В 1964 году Гелл-Манн и независимо от него Цвейг предположили, что все адроны построены из трех частиц унитарного триплета. Гелл-Манн назвал эти частицы "кварками", желая подчеркнуть необычность их свойств. Действительно, ранее подобные супермультиплеты отбрасывались на том основании, что у входящих в них частиц квантовые числа являются дробными, а нецелочисленными, как у всех наблюдаемых элементарных частиц.

В кварковой модели предполагается, что каждый мезон является связанными состоянием кварка и антикварка, а каждый барион (антибарион) - связанным состоянием трех кварков (трех антикварков). Для того чтобы получить из трех кварков барион со спином Ѕ, спин кварка должен быть равен 1/2, а барионный заряд 1/3. Аналогично составной модели Сакаты два кварка образуют изотопический дублет - семейство с изотопспином Ѕ и странностью, равной нулю, а третий кварк - изотопический синглет со странностью S=-1. Гелл-Манн обозначил эти кварки u, d, s.

Из трех кварков и трех антикварков можно получить 3 мезонов, а из трех наборов по три кварка (без антикварков) барионов. При этом спин мезонов может быть равен 0 либо 1 в зависимости от того, антипараллельны либо параллельны спины составляющих их кварков. Спин барионов может принимать значения 1/2 и 3/2.

Все мезоны и барионы с более высокими спинами получаются в предположении добавки к этим минимальным спинам от орбитального момента количества движения кварков по отношению друг к другу. Разбиение по унитарным семействам девяти возможных мезонов имеет вид: 3= 1+8. Именно эти две девятки мезонов (одна со спином 0, другая со спином 1) наблюдаются в эксперименте.

Поскольку кваркам приписывается четность +1, а антикваркам - 1 и для мезона, составленного из кварка и антикварка, эти четности перемножаются, то эти две девятки имеют четность - 1.

Все барионы, которые можно составить из трех кварков, разбиваются по следующим унитарным семействам: Именно такие семейства: синглет, октет, декуплет барионов - и наблюдается в эксперименте. Четность этих барионов равна +1.

Некоторые мезоны и барионы их различных унитарных семейств имеют одинаковые кварковые формулы (наприме, р⁺=), но они, конечно, отличаются направлениями спинов кварков. Некоторые мезоны и барионы составлены из сумм и разностей различных кварковых комбинаций (например, ). Это происходит в тех случаях, когда есть несколько возможных подходящих по квантовым числам комбинаций.

В настоящее время известны также многочисленные унитарные семейства, в которых орбитальный момент кварков не равен нулю (т.е. мезонные мультиплеты со спином большим 1 и барионные мультиплеты со спином большим 3/2).

В случае точной унитарной симметрии массы всех кварков должны быть равны. Но в реальной ситуации сильного взаимодействия кварки могут иметь разные массы. Предположение, что странный s-кварк тяжелее u и d-кварков примерно на 100 МэВ, позволяет объяснить массовые интервалы в барионом декуплете частиц со спином 3/2.

Многие другие свойства слабых, электромагнитных и сильных взаимодействий выглядят так, как если бы адроны состояли из кварков. Это касается не только "статических" свойств адронов, таких, как квантовые числа и магнитные моменты, но и некоторые динамические характеристики. Например, столкновение мезона с барионом можно представлять в виде столкновения пары кварков, составляющих мезон, с тройкой кварков, составляющих барион.

Каждый из мезонных кварков при этом может столкнуться с одним из барионных кварков. Всего таких различных кварк-кварковых столкновений может быть . Полное сечение рассеяния мезона на барионе, как функция энергии , будет равна сумме отдельных сечений рассеяния кварков мезона и бариона друг на друге . Тогда должно выполняться соотношение

Полное сечение рассеяния бариона на барионе через Можно выразить следующим образом

= 9

Сами по себе эти формулы дают мало информации, так как ввиду отсутствия кварков в свободном состоянии мы не знаем сечения рассеяния кварка на кварке. Однако взяв отношение этих двух равенств, получаем

Таким образом, кварковая модель предсказывает вполне определенное отношение полных сечений уже реальных частиц (мезона и бариона на барионе): оно должно равняться 2/3. Это и подобные ему соотношения были проверены и подтверждены экспериментом.

При помощи кварковой модели, введенной с целью классификации и упорядочения в адронные семейства частиц, открытых одна за другой в 1950-1960-хх., удалось построить все адроны из кварков u, d, s, и был период, когда казалось, что все вещество Вселенной состоит из комбинаций трех кварков и четырех лептонов (электрона e, электронного нейтрино н_e, мюона µ и мюоного нейтрино н_µ). В тот период можно было сказать, что хотя по сравнению с началом XX века, когда были известны только электрон и протон, физика элементарных частиц несколько усложнилась, но по существу она уже достигла предела своего развития. Оставалось уточнить только свойства силового поля, передающего слабые взаимодействия, и поля, действующего на цвета кварков.

