Кварк второго поколения виды. Кварки и восьмеричный путь

Кварк-частица со спином 1/2 и дробным электрическим зарядом, являющаяся составным элементом адронов. Это название было заимствовано М. Гелл-Маном в одном из романов Дж. Джойса. По-немецки «кварк» - «творог», но в романе это слово означает нечто двусмысленное и таинственное; герою снится сон, где чайки кричат: «Три кварка для мастера Марка». Термин вошел в научный обиход, возможно, потому, что соответствовал двусмысленной и таинственной роли кварков в физике.

Все известные адроны состоят либо из пары кварк - антикварк (мезоны), либо из трех кварков (барионы). Кварки (и антикварки) удерживаются внутри адронов глюонным полем. Помимо спина кварки имеют еще две внутренние степени свободы - «аромат» и «цвет».

Каждый кварк может находиться в одном из трех «цветовых» состояний, которое условно называют «красным», «синим» и «желтым». Эта терминология введена для удобства и не имеет отношения к оптическим свойствам - все три «цветовых» состояния одинаково поглощают и испускают кванты света. Массы всех цветовых состояний также строго одинаковы.

Что касается «ароматов», то их известно пять и предполагается наличие шестого. Свойства кварков с различными «ароматами» различны, и поэтому их обозначают различными буквами, в порядке возрастания массы: u, d, s, с, b, t. Последний t-кварк настолько тяжел, что его пока не удалось наблюдать. Заряды d-, s-, b-кварков равны - 1 /3, а заряды остальных кварков равны 2/3 в единицах заряда протона.

Подсчитаем полное число внутренних степеней свободы. Каждый кварк u, d, s, с, b, t может быть окрашен в любой из трех цветов, иметь по два спиновых состояния ± 1/2 и по два зарядовых состояния (частица и античастица),. Это дает 6X3X2X2, т. е. 72 варианта.

Обычное вещество состоит из легчайших u- и d- кварков, входящих в состав нуклонов ядер (см. Ядро атомное). Более тяжелые кварки создаются искусственно в экспериментах на ускорителях заряженных частиц или наблюдаются в космических лучах.

Слова «создаются» и «наблюдаются» нуждаются в оговорке. Ни один кварк - ни легкий, ни тяжелый - ни разу не был зарегистрирован в свободном виде, несмотря на многолетние поиски. Кварки можно наблюдать только внутри адронов.

При попытке выбить кварк из адрона происходит следующее. Вылетающий кварк рождает на своем пути из вакуума пары кварк - антикварк, расположенные в порядке убывания скоростей. Один из медленных кварков занимает место исходного, а тот образует вместе с остальными рожденными кварками и антикварками струю адронов (см. рис.).

При этом либо тройки кварков соединяются в барионы, либо пары кварк - антикварк - в мезоны. Почему же невозможны другие комбинации, и в частности одиночный кварк? Эта загадка пока еще не разгадана наукой (см. Адро-ны, Сильные взаимодействия).

Кварки участвуют во всех известных взаимодействиях - гравитационных, слабых, электромагнитных и сильных. Неизвестно, из чего состоят сами кварки; возможно, они элементарны. Их собственный размер, во всяком случае, меньше 10 -16 см.

Участвует во взаимодействиях гравитационное ,
слабое , сильное , электромагнитное Античастица антикварк (q ) Теоретически обоснована М. Гелл-Манном и, независимо от него, Дж. Цвейгом в 1964 году Обнаружена SLAC (~1968) Кол-во типов 6 (нижний , верхний , странный , очарованный , прелестный , истинный) Квантовые числа Электрический заряд Кратен /3 Цветной заряд r, g, b Барионное число 1/3 Спин ½ ħ

В настоящее время известно 6 разных «сортов» (чаще говорят - «ароматов ») кварков, свойства которых даны в таблице. Кроме того, для калибровочного описания сильного взаимодействия постулируется, что кварки обладают и дополнительной внутренней характеристикой, называемой «цвет ». Каждому кварку соответствует антикварк - античастица с противоположными квантовыми числами .

Свойства кварков

Символ	Название		Заряд	Масса
	рус.	англ.
Первое поколение
d	нижний	down	− 1 / 3	4,8 ± 0,5 ± 0.3 МэВ / ²
u	верхний	up	+ 2 / 3	2,3 ± 0,7 ± 0.5 МэВ/c²
Второе поколение
s	странный	strange	− 1 / 3	95±5 МэВ/c²
c	очарованный	charm (charmed )	+ 2 / 3	1275 ± 25 МэВ /c²
Третье поколение
b	прелестный	beauty (bottom )	− 1 / 3	4180 ± 30 МэВ/c²
t	истинный	truth (top )	+ 2 / 3	174 340 ± 650 МэВ/c²

В силу неизвестных пока причин, кварки естественным образом группируются в три так называемые поколения (они так и представлены в таблице). Кварки имеют дробный электрический заряд , а в каждом поколении один кварк обладает зарядом + 2 3 {\displaystyle +{\frac {2}{3}}} , а другой − 1 3 {\displaystyle -{\frac {1}{3}}} . Кварки одного поколения были бы неразличимы, если бы не поле Хиггса . Подразделение на поколения распространяется также и на лептоны .

