Кварки – новые субъединицы материи

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ

«БРЕСТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени А.С.Пушкина»

Реферат

«Кварки - новые субъединицы материи»

Выполнил студент 4 курса

физического факультета

специальности «Физика»

Моpошко К.Д.

Введение

На протяжении двух последних веков ученые, интересующиеся строением Вселенной, искали базовые строительные блоки, из которых состоит материя, -- самые простые и неделимые составляющие материального мира. Атомная теория объяснила всё многообразие химических веществ, постулировав существование ограниченного набора атомов так называемых химических элементов, объяснив природу всех остальных веществ через различные их сочетания. Таким образом, от сложности и многообразия на внешнем уровне ученым удалось перейти к простоте и упорядоченности на элементарном уровне.

Но простая картина атомного строения вещества вскоре столкнулась с серьезными проблемами. Прежде всего, по мере открытия всё новых и новых химических элементов стали обнаруживаться странные закономерности в их поведении, которые, правда, удалось прояснить благодаря вводу в научный мир периодической системы Менделеева. Однако представления о строении материи всё равно сильно усложнились.

В начале XX столетия стало ясно, что атомы отнюдь не являются элементарными «кирпичиками» материи, а сами имеют сложную структуру и состоят из еще более элементарных частиц -- нейтронов и протонов, образующих атомные ядра, и электронов, которые эти ядра окружают. И снова усложненность на одном уровне, казалось бы, сменила простота на следующем уровне детализации строения вещества. Однако и эта кажущаяся простота продержалась недолго, поскольку ученые стали открывать всё новые и новые элементарные частицы. Труднее всего было разобраться с многочисленными адронами-- тяжелыми частицами, родственными нейтрону и протону, которые, как оказалось, во множестве рождаются и тут же распадаются в процессе различных ядерных процессов.

Более того, в поведении различных адронов были обнаружены необъяснимые закономерности -- и из них у физиков стало складываться некое подобие периодической таблицы. Использовав математический аппарат так называемой теории групп, физикам удалось объединить адроны в группы по восемь -- два типа частиц в центре и шесть в вершинах правильного шестиугольника. При этом частицы из каждой восьмеричной группы, располагающиеся на одном и том же месте в таком графическом представлении, обладают рядом общих свойств, подобно тому как схожие свойства демонстрируют химические элементы из одного столбца таблицы Менделеева, а частицы, расположенные по горизонтальным линиям в каждом шестиугольнике, обладают приблизительно равной массой, но отличаются электрическими зарядами . Такая классификация получила название восьмеричный путь. В начале 1960-х годов теоретики поняли, что такую закономерность можно объяснить лишь тем, что элементарные частицы на самом деле таковыми не являются, а сами состоят из еще более фундаментальных структурных единиц. Эти структурные единицы назвали кварками.

1. Развитие физики элементарных частиц.

Элементарные частицы в точном значении этого термина -- первичные, далее неразложимые частицы, из которых, по предположению, состоит вся материя. В понятии “Элементарные частицы” в современной физике находит выражение идея о первообразных сущностях, определяющих все известные свойства материального мира, идея, зародившаяся на ранних этапах становления естествознания и всегда игравшая важную роль в его развитии.

Понятие “Элементарные частицы” сформировалось в тесной связи с установлением дискретного характера строения вещества на микроскопическом уровне. Обнаружение на рубеже 19--20 вв. мельчайших носителей свойств вещества -- молекул и атомов -- и установление того факта, что молекулы построены из атомов, впервые позволило описать все известные вещества как комбинации конечного, хотя и большого, числа структурных составляющих -- атомов. Выявление в дальнейшем наличия составных слагающих атомов -- электронов и ядер, установление сложной природы ядер, оказавшихся построенными всего из двух типов частиц (протонов и нейтронов), существенно уменьшило количество дискретных элементов, формирующих свойства вещества, и дало основание предполагать, что цепочка составных частей материи завершается дискретными бесструктурными образованиями -- элементарными частицами. Такое предположение, вообще говоря, является экстраполяцией известных фактов и сколько-нибудь строго обосновано быть не может. Нельзя с уверенностью утверждать, что частицы, элементарные в смысле приведённого определения, существуют. Протоны и нейтроны, например, длительное время считавшиеся элементарными частицами, как выяснилось, имеют сложное строение. Не исключена возможность того, что последовательность структурных составляющих материи принципиально бесконечна. Может оказаться также, что утверждение “состоит из...” на какой-то ступени изучения материи окажется лишённым содержания. От данного выше определения “элементарности” в этом случае придется отказаться. Существование элементарных частиц -- это своего рода постулат, и проверка его справедливости -- одна из важнейших задач физики.

