Кварковая модель адронов

Большое число элементарных частиц и в особенности адронов уже в начале 1950 - х годов побудило физиков заняться поиском закономерностей в распределении их масс и других квантовых чисел. Эти поиски привели Г. Цвейга и М. Гелл - Мана к гипотезе, что все адроны являются комбинациями кварков.

По современным представлениям кварки - гипотетические материальные объекты, из которых состоят все адроны, то есть частицы, участвующие в сильном взаимодействии. К ним относятся все барионы и мезоны, а также многочисленные нестабильные (резонансные) элементарные частицы. Согласно новой гипотезе, мезоны состоят из кварка и антикварка, барионы (тяжелые частицы, такие, как протон, нейтрон и им подобные) - из трех кварков.

Гипотеза кварков стала необходимой для объяснения динамики различных процессов, в которых участвуют адроны. В первое время с её помощью удалось упорядочить большой экспериментальный материал, накопленный при исследовании элементарных частиц. При этом удалось выяснить, что реакции, в которых участвуют некоторые адроны, можно объяснить с помощью гипотетических кварков. В 60 - е годы ХХ века был предпринят даже эксперимент, напоминающий опыт Резерфорда, который бомбардировал атомы альфа частицами. Но вместо таких частиц в новом эксперименте осуществлялась бомбардировка протонов электронами высоких энергий. По рассеянию электронов ученые высказали предположение, что протон обладает определенной структурой, элементами которой должны быть кварки.

Хотя гипотеза о кварках теоретически необходима, никакого надежного экспериментального подтверждения их существования, несмотря на многочисленные поиски с помощью ускорителей высоких энергий, в космических лучах и окружающей среде, не было найдено. Это заставило некоторых физиков предположить, что здесь мы встречаемся с принципиально новым явлением природы, которое называют удержанием кварков. Однако это мнение не является общепринятым и встречает различные возражения.

В начале предполагалось, что существует 4 кварка, но в настоящее время к ним добавлено еще 2 кварка и, следовательно, допускается существование 6 кварков, которые обозначаются символами u, d, c, s, t, b. По симметрии им соответствуют такое же число антикварков, обозначаемых теми же самыми символами, но с черточкой наверху. В ходе дальнейших исследований выяснилось, что каждый кварк может быть носителем 3 разных зарядов сильного взаимодействия, которые сейчас принято называть, синим, зеленым и красным цветами. Когда происходит объединение таких кварков в единое целое, то их заряды или цвета дают общий белый цвет, или точнее, свет. Эта аналогия заимствована из оптики, где соединение синего, зеленого и красного цветов образует белый свет. Точно также тяжелые адроны, в частности протон и нейтрон состоят из кварков трех основных цветов. Мезоны же состоят из одного кварка и одного антикварка. В данном случае используется друга аналогия из оптики, состоящая в том, что основной и дополнительный цвет также дают белый свет. Благодаря этим аналогиям исследование о кварках получило название хромодинамики. Цветовой заряд в хромодинамике, как и обычный в электродинамике, порождает особое поле, названное глюонным (от англ. glue – клей). Кванты такого поля называются глюонами и по свойствам похожи на фотоны, так как лишены массы покоя и зарядов.

Таким образом, при кварковой модели для описания свойств элементарных частиц достаточно допустить существование 18 кварков и 18 антикварков. Поскольку лептоны являются такими же бесструктурными объектами, как и кварки, то к общему числу кварков и антикварков следует добавить число всех лептонов (электрон, мюон, нейтрино и тяжелый лептон) и их антилептонов. Всего, следовательно, получится 44 фундаментальные частицы. Некоторым современным ученым это число кажется также неприемлемым, ибо исследователи стремились построить мироздание на минимальном числе фундаментальных частиц, свойствами которых стремились объяснить бесчисленное многообразие явлений и процессов, происходящих во Вселенной.

На пути создания непротиворечивой теории элементарных частиц возникает, конечно, немало трудностей, связанных, например, с появлением бесконечностей в качестве значений для некоторых физических величин, неясностью механизма определения массы “истинных” элементарных частиц и рядом других проблем. В последние годы наметилась тенденция преодоления этих трудностей путем отказа от представления об элементарных частицах как о точечных образованьях и признания их конечной протяженности, а также принятия новой геометрии на весьма малых расстояниях. По - видимому, перспективным является также учет влияния гравитации на таких расстояниях, Новые пути исследования открываются также путем включения гравитационного взаимодействия в общую структуру взаимодействия элементарных частиц.

Атомистическая концепция, как мы видим, опирается на представление о дискретном строении материи, согласно которому объяснение свойств физического тела можно в конечном итоге свести к свойствам составляющих его мельчайших частиц, которые на определенном этапе познания считаются неделимыми. Исторически такими частицами сначала признавались атомы, затем элементарные частицы, теперь кварки. Трудности, которые возникают при таком подходе, с общей, мировоззренческой точки зрения связаны, во - первых, с абсолютизацией аспекта дискретности, неограниченной делимости материи, во - вторых, с полной редукцией сложного к простому, при которой не учитываются качественные различия между ними. Поэтому с философской точки зрения особенно интересными представляются новые подходы к изучению строения материи, которые основываются не на поиске последних неделимых и фундаментальных ее частиц, а скорей выявлении их внутренних связей для объяснения целостных свойств материальных образований. Такая точка зрения высказывалась еще В. Гейзенбергом, но пока не получила дальнейшего развития. По - видимому, на объединении концепций атомизма и дискретности, с одной стороны, и непрерывности, целостности и системного подхода - с другой, следует ждать дальнейшего прогресса в познании фундаментальных физических свойств материи. Во всяком случае, редукционистская тенденция, связанная с попытками сведения свойств и закономерностей разнообразных сложных объектов и явлений к простым свойствам составляющих их элементов, в настоящее время наталкивается на серьезные трудности, преодоление которых возможно путем поиска альтернативных путей исследования.

По-видимому, такая непрекращающаяся жажда познания, желание постичь тайны мироздания, стремление найти окончательную истину сопровождает развитие науки, начиная с её возникновения. На примере эволюции концепции атомизма, начиная от античности и кончая нашими днями, мы видим, какой огромный прогресс совершила наука за более двух с половиной тысяч лет своего развития. При этом самые значительные успехи были достигнуты за четыре последних столетия, а практическое применение концепция атомизма получила лишь с техническим воплощением её идей в атомной энергетике.

Поиск по сайту: