы упорядочения адронов, и до тех пор, пока не было доказательств их физического существования. глубоконеупругое рассеяние эксперименты на Стэнфордский центр линейных ускорителей в 1968 г.[6][7] Эксперименты с ускорителями подтвердили наличие всех шести ароматов. Топ-кварк, впервые обнаруженный в Фермилаб в 1995 году был обнаружен последним.[5]
Классификация
В Стандартная модель теоретическая основа, описывающая все известные в настоящее время элементарные частицы. Эта модель содержит шесть ароматы кварков (
q
), названный вверх (
ты
), вниз (
d
), странный (
s
), очарование (
c
), Нижний (
б
), и верх (
т
).[4] Античастицы кварков называются антикварки, и обозначаются чертой над символом соответствующего кварка, например
ты
для антикварка. Как и с антивещество в общем, антикварки имеют одинаковую массу, средняя продолжительность жизни, и вращаются как их соответствующие кварки, но электрический заряд и другие обвинения имеют противоположный знак.[8]
Кварки спин-1⁄2 частицы, подразумевая, что они фермионы согласно спин-статистическая теорема. Они подчиняются Принцип исключения Паули, который утверждает, что никакие два одинаковых фермиона не могут одновременно занимать одну и ту же квантовое состояние. Это в отличие от бозоны (частицы с целым спином), любое количество которых может находиться в одном состоянии.[9] В отличие от лептоны, кварки обладают цветной заряд, что заставляет их участвовать в сильное взаимодействие. Возникающее в результате притяжение между разными кварками вызывает образование составных частиц, известных как адроны (видеть "Сильное взаимодействие и цветовой заряд" ниже).
Кварки, определяющие квантовые числа адронов называются валентные кварки; помимо них, любой адрон может содержать неопределенное число виртуальный "море«кварки, антикварки и глюоны, которые не влияют на его квантовые числа.[10] Есть два семейства адронов: барионы, с тремя валентными кварками, и мезоны, с валентным кварком и антикварком.[11] Самые распространенные барионы - это протон и нейтрон, строительные блоки атомное ядро.[12] Известно большое количество адронов (см. список барионов и список мезонов), большинство из них различаются по своему кварковому составу и свойствам, которые наделяют эти составляющие кварки. Существование «экзотические» адроны с большим количеством валентных кварков, таких как тетракварки (
q
q
q
q
) и пентакварки (
q
q
q
q
q
), было предположено с самого начала кварковой модели[13] но не было обнаружено до начала 21 века.[14][15][16][17]
Элементарные фермионы сгруппированы в три поколения, каждый из которых состоит из двух лептонов и двух кварков. Первое поколение включает в себя верхние и нижние кварки, второе - странные и очаровательные кварки, а третье - нижние и верхние кварки. Все поиски четвертого поколения кварков и других элементарных фермионов провалились,[18][19] и есть убедительные косвенные доказательства того, что существует не более трех поколений.[nb 2][20][21][22] Частицы более высоких поколений обычно имеют большую массу и меньшую стабильность, что приводит к их изменению. разлагаться в частицы более низкого поколения с помощью слабые взаимодействия. Обычно в природе встречаются только кварки первого поколения (верхние и нижние). Более тяжелые кварки могут быть созданы только при столкновениях при высоких энергиях (например, при столкновениях с космические лучи) и быстро распадаются; однако считается, что они присутствовали в течение первых долей секунды после Большой взрыв, когда Вселенная находилась в чрезвычайно горячей и плотной фазе ( кварковая эпоха). Исследования более тяжелых кварков проводятся в искусственно созданных условиях, например в ускорители частиц.[23]
Обладая электрическим зарядом, массой, цветным зарядом и ароматом, кварки являются единственными известными элементарными частицами, которые участвуют во всех четырех фундаментальные взаимодействия современной физики: электромагнетизм, гравитация, сильное и слабое взаимодействие.[12] Гравитация слишком слаба, чтобы иметь отношение к взаимодействиям отдельных частиц, за исключением крайних значений энергии (Планковская энергия) и шкалы расстояний (Планковское расстояние). Однако, поскольку не удалось квантовая теория гравитации существует, гравитация не описывается Стандартной моделью.
