Тема_2_Основные_физические_величины_2025

1. ФИЗИКА ЯДРА И ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ

МЕЖДУНАРОДНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ИМ. А.Д. САХАРОВА
ФИЗИКА ЯДРА И ИОНИЗИРУЮЩЕГО
ИЗЛУЧЕНИЯ
СПЕЦИАЛЬНОСТЬ
6-05-0533-03 Медицинская физика
МИНСК 2025

2.

Тема 2. Основные свойства элементарных
частиц
✓ Основные виды взаимодействия.
✓ Сравнение масштабов сил различных видов
взаимодействий.
✓ Элементарные и фундаментальные частицы.
Поколения элементарных частиц.
✓ Спин, масса, заряд элементарных частиц.
Свойства элементарных частиц – момент
импульса и орбитальный момент.
✓ Античастицы.

3. Основные физические величины, использующиеся при описании явлений, происходящих в микромире

Единицы измерения физических величин при описании
явлений, происходящих в микромире, подразделяются на
основные и производные, которые определяются через
математическую запись законов физики.
В связи с тем, что все физические явления происходят в
пространстве и времени, за основные единицы принимают в
первую очередь:
единицы длины и времени, единица массы.
Основные единицы: длины l, времени t, массы m − получают
определенную размерность.
Размерности производных единиц определяются формулами,
выражающими
определенные
физические
законы.

4. Основные физические величины, использующиеся при описании явлений, происходящих в микромире

• В системе СИ приняты следующие размерности:
• длины [l] = м (метр), времени [t] = с (секунда),
массы [т] = кг (килограмм).
• В системе СГС для основных единиц приняты
следующие размерности: длины [/] = см
(сантиметр), времени [t] = с (секунда) и массы [т]
= г (грамм).
• Для описания явлений, происходящих в
микромире, можно использовать обе системы
единиц СИ и СГС.

5. Основные физические величины

Кроме общепринятых международных систем единиц СИ
и СГС используются также "естественные системы
единиц", опирающиеся на универсальные физические
константы.
• Эти системы единиц особенно уместны и используются в
различных физических теориях. В естественной системе
единиц за основные единицы приняты фундаментальные
постоянные:
– скорость света в вакууме − с,
– постоянная Планка − ћ,
– гравитационная постоянная GN,
– постоянная Больцмана − k:
– число Авогадро − NA, и др.
• В естественной системе единиц Планка принято с = ћ =
GN = k = 1.

6. Основные физические величины

Этой системой единиц пользуются в космологии
для описания процессов, в которых одновременно
существенны квантовые и гравитационные
эффекты (теории Черных дыр, теории ранней
Вселенной).
• В естественной системе единиц решена проблема
естественной единицы длины.
• Таковой можно считать комптоновскую длину
волны λ0, которая определяется массой частицы М:
• λ0 = ћ/Мс.

7. Основные физические величины

• Длина характеризует размер объекта.
• Так, для электрона классический радиус
r0 = e2/mec2 = 2.81794·10-13 см
• е, mе − заряд и масса электрона.
• Классический радиус электрона имеет смысл радиуса
заряженного шара с зарядом е (распределение
сферически симметрично), при котором энергия
электростатического поля шара ε = γе2/r0 равна
энергии покоя электрона mec2 (используется при
рассмотрении томпсоновского рассеяния света).

8. Основные физические величины, использующиеся при описании явлений, происходящих в микромире

Используется также радиус боровской орбиты. Он
определяется как расстояние от ядра, на котором с
наибольшей вероятностью можно обнаружить электрон в
невозбужденном атоме водорода.
a0 = ћ2/mee2 (в СГС-системе) и
a0 = (α/4π)R = 0.529·10-10 м (в СИ-системе),
α = 1/137.
Размер нуклона r ≈ 10-13 см (1 фемтометр).
Характерные размеры атомных систем − 10-8см,
ядерных систем − 10-12 ÷ 10-13 см.

9. Основные физические величины, использующиеся при описании явлений, происходящих в микромире

➢ Время изменяется в широком интервале и определяется
как отношение расстояния R к скорости объекта v.
➢ Для микрообъектов
➢ τяд = R/v = 5·10-12 см/109 см/с ~ 5·10-22 с;
τэлем ч = 10-13 см/3·1010 см/с = 3·10-24 с.
➢ Массы объектов изменяются от 0 до М. Так, масса
электрона
mе
≈
10-27
г,
масса
протона
mр ≈ 10-24 г (СГС-система).
➢ Одна атомная единица массы, использующаяся в атомной
и ядерной физике, 1 а.е.м. = М(С)/12 в единицах массы
атома углерода.

10. Основные физические величины

➢
К фундаментальным характеристикам микрообъектов
следует отнести электрический заряд, а также
характеристики, необходимые для идентификации
элементарной частицы.
➢ Электрический заряд частиц Q измеряется обычно в
единицах заряда электрона.
➢ Заряд электрона е = 1.6·10-19 кулон.
➢ Для частиц в свободном состоянии Q/e = ±1, 0,
➢ а для кварков, входящих в состав адронов, Q/e = ±2/3 и
±1/3.
➢ В ядрах заряд определяется количеством протонов Z,
содержащихся в ядре. Заряд протона по абсолютной
величине равен заряду электрона.

11. Основные физические величины

➢ Для идентификации элементарной частицы
необходимо знать:
I − изотопический спин;
J − собственный момент количества движения − спин;
Р − пространственную четность;
С − зарядовую четность;
G − G-четность.
Эти сведения записываются в виде формулы IG(JPC).

12. Основные физические величины

➢ Спин − одна из важнейших характеристик частицы, для
измерения которой используется фундаментальная
константа Планка h или ћ = h/2π = 1.0544·10-27 [эрг-с].
➢ Бозоны имеют целый спин в единицах ћ: (0,1, 2,...)ћ,
фермионы − полуцелый (1/2, 3/2,.. .)ћ.
➢ В классе суперсимметричных частиц значения спинов
фермионов и бозонов меняются местами.

13. Основные физические величины, использующиеся при описании явлений, происходящих в микромире

➢ Рис.
иллюстрирует физический смысл
спина J по аналогии с классическим
представлением о моменте количества
движения частицы с массой m = 1 г,
движущейся со скоростью v = 1 см/с по
окружности с радиусом r = 1 см. В
классической физике момент количества
движения J = mvr = L (L − орбитальный
момент).
➢ В квантовой механике J = [r→ p →] = 1027ћ = 1
эрг·с для тех же параметров движущегося
по окружности объекта, где ћ = 1.05·1027 эрг·с.

14. Основные физические величины, использующиеся при описании явлений, происходящих в микромире

➢ Энергия покоящейся частицы:
➢ Е = mc2; движущейся частицы: Е = m2c4 + p2c2.
➢ Для нерелятивистских частиц: Е = mс2 + р2/2m;
➢ Единицы измерения энергии − эВ, кэВ, МэВ, ГэВ, ТэВ, ... 1 ГэВ =
109 эВ, 1 ТэВ = 1012 эВ, 1 эВ = 1.6·10-12 эрг.
➢ Скорость частицы β = v/c, где с = 3·1010 см/с − скорость света.
➢ Скорость
частицы
определяет
такую
важнейшую
характеристику как Лоренц-фактор частицы γ = 1/(1-β2)1/2 =
E/mc2.
➢ Всегда γ > 1. Для нерелятивистских частиц 1 < γ < 2, а для
релятивистских частиц γ > 2.

15. Основные физические величины, использующиеся при описании явлений, происходящих в микромире

➢ В физике высоких энергий скорость частицы β близка к 1 и
для релятивистских частиц ее трудно определить.
➢ Поэтому вместо скорости используется быстрота y, которая
связана со скоростью соотношением
➢ у = (1/2)ln[(1+β)/(1-β)] = (1/2)ln[(E+p)/(E-p)].
➢ Быстрота изменяется от 0 до ∞.