Кварки порождаются глюонами только парой кварк-антикварк .

Реальность кварков

Из-за непривычного свойства сильного взаимодействия - конфайнмента - часто неспециалистами задаётся вопрос: а откуда мы уверены, что кварки существуют, если их никто никогда не увидит в свободном виде? Может, они - лишь математическая абстракция , и протон вовсе не состоит из них?

Причины, по которым кварки считают реально существующими объектами, таковы:

• Во-первых, в 1960-х годах стало ясно, что все многочисленные адроны подчиняются более или менее простой классификации: сами собой объединяются в мультиплеты и супермультиплеты . Иными словами, при описании всех этих мультиплетов требуется очень небольшое число свободных параметров. То есть, все адроны обладают небольшим числом степеней свободы : все барионы с одинаковым спином обладают тремя степенями свободы, а все мезоны - двумя. Первоначально гипотеза кварков как раз и заключалась в этом наблюдении, и слово «кварк», по сути, было краткой формой фразы «субадронная степень свободы».
• Далее, при учёте спина оказалось, что каждой такой степени свободы можно приписать спин ½ и, кроме того, каждой паре кварков можно приписать орбитальный момент - словно они и есть частицы, которые могут вращаться друг относительно друга. Из этого предположения возникло стройное объяснение и всему разнообразию спинов адронов, а также их магнитных моментов .
• Более того, с открытием новых частиц выяснилось, что никаких модификаций теории не требуется: каждый новый адрон удачно вписывался в кварковую конструкцию без каких-либо её перестроек (если не считать добавления новых кварков).
• Как проверить, что заряд у кварков действительно дробный? Кварковая модель предсказывала, что при аннигиляции высокоэнергетических электрона и позитрона будут рождаться не сами адроны, а сначала пары кварк-антикварк, которые потом уже превращаются в адроны. Результат расчёта течения такого процесса напрямую зависел от того, каков заряд рождённых кварков. Эксперимент полностью подтвердил эти предсказания .
• С наступлением эры ускорителей высокой энергии стало возможным изучать распределение импульса внутри, например, протона. Выяснилось, что импульс в протоне не распределён равномерно по нему, а частями сосредоточен в отдельных степенях свободы. Эти степени свободы назвали партонами (от англ. part - часть). Более того, оказалось, что партоны, в первом приближении, обладают спином ½ и теми же зарядами, что и кварки. С ростом энергии оказалось, что количество партонов растёт, но такой результат и ожидался в кварковой модели при сверхвысоких энергиях .
• С повышением энергии ускорителей стало возможным также попытаться выбить отдельный кварк из адрона в высокоэнергетическом столкновении. Кварковая теория давала чёткие предсказания, как должны были выглядеть результаты таких столкновений - в виде струй . Такие струи действительно наблюдались в эксперименте. Заметим, что если бы протон ни из чего не состоял, то струй бы заведомо не было .
• При высокоэнергетических столкновениях адронов вероятность того, что адроны рассеются на некоторый угол без разрушения, уменьшается с ростом величины угла. Эксперименты подтвердили, что, например, для протона скорость получается точно такая, какая ожидается для объекта, состоящего из трёх кварков .
• При столкновениях протонов с высокими энергиями экспериментально наблюдается аннигиляция кварка одного протона с антикварком другого протона с образованием пары мюон-антимюон (процесс Дрелла - Яна) .
• Кварковая модель с позиций взаимодействия кварков между собой при помощи глюонов хорошо объясняет расщепление масс между членами декуплета Δ − − Σ − − Ξ − − Ω − {\displaystyle \Delta ^{-}-\Sigma ^{-}-\Xi ^{-}-\Omega ^{-}} .
• Кварковая модель хорошо объясняет расщепление масс между Ξ − − Ξ 0 {\displaystyle \Xi ^{-}-\Xi ^{0}} .
• Кварковая модель предсказывает для отношения магнитных моментов протона и нейтрона величину μ P μ N = − 3 2 , {\displaystyle {\frac {\mu _{P}}{\mu _{N}}}=-{\frac {3}{2}},} что находится в хорошем соответствии с экспериментальным значением −1,47. Для отношения магнитных моментов гиперона и протона теория кварков предсказывает величину μ Λ μ P = − 1 3 {\displaystyle {\frac {\mu _{\Lambda }}{\mu _{P}}}=-{\frac {1}{3}}} , что также находится в хорошем соответствии с экспериментальным значением −0,29 ± 0,05 .
• Есть и много других экспериментальных подтверждений кварковой модели строения адронов .

