Поиски кварков
Существование кварков в настоящее время еще не доказано и вполне возможно, что они являются всего лишь математическими измышлениями нужными только для классификации адронов. Однако не исключено, что их существование в ближайшем будущем докажут. Пока не подтверждено наличие кварков в космических лучах, как о том говорилось в начале 1970 г. в нескольких научных работах.
Если кварки и в самом деле существуют в природе, то из этого факта мы сможем вывести целый ряд замечательных следствий. Нужно будет полностью пересмотреть теории источников энергии, а также космогонические теории и излучения звезд. Не исключена возможность того, что хотя бы из трех кварков один не будет распадаться (т.е. окажется стабильным), а может быть, стабильными окажутся и все три кварка. Другое возможное использование кварков – эффективные катализаторы ядерных реакций.
Кварки природные и созданные человеком
Благодаря успеху кварковой модели возникает желание описать всё существующее многообразие частиц несколькими фундаментальными, такими, как кварки. А для этого необходимо подтвердить их существование в природе.
Наиболее вероятно предположить, что кварки имеют большую массу. Однако для рождения частиц с большой массой требуются большие кинетические энергии. Поэтому кварки нужно искать в таких условиях (естественно или искусственно созданных), когда имеется возможность трансформации большой порции кинетической энергии в энергию покоя (массу). Согласно законам сохранения, кварк может образовываться только в паре с антикварком. Связь между массой кварка m q и минимальной кинетической энергией, бомбардирующей частицы Тмин, необходимой для рождения кварка этой массы, определяется типом реакции, в которой образуется кварк.
Имеется следующая зависимость Тмин от предполагаемого значения m q для реакции образования кварка при соударении двух протонов:
Тмин=2(m q /m p ) (2m p + m q ) c
Значения Тмин, вычисленные по данной формуле при разных значениях массы кварка приводятся в таблице. Из таблицы видно, что кварки массой m q < 3 m p нужно искать среди частиц, образующихся в мишенях ускорителей протонов на энергию 30 ГэВ, кварки массой m q < 5 m p – в мишенях ускорителей на энергию 70 ГэВ и т.д. Считается, что при данной энергии Т могут рождаться частицы большей массы, чем указано в таблице (например, при Т=30 ГэВ могут родиться кварки массой до 5m p ). Однако этот процесс можно не учитывать в расчетах в связи с его очень малой вероятностью.
Наименьшая энергия, необходимая для рождения кварка массой m q
m q m p 3m p 5m p 10m p 20m p
Тмин m p c 6 30 70 240 880
Тмин ГэВ 5,6 28 65 225 825
Кварки обладают специфическими свойствами благодаря дробности их электрического заряда. Ими можно воспользоваться, чтобы выделить кварки из огромного числа других частиц, которые возникают в мишени ускорителя. Таким свойством является, к примеру, пониженная ионизирующая способность, которая изменяется прямо пропорционально квадрату электрического заряда частицы. Поскольку кварки имеют заряд, равный 1/3 или 2/3 заряда электрона, ионизирующая способность кварков равна соответственно 1/9 или 4/9 ионизирующей способности электронов.
Были предприняты несколько опытов по обнаружению кварков. Они были реализованы сперва на ускорителях в ЦЕРНе и в Брукхейвенской лаборатории, затем в Серпухове, а потом снова в ЦЕРНе на ускорителе протонов до энергии 400 ГэВ и в Батавии на ускорителе протонов до энергии 500 ГэВ. Однако все они не увенчались успехом. Это говорит о том, что или они рождаются с гораздо меньшей вероятностью, чем предполагали, или масса кварков превышает 15 протонных масс. Не исключено также, что кварков вообще нет в свободном виде.
Кварки, созданные космическим излучением.
Космическое излучение содержит протоны, энергия которых превышает 500 ГэВ. При столкновениях с атмосферными ядрами такие протоны могут быть источниками кварков, даже если их масса превышает 15 m p . Одним из способов регистрации кварков, рожденных космическим излучением, может быть использование детекторов, чувствительных к ионизации. Источником ионизации являются частицами с дробным электрическим зарядом, обладающие высокой подвижностью.
Камера Вильсона
В качестве такого детектора можно использовать камеру Вильсона. В ней следы заряженных частиц выглядят, как цепочки из капелек жидкости. Эти капельки образуются в результате конденсации пересыщенного пара на ионах, которые возникают вдоль траектории заряженной частицы. Плотность капелек на следе кварка должна быть в 9 раз меньше, чем на следе электрона, поскольку ионизирующая способность кварка составляет 1/9 или 4/9 ионизирующей способности электрона.
В свое время в печати появились работы, в которых сообщалось об обнаружении частиц с 50%-ной ионизирующей способностью. Однако затем выяснилось, что полученные результаты – всего лишь сильная флюктуация ионизирующей способности обычной частицы с z=1.