16. Основные физические величины, использующиеся при описании явлений, происходящих в микромире

➢ Функциональная связь между скоростью
частицы и быстротой показана на рис.
➢ Для релятивистских частиц при β → 1, Е → р,
тогда вместо быстроты можно использовать
псевдобыстроту η, которая определяется
углом вылета частицы θ,
➢ η = (1/2)ln tan(θ/2).
➢ В отличие от скорости быстрота − аддитивная
величина, т.е. у2 = y0 + y1 для любой системы
отсчета и для любых релятивистских и
нерелятивистских частиц..

17. Основные физические величины, использующиеся при описании явлений, происходящих в микромире

➢ Магнитный момент μ = Iπr2/c,
➢ где ток I = ev/2πr,
➢ возникает из-за вращения электрического заряда. Таким
образом, любая заряженная частица имеет магнитный
момент.
➢ При рассмотрении магнитного
используется магнетон Бора
момента
электрона
➢ μB = eћ/2mec
➢ магнитный момент электрона = g·μB·.
➢ Коэффициент g называется гиромагнитным отношением.

18. Основные физические величины, использующиеся при описании явлений, происходящих в микромире

➢ Для электрона g = /μB· = 2, т.к. J = ћ/2, = μB при условии, что
электрон − точечная бесструктурная частица.
➢ Гиромагнитное отношение g содержит информацию о
структуре частицы.
➢ Величина (g − 2) измеряется в экспериментах,
направленных на изучение структуры частиц, отличных от
лептонов.
➢ Для лептонов эта величина свидетельствует о роли более
высоких электромагнитных поправок.
➢ В ядерной физике используется ядерный магнетон
➢ μя = eћ/2mpc, где mp − масса протона.

19. Классификация элементарных частиц

➢ Понятие
"элементарная
частица"
сформировалось
с
установлением дискретного характера строения вещества на
микроскопическом уровне.
➢ Атомы → ядра → нуклоны → партоны (кварки и глюоны)
➢ В современной физике термин "элементарные частицы"
употребляется
для
наименования
большой
группы
мельчайших наблюдаемых частиц материи.
➢ Эта группа частиц весьма обширна:
➢ протоны р,
➢ нейтроны n,
➢ π- и K-мезоны,
➢ гипероны,
➢ очарованные частицы (J/ψ...) и
➢ множество резонансов (всего~ 350 частиц).
➢ Эти частицы получили название "адроны".

20.

21. Классификация элементарных частиц

➢ Не все частицы элементарны, а представляют собой
составные системы, конституентами которых являются
истинно элементарные или, как их стали называть,
"фундаментальные" частицы − партоны, открытые при
изучении структуры протона.
➢ Изучение свойств партонов позволило отождествить их
с кварками и глюонами, введенными в рассмотрение
Гелл-Манном и Цвейгом при классификации
наблюдаемых элементарных частиц.
➢ Кварки это фермионы со спином J = 1/2. Им приписаны
дробные электрические заряды и барионное число В =
1/3 поскольку барион, у которого В = 1, состоит из трех
кварков.

22. Классификация элементарных частиц

➢ Кроме того, для объяснения свойств некоторых
барионов возникла необходимость введения
нового квантового числа − цвета.
➢ Каждый кварк имеет три цветовых состояния,
обозначаемые индексами 1, 2, 3 или словами
красный (R), зеленый (G) и синий (В).
➢ Цвет никак не проявляет себя у наблюдаемых
адронов и работает только внутри них.
➢ К настоящему времени открыто 6 ароматов
(типов) кварков.

23. Классификации элементарных частиц

• По времени жизни
– Стабильные элементарные частицы — частицы, имеющие
бесконечно большое время жизни в свободном состоянии
(протон, электрон, нейтрино, фотон , гравитон и их
античастицы).
– Нестабильные элементарные частицы — частицы,
распадающиеся на другие частицы в свободном состоянии
за конечное время (все остальные частицы).
• По массе
– Безмассовые частицы — частицы с нулевой массой
(фотон, глюон).
– Частицы с ненулевой массой (все остальные частицы).