В целом, можно сказать, что гипотеза кварков и всё, что из неё вытекает (в частности, КХД), является наиболее консервативной гипотезой относительно строения адронов, которая способна объяснить имеющиеся экспериментальные данные. Попытки обойтись без кварков наталкиваются на трудности с описанием всех тех многочисленных экспериментов, которые очень естественно описывались в кварковой модели.

Кварковая модель была признана физическим сообществом в 1976 году .

Открытые вопросы

В отношении кварков остаются вопросы, на которые пока нет ответа:

Впрочем, история с адронами и кварками, а также симметрия между кварками и лептонами, наводит на подозрение, что кварки могут сами состоять из чего-то более простого. Рабочее название для гипотетических частиц-составляющих кварков - преоны . С точки зрения данных экспериментов, до сих пор никаких подозрений на неточечную структуру кварков не возникало. Однако попытки построить такие теории делаются независимо от экспериментов. Серьёзных успехов в этом направлении пока нет.

Другой подход состоит в построении теории Великого объединения . Польза от такой теории была бы не только в объединении сильного и электрослабого взаимодействий, но и в едином описании лептонов и кварков. Несмотря на активные усилия, построить такую теорию также пока не удалось.

Альтернативные модели

Название

См. также

Примечания

1. Удивительный мир внутри атомного ядра Вопросы после лекции (неопр.) .
2. КВАРКИ Большая Российская Энциклопедия (неопр.) .
3. Кварки и восьмеричный путь
4. кварки
5. КВАРКИ Кварковая структура адронов
6. Основные понятия и законы физики и свойства элементарных частиц материи Лев Окунь Электромагнитное взаимодействие Нейтральные частицы.
7. Физика элементарных частиц в преддверии запуска Большого адронного коллайдера В. А. Рубаков Научно-популярная лекция для школьников, ФИАН, 25 сентября 2008 года
8. Классификация адронов Кварки и их свойства
9. Э. Э. Боос, О. Брандт, Д. Денисов, С. П. Денисов, П. Граннис. Top-кварк (к 20-летию открытия) // УФН . - 2015. - Т. 185 . - С. 1241–1269 . - DOI :10.3367/UFNr.0185.201512a.1241 .
10. На берегу океана непознанного: иллюзия простоты
11. «Частица на краю Вселенной». Глава из книги Шон Кэрролл Симметрии слабых взаимодействий
12. Игорь Иванов, кандидат физико-математических наук (Институт математики СО РАН, Новосибирск, и Льежский университет, Бельгия). Анатомия одной новости, или Как на самом деле физики изучают элементарные частицы: Почему кварки не бывают свободными . - Элементы.ру.
13. , с. 40.
14. Герасимов С. Б. Цвейга правило // Физическая энциклопедия : [в 5 т.] / Гл. ред. А. М. Прохоров . - М. : Большая российская энциклопедия, 1999. - Т. 5: Стробоскопические приборы - Яркость. - С. 418. - 692 с. - 20 000 экз. - ISBN 5-85270-101-7 .

… Что это такое? Научные термины редко придумывают произвольно, их стараются выбирать в соответствии с характером обозначаемого явления или объекта. Позитрон, например, - носитель элементарного положительного заряда; «позитро» по-латыни значит положительный. Нейтрон - частица, не несушая электрического заряда, ее название происходит от латинского слова «нейтрум», что значит «ни то, ни другое». Адроны - группа элементарных частиц, обладающих значительными массами и сильно взаимодействующих: «адрон» по-гречески - массивный, мощный. Лептоны - слабо взаимодействующие частицы, их название на том же языке значит тонкий, нежный. Точно так же гипероны, мезоны, барионы, нуклоны, фотоны и многие другие названия микрочастиц могут быть объяснены, обоснованы, переведены с древних языков на новые. А как понять новое название «кварк»? (К слову, физические опыты, направленные на поиски кварков могли бы стать темой для интересной лабораторной работы по физике. А оценки за эту работу и ее результаты родители смогли бы увидеть в электроном дневнике Санкт-Петербургского образования , который является новой вариацией всем привычного школьного дневника, только уже доступного родителям через интернет. Но вернемся к кваркам)