Содержание кварков в земных водоемах
Возможным источником кварков одно время считали водные бассейны Земли. Логично предположить, что кварки, возникающие при взаимодействии космических частиц с атомными ядрами атмосферы, становятся центрами конденсации водяных паров, падают вместе с дождем на землю и в конце концов попадают в озера, моря и океаны. Концентрация кварков в земных водоемах должна непрерывно повышаться с течением времени. Это связано с тем, что описанный механизм образования кварков действует непрерывно. Кроме того, считается, что кварки не могут распадаться. Это связано с дробностью заряда, и можно предполагать, что по крайней мере один из кварков, обладающий наименьшей массой, стабилен, так как ему не на что распадаться. В то же время, более тяжелый кварк может превращаться в легкий без нарушения закона сохранения электрического и барионного зарядов.
Оценки показывают, что за время существования Земли с помощью такого механизма могло накопиться до 100 000 кварков в каждом 1 куб. см воды. Но в воде кварков также не обнаружили.
Где еще ищут кварки?
Пытались обнаружить кварки при помощи опытов типа опыта Миллекена по определению заряда электрона. Ищут кварки и в метеоритах, которые при достаточно больших размерах и длительном существовании в космическом пространстве могли накопить много кварков. Но и здесь однозначные результаты не были получены.
Несмотря не то, что в результате всех проделанных опытов кварки обнаружить не удалось, нельзя говорить о том, что их не существует, так как прошло еще очень мало времени. К тому же результаты сделанных опытов отнюдь не исключают возможности существования кварков массой m q > 15m p .
Кстати, чем тяжелее кварки, тем заманчивее становится мечта их открыть. Ведь если протон образован тремя кварками массой 5m p каждый, то “энергия связи” протона равна: 14 m pc , или 13 ГэВ, т.е. в процессе образования протона из кварков должно освобождаться 14/15 = 93% энергии покоя кварков.
Современная физика о проблеме кварков
В настоящее время большинство ученых, занимающихся данной проблемой, считают, что кварки существуют только в связанном состоянии внутри адронов. Они не могут вылететь из адронов и существовать в свободном виде.
Адроны участвуют в электромагнитных, слабых и сильных взаимодействиях. Их можно сгруппировать в два больших семейства: семейство мезонов (спин 0,1 и т.д.) и семейство барионов (спин ½, 3/2 и т.д.). Название “адрон” означает “сильно взаимодействующая частица”. Оказалось, что адроны можно более детально классифицировать, объединяя их в подсемейства (называемые супермультиплетами) по признаку одинаковости спина и четности входящих в подсемейство частиц.
Пленение кварков внутри адронов
Цвет и аромат кварков
Главная трудность кварковой модели заключается в пленении кварков внутри адронов. Другая трудность этой модели связана с тем, что она допускает барионные комбинации из трех тождественных кварков, находящихся в одинаковых состояниях. Однако принцип Паули, согласно которому два (и тем более три) фермиона с одинаковыми квантовыми числами не могут находиться в одном и том же состоянии, запрещает такие комбинации. Благодаря введению еще одной характеристики кварков, называемой условно цветом обе эти трудности были преодолены. Здесь следует заметить, что термин “цвет”, употребляемый как характеристика сильного взаимодействия, не имеет никакого отношения (кроме терминологического) к оптическим цветам.
Каждый кварк имеет три цветовые разновидности, соответствующие трем основным цветам: “красному”, “синему” и “зеленому”. Эти разновидности не зависят от его типа (u, d, s, c, b, t), который называется ароматом (flavour),.
Любой барион обязательно включает в себя “разноцветные” кварки, так что гиперон, например, является “бесцветной” (“белой”) комбинацией, которая не противоречит принципу Паули. Соответственно каждый мезон представляет собой комбинацию кварков и антикварков с “дополнительными цветами” (например, “красный” и “антикрасный” и т.п.), которые также в сумме дают “белый” цвет.
Квантовая хромодинамика
Согласно современной теории сильных взаимодействий (квантовой хромодинамике), кварками взаимодействие между собой посредством восьми цветных глюонов (от слова glue – клей). Глюоны являются квантами, т.е. переносчиками сильного взаимодействия между кварками любых ароматов и цветов и как бы склеивают кварки между собой. Цвет играет очень важную роль нового заряда.
Между глюонами и фотонами (их еще называют квантами электромагнитного взаимодействия) есть одна существенная разница: глюоны имеют цветной заряд, а фотоны им не обладают. В отличие от фотона глюон может испускать новые глюоны. Это приводит к росту эффективного заряда кварка при увеличении расстояния, а значит, к возрастанию энергии взаимодействия между кварками.