24. Классификации элементарных частиц

• По величине спина
• бозоны — частицы с целым спином
(например, фотон, глюон, мезоны, бозон Хиггса);
• фермионы — частицы с полуцелым спином
(например, электрон, протон, нейтрон, нейтрино
• Составные частицы
• Адроны — частицы, участвующие во всех
видах фундаментальных взаимодействий.
• Они состоят из кварков и подразделяются, в свою очередь, на:
– мезоны — адроны с целым спином, то есть
являющиеся бозонами;
– барионы — адроны с полуцелым спином, то есть фермионы. К
ним, в частности, относятся частицы, составляющие
ядро атома, — протон и нейтрон.

25. Поколения фундаментальных частиц

• ПЕРВОЕ ПОКОЛЕНИЕ
ВКЛЮЧАЕТ В СЕБЯ:
• ЭЛЕКТРОН,
• ЭЛЕКТРОННОЕ НЕЙТРИНО,
• D-КВАРК И U-КВАРК.
Рождение
электронного
антинейтрино
Протон как
структура из двух
u-кварков и одного
d-кварка

26. Поколения фундаментальных частиц

• второе поколение
включает в себя:
• мюон,
• мюонное нейтрино,
• s-кварк и c-кварк.
• ТРЕТЬЕ ПОКОЛЕНИЕ
ВКЛЮЧАЕТ В СЕБЯ:
• ТАУ-ЛЕПТОН,
• ТАУ-НЕЙТРИНО,
• BOTTON-КВАРК И TRUTHКВАРК

27. Поколения фундаментальных частиц

28. Свойства кварков для одного цветового состояния

Аромат
Масса,
МэВ/с2
I
I3
Qq/e
s
с
b
t
u up
330; (5)
1/2
1/2
2/3
0
0
0
0
d down
340; (7)
1/2
-1/2
-1/3
0
0
0
0
s strange
450; (150)
0
0
-1/3
-1
0
0
0
с charm
1500
0
0
2/3
0
1
0
0
b beauty
5000
0
0
-1/3
0
0
-1
0
t truth
174000
0
0
2/3
0
0
0
1

29. Классификация элементарных частиц

➢ Для каждого аромата кварка указаны его масса (приводятся
массы конституентных кварков и в скобках массы токовых
кварков), изотопический спин I и 3-я проекция
изотопического спина I3, заряд кварка Qq/e и квантовые числа
s, с, b, t.
➢ Наряду с этими квантовыми числами часто используется
квантовое число гиперзаряд
➢ Y = В + s + с + b+ t.
➢ Существует связь между проекцией изотопического спина I3,
электрического заряда Q и гиперзаряда Y:
➢ Q = I3 + (1/2)Y.
➢ Поскольку каждый кварк имеет 3 цвета, в рассмотрении
должны участвовать 18 кварков. Кварки не имеют структуры.

30. Лептоны

Вместе с тем, среди элементарных частиц оказался
целый класс частиц, получивших название "лептоны".
Они также являются фундаментальными частицами, т.е.
не имеют структуры.
Их шесть: три заряженных е, μ, τ и три нейтральных νe,
νμ, ντ.
Лептоны участвуют только в электромагнитных и слабых
взаимодействиях.
Лептоны и кварки с полуцелым спином J = (n+1/2)ћ, n = 0,
1,... . относятся к фундаментальным фермионам.
Наблюдается удивительная симметрия между лептонами
и кварками: шесть лептонов и шесть кварков.

31. Лептоны

➢ В табл. приведены свойства фундаментальных фермионов:
электрический заряд Qi в единицах заряда электрона и
масса частиц m.
➢ Лептоны и кварки объединяются в три поколения (I, II и III).
➢ Для каждого поколения сумма электрических зарядов ∑Qi =
0 с учетом 3 цветовых зарядов у каждого кварка.
➢ Каждому фермиону сответствует антифермион.
➢ Кроме характеристик частиц, указанных в таблице, важную
роль для лептонов играют лептонные числа: электронное Le,
равное +1 для е- и νe, мюонное Lμ, равное +1 для μ- и νμ и
таонное Lτ, равное +1 для τ-и ντ, которые соответствуют
ароматам лептонов, участвующих в конкретных реакциях, и
являются сохраняющимися величинами.
➢ Для лептонов барионное число В = 0.

