Квирк — понятие в квантовой физике¶
Квирк (от англ. quark) — элементарная частица, один из фундаментальных компонент материи, входящих в состав адронов — сильносвязанных частиц, таких как протоны и нейтроны. Квирки обладают дробным электрическим зарядом (в отличие от целочисленного заряда электрона или протона), а также несут цветной заряд — источник взаимодействия, описываемого квантовой хромодинамикой (КХД). Согласно Стандартной модели, существует шесть «ароматов» (видов) квирков, объединённых в три поколения.
¶История открытия
Понятие квирка было предложено в 1964 году физиками Мюрреем Гелл-Манном и Джорджем Цвейгом независимо друг от друга. Гелл-Манн использовал термин для обозначения гипотетических субчастиц, из которых, по его модели, складываются адроны; название предположительно связано с фразой из романа Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану» — «three quarks for Muster Mark». Цвейг называл свои частицы «аксионами», но термин Гелл-Манна получил широкое распространение.
Первоначально модель предполагала существование только трёх видов квирков: верхнего (up), нижнего (down) и странного (strange). Экспериментальное подтверждение квирковой модели пришло в 1968 году, когда на Стэнфордском линейном ускорителе (SLAC) в серии экспериментов по глубокому неупругому рассеянию электронов на протонах были обнаружены точечные центры электрического заряда внутри нуклонов — так называемые частицы-частицы (partons), которые позже были отождествлены с квирками.
В 1974 году на коллайдерах в Брукхейвене и Стэнфорде была открыта частица J/ψ, состоящая из очарованного и антиочарованного квирка, что подтвердило существование четвёртого аромата. Пятый (нижний, bottom) и шестой (верхний, top) ароматы были обнаружены в 1977 и 1995 годах соответственно.
¶Классификация квирков
Квирки делятся на три поколения, каждое из которых содержит по два аромата:
| Поколение | Квирк | Обозначение | Заряд | Масса (прибл.) |
|---|---|---|---|---|
| I | Верхний (up) | u | +2/3 e | 2,2 МэВ/c² |
| I | Нижний (down) | d | −1/3 e | 4,7 МэВ/c² |
| II | Очарованный (charm) | c | +2/3 e | 1,27 ГэВ/c² |
| II | Странный (strange) | s | −1/3 e | 95 МэВ/c² |
| III | Верхний (top) | t | +2/3 e | 173 ГэВ/c² |
| III | Нижний (bottom) | b | −1/3 e | 4,18 ГэВ/c² |
Все квирки являются фермионами спина 1/2 и, согласно Стандартной модели, — точечными частицами без внутренней структуры. Античастицы квирков называются антиквирками и обладают противоположными по знаку зарядами.
¶Цветной заряд и квантовая хромодинамика
Квирки несут так называемый цветной заряд — квантовое число, принимающее три значения (условно обозначаемые «красный», «зелёный» и «синий») и их антизначения. Цветовой заряд является источником сильного взаимодействия, описываемого квантовой хромодинамикой. Переносчиками сильного взаимодействия выступают глюоны — безмассовые частицы, которые сами несут цветовой заряд (в отличие от фотонов в электромагнетизме).
Ключевая особенность сильного взаимодействия — явление конфайнмента: свободные квирки в природе не наблюдаются. Они всегда объединены в цветно-нейтральные («белые») комбинации — адроны. На малых расстояниях (энергиях) сила взаимодействия между квирками убывает (явление асимптотической свободы, открытое в 1973 году Дэвидом Гроссом, Франком Вильчеком и Х. Дэвидом Политцером), а на больших — растёт, делая невозможным «вырывание» отдельного квирка.
¶Роль в строении материи
Протон состоит из трёх валентных квирков: двух верхних и одного нижнего (uud), нейтрон — из одного верхнего и двух нижних (udd). Помимо валентных квирков, в адронах существуют виртуальные квирк-антиквирковые пары и глюоны, формирующие так называемый «морской» компонент и отвечающие за значительную часть массы нуклонов: масса квирков в протоне составляет лишь около 1 % его массы, остальное обеспечивается энергией сильного взаимодействия и движением частиц внутри нуклона.
¶Исследования в России
Российские физики внесли значительный вклад в развитие квирковой модели и КХД. В Объединённом институте ядерных исследований (ОИЯИ, Дубна) проводятся эксперименты по изучению структуры нуклонов, в частности, на установке «Нуcléон» (Nucleon) в рамках проекта СВЕППС-2000. Институт ядерной физики СО РАН (Новосибирск) участвует в международных коллаборациях по изучению кварковой материи. Теоретические работы по КХД ведутся в МГУ, ПИЯФе (Гатчина) и других научных центрах России.
¶Критика и альтернативные гипотезы
Несмотря на подтверждённую предсказательную силу Стандартной модели, квирки остаются гипотетическими объектами в том смысле, что их изолированное существование не наблюдалось. Часть физиков высказывала гипотезы о композитной природе квирков, однако экспериментальные данные на доступных энергиях показывают, что квирки ведут себя как точечные частицы по крайней мере до масштабов порядка 10⁻¹⁹ м.
Источники:
- Гелл-Манн М. «Симметрия барионов и мезонов» (1964)
- Perkins D. H. «Introduction to High Energy Physics»
- «Квантовая хромодинамика» — учебное пособие, М.: Наука
- Статьи ОИЯИ о программах фундаментальных исследований
- Particle Data Group — Review of Particle Physics (2022)