В конце XIX - начале XX века наукой было доказано, что при радиоактивных преобразованиях атомы могут превращаться друг в друга. Кроме того, в то время были открыты рентгеновское и катодное излучения. Источниками этих типов излучения могли быть различные атомы, из чего следовал тот факт, что все атомы построены по одному принципу. Поэтому, начиная с того времени, стало господствующим утверждение о том, что любой атом состоит из неких элементарных частиц.

Затем были открыты составные части атома: атомное ядро (1911 г.) - его заряженный тяжелый центр, в свою очередь состоящий из протона (1919 г.) и нейтрона (1932 г.).

Согласно понятиям современной физики принято условно считать, что термин элементарные частицы охватывает большую группу мельчайших микрочастиц, в которые не входят атомы, а также атомные ядра (кроме протона, являющегося ядром атома водорода). Ну а истинно элементарными частицами являются электрон, позитрон, все виды нейтрино, фотоны и кварки, поскольку в настоящее время их принято считать неделимыми, т.е. их нельзя составить ни из каких других известных нынешней физике частиц.

На основе кварковой модели была создана классификация адронов - частиц с сильным взаимодействием. Это разделение частиц на группы в последние годы пользуется огромным успехом, хотя предложено было еще в 60-х годах. Как следует из данной модели, любой адрон включает в себя две-три действительно элементарные частицы - кварки, - обладающие весьма необычными характеристиками. Предположительно существует шесть типов (ароматов) кварков и антикварков, которые взаимодействуют между собой посредством глюонов. Глюоны, как и кварки обладают особенным зарядом, именуемым цветом. Каждому типу кварка свойственны три разновидности цвета, а каждому типу глюона - восемь.

Число открытых и исследованных частиц к настоящему времени огромно. Уже весь греческий алфавит и большая часть латинского алфавита использованы под обозначение элементарных частиц. Более того, зачастую в обозначениях вновь открытых частиц встречаются штрихи, звездочки и цифры. Это говорит о том, что их количество значительно превосходит совокупный размер греческого и латинского алфавитов.

В настоящее время число элементарных частиц (включая нестабильные частицы - резонансы) вместе с античастицами в несколько раз превышает число элементов периодической системы Менделеева. А согласно подсчетам одного физика, число открытых элементарных частиц, удваивается через каждые 11 лет и если так пойдет дальше, через некоторое время превысит число физиков.

2. Кварки

Кварки были придуманы в 1964 г. американскими физиками Гелл-Маном и независимо Цвейгом для объяснения существующей в природе симметрии в свойствах сильновзаимодействующих частиц - адронов.

Кварки - общее название для нескольких фундаментальных частиц, из которых можно составить любую сильновзаимодействующую частицу. При этом такие “составные” частицы будут обладать всеми основными свойствами реальных частиц. Следует заметить, что сильновзаимодействующие частицы составляют абсолютное большинство среди всех типов частиц. Столь необычное название “кварки” заимствовано из книги Джеймса Джойса “Поминки по Финнигану”, где встречается словосочетание “три кварка” как таинственный крик чаек, который слышится герою романа в кошмарном бреду.

Гипотеза о существовании таких фундаментальных частиц, как кварков, решила весьма важную задачу об упорядочивании всех известных к тому времени элементарных частиц.

3. Типы кварков и их свойства

Кварки это элементарные частицы, то есть частицы, которые не имеют своей внутренней структуры (по крайней мере так считается).

К настоящему времени было открыто 6 кварков и новых кварков не предвидится.