32. Свойства фундаментальных фермионов

Частицы
Лептоны
Кварки
Электрический
заряд, Qi
0
-1
-1/3
2/3
I поколение
m
νe
< 17 эВ/с2
е0.511 МэВ/с2
d
0.34 ГэВ/с2
u
0.33 ГэВ/с2
II поколение
m
νμ
< 270 эВ/с2
μ105.7 МэВ/с2
s
0.45 ГэВ/с2
c
1.5 ГэВ/с2
III поколение
m
ντ
< 35 МэВ/с2
τ1784 МэВ/с2
b
4.9 ГэВ/с2
t
175 ГэВ/с2

33. Классификация элементарных частиц

➢ Окружающее нас вещество состоит из фермионов первого
поколения ненулевой массы. Влияние частиц второго и третьего
поколений проявилось в ранней Вселенной.
➢ Среди
фундаментальных
частиц
особую
роль
играют
фундаментальные
калибровочные
бозоны,
имеющие
целочисленное внутреннее квантовое число спин J = nћ, n = 0, 1, ....
➢ Калибровочные
бозоны
ответственны
фундаментальных взаимодействий:
за
четыре
типа
➢ сильное (глюон g),
➢ электромагнитное (фотон γ),
➢ слабое (бозоны W±, Z0),
➢ гравитационное (гравитон G).
➢ Они также
частицами.
являются
бесструктурными,
фундаментальными

34. Свойства фундаментальных взаимодействий

✓ Огромное многообразие физических явлений, происходящих
при столкновениях элементарных частиц, определяется всего
лишь четырьмя типами взаимодействий:
✓ электромагнитным,
✓ слабым,
✓ сильным и
✓ гравитационным.
✓ В квантовой теории взаимодействие описывается в терминах
обмена
специфическими
квантами
(бозонами),
ассоциированными с данным типом взаимодействия.
✓ Для наглядного представления взаимодействия частиц
американский физик Р. Фейнман предложил использовать
диаграммы, которые получили его имя.
✓ Диаграммы
Фейнмана
описывают
любой
процесс
взаимодействия при столкновении двух частиц.

35. Свойства фундаментальных взаимодействий

➢ Каждая частица, участвующая в процессе, на диаграмме
Фейнмана изображается линией.
➢ Свободный левый или правый конец линии обозначает
нахождение частицы в начальном или конечном состоянии
соответственно.
➢ Внутренние линии на диаграммах (т.е. линии, не имеющие
свободных концов) соответствуют так называемым
виртуальным частицам.
➢ Это частицы, рождающиеся и поглощающиеся в процессе
взаимодействия. Их нельзя зарегистрировать, в отличие от
реальных частиц.

36. Гравитационное взаимодействие

• В гравитационном взаимодействии участвуют все тела,
обладающие массой, вне зависимости от их природы.
• Гравитационные силы являются лишь силами притяжения, так
как все тела обладают положительной массой (за
исключением темной энергии). Это взаимодействие
определяется фундаментальным законом всемирного
тяготения.
• Гравитационные силы убывают пропорционально квадрату
расстояния
между
взаимодействующими
телами.
Закон всемирного тяготения Ньютона описывается формулой:
где G — гравитационная постоянная.

37. Гравитационное взаимодействие

Гравитационное взаимодействие определяет падение тел
под действием силы тяготения Земли, а также движение
планет в Солнечной системе, движение галактик во
Вселенной и т.д.

38. Электромагнитное взаимодействие

• Из фундаментальных частиц в
электромагнитном взаимодействии
участвуют
также
имеющие
электрический
заряд
частицы:
кварки, электрон, мюон и тау-лептон
(из
фермионов),
а
также
заряженные калибровочные W±бозоны.
• Остальные
фундаментальные
частицы Стандартной Модели (все
типы нейтрино, бозон Хиггса и
переносчики
взаимодействий:
калибровочный Z0-бозон, фотон,
глюоны) электрически нейтральны.

