КВА́РКИ

КВА́РКИ, час­ти­цы со спи­ном ¹/₂, эле­мен­тар­ные со­став­ляю­щие всех ад­ро­нов: ба­ри­о­нов и ме­зо­нов. В пре­де­лах точ­но­сти совр. экс­пе­ри­мен­та К. – то­чеч­ные, бес­струк­тур­ные об­ра­зо­ва­ния (их раз­ме­ры <10^–16 см). К нач. 2008 из­вест­но 6 ти­пов К.: $u$, $d$, $s$, $c$, $b$, $t$. Ти­пы К. раз­ли­ча­ют­ся зна­че­ния­ми при­су­щих им кван­то­вых чи­сел и мас­са­ми. Ка­ж­дый тип квар­ка $q_i$ пред­став­лен тре­мя раз­но­вид­но­стя­ми $q_i^\alpha$, у ко­то­рых кван­то­вые чис­ла и мас­са оди­на­ко­вы, но есть раз­ли­чие в осо­бой ха­рак­те­ри­сти­ке (от­сут­ст­вую­щей у ад­ро­нов), на­зван­ной цве­том и при­ни­маю­щей три разл. зна­че­ния ($\alpha=1,2,3$). В пер­вом при­бли­же­нии ка­ж­дый ба­ри­он В со­сто­ит из трёх К., во­об­ще го­во­ря, раз­ных ти­пов, ка­ж­дый ме­зон М – из квар­ка и ан­тик­вар­ка [cимволически: B=($q_iq_jq_k$), M=($q_i \tilde q_j$)], при­чём в обо­их слу­ча­ях реа­ли­зу­ют­ся сум­мы оп­ре­де­лён­ных ком­би­на­ций цве­тов (см. ни­же).

Ги­по­те­за о том, что ад­ро­ны по­строе­ны из спе­ци­фич. субъ­е­ди­ниц – К., впер­вые вы­дви­ну­та М. Гелл-Ма­ном (Но­бе­лев­ская пр., 1969) и не­за­ви­си­мо от не­го Дж. Цвей­гом в 1964 для объ­яс­не­ния су­ще­ст­во­ва­ния групп час­тиц с близ­ки­ми свой­ст­ва­ми (см. Эле­мен­тар­ные час­ти­цы). С тех пор она по­лу­чи­ла мно­го­числ. кос­вен­ные экс­пе­рим. под­твер­жде­ния (см., напр., Пар­то­ны). Назв. «К.» для эле­мен­тар­ных со­став­ляю­щих ад­ро­нов бы­ло вве­де­но Гелл-Ма­ном.

Всем К. обыч­но при­пи­сы­ва­ют ба­ри­он­ное чис­ло В = ¹/₃, что­бы ба­рио­ны име­ли B = 1. Для ме­зо­нов при этом по­лу­ча­ет­ся B = 0. Тип К. ха­рак­те­ри­зу­ет­ся сле­дую­щи­ми внутр. кван­то­вы­ми чис­ла­ми: изо­то­пи­че­ским спи­ном ($I$) и его про­ек­ци­ей $I_3$, стран­но­стью ($S$), оча­ро­ва­ни­ем ($C$), кра­со­той ($b$) и ис­тин­но­стью ($t$), оп­ре­де­ляю­щи­ми т. н. аро­мат К., и элек­т­рич. за­ря­дом $Q$. Сим­во­лы и на­зва­ния из­вест­ных К., а так­же зна­че­ния их кван­то­вых чи­сел и элек­трич. за­ря­дов при­ве­де­ны в таб­ли­це.

Ха­рак­тер­ная осо­бен­ность К. – дроб­ный элек­трич. за­ряд, крат­ный ¹/₃ $e$ ($e$ – заряд электрона), не встре­чаю­щий­ся у др. изу­чен­ных эле­мен­тар­ных час­тиц. Ана­лиз имею­щих­ся экс­пе­рим. дан­ных со­гла­су­ет­ся с этим свой­ст­вом квар­ков.

