КВАРКИ

Кварк — частица со спином 1/2 и дробным электрическим зарядом, являющаяся составным элементом адронов. Это название было заимствовано М. Гелл-Маном в одном из романов Дж. Джойса. По-немецки «кварк» — «творог», но в романе это слово означает нечто двусмысленное и таинственное; герою снится сон, где чайки кричат: «Три кварка для мастера Марка». Термин вошел в научный обиход, возможно, потому, что соответствовал двусмысленной и таинственной роли кварков в физике.

Все известные адроны состоят либо из пары кварк — антикварк (мезоны), либо из трех кварков (барионы). Кварки (и антикварки) удерживаются внутри адронов глюонным полем. Помимо спина кварки имеют еще две внутренние степени свободы — «аромат» и «цвет».

Каждый кварк может находиться в одном из трех «цветовых» состояний, которое условно называют «красным», «синим» и «желтым». Эта терминология введена для удобства и не имеет отношения к оптическим свойствам — все три «цветовых» состояния одинаково поглощают и испускают кванты света. Массы всех цветовых состояний также строго одинаковы.

Что касается «ароматов», то их известно пять и предполагается наличие шестого. Свойства кварков с различными «ароматами» различны, и поэтому их обозначают различными буквами, в порядке возрастания массы: , с, . Последний -кварк настолько тяжел, что его пока не удалось наблюдать. Заряды , -кварков равны — , а заряды остальных кварков равны 2/ 3 в единицах заряда протона.

Подсчитаем полное число внутренних степеней свободы. Каждый кварк и, d, s, с, может быть окрашен в любой из трех цветов, иметь по два спиновых состояния и по два зарядовых состояния (частица и античастица). Это дает 6х3х2х2, т. е. 72 варианта.

Обычное вещество состоит из легчайших и -кварков, входящих в состав нуклонов ядер (см. Ядро атомное). Более тяжелые кварки создаются искусственно в экспериментах на ускорителях заряженных частиц или наблюдаются в космических лучах.

Слова «создаются» и «наблюдаются» нуждаются в оговорке. Ни один кварк — ни легкий, ни тяжелый — ни разу не был зарегистрирован в свободном виде, несмотря на многолетние поиски. Кварки можно наблюдать только внутри адронов.

При попытке выбить кварк из адрона происходит следующее. Вылетающий кварк рождает на своем пути из вакуума пары кварк — антикварк, расположенные в порядке убывания скоростей. Один из медленных кварков занимает место исходного, а тот образует вместе с остальными рожденными кварками и антикварками струю адронов (см. рис.).

При этом либо тройки кварков соединяются в барионы, либо пары кварк — антикварк — в мезоны. Почему же невозможны другие комбинации, и в частности одиночный кварк? Эта загадка пока еще не разгадана наукой (см. Адроны, Сильные взаимодействия).

Кварки участвуют во всех известных взаимодействиях — гравитационных, слабых, электромагнитных и сильных. Неизвестно, из чего состоят сами кварки; возможно, они элементарны. Их собственный размер, во всяком случае, меньше см.