Увы! - ни в одном словаре такого слова нет. Откуда же взялось оно? Оказывается, виноват дублинский трактирщик Финнеган, герой романа английского писателя Джойса «Поминки по Финнегану». В этом усложненном, запутанном, нарочито непонятном литературном произведении есть эпизод, в котором Финнегану (или его двойнику, «вытеснившему его из жизни») мерещится, что он Король Марк из средневековой легенды, у которого племянник Тристан похитил жену, прекрасную Изольду. Король Марк гонится за Изольдой на корабле, над ним кружат чайки (которые, впрочем, быть может, вовсе не чайки, а судьи) и злобно кричат «ТРИ КВАРКА МИСТЕРУ МАРКУ». Короля мучают кошмары, над ним издеваются чайки, и все громче их загадочный, страшный клич: «ТРИ КВАРКА, ТРИ КВАРКА, ТРИ КВАРКА…».

Короче говоря, термин «кварки» в «переводе» на нормальный человеческий язык будет означать «бредовые», «немыслимые», «кошмарные», «дикие», «невообразимые» - можете смело продолжать подбирать синонимы сами.

Придумав новые, совершенно необыкновенные частицы , наделив их умопомрачительными свойствами и построив из них обычные микрочастицы, американский физик М. Гелл-Манн назвал порождение своей научной фантазии «кварками». Но зачем он сделал все это? Зачем понадобилась еще одна непонятная частица? Ведь и без того их больше, чем хотелось бы физикам.

Именно чрезмерное обилие микрочастиц натолкнуло Гелл-Манна на идею кварков. Сперва предполагалось, что вселенная построена из протонов и электронов, частиц неуничтожаемых и вечных. Затем было открыто еще около трех десятков элементарных частиц, причем большинство из них - нестабильны, то есть вскоре после возникновения самопроизвольно распадаются, превращаясь в другие частицы. Сейчас известны элементарные частицы двухсот с лишним видов. Многие из новых обитателей микромира существуют всего лишь триллионные доли секунды.

Увеличение числа частиц, открытие новых их свойств, конечно, радовало ученых. Но вместе с тем все острее вставала проблема классификации обитателей микромира. Очень хотелось свести их пестрое многообразие к какому-то порядку, единству.

После множества неудачных попыток зажглась, как будто, звезда успеха: сначала удалось создать очень абстрактную, сугубо математическую классификацию адронов (увенчавшуюся предсказанием открытия очередной новой частицы). И после этого американский физик выдумал кварки, «кирпичики мироздания», из которых, как сейчас считают, построены и протоны, и нейтроны, и почти все прочие микрочастицы.

Вот уже много лет физики всего мира говорят о кварках. И никак не могут их обнаружить в эксперименте. Разумеется, чтобы эти новые «кирпичи» выполнили свою роль, надо было указать, как построить из них «дома». Этого Гелл-Манн добился. Но дорогой ценой: он вынужден был наделить кварки необыкновенными свойствами. Столь необыкновенными, что для названия предполагаемых частиц этот физик и избрал химеру Джойса - кварки Финнегана.

У Джойса сказано - «Три кварка». У Гелл-Манна их тоже три. Три разных кварка. И еще три античастицы (наделенные противоположными зарядами): три антикварка. Всего шесть. Так следовало из некоторых общих соображений, и в этом еще нет ничего бредового и невероятного.

Чтобы понять, почему понадобилось столь образное имя «кварк», надо вспомнить следующее. У всех элементарных частиц есть несколько свойств, физических характеристик, которые обязательно сохраняются, какие бы чудовищные силы ни действовали на частицы. Никакие превращения не могут принести к тому, чтобы эти величины хоть сколько-нибудь прибавились или убавились. Очевидно, кварки должны обладать всеми этими характеристиками.

Первая из них - электрический заряд. Он обязательно сохраняется при взаимодействиях и превращениях частиц. Причем до недавних пор физики твердо знали: существует наименьшая возможная порция электричества, неразрушимая и неделимая - заряд электрона. Но кварки потому и кварки, что для них возможно невозможное: одному из них приписан заряд -1-2/3, а двум другим - по -1/3!

Должен сохраняться во всевозможных процессах и так называемый барионный заряд (он проявляется лишь на ничтожных расстояниях, сравнимых с размерами атомного ядра). Для известных частиц барионный заряд может иметь значения +1, 0 и - 1. Это, соответственно, мезоны и барионы (а также антибарионы). Кваркам же пришлось приписать барионный заряд +1/3 (антикваркам - 1/3).

Кроме этих двух зарядов, в превращениях элементарных частиц сохраняется спин - величина, характеризующая вращение вокруг собственной оси. Тут у кварков ничего фантастического нет, - как и у многих частиц, спин у них равен 1/2.