Увидеть таблица свойств ниже для более полного обзора свойств шести разновидностей кварка.
История
В кварковая модель был независимо предложен физиками Мюррей Гелл-Манн[24] и Джордж Цвейг[25][26] в 1964 г.[5] Это предложение появилось вскоре после того, как в 1961 году Гелл-Манн сформулировал систему классификации частиц, известную как Восьмеричный путь - или, говоря более техническим языком, SU (3) симметрия аромата, оптимизируя его структуру.[27] Физик Юваль Нееман в том же году независимо разработал схему, аналогичную Восьмеричному Пути.[28][29] Ранняя попытка учредительной организации была доступна в Модель Саката.
Во время зарождения теории кварков "зоопарк частиц"включал, среди прочего, множество адроны. Гелл-Манн и Цвейг утверждали, что они не являются элементарными частицами, а состоят из комбинаций кварков и антикварков. В их модели использовались три вида кварков: вверх, вниз, и странный, которым они приписывали такие свойства, как спин и электрический заряд.[24][25][26] Первоначальная реакция физического сообщества на это предложение была неоднозначной. Были особые разногласия относительно того, был ли кварк физическим объектом или простой абстракцией, используемой для объяснения концепций, которые не были полностью поняты в то время.[30]
Менее чем через год были предложены расширения модели Гелл-Манна-Цвейга. Шелдон Ли Глэшоу и Джеймс Бьоркен предсказали существование четвертого аромата кварка, который они назвали очарование. Это дополнение было предложено, потому что оно позволило лучше описать слабое взаимодействие (механизм, который позволяет кваркам распадаться), уравнял количество известных кварков с количеством известных лептоны, и подразумевает формула массы который правильно воспроизводил массы известных мезоны.[31]
В 1968 г. глубоконеупругое рассеяние эксперименты на Стэнфордский центр линейных ускорителей (SLAC) показал, что протон содержал гораздо меньше, точечные объекты и поэтому не была элементарной частицей.[6][7][32] В то время физики не хотели твердо идентифицировать эти объекты с кварками, вместо этого называя их "партоны"- термин, придуманный Ричард Фейнман.[33][34][35] Объекты, которые наблюдались в SLAC, позже будут идентифицированы как верхние и нижние кварки, когда будут обнаружены другие ароматы.[36] Тем не менее, "партон" по-прежнему используется как собирательный термин для составляющих адронов (кварков, антикварков и глюоны).
Существование странного кварка было косвенно подтверждено экспериментами SLAC по рассеянию: он не только был необходимым компонентом трехкварковой модели Гелл-Манна и Цвейга, но и обеспечил объяснение Каон (
K
) и пион (
π
) адроны, открытые в космических лучах в 1947 году.[37]
В статье 1970 г., Глэшоу, Джон Илиопулос и Лучано Майани представили так называемый Механизм GIM чтобы объяснить экспериментальное несоблюдение изменяющие аромат нейтральные токи. Эта теоретическая модель требовала существования еще неоткрытых очаровательный кварк.[38][39] Число предполагаемых ароматов кварка выросло до нынешних шести в 1973 году, когда Макото Кобаяши и Тосихидэ Маскава отметил, что экспериментальное наблюдение Нарушение CP[№ 3][40] можно было бы объяснить, если бы существовала другая пара кварков.