39. Сильное взаимодействие

• Или ядерное.
• Такое взаимодействия происходит
на уровне атомных ядер. Ядерные
силы – это один из видов
проявления
сильного взаимодействия.
• Открыто
в
1911
году
Э.
Резерфордом
практически
одновременно с открытием ядра
атома. Сильное взаимодействие
передается с помощью глюонов, а
протон и нейтрон теряют свои
заряды и рассматриваются в
сильном
взаимодействии
как
нуклоны.
Пион-нуклонное
взаимодействие и его
простейшая кварковая
модель

40. Слабое Взаимодействие

• Является короткодействующим,
проявляется на очень малых
расстояниях (10-15– 10-22 см).
• При слабом взаимодействии
процессы между частицами
протекают
медленнее,
благодаря нему большинство
известных
нам
частиц
нестабильно.
• Слабое взаимодействие связано
с распадом частиц, в частности, Бета-минус-распад атомного ядра
с превращениями протона в
нейтрон, позитрон и нейтрино,
которые происходит в ядре.

41. Свойства фундаментальных взаимодействий

➢ Взаимодействие частиц на диаграмме изображается
узлами (или вершинами).
➢ Тип взаимодействия характеризуется константой связи α
которая может быть записана в виде:
➢ α = g2/ћc,
➢ где g − заряд источника взаимодействия,
➢
α
является
основной
количественной
характеристикой силы, действующей между частицами.
➢ В электромагнитном взаимодействии αе = e2/ћc = 1/137.

42. Диаграммы Фейнмана

• Процесс a + b → с + d в виде диаграммы Фейнмана
выглядит следующим образом:
• R − виртуальная частица, которой обмениваются частицы
а и b при взаимодействии, определяемом константой
взаимодействия α = g2/ћc, характеризующей силу
взаимодействия на расстоянии, равном радиусу
взаимодействия.
• Виртуальная частица может иметь массу Мх и при обмене
этой частицей происходит передача 4-импульса
t = −q2 = Q2.

43. Электромагнитные взаимодействия

• Наиболее полно и последовательно изучены
электромагнитные
взаимодействия,
которым
подвержены все заряженные частицы и фотоны.
Переносчиком взаимодействия является фотон.
• Для электромагнитных сил константа взаимодействия
численно равна постоянной тонкой структуры
• αе = e2/ћc = 1/137.
• Примерами простейших электромагнитных процессов
являются:
– фотоэффект,
– комптон-эффект,
– образование электрон-позитронных пар,

44. Электромагнитные взаимодействия

• Для заряженных частиц −
– ионизационное рассеяние и
– тормозное излучение.
• Теория этих взаимодействий − квантовая
электродинамика − является наиболее точной
физической теорией.

45.  Слабые взаимодействия

Слабые взаимодействия
• Впервые слабые взаимодействия наблюдались при βраспаде атомных ядер. Эти распады связаны с
превращениями протона в нейтрон в ядре и обратно:
р → n + е+ + νe, n → р + е- + ν e.
• Возможны и обратные реакции:
• захват электрона е- + р → n + νe
• или антинейтрино νe + р → е+ + n.
• Слабое взаимодействие было описано Энрико Ферми в
1934 г. в терминах четырехфермионного контактного
взаимодействия, определяемого константой Ферми
GF = 1.4·10-49 эрг·см3.

46. Слабые взаимодействия

• При очень высоких энергиях вместо фермиевского
контактного взаимодействия
слабое взаимодействие
описывается как обменное, при котором осуществляется
обмен квантом, наделенным слабым зарядом gw (по
аналогии с электрическим зарядом) и действующим между
фермионами.
• Такие кванты были впервые обнаружены в 1983 г. на SppSколлайдере (ЦЕРН) коллективом под руководством Карло
Руббиа.
• Это заряженные бозоны − W± и нейтральный бозон − Z0, их
массы соответственно равны:
• mW± = 80 ГэВ/с2 и mZ = 90 ГэВ/с2.
• Константа взаимодействия αW в этом случае выражается
через константу Ферми:

47. Сильные взаимодействия

Теория сильного взаимодействия строится
аналогично
электродинамике
и
называется квантовой хромодинамикой (КХД).
• Она стала развиваться после высказанной в 1964
году М. Гелл-Маном и Г. Цвейгом (США) гипотезы
о существовании кварков.
• Эксперименты по глубоконеупругому еррассеянию подтвердили эту гипотезу.
• Они показали, что нуклоны не являются
точечными объектами, а состоят из кварков.

