Все известные мезоны (пионы, каоны, мезонные резонансы) и барионы (протон, нейтрон, гипероны, гиперонные резонансы), как и ряд других частиц, пока еще только теоретически предсказанных, удалось представить как комбинации всего четырех указанных видов кварков (d, и, s, с)и четырех антикварков. Следовательно, сотни вновь открытых различных элементарных частиц и резонансов можно рассматривать как частицы, состоящие из нескольких типов кварков и антикварков. Более того, кварковая модель позволила даже предсказать существование некоторых частиц как недостающих комбинаций нескольких кварков; многие из них впоследствии были обнаружены экспериментально. Это укрепило физиков в убеждении, что структуру адронов (т. е. мезонов и барионов) действительно составляют кварки и антикварки—особые частицы, которые по принципиальным причинам не могут существовать как свободные, а всегда только совместно — парами или в большем числе.
Модель протона (а также нейтрона и вообще барионов), состоящего из трех кварков, находящихся на плоском дне потенциальной ямы с бесконечно высокими стенками, позволяет объяснить, хотя бы качественно, все известные свойства элементарных частиц, которые относятся к классу барионов. Свойства частиц класса мезонов (напомним, что в их число мы не включаем мюон) тоже вполне объяснимы, если считать, что они состоят из пар кварк — антикварк. Однако кварковая модель натолкнулась на одну существенную трудность. Механический момент каждого кварка должен составлять ½ ħ, т.е. спин кварка равен ½. Три кварка в составе протона дают спин протона, равный ½, если предположить, что два кварка из трех имеют противоположно ориентированные спины, следовательно, образуют пару с результирующим нулевым спином, а третий кварк со спином ½ как раз и определяет спин протона. Мезоны состоят из пар кварк - антикварк, поэтому их спиновое число должно быть целым — либо 0, либо 1. Все это превосходно согласуется с наблюдаемыми спинами названных элементарных частиц. Столь же хорошо согласуются и комбинации необычных, дробных, электрических зарядов кварков (± 1/3 и ± 2/3 заряда электрона); в барионах и мезонах комбинации кварков всегда таковы, что составная частица имеет заряд 0 или ±1.
Затруднение возникает лишь при попытке объяснить, почему три одинаковых кварка, например sss, образующие W-частицу, могут одновременно находиться на дне потенциальной ямы, изображенной на рис. 34, в. Ведь кварки ввиду их полуцелого спина (1/2) принадлежат к фермионам, которые, как мы знаем, не могут одновременно находиться в одной области пространства в одинаковых квантовых состояниях. Нет никаких физических оснований именно для кварков допускать исключение из этого общего правила. Все остальные частицы с полуцелым спином (электроны, протоны, нейтроны и т. д.) подчиняются принципу Паули, который исключает возможность существования двух фермионов в одной области пространства в одном и том же состоянии (т. е. с одинаковой энергией, ориентацией спинов и т. д.). Этот принцип должен был бы распространяться и на кварки, находящиеся в одной потенциальной яме.
В конце концов проблему размещения трех кварков на дне потенциальной ямы удалось обойти, введя дополнительное свойство кварков. Была предложена гипотеза, согласно которой каждый из кварков может быть трех «сортов», причем кварки разных сортов (но одного и того же вида: d, и, s, с, bили t) могут находиться в одной области (т. е. в одной частице, которую они составляют) в состояниях, одинаковых по всем прочим параметрам. Это новое свойство кварков, которое не имеет никакой аналогии у макроскопических тел, было названо цветом, и разные сорта кварков одного и того же вида обозначили цветами: красный желтый и синий. Разумеется, такое обозначение чисто символическое и не имеет никакого отношения к привычному нам понятию «цвет», о котором вообще не имеет смысла говорить применительно к элементарным частицам. Введение цвета для характеристики сортов кварков удобно тем, что это отвечает симметрии кварков: три различных цвета — красный, желтый и синий — дают вместе белый. Предполагается, что, хотя три кварка в составе бариона имеют разный «цвет», это новое их свойство в составных частицах не проявляется: протон, нейтрон и другие барионы по цвету нейтральны, т. е. они «белые». Таким образом, квантовые числа, обозначаемые термином «цвет», здесь в сумме дают нуль.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.