Из чего состоят кварки. Кварки и восьмеричный путь

Частицы в составе атомного ядра состоят из еще более фундаментальных частиц — кварков.

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 обиход 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 (см. рисунок). Такая классификация получила название восьмеричный путь (в честь одноименной доктрины в буддистской теологии). 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 (слово позаимствовано из замысловатого романа Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану»). Эти новые обитатели микромира оказались существами весьма странными. Для начала, они обладают дробным электрическим зарядом: 1/3 или 2/3 заряда электрона или протона (см. таблицу). А далее, по мере развития теории, выяснилось, что отдельно их не увидишь, поскольку они вообще не могут пребывать в свободном, не связанном друг с другом внутри элементарных частиц состоянии, и о самом факте их существования можно судить только по свойствам, проявляемым адронами, в состав которых они входят. Чтобы лучше понять этот феномен, получивший название пленение или заточение кварков , представьте, что у вас в руках длинный эластичный шнур, каждый конец которого представляет собой кварк. Если приложить к такой системе достаточно энергии — растянуть и порвать шнур, то он порвется где-то посередине, и свободного конца вы не получите, а получите два резиновых шнура покороче, и у каждого из них опять окажется два конца. То же и с кварками: какими бы энергиями мы ни воздействовали на элементарные частицы, стремясь «выбить» из них кварки, нам этого не удастся — частицы будут распадаться на другие частицы, сливаться, перестраиваться, но свободных кварков мы не получим.

Сегодня, согласно теории, предсказывается существование шести разновидностей кварков, и в лабораториях уже открыты элементарные частицы, содержащие все шесть типов. Самые распространенные кварки — верхний , или протонный (обозначается u — от английского up , или p — proton ) и нижний , или нейтронный (обозначается d — от down , или n — от neutron ), поскольку именно из них состоят единственные по-настоящему долгоживущие адроны — протон (uud ) и нейтрон (udd ). Следующий дублет включает странные кварки s (strange ) и очарованные кварки с (charmed ). Наконец, последний дублет состоит из красивых и истинных кварков — b (от beauty , или bottom ) и t (от truth , или top ). Каждый из шести кварков, помимо электрического заряда, характеризуется изотопическим (условно направленным) спином . Наконец, каждый из кварков может принимать три значения квантового числа, которое называется его цветом (color ) и обладает ароматом (flavor ). Конечно же, кварки не пахнут и не имеют цвета в традиционном понимании, просто такое название сложилось исторически для обозначения их определенных свойств (см. Квантовая хромодинамика).

Стандартная модель останавливается на уровне кварков в детализации строения материи, из которой состоит наша Вселенная; кварки — самое фундаментальное и элементарное в ее структуре. Однако некоторые физики-теоретики полагают, что «луковицу можно лущить и дальше», но это уже чисто умозрительные построения. По моему личному мнению, Стандартная модель правильно описывает строение вещества, и хотя бы в этом направлении наука дошла до логического завершения процесса познания.

… 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.

Классификация элементарных частиц начала интенсивно развиваться с середины 1950-х годов. Параллельно предпринимались попытки "построить" все известные элементарные частицы из небольшого числа составных частей.

К числу таких попыток можно отнести нелокальную теорию поля Юкавы, единую теорию Гейзенберга и другие. Этим приятным фантазиям не суждено было стать настоящими физическими теориями. Главная причина их неудачи в том, что в них ещё недостаточно учитывались феноменальные свойствах элементарных частиц.

Первый реальный успех в деле классификации элементарных частиц выпал на долю Гелл-Манна и Цвейга, показавших, что все известные к 1964 г. барионы и мезоны (см. дальше) можно составить из трех фундаментальных объектов, названных Гелл-Манном кварками.

После 1964 г. были открыты новые барионы и мезоны , для классификации которых оказалось недостаточно трех кварков, введенных Гелл-Манном и Цвейгом. В настоящее время к трем первоначальным кваркам добавлены ещё три: общее число кварков возросло до шести. Кроме того, принято, что каждый кварк существует в трех "лицах"; если каждое из этих лиц считать за особую частицу, то полное число кварков равно 18. Забегая вперёд, поясним, что барионы образуются как соответствующим образом подобранные комбинации трёх кварков; разным тройкам кварков отвечают разные барионы. Мезоны строятся из двоек (пар) кварков.