Исследования этих так называемых калибровочных силовых полей действительно с большой силой развернулись в 1970-гг., но тогда же стали поступать экспериментальные свидетельства, что число разновидностей кварков и лептонов больше, чем думали ранее. Первое из таких свидетельств обнаружение частицы J/Ш.

Частицу J/Ш открыли независимо друг от друга и прктически одновременно группа Тинга из Массачусетского технологического института (США) и группа Рихтера (линейный ускоритель SLAC Станфордского университета, США). За свое открытие они были удостоены в 1976 г. Нобелевской премии. Символ J введен группой Тинга, а Ш - группой Рихтера. Обе группы пользовались совершенно разными экспериментальными методами, но, несомненно, обнаружили одну и ту же частицу.

Группа Тинга работала на ускорителе AGS (30 ГэВ) Брукхейвенской национальной лаборатории. Она изучала распад на электрон-позитронные пары (e^-, e⁺) нейтральных адронов, рождаемых при взаимодействии протонного пучка ускорителя с гелиевой мишенью. Целью опытов Тинга был поиск новых векторных мезонов.

Векторными называются мезоны спина единица; по модели кварков спины и в таком мезоне параллельны. В частности, мезоны вида , имеющие нулевой электрический заряд и нулевую странность, похожи на суперпозиции и ; поэтому помимо превращений в прочие адроны возможны распады таких мезонов на лептон - антилептонные пары

Считалось, что известные к тому времени векторные мезоны построены из кварков и антикварков по указанной выше схеме.

Мезоны не обязаны быть векторными (иметь спин 1), но, как видно из приведенной схемы реакции, возможность распада на лептон - антилептонные пары через однотипные промежуточные состояния, содержащие векторные фотоны (""), уникальна именно для векторных мезонов, искать которые надо было, таким образом, на пути исследования высокоэнергичных электрон - позитронных пар. На этой задаче и сосредоточил свое внимание Тинг. Подготовка опыта у него заняла несколько лет ввиду крупномасштабности экспериментальной установки.

При столкновении налетающих протонов с протонами (или нейтронами) мишени

рождались векторные мезоны , которые тут же распадались на и . Измеряя энергии и другие характеристики электрона и позитрона, можно было рассчитать массу породившей их частицы.

При отсутствии резонанса пары кварков и антикварков могут превращаться также в мюон - антимюонные пары, энергии которых в опыте не фиксировались, но при наличии резонанса должен был наблюдаться острый максимум.

Гарантии существования искомого векторного мезона, разумеется, не было. Могло быть и так: новый векторный мезон существует, но вероятность его образования настолько мала, что соответствующие события оказываются погребенными под уровнем фона и зарегистрировать максимум очень трудно. Таким образом, в опыте Тинга присутствовал элемент риска.

Опыты Рихтера были не менее уникальными. В них изучались процессы, обратные тем, формула которых приведена выше, а именно регистрировались адроны, рождаемые при столкновениях позитронов с электронами. Лептоны не участвуют в сильном взаимодействии, поэтому при указанных столкновениях адроны могли рождаться только за счет их электромагнитного взаимодействия с электронами. Такие процессы - идеальное средство для изучения электромагнитных взаимодействий. Даже если бы обнаруженного Рихтером резонанса не существовало, его опыты дали бы ценнейшую информацию о числе кварков. Подобно фотонам и векторным мезонам, в электрон - позитронные процессы должна вносить вклад не являющаяся адроном специальная векторная частица Z^{0 -} переносчик слабого взаимодействия в теории Вайнберга - Салама.

Выяснение истинной природы J/Ш - частицы продолжалось около двух лет; при этом потребовались как новые экспериментальные данные, так и разнообразные теоретические соображения. Среди новых экспериментальных данных необходимо упомянуть обнаруженный узкий резонанс Ш^/, расположенный при чуть более высокой энергии. При дальнейшем повышении энергии в окрестности 4 ГэВ найдено несколько более широких резонансов, похожих на обычные мезоны.

Вскоре после перечисленных резонансов, по своим квантовым числам (спин, четность и т.п.) напоминавших фотоны, была открыта новая группа мезонов, получивших название - частицы. Они рождаются в процессе испускания фотонов Ш^/ - частицами:

;

масса заключена между массами и . Совсем недавно обнаруженная - частица имеет массу, чуть меньшую массы , а своей спин-четностью () напоминает и ; тем не менее - частица рождается из в процессе взаимодействия последней с фотонами .

Если спектр масс упомянутых выше частиц изобразить графически, то он расположится в области энергий 3 - 4 ГэВ, а по форме будет напоминать картину спектральных линий атома, например, атома водорода. По современным представлениям этот спектр масс сопоставляется спектру энергетических уровней системы и , где с - четвертый кварк (с от английского charm - "очарование"), а - соответствующий антикварк. По аналогии с хорошо известным позитронием, систему - называют чармонием. Частицы связываются в чармоний не за счет электромагнитных кулоновских сил, а под действием сил новой природы, введенных в связи с представлением о цвете кварков.