Очаровательные кварки были произведены почти одновременно двумя группами в ноябре 1974 г. (см. Ноябрьская революция) - один в SLAC под Бертон Рихтер, и один на Брукхейвенская национальная лаборатория под Сэмюэл Тинг. Очарованные кварки наблюдались граница с очаровательными антикварками в мезонах. Обе стороны присвоили обнаруженному мезону два разных символа: J и ψ; таким образом, он стал официально известен как
Дж / ψ
мезон. Открытие окончательно убедило физическое сообщество в справедливости кварковой модели.[35]
В последующие годы появился ряд предложений по расширению кварковой модели до шести кварков. Из них статья 1975 г. Хаим Харари[41] был первым, кто придумал условия верх и Нижний для дополнительных кварков.[42]
В 1977 году нижний кварк наблюдала группа ученых Фермилаб во главе с Леон Ледерман.[43][44] Это было сильным индикатором существования верхнего кварка: без верхнего кварка нижний кварк не имел бы партнера. Однако только в 1995 г. топ-кварк был наконец обнаружен, также CDF[45] и ДЕЛАТЬ[46] команды в Фермилаб.[5] Его масса была намного больше, чем предполагалось ранее.[47] почти такой же большой, как у золото атом.[48]
Этимология
Некоторое время Гелл-Манн не определился с фактическим написанием термина, который он намеревался ввести, пока не нашел слово кварк в Джеймс Джойскнига 1939 года Поминки по Финнегану:[49]
- Три кварка для Muster Mark!
Конечно, у него не так много лая
И, конечно, все, что у него есть, все рядом с отметкой.
Слово кварк сам по себе Славянский заимствование в Немецкий и обозначает молочный продукт,[50] но это также разговорный термин, обозначающий «мусор».[51][52] Гелл-Манн более подробно остановился на названии кварка в своей книге 1994 года. Кварк и ягуар:[53]
В 1963 году, когда я назвал «кварк» фундаментальным составляющим нуклона, у меня сначала был звук без написания, которое могло быть «kwork». Затем в одном из моих случайных прочтений Поминки по ФиннегануДжеймсом Джойсом я наткнулся на слово «кварк» во фразе «Три кварка для Марка Мастера». Поскольку слово «кварк» (означающее, во-первых, крик чайки) явно предназначалось для рифмы с «Марк», а также с «лай» и другими подобными словами, мне пришлось найти предлог, чтобы произнести это слово как «kwork». ". Но книга представляет собой мечту мытаря по имени Хамфри Чимпден Эрвикер. Слова в тексте обычно берутся одновременно из нескольких источников, например "чемодан"слова в В Зазеркалье. Время от времени в книге встречаются фразы, частично определяемые призывами выпить в баре. Поэтому я утверждал, что, возможно, одним из многочисленных источников крика «Три кварка для марки Muster» может быть «Три кварта для мистера Марка», и в этом случае произношение «kwork» не будет полностью необоснованным. В любом случае, число три идеально соответствует тому, как кварки встречаются в природе.