Следует иметь ввиду, что согласно законам квантовой механики, элементарные частицы обладают волновыми свойствами и необычность их поведения определяется именно этим. Хотя стандартная модель способна достаточно точно описать все характеристики элементарных частиц, нам их поведение трудно представить только на основании повседневного опыта. Само слово «квантовый» означает «разбитый на части», т.е. дискретный. Поэтому, описывая элементарные частицы мы будем по мере описания перечислять и пояснять некоторые другие специфические характеристики элементарных частиц, которые описывают квантовые состояния частицы.

Основные понятия теории кварков выдвинули американские учёные. Чтобы различить шесть кварков (каждый из которых существует в трех лицах или видах), американские физики наделили кварки свойством, которое они назвали «аромат» . Разумеется, никакого различимого носом запаха кварки не испускают, но считается, что каждый из шести (тройных) кварков «пахнет» по-своему, имеет, так сказать, особый, собственный аромат. В частности, все три лица каждого кварка «пахнут» одинаково, то есть имеют общий для всей троицы единый аромат.

Название для этой характеристики придумали Мюррей Гелл-Манн (Murray Gell-Mann) и Харальд Фрич (Harald Fritzsch), проходя мимо популярного кафе компании Baskin-Robbins с привлекательной рекламой множества сортов мороженого: «Count the Flavors. Where flavor counts» (в переводе, "Оцените ароматы. Аромат имеет значение") в 1968 г. Они пытались придумать новые названия для характеристик квантовых состояний.

В своё время, придумывая названия ароматов, американцы позабавились: они дали такие названия, чтобы не было неприятно нюхать, если бы кварки и в самом деле пахли. Названия даны веселые, смешные, похожие на названия духов в парфюмерной лавке: «очарование», «странность». Обычны названия только первых двух ароматов: «вверх» и «вниз». Однако, постепенно высокохудожественные названия (верхний, нижний, очарованный, странный, а особенно истинный и красивый) вышли из употребления учёных, и они предпочитают называть их просто по первой английской букве. Причём, вместо слов «истинный» (true ) и «красивый» (beauty ), предпочитают использовать слова «самый высокий» (top ) и «самый низкий» (bottom ). Проще уяснить, что т.н. аромат есть ни что иное, как тип кварка (u,d,s,c,b,t ).

К ароматам также относятся другие квантовые характеристики элементарных частиц (сейчас эти характеристики принято называть квантовыми числами): лептонное число (lepton number), барионное число (baryon number), электрический заряд (!), изоспин (или изотопический спин) (isospin), гиперзаряд (hypercharge), слабый гиперзаряд (weak hypercha-rge), слабый изоспин (weak isospin), странность (strangeness), очарование (charm), низменность (topness), высотность (bottomness). Они используются для учёта ряда свойств элементарных частиц.

Чтобы различить три вида (лица), в которые воплощается каждый из шести кварков, пользуются термином «цвет» . Конечно, кварки не имеют никакого видимого цвета. Такое название - просто метка, позволяющая различать «трех близнецов». Ну, а если говорить более строго научно, то цвет или цветовой заряд - это более сложный аналог спина, который характеризует взаимодействие кварков и глюонов . Название этой характеристики было выбрано по аналогии с оптикой, где красный, зеленый и синий цвета при смешении дают белый цвет. Дело в том, что в рамках сильного взаимодействия возможно притяжение либо двух частиц с противоположным цветом (цвет и антицвет), либо трех частиц с определенной комбинацией цветов, которая в сумме даёт «белый» цвет (разумеется, квантовый, а не оптический). Кварк имеет один из 3 цветов, а глюон - один из 8 цветов или антицветов. Откуда? Забегая вперед, сразу поясним.

Глюоны являются переносчиками сильного взаимодействия, именно они и "связывают" кварки между собой. Глюоны имеют не один, а два цветовых индекса (цвет и антицвет). Всего имеется 8 цветных глюонов , поскольку комбинация жж+сс+кк не имеет цветового заряда (т.е. является "белой") и, следовательно, не переносит сильное взаимодействие. В свободном состоянии глюоны не существуют. Они, как и кварки, "заперты" внутри бесцветных адронов . Все остальные элементарные частицы не имеют цвета.

Спин - одна из самых загадочных характеристик, которая демонстрирует, что существует пространство состояний, никак не связанных с перемещением частицы в обычном пространстве. Спин (от англ. to spin - "крутиться") электрона часто сравнивают с угловым моментом «быстро вращающегося волчка». Это неверно, поскольку спин не связан с движением в пространстве в нашем понимании и является внутренней квантовой характеристикой частицы, которая не имеет аналога в классической механике. Спин измеряется целыми и полуцелыми числами, умноженными на постоянную Планка (h/2π ) (хотя для краткости часто это умножение не упоминается). Такой фундаментальный вывод вытекает из релятивистской квантовой теории поля, которая предсказывает, а опыт подтверждает, что S =0; 1/2; 1; 3/2; 2; ...
Частица, обладающая спином J (сейчас принято спин обозначать через J, чтобы не путать с S-кварком), может находиться в (2 J +1) спиновых состояниях. Например, спин J электрона равен 1/2, поэтому у него может быть только два спиновых состояния 2·(1/2)+1, т.е. 1/2 и -1/2.

Итак, каждый из 18 кварков имеет собственный аромат и цвет . При помощи цвета мы различаем кварковые лица, «пахнущие» одинаково: существует шесть различных «запахов»-ароматов. Выше мы говорили, что барионы строятся как подходящие комбинации трех кварков. Под словом «подходящая» имеется в виду бесцветная комбинация. То же относится и к парам кварков, из которых строятся мезоны. Комбинации надо выбирать «бесцветными», потому что наблюдаемые реально элементарные частицы не имеют цвета. Например, протон имеет кварковую структуру p=(uud) , т.е. состоит из двух u -кварков и одного d -кварка, нейтрон - n=(udd) , т.е. состоит из одного u -кварка и двух d -кварков.

Сами кварки не существуют в свободном состоянии, они всегда «связаны» между собой в частицах, которые они образуют, по крайней мере, свободных кварков, то есть кварков, сильно отдаленных от всех иных кварков обнаружить не удаётся. Кварки существуют только в связанном состоянии, и явление, приводящее к неразрывности кварковых связей, называется конфайнмент.

Кратко суть конфайнмента (т.е. "удержания", "пленения") состоит в том, что силы, связывающие кварки друг с другом, при удалении не уменьшаются, а возрастают (!). Это приписывается свойствам сильного взаимодействия - глюонного поля, которое связывает кварки внутри адронов. Такой непривычный вывод даёт квантовая хромодинамика - теория, описывающая все свойства адронов и их столкновений. Так, например, при попытке «вырвать» кварк из протона глюонное поле порождает дополнительную кварк-антикварковую пару, и от протона уже отделяется не кварк, а пи-мезон. Пи-мезон уже может улететь сколь угодно далеко от протона, потому что силы между адронами ослабевают с расстоянием.

У элементарных частиц электрический заряд может быть кратным только заряду электрона, т.е равным 0, ±1, ±2, ... за исключением кварков, заряд которых равен -1/3 и +2/3 заряда электрона, но кварки в совокупности образуют частицы только с целочисленным электрическим зарядом. В микромире справедлив закон сохранения электрического заряда, утверждающий, что суммы зарядов частиц до и после взаимодействия равны.

Теперь возникает естественный вопрос: насколько реально существование самих кварков? Экспериментаторы интенсивно искали их, причём самыми разными способами (например, с помощью счетчиков, трековых детекторов и опытов типа опыта Милликена) и в самых различных источниках (на ускорителях, в космическом излучении, в морской воде, в земных породах, в метеоритах и т. п.). Однако все попытки непосредственной регистрации кварков пока оказались безуспешными.

Сейчас общепринята точка зрения, согласно которой кварки, будучи цветными объектами, в принципе не могут существовать в свободном состоянии, а могут находиться только внутри белых частиц - адронов.

В частности, нельзя непосредственно зарегистрировать не только сами кварки q , но и дикварки qq , которые также должны нести некоторый цвет. Теоретическое обоснование конфайнмента цвета (его «удержания», «пленения») внутри адронов находится пока в стадии разработки. Решение проблемы кроется в весьма необычных свойствах сил, действующих между кварками: оказывается, энергия взаимодействия кварков не убывает с ростом расстояния между ними, как мы привыкли считать, а возрастает.

И тем не менее только с помощью кварков удаётся описать и объяснить всё многообразие свойств и превращений адронов, образующих чрезвычайно широкий класс. Мало того, опыты по рассеянию лептонов высоких энергий на протонах и нейтронах позволили измерить экспериментально основные характеристики кварков. Результаты этих опытов однозначно свидетельствуют о том, что кварки внутри адронов действительно есть, что их спин равен именно 1/2, что они обладают дробными электрическими зарядами и существуют в трех цветовых разновидностях.