Есть еще четвертая величина, в какой-то мере подобная заряду, - странность. Имя это (придуманное, кстати, тем же Гелл-Манком), дано ей за странное свойство: при некоторых видах распада она не сохраняется. Так вот, у двух из трех кварков странность равна нулю и у одного - минус единице. Это тоже не очень удивительно.

Самое же поразительное в кварках - их масса. Масса невообразимо огромная, неслыханная и трудновообразимая для элементарных частиц - они должны быть в 10 раз тяжелее протона!

Для физика такое допущение звучит примерно так же, как для нас с вами утверждение, что где-то в лесу иногда встречаются величиной с ТУ-124. А для нефизиков еще удивительнее то, что из таких сверхтяжелых частиц, по-видимому, построены частицы, вдесятеро более легкие. Из трех самолетов без потерь материала сделан один обыкновенный (не гигантский) майский жук. Как это понимать?

Сегодня широко известен знаменитый эйнштейновский закон эквивалентности массы и энергии Е = mc2. По этому закону всякое тело несет в себе гигантскую энергию, пропорциональную его массе и квадрату скорости света. При различных взаимодействиях энергия тела может изменяться, но тогда обязательно меняется и его масса. Словом, масса имеет энергию, а энергия - массу.

Продолжение следует.

В Стандартной модели — основной теории, которая объясняет устройство Вселенной, есть три типа частиц: кварки, лептоны и калибровочные бозоны. Последние — это так называемые частицы-переносчики четырех типов фундаментальных физических взаимодействий (например, фотон отвечает за электромагнитные силы), а остальные составляют привычную, осязаемую материю. Лептоны (тип частиц, к которым относятся электроны или нейтрино) обладают сравнительно малыми массами и могут существовать в свободной форме, а кварки навсегда связаны друг с другом цепями сильного взаимодействия.

Сейчас считается, что они могут существовать только парами — тогда кварки формируют частицы, называемые мезонами, или тройками — такие частицы называются барионами (например, протон и нейтрон — это как раз адроны, каждый из них составлен из трех кварков). Но после того, как на коллайдерах были открыты частицы, составленные из четырех и пяти кварков, классические представления Стандартной модели уже кажутся неполными.

— Как и когда были открыты сами кварки?

— В середине 60-х годов прошлого века знали уже много элементарных частиц, но совершенно не понимали, как они устроены. Были протоны, были нейтроны, на ускорителях и в космических лучах нашли пи-мезоны, K-мезоны, и вот в 1964 году американский физик Мари Гелл-Ман предложил простую теорию, в которой все эти элементарные частицы можно было составить всего из трех разных кварков. Постепенно их число увеличили до шести, внутри тех же протонов, действительно, нашли «неоднородности», которые отождествили с кварками, но их самих в свободном состоянии никто до сих пор не видел. Это называется конфайнментом: выбить одиночный кварк из мезона или адрона, по современным представлениям, просто невозможно.

— Почему кварки невозможно разделить?

— Кварки сцеплены между собой сильным взаимодействием, и, когда мы пытаемся их растащить, они начинают притягиваться друг к другу все больше. Такое сложно представить, но это свойство природы. Когда мы разводим два электрических заряда, они взаимодействуют все слабее, когда ракета выходит в космос, она все меньше притягивается к Земле — это свойства гравитационного и электромагнитного взаимодействий, а вот с сильным все наоборот. Чтобы развести кварки, нам нужно вложить в систему столько энергии, что ее уже хватит на появление новых кварков, которые мгновенно опять соберутся в пары и тройки с первоначальными кварками. Поэтому в физике элементарных частиц введена особая величина, называемая цветовым зарядом. Сами кварки могут быть красными, синими, зелеными или антикрасными, антисиними и антизелеными, а в природе они могут наблюдаться только в составе бесцветных комбинаций: парами, тройками или даже четверками, как в случае нашей новой частицы. Например, протон состоит из двух верхних кварков — одного синего и одного красного - и одного нижнего кварка зеленого цвета. В результате из трех цветов получается бесцветная комбинация.

— Получается, кварки могут в буквальном смысле появляться из ниоткуда? Просто рождаться из сгустков энергии?

— Да. Каждая элементарная частица — это в некотором смысле просто масса или, что то же самое, энергия. При этом многие из них по меркам макроскопического мира живут очень мало, исчезающие доли секунды. После этого они распадаются, и из этой же самой энергии образуются другие частицы. Например, пи-мезон распадается на мюон и нейтрино, нейтрон в свободном состоянии — на протон, электрон и нейтрино, а бозон Хиггса умеет распадаться даже разными способами: он может развалиться на пару прелестных кварков, на пару фотонов, на пару Z-бозонов и т.д. Так что элементарные частицы постоянно распадаются, превращаясь в небольшое количество стабильных, долгоживущих частиц, таких как электрон, фотон, нейтрино и протон.