Из кварков, в частности, состоят протоны (2u+d) и нейтроны (2d+u).

Каждый из шести кварков имеет свое собственное имя и за каждым из них стоит годы попыток его обнаружить - можно написать не один детективный роман на эту тему.

Различные состояния фундаментального представления были названы ароматами. Таких ароматов (или типов кварков), очевидно, три: «верхний» (up или u-кварк), «нижний» (down , d-кварк) и «странный» (strange, s).

Up или u-кварк - «верхний».

Кварк u

Название up

Масса от 1,5 до 5 МэВ

Заряд 2/3

В результате эксперимента, проведённого международным коллективом из 50 учёных под руководством Энн Хейнсон из Калифорнийского университета в Риверсайде, была впервые зарегистрирована субатомная частица -- так называемый верхний кварк (или u-кварк). Это открытие позволит учёным сделать ряд фундаментальных выводов, в частности, узнать, за счёт чего тела приобретают массу.

Одна из самых тяжёлых элементарных частиц -- верхний кварк -- имеет такую же массу, как и атом золота, и является одним из основных "кирпичиков", составляющих материю. Считается, что верхние кварки находились в свободном состоянии после Большого Взрыва, но сейчас их можно получить только в результате проведения опытов в ускорителе при очень высоких энергиях.

Для "ловли" u-кварка Хейнсон и её коллеги на первом этапе работы собрали результаты опытов по столкновению протонов и антипротонов, проводившихся на ускорителе Tevatron (штат Иллинойс) в 2002-2005 годах. Затем они провели анализ столкновений, который помог определить тип частиц, возникающих в ходе реакции.

Когда протон и антипротон сталкиваются с околосветовыми скоростями, при определённых условиях может появиться u-кварк. В свободном состоянии эта частица нестабильна -- через доли секунды она распадается, порождая другие частицы. Из-за этого регистрация кварка усложняется, и физики могут судить о его рождении только по возникающим "частицам-наследникам".

Именно таким методом и действовал коллектив Хейнсон. Для того чтобы найти следы распада u-кварка (а значит, и появления самого кварка), учёные регистрировали "электронную подпись" его продуктов распада.

Для этого посредством специального кремниевого детектора определялось пространственное расположение заряженных частиц, сталкивавшихся с ним после того, как кварк распадался. С помощью этого устройства учёным удалось реконструировать траектории частиц, а значит, и узнать, что это за частицы и каковы их энергии.

К началу проведения опыта уже существовала теоретическая модель, предсказывавшая ход событий в результате столкновения, и исследователи, по крайней мере, знали, что и как им искать. По окончании реакции должен был возникнуть всего один верхний кварк, поэтому его регистрация была невероятно сложным делом.

Down , d-кварк- «нижний».

Кварк d

Название down

Масса от 3 до 9 МэВ

Заряд -1/3

Существование d-кварков впервые было предложено в 1964 г., когда Гелл-Манн и Цвейг разработали кварковую модель. Первые экспериментальные доказательства были получены в экспериментах по глубоко неупругому рассеянию в SLAC в 1967 г.

Strange, s-кварк-«странный».

Кварк s

Название strange

Масса от 60 до 170 МэВ

Заряд -1/3

s-кварк принадлежит ко второму поколению. Он -- самый лёгкий среди кварков после u-кварка и d-кварка. Первая странная частица (элементарная частица, содержащая странный кварк) -- каон -- была открыта ещё в 1947 г., но сам s-кварк не был известен, пока Гелл-Манн и Цвейг не разработали кварковую модель в 1964 г.

Charm, c-кварк-« очарованный».

Кварк c

Название charm

Масса от 1,1 до 1,4 ГэВ

Заряд 2/3

В конце 1974 г. одновременно в двух лабораториях была открыта новая частица, свойства которой оказались таковы, что их не удалось объяснить в рамках трехкварковой модели. Для интерпретации этих свойств потребовалось ввести четвертый кварк - с-кварк, названный очарованным ( от слова charm - очарование).

с-Кварк оказался вполне равноправной частицей по отношению к остальным трем кваркам. Комбинируя с-кварк с антикварками u, d, s, можно получить новые мезоны, которые были названы очарованными.