Опыты по рассеянию электронов и позитронов из встречных пучков позволили почти непосредственно «увидеть» кварки. При столкновении эти частицы превращаются в фотон (виртуальный), который порождает кварк-антикварковую пару. Полный импульс системы равен нулю, а потому кварк и антикварк разлетаются в противоположные стороны. Они не могут существовать в свободном состоянии и «обесцвечиваются»: каждый генерирует большое количество мезонов, летящих преимущественно в его первоначальном направлении. В итоге образуются две достаточно узкие струи мезонов, которые и были зарегистрированы на опыте. Ни одна теоретическая схема, кроме кварковой, не в состоянии объяснить сколько-нибудь естественным способом двухструйную структуру событий и описать характеристики рождающихся мезонов.

Таким образом, принципиальная правильность общих концепций теории кварков сейчас не вызывает никаких сомнений. Кварки несомненно существуют, но только в связанном состоянии. Поэтому сам термин «существование» обрёл в физике микромира несколько неожиданную трактовку, и он требует даже философского переосмысления.

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.

Кварки
Quarks

Кварки - бесструктурные точечные частицы со спином 1/2ћ, участвующие в сильном взаимодействии (как и во всех остальных) и являющиеся элементарными составляющими всех адронов.
Существует шесть типов кварков, обозначаемых буквами u, d, s, c, b, t (от английских слов up, down, strange, charmed, bottom, top). Говорят о шести “ароматах” кварков. Каждый кварк имеет барионное число В = + 1/3 и дробный электрический заряд. Кварки u, c, t имеют заряд +2/3, а кварки d, s, b, - заряд –1/3 (в единицах элементарного заряда е = 1.6 . 10 -19 Кл). Кварки имеют массы. Самый лёгкий кварк u (его масса несколько МэВ/с 2), самый тяжёлый – t (его масса 174 ГэВ/с 2).

Из кварков состоят все адроны: барионы и мезоны – обширный класс элементарных частиц, участвующих в сильном взаимодействии и имеющих внутреннюю структуру и размеры около 10 -13 см. Сами кварки на современном уровне знаний бесструктурны (как и лептоны), т.е. ведут себя как точечные частицы. Их размер не более 10 -17 см. Кварки не наблюдают в свободном состоянии. Они “заперты” в адронах. Их присутствие в адронах надёжно установлено многочисленными экспериментами. В соответствии с современными концепциями кварки невозможно выбить из адрона.
Каждый из шести кварков обладает присущим только ему специфическим квантовым числом (ароматом). Так s-кварк имеет квантовое число “странность”, равное –1, с-кварк – квантовое число “очарование”, равное + 1 и т.д. У каждого кварка есть античастица – антикварк. Антикварки имеют противоположные знаки электрического заряда, барионного квантового числа и ароматов. Так античастица с-кварка, обозначаемая , имеет заряд –2/3, барионное число В = –1/3 и квантовое число “очарование” –1.
Все адроны состоят из кварков: барионы – из трёх кварков, мезоны – из кварка и антикварка. Так, протон состоит из двух u-кварков и одного d-кварка (p = uud), нейтрон – из двух d-кварков и одного u-кварка (n = udd).

Протон и нейтрон – барионы. Кварковая структура пи-мезонов π + и π - следующая: π + = u, π - = d (черта сверху обозначает античастицу).

Помимо всех перечисленных характеристик кварки обладают ещё одной специфической внутренней характеристикой, называемой цветовым зарядом или просто “цветом”. Сильные взаимодействия между кварками обусловлены наличием у кварков этих цветовых зарядов. Цвет кварка может принимать одно из трёх значений и их условились обозначать теми же терминами, что и оптические цвета, например, красный, зелёный и синий, хотя смысл этих названий другой. Таким образом, кварк каждого аромата может быть красным, зелёным или синим. Кварк одного цвета может перейти в кварк другого цвета, испустив цветной глюон – частицу, являющуюся переносчиком сильного взаимодействия. Сильное взаимодействие между кварками – это обмен ими цветом посредством обмена глюонами. Кварки в адронах находятся в таких цветовых состояниях, что суммарный цветовой заряд адрона равен нулю. Говорят, что адроны бесцветные или белые.
Квантовое число цвет обеспечивает необходимую антисимметрию волновой функции адронов, состоящих из одинаковых кварков, что согласуется с принципом Паули. С учётом квантового числа цвет, принимающего три значения, структуры барионов и мезонов записываются в виде