Ускоритель «Тэватрон», на котором была открыта новая частица. Фото: Reidar Hahn/Fermilab

— Как открыли новый тетракварк?

— Это произошло на коллайдере «Тэватрон», который расположен в США неподалеку от Чикаго. Правда, сам ускоритель закончил работу еще в 2011 году, но экспериментальные данные с него до сих пор до конца не обработаны, и именно в них увидели следы рождения тетракварка. В экспериментах на «Тэватроне» протоны и антипротоны разгоняли до колоссальных скоростей, сталкивали их и смотрели, что будет происходить. После столкновения всегда рождаются сотни частиц, которые разлетаются во все стороны и затем начинают распадаться. В результате на расположенные в разных точках ускорителя детекторы приходят потоки частиц с разными энергиями, и именно в этих данных ученые ищут историю развития событий. Например, можно накладывать различные кинетические ограничения: «отсматривать» частицы, летящие только в определенном направлении или с определенной массой. Здесь очень важно понимать, что ты ищешь, потому что просто перебрать все варианты невозможно. Поэтому мы, экспериментаторы, цепляемся за какие-то наводки теоретиков или других экспериментаторов и ищем, уже исходя из них. В случае тетракварка мы увидели в конечном спектре масс частиц характерный пик, соответствующий распаду одной изначальной частицы на пять заряженных частиц с общей энергией примерно в 5,5 ГэВ. Это и есть наш тетракварк, который в несколько этапов распадается на пять заряженных частиц: два мюона, два K-мезона и один пи-мезон.

— Насколько вы уверены, что это действительно тетракварк, а не шумы?

— Сначала мы тоже сомневались в результатах и думали, что это не сигнал, а фон, но после полугода исследований мы уверены в результате настолько, что решили его опубликовать. Например, мы знаем, что на первом этапе наша частица превратилась в пи-мезон и B-мезон. При этом распад шел так быстро, что за него может отвечать только сильное взаимодействие, а оно не меняет типы кварков. Поэтому мы уверены, что первоначальная частица состояла из точно тех же четырех кварков, что и два образовавшихся из нее мезона. Мы проанализировали около 10 миллиардов событий и нашли 130 случаев, когда образовался тетракварк. Вероятность того, что фоновые события сымитируют увиденный нами пик составляет всего один шанс из шести миллионов. Такая малая вероятность считается в научной среде достаточной, чтобы сделать «заявку» на открытие новой частицы.

— А может так оказаться, что это не тетракварк, а, например, своеобразный атом из двух близкорасположенных мезонов?

— Здесь нам немного помогают теоретики. Они могут посчитать энергию связи в таком атоме, и, оказывается, она относительно маленькая — на уровне 5—10 МэВ. То есть такой гипотетический объект легко разорвать на два мезона, а в нашем случае энергия связи составляет около 100 МэВ — это жесткий, сильно связанный объект. Таких устойчивых молекул скорее всего не бывает. Так что, скорее всего, это именно четыре кварка, плотно связанных между собой в одну частицу.

— На других ускорителях уже тоже открывали тетракварки и пентакварки. Новая частица похожа на них?

— Да, на Большом адронном коллайдере (БАК) , на ускорителе KEKB в Японии — тетракварк Z(4430), в других экспериментах тоже находили похожие частицы. Кстати, изначально мы тоже охотились за тем самым пентакварком, который нашли на БАК, но нам не хватило статистики, и мы стали искать частицы с немного другими энергиями — применили экспериментальную интуицию. Z(4430) же немного легче нашего и состоит из других кварков: очарованного кварка, очарованного антикварка, верхнего и нижнего. Это все кварки первого и второго поколения, то есть сравнительно легкие и распространенные. А в нашей частице вместо очарованных кварка и антикварка есть странный кварк из второго поколения и тяжелый прелестный кварк из третьего.

— Такой состав стал неожиданностью?

Знаете, сейчас вообще не существует хорошей модели, которая бы объясняла, как образуются или распадаются частицы из более чем трех кварков. Поэтому каждое новое открытие становится сюрпризом и несет очень много полезной информации.

Экспериментаторы ищут как можно больше новых частиц с новым строением, а теоретики думают над моделью, которая может объяснить такую многокварковую конфигурацию. Теперь мы показали, что единичную частицу могут образовывать кварки сразу трех поколений и четырех разных типов — такого раньше не было.