В настоящее время уже обнаружены представители всех очарованных мезонов и некоторые очарованные барионы. На этом основании, казалось бы, можно было считать, что кварковая модель достигла совершенства, т.е. описывает все существующие частицы и не конструирует лишних, не встречающихся в природе.

Botton, b-Кварк (прелестный).

Кварк b

Название bottom

Масса от 4,1 до 4,4 ГэВ

Заряд -1/3

Однако, в 1977 г. была открыта еще одна частица, названная ипсилон-мезоном, свойства которой не укладывались в четырехкварковую модель. Новый, пятый кварк b, названный прелестным (от слова beauty - прелесть, иногда название b-кварка производят от слова botom - низ).

Top, t-Кварк (правдивый).

Кварк t

Название top

Масса от 168 до 178 ГэВ

Заряд 2/3

Наконец, имеются основания считать, что должен существовать еще и шестой кварк t, названный правдивым (от слова truth) или верхним (от слова top). Одним из таких оснований является предсказываемая теорией электрослабого взаимодействия симметрия в числе кварков и лептонов (которых открыто шесть).

4. Кварки природные и созданные человеком

кварк элементарная частица

Благодаря успеху кварковой модели возникает желание описать всё существующее многообразие частиц несколькими фундаментальными, такими, как кварки. А для этого необходимо подтвердить их существование в природе.

Наиболее вероятно предположить, что кварки имеют большую массу. Однако для рождения частиц с большой массой требуются большие кинетические энергии. Поэтому кварки нужно искать в таких условиях (естественно или искусственно созданных), когда имеется возможность трансформации большой порции кинетической энергии в энергию покоя (массу). Согласно законам сохранения, кварк может образовываться только в паре с антикварком. Связь между массой кварка mq и минимальной кинетической энергией, бомбардирующей частицы Тмин, необходимой для рождения кварка этой массы, определяется типом реакции, в которой образуется кварк.

Имеется следующая зависимость Тмин от предполагаемого значения m q для реакции образования кварка при соударении двух протонов:

Тмин=2(mq /mp ) (2mp + mq ) c

Значения Тмин, вычисленные по данной формуле при разных значениях массы кварка приводятся в таблице. Из таблицы видно, что кварки массой

mq < 3mp нужно искать среди частиц, образующихся в мишенях ускорителей протонов на энергию 30 ГэВ, кварки массой mq < 5mp - в мишенях ускорителей на энергию 70 ГэВ и т.д. Считается, что при данной энергии Т могут рождаться частицы большей массы, чем указано в таблице (например, при Т=30 ГэВ могут родиться кварки массой до 5mp ). Однако этот процесс можно не учитывать в расчетах в связи с его очень малой вероятностью.

Наименьшая энергия, необходимая для рождения кварка массой mq

m q m p 3m p 5m p 10m p 20m p

Тмин m p c 6 30 70 240 880

Тмин ГэВ 5,6 28 65 225 825

Кварки обладают специфическими свойствами благодаря дробности их электрического заряда. Ими можно воспользоваться, чтобы выделить кварки из огромного числа других частиц, которые возникают в мишени ускорителя. Таким свойством является, к примеру, пониженная ионизирующая способность, которая изменяется прямо пропорционально квадрату электрического заряда частицы. Поскольку кварки имеют заряд, равный 1/3 или 2/3 заряда электрона, ионизирующая способность кварков равна соответственно 1/9 или 4/9 ионизирующей способности электронов.

Были предприняты несколько опытов по обнаружению кварков. Они были реализованы сперва на ускорителях в ЦЕРНе и в Брукхейвенской лаборатории, затем в Серпухове, а потом снова в ЦЕРНе на ускорителе протонов до энергии 400 ГэВ и в Батавии на ускорителе протонов до энергии 500 ГэВ. Однако все они не увенчались успехом. Это говорит о том, что или они рождаются с гораздо меньшей вероятностью, чем предполагали, или масса кварков превышает 15 протонных масс. Не исключено также, что кварков вообще нет в свободном виде.