Данных о частицах и было не достаточно для того, чтобы сделать определенный вывод в пользу изложенной выше интерпретации, основанной на существовании кварка , но гипотеза об очарованном кварке окончательно утвердилась после открытия в 1976 году мезонов D и F. Их массы примерно вдвое меньше масс частиц семейства , поэтому вновь открытые мезоны можно было интерпретировать как системы, составленные из кварка и старых кварков

Из приведенных формул видно, что кварку надо приписать электрический заряд 2/3, равный заряду - кварка. Частицы D и F имеют такую же спин-четность , как - частица, пионы, каоны, эта-мезон . Были уже известны несколько более тяжелые, чем D и F, векторные мезоны D^* и F^*, обладающие такой же спин-четностью , как векторные мезоны и -частицы.

D-мезоны очень похожи на каоны: они получаются из каонов, если входящий в состав последних - кварк заменить - кварком. Входящий в состав каонов - кварк является носителем странности, так и очарования. Понятия странности и очарования полезны тем, что соответствующие квантовые числа почти сохраняются: они неизменны, если отвлечься от слабого взаимодействия. Поэтому D и F-мезоны сравнительно стабильны, они распадаются лишь вследствие процессов превращения в - кварк:

,

Для оценки массы - кварка можно воспользоваться правилом сложения масс кварков, составляющих адрон. Поскольку

D1,8ГэВ, ГэВ,

имеем

1,8-0,3=1,5 ГэВ,

откуда для массы -частицы получается значение

ГэВ,

хорошо согласующееся с величиной, измеренной на опыте.

Гипотеза об очарованном кварке позволяет качественно объяснить наблюдаемые явления; поэтому ее введение представляется разумным. Идея о существовании четвертого кварка зародилась намного раньше открытия очарованных частиц : она потребовалась для наведения порядка в теории слабых взаимодействий.

Формулы "обычного" бета-распада

Допускают перестановку пары кварков () с парами лептонов (), (). Поэтому число разновидностей лептонов и ароматов кварков может быть только четным, а новые частицы могут появляться только парами. Поскольку в свое время -кварк появился в единственном числе, требовалось допустить существование его "напарника" - еще одного кварка . Таким образом, в дополнение к паре кварков () должна была возникнуть пара (,) с электрическими зарядами (2/3 и - 1/3).

Эта гипотеза довольно убедительна в силу своей простоты. Но на практике было много неясного, например, перестановка и - кварков сильно изменяла схемы распада V - частиц. Поэтому ввиду сложности и запутанности процессов слабого взаимодействия V - частиц теория должна была пройти долгий путь, прежде чем смогла вполне разобраться в вопросе и признать правильность гипотезы о кварк - лептонной симметрии. От ее формулировки до экспериментального открытия прошло около десяти лет.

Поскольку после открытия очарованных частиц модель кварков приобрела теоретическую завершенность, можно сказать, что проблема строения вещества уже решена. Если это так, то число разновидностей фундаментальных частиц исчерпывалось бы четырьмя видами лептонов (), () и двенадцатью видами кварков ( (индекс i принимает три значения: "красный", "зеленый", "синий").

Но оказалось, что существуют новые виды частиц.

Началось с того, что группа Перла в Станфорде (SLAC) открыла новый, так называемый - лептон. Перл с сотрудниками изучали процессы электрон-позитронных столкновений на той же, что и Рихтер, установке SPEAR; среди продуктов реакции они обнаружили похожую на мюон частицу с большей, чем у мюона, массой, равной 1,8 ГэВ. Схемы ее распада очень хорошо соответствовали схеме распада мюона.

Свойства нового вида нейтрино в деталях еще не изучены, но в существовании пары (нет сомнений.

Увеличение числа лептонов до шести означало, что кварки должны иметь шесть ароматов. Подтверждение такой гипотезы, по-видимому, явилось открытие группой Ледермана в 1977 году нового, более тяжелого, чем , мезона, получившего название ипсилон-частицы (). Ледерман изучал протон-протонные столкновения; в качестве источника протонов использовался протонный ускоритель на 400 ГэВ Национального центра ускорителей им. Ферми. Затем в Гамбурге и Корнеллском университете при изучении электрон-позитронных столкновений было подтверждено существование - частицы и обнаружены ее возбужденные состояния , и т.д.

Поскольку частицы семейства имеют массы около 10 ГэВ, масса входящих в их состав кварков должна быть порядка 5 ГэВ. По аналогии с уже известными парами кварков разумно предположить, что в состав этой частицы входит кварк из новой пары (); - кварк должен иметь электрический заряд (-1/3) и быть легче кварка . Символы и связывают с английскими словами top (вершина) и bottom (дно), но возможна и более изящная расшифровка: truth (истина) и beauty (красота).

§ 3. Кварки - новые субъединицы материи

3.1 Совершено новые фундаментальные частицы - кварки