— Раньше думали, что возможны только двухкварковые и трехкварковые частицы. Теперь открыли тетракварки и пентакварки. Что дальше: ждать ли частиц из шести или, скажем, 10 кварков?

— Теоретически никаких запретов на частицы более чем из трех кварков нет. Но интуиция подсказывает, что если и есть частица, скажем, из шести кварков, то ее масса настолько большая, а время жизни настолько маленькое, что зарегистрировать ее практически невозможно. Это как с химическими элементами в таблице Менделеева. Можно все больше и больше набирать протонов и нейтронов, но в какой-то момент их суммарная масса станет настолько большой, что ядро станет неустойчивым. Такие элементы очень быстро распадаются. Конечно, новые ядра постоянно , но это становится все сложнее. Подозреваю, что нечто подобное может произойти и с кварками, но только их критическое количество гораздо меньше.

— Почему сейчас стали открывать так много новых частиц?

— Сильно увеличилось количество экспериментов на ускорителях и их возможности. Поэтому за последние 10—12 лет открыли уже несколько десятков новых частиц, и я не исключаю, что дальше будет еще больше. Работает БАК, скоро переоткрывается KEKB в Японии — теперь интенсивность потоков позитронов и электронов, которые там сталкивают, станет выше в 40 раз. Кстати, в 60-е годы прошлого века, по моим оценкам, было найдено несколько десятков частиц, которые до появления кварковой модели безуспешно пытались классифицировать. Так что количественные измерения физиков-экспериментаторов в какой-то момент должны перерасти в качественное понимание, новую теорию. Когда мы только послали нашу статью в журнал и выложили ее препринт, за несколько следующих суток появилось сразу шесть теоретических работ по нашим результатам. Но когда создадут единую модель для новых многокварковых частиц, пока непонятно. Это может занять и несколько лет, и несколько десятков лет.

— Новая теория сможет вписаться в Стандартную модель?

— Скорее всего, это будет расширение Стандартной модели, какая-то новая классификация частиц в ее рамках. Все-таки мы говорим, что тетракварки и пентакварки состоят из тех же самых кварков и скрепляются тем же самым сильным взаимодействием — надо только понять, как это происходит. Правда, может быть, я несколько утрирую: мы же с вами в конечном счете тоже состоим из протонов, нейтронов и электронов, но вряд ли когда-нибудь сможем до конца понять, как из элементарных частиц складывается человек. Так и с новой классификацией: возможно, здесь нужно принципиально новое понимание сил, действующих между кварками.

— А может так оказаться, что сами кварки состоят из других, еще более мелких частиц?

— Это проверяется на каждом новом ускорителе: первым делом физики пытаются «разбить» кварк и заглянуть к нему внутрь. Но пока ничего такого не видно. Кварк остается абсолютно точечной частицей во всех экспериментах. Но лично я уверен, что наверняка есть что-то более глубокое и фундаментальное.

— Каких экспериментальных открытий в области физики элементарных частиц вы ждете больше всего?

— Мне бы очень хотелось увидеть частицу, которая отвечает за темную материю. Это очень интересная загадка, в которой соприкасается астрофизика и физика элементарных частиц. Наблюдения косвенно указывают, что мы можем найти такую частицу на ускорителях или в космических лучах. Кстати, я сейчас в CERN оцениваю проекты будущих экспериментов на БАК и вижу, что все самые современные результаты физики элементарных частиц отлично согласуются со Стандартной моделью. Так что принципиально новую физику нужно искать именно в темной материи — сложно пока представить, чтобы ее можно было описать в рамках Стандартной модели.

Теория кварков была разработана для того, чтобы описывать взаимодействие частиц. Важно отметить, что в свободном состоянии кварк в природе не встретить, так как кварк, строго говоря, сам по себе не является частицей. Это способ конфигурации электромагнитной волны в частице, а частица обычно включает в себя далеко не одну такую волну. Заряд кварка равен одной трети заряда электрона, а его масштаб составляет 0,5*10^-19 (10 в минус девятнадцатой степени), это меньше размера протона примерно в 20 тыс. раз. Адроны (к которым относится протон ) тоже состоят из кварков.

На настоящее время различают шести типов кварков, как правило, говорят, «ароматов». Помимо этого, кварк также имеет еще одну характеристику, важную для различения типа, это цвет. Очевидно, что это абстрактное деление, настоящий кварк, конечно же, не имеет ни цвета, на аромата. Но для калибрования кварков эта теория очень удобна. Каждому типу кварка соответствует антикварк – то есть, «частица», квантовые числа которой противоположны. Квантовые числа служат для описания свойств кварка.

История о том, как кварки получили свое название, достаточно забавна. Гелл-Манн, ученый, который впервые предположил, что адроны состоят из особенных частиц, позаимствовал это словечко из романа Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану», в котором присутствуют : «Три кварка для мистера Марка!».