Кварки, созданные космическим излучением

Космическое излучение содержит протоны, энергия которых превышает 500 ГэВ. При столкновениях с атмосферными ядрами такие протоны могут быть источниками кварков, даже если их масса превышает 15 m p . Одним из способов регистрации кварков, рожденных космическим излучением, может быть использование детекторов, чувствительных к ионизации. Источником ионизации являются частицами с дробным электрическим зарядом, обладающие высокой подвижностью.

Камера Вильсона.

В качестве такого детектора можно использовать камеру Вильсона. В ней следы заряженных частиц выглядят, как цепочки из капелек жидкости. Эти капельки образуются в результате конденсации пересыщенного пара на ионах, которые возникают вдоль траектории заряженной частицы. Плотность капелек на следе кварка должна быть в 9 раз меньше, чем на следе электрона, поскольку ионизирующая способность кварка составляет 1/9 или 4/9 ионизирующей способности электрона.

В свое время в печати появились работы, в которых сообщалось об обнаружении частиц с 50%-ной ионизирующей способностью. Однако затем выяснилось, что полученные результаты - всего лишь сильная флюктуация ионизирующей способности обычной частицы с z=1.

Содержание кварков в земных водоемах.

Возможным источником кварков одно время считали водные бассейны Земли. Логично предположить, что кварки, возникающие при взаимодействии космических частиц с атомными ядрами атмосферы, становятся центрами конденсации водяных паров, падают вместе с дождем на землю и в конце концов попадают в озера, моря и океаны. Концентрация кварков в земных водоемах должна непрерывно повышаться с течением времени. Это связано с тем, что описанный механизм образования кварков действует непрерывно. Кроме того, считается, что кварки не могут распадаться. Это связано с дробностью заряда, и можно предполагать, что по крайней мере один из кварков, обладающий наименьшей массой, стабилен, так как ему не на что распадаться. В то же время, более тяжелый кварк может превращаться в легкий без нарушения закона сохранения электрического и барионного зарядов.

Оценки показывают, что за время существования Земли с помощью такого механизма могло накопиться до 100 000 кварков в каждом 1 куб. см воды. Но в воде кварков также не обнаружили.

Где еще ищут кварки?

Пытались обнаружить кварки при помощи опытов типа опыта Миллекена по определению заряда электрона. Ищут кварки и в метеоритах, которые при достаточно больших размерах и длительном существовании в космическом пространстве могли накопить много кварков. Но и здесь однозначные результаты не были получены.

Несмотря не то, что в результате всех проделанных опытов кварки обнаружить не удалось, нельзя говорить о том, что их не существует, так как прошло еще очень мало времени. К тому же результаты сделанных опытов отнюдь не исключают возможности существования кварков массой

mq > 15mp

Кстати, чем тяжелее кварки, тем заманчивее становится мечта их открыть. Ведь если протон образован тремя кварками массой 5mp каждый, то “энергия связи” протона равна: 14mpc , или 13 ГэВ, т.е. в процессе образования протона из кварков должно освобождаться 14/15 = 93% энергии покоя кварков.

5. Современная физика о проблеме кварков

Сомнения в существовании кварков остаются потому, что, хотя они и наделяются специфическими, не встречающимися у других известных частиц свойствами, никому ещё не удалось наблюдать кварки непосредственно, то есть подтвердить их свойства путём выделения этих частиц из вещества. С обычными же частицами можно экспериментировать в свободном состоянии. Атомы и электроны тоже ведь в своё время были гипотетическими частицами, существование которых предполагалось на основании законов сохранения и тому подобных соображений, однако вскоре их удалось выделить из вещества и определить соответствующие им массы и электрические заряды.

В настоящее время большинство ученых, занимающихся данной проблемой, считают, что кварки существуют только в связанном состоянии внутри адронов. Они не могут вылететь из адронов и существовать в свободном виде.

6. Пленение кварков внутри адронов

Адроны участвуют в электромагнитных, слабых и сильных взаимодействиях. Их можно сгруппировать в два больших семейства: семейство мезонов (спин 0,1 и т.д.) и семейство барионов (спин Ѕ, 3/2 и т.д.). Название “адрон” означает “сильно взаимодействующая частица”. Оказалось, что адроны можно более детально классифицировать, объединяя их в подсемейства (называемые супермультиплетами) по признаку одинаковости спина и четности входящих в подсемейство частиц.