Цвет яв­ля­ет­ся важ­ной ха­рак­те­ри­сти­кой К., обес­пе­чи­ваю­щей не­об­хо­ди­мую ан­ти­сим­мет­рию вол­но­вой функ­ции ад­ро­нов, по­стро­ен­ных из оди­на­ко­вых К., напр. $(q_iq_iq_i)$ (и тем са­мым со­блю­де­ние прин­ци­па Пау­ли). Струк­ту­ры ба­рио­на и ме­зо­на с учё­том цве­та бо­лее точ­но за­пи­сы­ва­ют­ся в ви­де: $$\text B_{ijk}=\frac{1}{\sqrt 6} \sum^3_{\alpha,\beta,\gamma=1}\varepsilon_{\alpha \beta \gamma} q_i^\alpha q_j^\beta q_k^\gamma;\\ \text M_{ij}=\frac{1}{\sqrt3}\sum^3_{\alpha=1} q_i^\alpha \tilde q_j^\alpha. \quad\tag{*}$$Здесь $\varepsilon_{\alpha \beta \gamma}$ – пол­но­стью ан­ти­сим­мет­рич­ный тен­зор, $\varepsilon_{123}=1$. Пред­по­ло­же­ние о су­ще­ст­во­ва­нии у К. осо­бой ха­рак­те­ри­сти­ки, на­зван­ной цве­том, впер­вые бы­ло вы­ска­за­но в 1965 Н. Н. Бо­го­лю­бо­вым, Б. В. Стру­мин­ским, А. Н. Тав­хе­лид­зе и не­за­ви­си­мо М. Ха­ном (США) и Й. Нам­бу. Оно бы­ло впо­след­ст­вии под­твер­жде­но боль­шим чис­лом экс­пе­ри­мен­тов.

Ин­декс $\alpha$ у К. трак­ту­ет­ся как ин­декс, ну­ме­рую­щий ком­по­нен­ты фун­дам. пред­став­ле­ния груп­пы SU(3)_c [т. н. груп­па цве­та SU(3)], ко­то­рая оп­ре­де­ля­ет сим­мет­рий­ные свой­ст­ва К. При этом ком­би­на­ции К., при­ве­дён­ные в (*), ав­то­ма­ти­че­ски ин­ва­ри­ант­ны от­но­си­тель­но пре­об­ра­зо­ва­ний SU(3)_с, и это объ­яс­ня­ет тот факт, что ад­ро­ны не име­ют цве­та. Зна­ние квар­ко­во­го строе­ния ад­ро­нов (*) по­зво­ля­ет пол­но­стью вос­про­из­ве­сти все из­вест­ные в сис­те­ма­ти­ке ад­ро­нов груп­пы этих час­тиц и изу­чен­ные ха­рак­те­ри­сти­ки отд. ад­ро­нов.

Вся ин­фор­ма­ция о К. бы­ла по­лу­че­на опо­сре­до­ван­но на ос­но­ве изу­че­ния осо­бен­но­стей разл. про­цес­сов с уча­сти­ем ад­ро­нов в ус­ло­ви­ях, в ко­то­рых яр­ко про­яв­ля­ют­ся свой­ст­ва свя­зан­ных в них К. По­пыт­ки об­на­ру­жить К. в сво­бод­ном со­стоя­нии к ус­пе­ху не при­ве­ли. Бо­лее то­го, совр. пред­став­ле­ния о К. ис­хо­дят из то­го, что К. в сво­бод­ном со­стоя­нии во­об­ще не су­ще­ст­ву­ют. По­это­му го­во­рить о мас­се К. в обыч­ном для эле­мен­тар­ных час­тиц смыс­ле нель­зя. Тем не ме­нее мож­но оце­ни­вать эф­фек­тив­ные мас­сы $m_q$ свя­зан­ных К., за­ви­ся­щие от ус­ло­вий, в ко­то­рых осу­ще­ст­в­ля­ют­ся из­ме­ре­ния. В со­от­вет­ст­вии с этим для масс $m_q$ К. (осо­бен­но лёг­ких) по­лу­ча­ют­ся силь­но варь­и­рую­щие­ся зна­че­ния. Мож­но оп­ре­де­лён­но ска­зать, что $m_u \approx m_d \lt m_s \ll m_c \lt m_b \ll m_t$. Эти не­ра­вен­ст­ва от­ра­жа­ют ие­рар­хию масс разл. се­мейств ад­ро­нов. Зна­че­ния масс К. в ста­тич. пре­де­ле рав­ны: $m_u \approx m_d \approx 300$ МэВ, $m_s \approx 500$ МэВ, $m_c \approx 1,5$ ГэВ, $m_b \approx 5$ ГэВ. Та­кие К. ино­гда на­зы­ва­ют кон­сти­ту­ент­ны­ми, т. е. «со­став­ляю­щи­ми». Кварк $t$ в си­лу очень боль­шой мас­сы ($m_t \approx170$ ГэВ) бы­ст­ро рас­па­да­ет­ся и в со­став ад­ро­нов не вхо­дит. С рос­том квад­ра­та пе­ре­дан­но­го че­ты­рёх­мер­но­го им­пуль­са $Q^2$ эф­фек­тив­ная мас­са К. умень­ша­ет­ся. По этой при­чи­не зна­че­ния масс т. н. то­ко­вых К. (т. е. К., об­ра­зую­щих на­чаль­ное и ко­неч­ное со­стоя­ния то­ков пе­ре­хо­да, от­ве­чаю­щих разл. взаи­мо­дей­ст­ви­ям и не­ну­ле­вым зна­че­ни­ям $Q^2$) за­мет­но от­ли­ча­ют­ся от при­ве­дён­ных вы­ше ве­ли­чин и со­став­ля­ют: $m_u \approx 4,5$ МэВ, $m_d \approx 7$ 7МэВ, $m_s \approx 150$ МэВ, $m_c \approx 1,2$ ГэВ, $m_b \approx 4,5$ ГэВ, $m_t \approx 170$ ГэВ.