Теорию кварков вообще можно назвать одной из самых поэтичных. Тут и , и характеристики цвета и аромата, и сами типы кварков: истинный, очарованный, … Каждый тип кварка характеризуется зарядом и массой.

Роль кварков в физике

На основе кварков происходят сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия. При сильных взаимодействиях может меняться цвет кварка, но не аромат. Слабые взаимодействия меняют аромат, но не цвет.

При сильном взаимодействии один отдельно взятый кварк не может удалиться от остальных кварков на сколько-нибудь заметное расстояние, именно поэтому в свободном виде их наблюдать невозможно. Это явление называется конфайнмент. Но адроны – «бесцветные» комбинации кварков – уже могут разлетаться друг от друга.

Реальны ли кварки?

Так как из-за конфайнмента увидеть отдельные кварки невозможно, то нередко неспециалисты спрашивают: «Реальны ли вообще кварки, если мы не можем их наблюдать? Не математическая ли это абстракция?»

Причин реальности теории кварков несколько:

Все адроны, несмотря на их многочисленность, обладают очень небольшим числом степеней свободы. Первоначально теория кварков описывала именно эти свободные параметры.
- Кварковая модель появилась раньше, чем стали известны многие адронные частицы, но все они в нее отлично вписывались.
- Кварковая модель некоторые последствия, которые затем были подтверждены экспериментально. Например, в адронных коллайдерах стало возможно «выбивать» кварки из протонов при высокоэнергетических столкновениях, и результаты этих процессов наблюдались в виде струй. Если бы протон был неделимой частицей, никаких струй бы не могло существовать.

Разумеется, несмотря на экспериментальные подтверждения, модель кварков еще оставляет физикам немало вопросов.

Самым распространенным минералом в земной коре является кварц. Он относится к породообразующим минералам. Встретить в природе кварц можно как в чистом виде, так и в виде силикатов.

Образование кварца

Название минерала произошло от немецкого слова «quarz». В переводе на русский оно означает «твердый». Впервые человек столкнулся с этим минералом в Альпах. Тогда все приняли его за лед. Но вскоре ему присвоили название «горный хрусталь».

Кристаллы кварца образуются в результате геологических изменений. Минерал не имеет цвета, но в отдельных случаях может иметь белые вкрапления. Происходит это из-за внутренних дефектов. Благодаря химическим реакциям, можно получить зеленый и голубой кварц.

Самым распространенным способом образования кварца в природе является возникновенье с помощью магмы кислого состава. Появившийся таким способом кварц можно встретить в вулканических, осадочных или известняковых породах.

Свойства кварца

Кварц имеет стеклянный блеск с жирным отливом. Твердость минерала равна семи по шкале Мооса. Если отломить кусочек кварца, то можно увидеть неровный излом.

Растворить этот минерал поможет щелочь. Температура его плавления примерно +1713 градусов Цельсия.Кварц имеет способность к стеклообразованию.

Самым важным свойством кварца является пьезоэффект. Суть его проста и заключается в том, что кварц является отличным проводником ультразвука. Плоская полированная пластина кварца с прикрепленными электродами образовывает резонатор. Он широко используется в качестве фильтра с высокой избирательной способностью.

Применение кварца

В настоящее время кварц является одним из самых ценных минералов. Его используют при производстве многих оптических приборов, а также при создании средств связи, таких как радио и телефон.

Кварц широко используется при создании ювелирных украшений. Благодаря своему главному свойству он используется и для военных нужд (кварцевый резонатор). Также в настоящее время кварц используют как источник ультразвука в промышленных и медицинских исследовательских и даже бытовых приборах.

Разновидности кварца

Существует множество разновидностей кварца. Связано это с его уникальностью. Проявляется она в том, что во время роста кристалл может захватывать другие минералы или остатки ила.

Самыми редкими и удивительными камнями считаются «Волосы Венеры» и кварц «фантом». Горный хрусталь молочного или дымчатого цвета с включениями золотистых волков является наиболее ценным. Легенда гласит, что богиня любви уронила свой локон в горную речку, и там он навсегда, превратившись в «Волосы Венеры».

Кварц фантом образовывается оседанием мельчайших частиц хлорита на растущий кристалл кварца. Такой камень является редкой и особенно ценной находкой для ученых и коллекционеров.

Раухтопаз выступает разновидностью кварца. В народе его называют дымчатым кварцем за его светло-серый или светло-бурый цвет.

Самый дорогой разновидности кварца является аметист. Он относится к драгоценным камням и имеет фиолетовый, фиолетово-розовый или сиренево-красный цвет.