Кварки

Развитие познаний о микромире шло в непрерывном поиске не которых «элементарных кирпичиков вещества». Вначале такими «кирпичиками» считались атомы, затем электроны, нейтроны и протоны. Поскольку название «атом» закрепилось за частицей, которая «не оправдала доверия» («атом» по-гречески - неделимый), появился новый термин - элементарные частицы. Первоначально к ним отнесли электрон, протон и нейтрон. Затем, как вы знаете, появилось нейтрино.

Сталкивая различные частицы друг с другом, физики обнаружили новые короткоживущие частицы. Некоторые из этих частиц живут меньше 10-20 с. «Парк» элементарных частиц быстро разрастался, и к 60-м гг. ХХ в. их уже было больше, чем атомов в таблице Менделеева. Анализируя свойства различных адронов (заряд, спин, процессы взаимопревращений), Мюррей Гелл-Ман в 1964 г. выдвинул гипотезу о том, что все они состоят из «еще более элементарных» частиц, которые назвал кварками.

Вы уже, наверное, привыкли к греческим, латинским или английским корням различных физических терминов. Так вот, слово «кварк», хотя и означает в переводе с немецкого «творог или особый сорт простокваши», никакого отношения к этим продуктам не имеет. Гелл-Ман заимствовал это слово из романа Дж. Джойса «Поминки по Финегану», где чайки кричат: «Три кварка для мистера Марка». Так что слово «кварк» - это просто абстракция, крик чаек.

В соответствии с этой гипотезой такие адроны, как протон и нейтрон, состоят из трех кварков, другие же адроны - из двух или трех кварков. Размеры кварков сравнимы с размером электрона. Поскольку эти размеры (порядка 10-16 см) много меньше размера нуклона (порядка 10-13 см), то можно считать, что нуклоны, подобно атому, «состоят из пустоты».

Последующие эксперименты подтвердили гипотезу Гелл-Мана, однако существенно изменили наше понимание словосочетания «состоит из». Современный опыт и теория говорят о том, что кварки не существуют в свободном состоянии. Это означает, что протон нельзя разделить на три кварка, хотя экспериментально кварки внутри протона наблюдаются.

Связаны кварки в протоне и нейтроне сильным взаимодействием. Лептоны, не участвующие в сильном взаимодействии, остались по-прежнему элементарными частицами. Таким образом, фундаментальными «кирпичиками» вещества в настоящее время считают кварки и лептоны.

Вы знаете, что все частицы вещества обладают волновыми свойствами. Одновременно фундаментальные поля обладают корпускулярными свойствами. В соответствии с этим каждому фундаментальному взаимодействию может быть сопоставлена частица (или несколько частиц). Такие частицы стали называть частицами - переносчиками взаимодействий. С одной из таких частиц - фотоном мы уже знакомились. Эта частица переносит электромагнитное взаимодействие. Аналогичные частицы открыты для сильных взаимодействий (их назвали глюонами) и для слабых взаимодействий (промежуточные бозоны). Имеются гипотезы, что гравитационному взаимодействию можно также сопоставить частицу гравитон. Однако теория о «кирпичиках» мироздания еще далеко не завершена, и здесь еще предстоит сделать много открытий.

С точки зрения современной науки элементарными составляющими вещества являются кварки и лептоны. Кварки входят в состав адронов, в частности в состав нуклонов, и в свободном виде не существуют. Фундаментальным полям соответствуют кванты полей - частицы-переносчики взаимодействия.

Читать далее