Образование
Адрон — это… Понятие, определение, состав, структура и назначение
Содержание статьи
Окружающая материя и ее структура
Вопрос, что это — адрон, начнем рассматривать «сверху». Все вещество, с которым человек сталкивается каждый день, которое может пощупать, оценить его цвет и другие свойства, состоит из совокупностей молекул и атомов. Последние, в свою очередь, образованы электронами и ядрами. Этот факт был установлен приблизительно век назад благодаря работам Эрнеста Резерфорда.
Теперь оставим без внимания электрон и рассмотрим атомное ядро. Как известно, оно образовано двумя видами частиц: нейтронами и протонами. И здесь мы, наконец, докопались до сути, поскольку нейтрон и протон — это адроны.
Понятие об адроне
В общем случае адрон — это частица, которая образована кварками и может принимать участие в сильных взаимодействиях. Это определение звучит не совсем понятно, поскольку необходимо знать, что собой представляют кварки и сильные поля, что будет рассмотрено ниже. Каково значение слова «адрон»? Оно имеет греческий корень и переводится как «массивный, плотный». То есть речь идет о плотной частице материи, имеющей большую массу.
Как было сказано выше, адронами являются протон и нейтрон, каждый из них состоит из трех кварков.
Что такое кварк?
Ближе к середине XX века физики со всего мира в различных экспериментах начали наблюдать все новые и новые «элементарные» частицы. Эксперименты сначала ограничивались изучением естественной радиоактивности некоторых химических элементов, а затем были построены первые ускорители частиц, которые позволили сталкивать их высокоэнергетические пучки, что увеличило значительно число частиц. Последние имели разный заряд, спин, массу, время жизни и по-разному вели себя в различных взаимодействиях (слабых, сильных, электромагнитных).
Весь этот огромный пласт информации привел к тому, что необходима была теория, которая бы собрала воедино все частицы. Такой теоретической догадкой стал кварк. Это название впервые использовал Марри Гелл-Ман, американский физик, в 1963 году. Любопытно отметить, что слово «кварк» он подсмотрел в одном из литературных произведений, оно означало имитацию крика чаек.
Благодаря введению нового «кирпичика» в физику элементарных частиц все обнаруженные сгустки материи стройно легли в рамки новой концепции. Отметим, что кварками образованы только адроны, такие частицы, как нейтрино или электрон, относятся к классу лептонов, они считаются элементарными, и кварки к ним не имеют никакого отношения.
Сколько кварков существует и какими характеристиками они описываются?
Адроны состоят из кварков. Но что представляет собой кварк? Это некий реальный объект, размер которого находится в пределах 10-18-10-15 метра. Существует 3 поколения кварков, которые отличаются друг от друга вкусом. В действительности только первое поколение кварков участвует в образовании стабильных адронов. Два других поколения обладают большой массой (энергией), поэтому быстро переходят в «базовые» кварки.
К первому поколению относятся всего две частицы: u или верхний и d или нижний кварки. Отличаются они изоспином (u имеет +1/2, d имеет -1/2), зарядом и массой. Спин приведем специально, чтобы показать, что речь идет о фермионах, поведение которых при высоких плотностях материи отличается от бозонов (целочисленный спин). Примером последних могут быть фотоны, глюоны и любые другие «переносчики» взаимодействия.
Скажем два слова о вкусе и цвете кварков, чтобы не держать читателей в недоумении. Вкус — это совокупность свойств (изоспин, «странность», «чудесность», «дно», «вершина») кварка, которая обуславливает тип его взаимодействия с бозонами Z и W, то есть определяет характер перехода между кварками (слабые взаимодействия). Вкус частиц u и d определяется исключительно изоспином.
Что касается цвета, то это совершенно иное свойство кварков как, например, их электрический заряд или масса. С привычным нам всем словом «цвет» оно, естественно, не имеет никакой физической связи, а названо было так потому, что может принимать одно из 3 значений («синий», «красный», «зеленый»). Цвет связан с трехмерностью пространства. Грубо можно сказать, что цвет — это вектор, направленный в одном из 3 направлений (x, y, z). Введение цвета для кварков позволило объяснить, почему они могут находиться в одном состоянии (принцип запрета Паули, которому следуют все фермионы).
Если учитывать упомянутых два кварка (u, d), а также то, что каждый из них может иметь один из 3 цветов, то получаем 6 разных «кирпичиков» для построения адронов. Это число нужно умножить на 2, поскольку для каждого из них имеется его античастица.
Классификация адронов
Когда читатель познакомился со значением слова «адрон» и с понятием о кварках, можно привести общепринятую классификацию элементарных частиц. Итак, все они делятся на два больших класса: адроны и лептоны.
Адроны представлены барионами и мезонами. Первые образованы тремя кварками или тремя аникварками, вторые — это совокупность всего 2 частиц: кварк-антикварк, поэтому все мезоны (пионы, каоны) имеют маленькое время жизни и аннигилируют быстро. Барионы — это стабильные частицы-адроны, имеющие получисленный спин (фермионы). Протон и нейтрон — яркие представители барионов, их часто называют нуклонами, поскольку они образуют атомные ядра.
Таким образом, значение адронов во Вселенной велико, ведь вся окружающая нас материя является барионно-лептонной (электрон — это лептон). Однако современная наука подошла к порогу открытия иного вида вещества, то есть не барионно-лептонного (темная материя, вещество черных дыр).
Нуклоны: протон и нейтрон
Эти элементарные частицы-адроны образованы 2 типами кварков: u и d. Состав протона описывается, как u-u-d, нейтрона — u-d-d. В них кварки связаны сильными взаимодействиями, носителями которых являются глюоны. Чем дальше кварки находятся друг от друга, тем сильнее возрастают силы их притяжения. Этот факт объясняет, что отдельный кварк в природе обнаружить не удается.
Что касается массы протона и нейтрона, то определить ее простым суммированием трех кварков нельзя, поскольку она намного больше этой суммы. Дело в том, что вклад в массу этих адронов оказывает не только кварк в покое, но и в движении (кинетическая энергия).
Протон и нейтрон могут переходить друг в друга в результате слабых взаимодействий, ведущих к превращению между кварками u и d.
Заметим, что как кварки в адронах, так и адроны между собой взаимодействуют посредством одного и того же механизма — глюонового поля.
Современное состояние физики элементарных частиц
Кварки появились в физической теории в начале 1960-х годов, а уже в 1970-х было выдвинуто предположение, что они тоже не являются элементарными «кирпичиками» и состоят из так называемых преонов. Последние еще не открыты, однако, если такое произойдет, то это должно существенно упростить существующую теорию элементарного мира.
Помимо проблемы выше, остается еще ряд нерешенных вопросов:
- описание гравитации и темной материи не укладывается в стандартную модель Вселенной;
- почему три кварка в протоне дают точный по модулю заряд элементарной частицы совершенно иного класса — электрона (лептон);
- появились свидетельства существования адронов, состоящих не из 2, как мезоны, или 3, как барионы, но из 5 кварков.
Все упомянутые проблемы не являются простыми. Достаточно лишь сказать, что Альберт Эйнштейн посвятил последние 30 лет своей жизни решению некоторых из них и не пришел ни к какому результату. Он имел IQ 160!