Связь К. в ад­ро­нах осу­ще­ст­в­ля­ет­ся за счёт об­ме­на осо­бы­ми без­мас­со­вы­ми час­ти­ца­ми – глюо­на­ми, так­же яв­ляю­щи­ми­ся но­си­те­ля­ми цве­та. Глюо­ны яв­ля­ют­ся ка­либ­ро­воч­ны­ми бо­зо­на­ми груп­пы SU(3)_c. Об­мен глюо­на­ми ме­ж­ду К. со­став­ля­ет ос­но­ву силь­ных взаи­мо­дей­ст­вий всех ад­ро­нов (см. Кван­то­вая хро­мо­ди­на­ми­ка). От­ри­ца­тель­ный ре­зуль­тат по­ис­ков К. в сво­бод­ном со­стоя­нии обыч­но ин­тер­пре­ти­ру­ет­ся как про­яв­ле­ние спе­ци­фич. осо­бен­но­сти взаи­мо­дей­ст­вия К. друг с дру­гом, обу­слов­лен­ной об­ме­ном глюо­на­ми и при­во­дя­щей к то­му, что взаи­мо­дей­ст­вие ме­ж­ду ни­ми не ос­ла­бе­ва­ет с уве­ли­че­ни­ем рас­стоя­ния (кон­файн­мент, удер­жа­ние цвет­ных квар­ков и глю­о­нов вну­три бес­цвет­ных ад­ро­нов). В этих ус­ло­ви­ях воз­ник­но­ве­ние сво­бод­ных К. прин­ци­пи­аль­но не­воз­мож­но, т. к. для это­го по­тре­бо­ва­лась бы бес­ко­неч­но боль­шая энер­гия. 

В совр. фи­зи­ке мик­ро­ми­ра К. вы­сту­па­ют как пре­дель­ная сту­пень дроб­ле­ния ад­рон­ной ма­те­рии. Они бес­струк­тур­ны и по со­во­куп­но­сти из­вест­ных свойств, как и леп­то­ны, хо­ро­шо впи­сы­ва­ют­ся в пред­став­ле­ние об ис­тин­но эле­мен­тар­ных час­ти­цах. Так ли это, по­ка­жут даль­ней­шие ис­сле­до­ва­ния. Ино­гда об­су­ж­да­ют­ся мо­де­ли, в ко­то­рых К. рас­смат­ри­ва­ют­ся как слож­ные ча­сти­цы, по­стро­ен­ные из суб­квар­ков, на­зы­вае­мых пре­она­ми (пер­во­час­ти­ца­ми). Экс­пе­ри­мен­ты по­ка не да­ют ни­ка­ких ука­за­ний на су­ще­ст­во­ва­ние пре­онов.