Главная трудность кварковой модели заключается в пленении кварков внутри адронов. Другая трудность этой модели связана с тем, что она допускает барионные комбинации из трех тождественных кварков, находящихся в одинаковых состояниях. Однако принцип Паули, согласно которому два (и тем более три) фермиона с одинаковыми квантовыми числами не могут находиться в одном и том же состоянии, запрещает такие комбинации. Благодаря введению еще одной характеристики кварков, называемой условно цветом обе эти трудности были преодолены. Здесь следует заметить, что термин “цвет”, употребляемый как характеристика сильного взаимодействия, не имеет никакого отношения (кроме терминологического) к оптическим цветам.

Каждый кварк имеет три цветовые разновидности, соответствующие трем основным цветам: “красному”, “синему” и “зеленому”. Эти разновидности не зависят от его типа (u, d, s, c, b, t), который называется ароматом (flavour),.

Любой барион обязательно включает в себя “разноцветные” кварки, так что гиперон, например, является “бесцветной” (“белой”) комбинацией, которая не противоречит принципу Паули. Соответственно каждый мезон представляет собой комбинацию кварков и антикварков с “дополнительными цветами” (например, “красный” и “антикрасный” и т.п.), которые также в сумме дают “белый” цвет.

Квантовая хромодинамика

Согласно современной теории сильных взаимодействий (квантовой хромодинамике), кварками взаимодействие между собой посредством восьми цветных глюонов (от слова glue - клей). Глюоны являются квантами, т.е. переносчиками сильного взаимодействия между кварками любых ароматов и цветов и как бы склеивают кварки между собой. Цвет играет очень важную роль нового заряда.

Между глюонами и фотонами (их еще называют квантами электромагнитного взаимодействия) есть одна существенная разница: глюоны имеют цветной заряд, а фотоны им не обладают. В отличие от фотона глюон может испускать новые глюоны. Это приводит к росту эффективного заряда кварка при увеличении расстояния, а значит, к возрастанию энергии взаимодействия между кварками.

В результате пленения кварки не могут освободиться друг от друга и существуют в природе только в связанном виде - в форме “белых”, “бесцветных” адронов. Наоборот, на очень малых расстояниях кварки можно рассматривать как практически свободные частицы (центральная свобода), так как они взаимодействуют относительно слабо. Из этого предположения вытекают несколько количественных соотношений, подтвержденных экспериментами.

Заключение

В настоящее время физика элементарных частиц развивается, в основном, за счет изучения структуры различных элементарных частиц, и в первую очередь протона и нейтрона. Из обеих этих частиц построены все атомные ядра, находящиеся в своих основных состояниях. Они являются окончательными основными состояниями всех барионов.

Недавно появилась новая теория элементарных частиц, которая называется “теорией зашнуровки”. Согласно этой теории, каждая элементарная частица существует благодаря тому, что существуют все остальные частицы, и ни одна из известных частиц не является более фундаментальной и элементарной, чем остальные.

Была проведена классификация адронов, согласно которой они состоят из кварков. Она оказалась очень успешной, поскольку удалось рассмотреть структуру адронов. Однако многое предстоит еще выяснить в процессе исследований.

Список использованной литературы

1. В.Акоста, К.Кован, Б.Грэм “ Основы современной физики”, М. Просвещение, 1981;

2. И.Розенталь “Элементарные частицы и структура Вселенной”, М. Наука, 1984;

3. К.Мухин “Занимательная ядерная физика”, М. Энергоатомиздат, 1985.

4. Савельев И.В., Курс физики, М.: Наука, 1989.

5. Зисман Г.А., Тодес О.М. Курс общей физики, К.: Изд. Эделвейс, 1994.

6. Намбу Ё., Кварки, М. Мир, 1984.

7. Кувшинов В.И., Стражев В.И., От научной гипотезы к физическому факту, Мн. Изд. Наука, 1977.

Размещено на Allbest.r