3.6.3.2 Теорія кварків

Термін "кварк" обрано зовсім не довільно. У романі Дж. Джонса "Поминки за Фіннеганом" героєві сниться сон, у якому чайки, що ширяють над бурхливим морем, кричать різкими голосами: "Три кварки для містера Марка!" Така довільність цілком співзвучна з абстрактно-ненаочним характером понять сучасних фізичних теорій.

Теорія кварків — це теорія будови адронів. Основна ідея цієї теорії дуже проста: всі адрони побудовані з більш дрібних частинок — кварків. Кварки несуть дробовий електричний заряд, що становить або -1/3, або +2/3 заряду електрона. Комбінація з двох і трьох кварків може мато сумарний заряд, який дорівнює нулю або одиниці. Усі кварки мають спін 1/2, отже, є ферміонами. Основоположники теорії кварків Гелл-Манн і Цвейг, щоб врахувати всі відомі в 60-і pp. адрони, увели три сорти (аромати) кварків: и (від up — верхній), d (від down — нижній) і s (від strange — дивний).

Кварки можуть поєднуватися між собою одним із двох можливих способів: або трійками, або парами кварк — антикварк. Із трьох кварків складаються порівняно важкі частинки — баріони; найбільш відомі баріони — нейтрон і протон. Більш легкі пари кварк — антикварк утворюють частинки, які одержали назву мезонів. Наприклад, протон складається з двох u - та одного d кварка (uud), а нейтрон — із двох d- кварків і одного u-кварка (uud). Щоб це "тріо" кварків не розпадалося, необхідна сила, яка б їх утримувала, якийсь "клей".

Виявилося, що підсумкова взаємодія між нейтронами й протонами в ядрі являє собою просто залишковий ефект більш могутньої взаємодії між самими кварками. Це пояснює, чому сильна взаємодія здається настільки складною. Коли протон "прилипає" до нейтрона чи іншого протона, у взаємодії беруть участь шість кварків, кожний з яких взаємодіє з усіма іншими. Значна частина енергії витрачається на міцне "склеювання" тріо кварків, а невелика — на скріплення двох тріо кварків один з одним.

Та обставина, що з різних комбінацій трьох основних частинок можна одержати усі відомі адрони, стала тріумфом теорії кварків. У 1969 р. удалося одержати прямі фізИчні докази існування кварків у серії експериментів по розсіюванню на протонах електронів, розігнаних до високих енергій. Експеримент показав, що розсіювання електронів відбувалося так, ніби електрони налітали на крихітні тверді вкраплення і відбивалися від них під самими неймовірними кутами. Такими твердими вкрапленнями усередині протонів є кварки. Але в 70-і pp. були відкриті нові адрони (псі-частинки, іпсилон-мезон та ін.). Цим було завдано відчутний удар першому варіанту теорії кварків, оскільки в тому варіанті теорії вже не було місця для жодної нової частинки. Усі можливі комбінації з кварків та їхніх антикварків було вже вичерпано. Проблему вдалося вирішити шляхом уведення трьох нових ароматів. Вони одержали назву — charm (зачарований) чи с; b-кварк (від beauty — гарний); згодом було уведено ще один аромат — t (від truth - справжній).

Кварки скріплюються між собою сильною взаємодією. Переносять сильну взаємодію глюони (колірні заряди). Розділ фізики елементарних частинок, що вивчає взаємодію кварків і глюонів, зветься квантовою хромодинамікою. Як квантова електродинаміка є теорією електромагнітної взаємодії, так квантова хромодинаміка є теорією, сильної взаємодії.

У даний час більшість фізиків вважає кварки справді елементарними частинками — точковими, неподільними і такими, що не мають внутрішньої структури. У цьому відношенні вони нагадують лептони, і вже давно є гіпотеза, що між цими двома різними, але подібними за своєю структурою сімействами повинен існувати глибокий взаємозв'язок. Таким чином, найбільш ймовірне число насправді елементарних частинок (не враховуючи частинки, що переносять фундаментальні взаємодії) на кінець XX ст. дорівнює 48. Із них: лептонів (6x2) = 12 плюс кварків (6хЗ)х2 = 36.