Цвейг предпочел имя туз для частицы, которую он теоретизировал, но терминология Гелл-Манна стала известна после того, как модель кварков стала общепринятой.[54]
Ароматизаторы кварка получили свое название по нескольким причинам. Верхние и нижние кварки названы в честь восходящих и нижних компонентов изоспин, которые они несут.[55] Странные кварки получили свое название, потому что они были обнаружены как компоненты странные частицы обнаружен в космических лучах за много лет до того, как была предложена кварковая модель; эти частицы были сочтены «странными», потому что у них был необычно долгий срок жизни.[56] Глэшоу, который вместе с Бьоркеном предложил очарованный кварк, сказал: «Мы назвали нашу конструкцию« очарованным кварком », потому что были очарованы и довольны симметрией, которую она привнесла в субъядерный мир».[57] Названия «нижний» и «верхний», придуманные Харари, были выбраны потому, что они являются «логическими партнерами для верхних и нижних кварков».[41][42][56] В прошлом нижний и верхний кварки иногда называли «красотой» и «истиной» соответственно.[№ 4] но эти имена несколько вышли из употребления.[61] Хотя «правда» так и не прижилась, ускорительные комплексы, посвященные массовому производству нижних кварков, иногда называют «фабрики красоты".[62]
Характеристики
Электрический заряд
Кварки имеют дробный значения электрического заряда - либо (-1⁄3) или (+2⁄3) раз элементарный заряд (д), в зависимости от вкуса. Ап, очарование и топ-кварки (вместе именуемые кварки восходящего типа) имеют заряд +2⁄3 e, а нижний, странный и нижний кварки (кварки нижнего типа) есть -1⁄3 е. Антикварки имеют заряд, противоположный их соответствующим кваркам; Антикварки типа up имеют заряд -2⁄3 e и антикварки нижнего типа имеют заряд +1⁄3 е. Поскольку электрический заряд адрон представляет собой сумму зарядов составляющих кварков, все адроны имеют целочисленные заряды: комбинация трех кварков (барионов), трех антикварков (антибарионов) или кварка и антикварка (мезоны) всегда приводит к целочисленным зарядам.[63] Например, адронные составляющие атомных ядер, нейтроны и протоны, имеют заряды 0 е и +1 е соответственно; нейтрон состоит из двух нижних кварков и одного верхнего кварка, а протон - из двух верхних кварков и одного нижнего кварка.[12]
Вращение
Спин является внутренним свойством элементарных частиц, и его направление является важным степень свободы. Иногда это визуализируется как вращение объекта вокруг собственной оси (отсюда и название "вращение"), хотя на субатомных масштабах это представление несколько ошибочно, поскольку элементарные частицы считаются точечный.[64]
Спин можно представить в виде вектор длина которого измеряется в единицах приведенная постоянная Планка час (произносится как «ч бар»). Для кварков измерение вектора спина компонент по любой оси может давать только значения +час/ 2 или -час/ 2; по этой причине кварки классифицируются как спин-1⁄2 частицы.[65] Составляющая вращения по заданной оси - условно z ось - часто обозначается стрелкой вверх ↑ для значения +1⁄2 и стрелка вниз ↓ для значения -1⁄2, помещается после символа аромата. Например, верхний кварк со спином +1⁄2 вдоль z ось обозначена u ↑.[66]
Слабое взаимодействие
Кварк одного аромата может превратиться в кварк другого аромата только за счет слабого взаимодействия, одного из четырех фундаментальные взаимодействия в физике элементарных частиц. Поглощая или испуская W-бозон, любой кварк восходящего типа (верхний, очаровательный и верхний кварки) может превратиться в любой кварк нижнего типа (нижний, странный и нижний кварки) и наоборот. Этот механизм трансформации вкуса вызывает радиоактивный процесс бета-распад, в котором нейтрон (
п
) «расщепляется» на протон (
п
), электрон (
е−
) и электронный антинейтрино (
ν
е) (см. рисунок). Это происходит, когда один из нижних кварков нейтрона (
ты
d
d
) распадается на ап-кварк, испуская виртуальный
W−
бозон, превращающий нейтрон в протон (
ты
ты
d
). В
W−
затем бозон распадается на электрон и электронное антинейтрино.[67]
п | → | п | + | е− | + | ν е | (Бета-распад, обозначения адронов) |
ты d d | → | ты ты d | + | е− | + | ν е | (Бета-распад, обозначения кварков) |
И бета-распад, и обратный процесс обратный бета-распад обычно используются в медицинских приложениях, таких как позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) и в экспериментах с обнаружение нейтрино.
Хотя процесс преобразования аромата одинаков для всех кварков, каждый кварк предпочитает превращаться в кварк своего собственного поколения. Относительные тенденции всех изменений вкуса описываются математическая таблица, называется Матрица Кабиббо – Кобаяши – Маскавы (Матрица СКМ). Обеспечение соблюдения унитарность, приблизительный величины элементов матрицы CKM являются:[68]