48. Сильные взаимодействия

В настоящее время установлено существование
шести разновидностей кварков u, d, s, с, b, t
(нижний, верхний, странный, очарованный, пре
лестный, истинный) и соответствующих им
антикварков.
• У верхних и нижних кварков самые
малые массы среди всех кварков.
• Более тяжёлые кварки быстро превращаются в
верхние и нижние кварки в процессе распада
частиц: перехода из состояния с большей массой
в состояние с меньшей массой.

49. Сильные взаимодействия

• Из-за этого верхние и нижние кварки, как правило,
стабильны и наиболее распространены во Вселенной, в
то время как странные, очарованные, истинные и
красивые кварки могут образовываться только в
столкновениях с высокоэнергетическими частицами.
• Их названия происходят от английских слов up, down,
strange, charm, beauty, truth.
• Кварки имеют:
• дробный электрический заряд, равный 2/3 заряда
электрона (u-, с-, t-кварки) и -1/3 заряда электрона (d-, s-,
b-кварки).
• Антикварки имеют противоположные знаки зарядов.

50. Сильные взаимодействия

• Нуклоны состоят из трех кварков:
• протон – uud,
• нейтрон – udd, а
• мезоны – из кварка и антикварка
• π+-мезон – u,
• π--мезон – d.
• Взаимодействие между кварками осуществляется
путем обмена бозоном, названным глюоном.

51. Сильные взаимодействия

• Глюон - нейтральная безмассовая частица. Главная
характеристика ее – цветовой заряд, грубый аналог
электрического заряда.
• Однако вместо двух типов электрических зарядов,
названных "плюс" и "минус", в КХД имеется три
цветовых (сильных) заряда – "красный", "синий",
"зеленый" и три соответствующих антизаряда.
• Сильный заряд кварков может принимать три значения.
• Взаимодействие между кварками сводится к обмену
цветом, т.е. к обмену глюоном.
• Можно представить, что глюон составлен из двух
цветов – цвета и антицвета.

52. Стандартная модель

• — это теоретическая основа, описывающая все известные
элементарные частицы. Эта модель содержит шесть сортов
или ароматов кварков (q)
верхний (u), нижний (d), странный (s), очарованный (c), пре
лестный (b) и истинный (t).
Античастицы кварков называются антикварками и
обозначаются чертой над символом соответствующего
кварка, например u для верхнего антикварка.
Как и антивещество в целом, антикварки имеют ту же
массу, среднее время жизни и спин, что и их
соответствующие кварки, но электрический заряд и
другие заряды имеют противоположные знаки.
Причины, по которым кварки считаются реально
существующими объектами:

53. Доказательства существования кварков

• В
годах
стало
ясно,
что
все
многочисленные адроны подчиняются более или менее простой
классификации:
сами
собой
объединяются
в мультиплеты и супермультиплеты. При описании всех этих
мультиплетов требуется очень небольшое число свободных
параметров.
• То есть, все адроны обладают небольшим числом степеней
свободы: все барионы с одинаковым спином обладают тремя
степенями свободы, а все мезоны — двумя.
• Далее, при учёте спина оказалось, что каждой такой степени
свободы можно приписать спин ½ и, кроме того, каждой паре
кварков можно приписать орбитальный момент — словно они и
есть частицы, которые могут вращаться друг относительно друга.
• Из этого предположения возникло стройное объяснение и всему
разнообразию спинов адронов, а также их магнитных моментов.
1960-х

54. Доказательства существования кварков

• Более того, с открытием новых частиц выяснилось, что
никаких модификаций теории не требуется: каждый новый
адрон удачно вписывался в кварковую конструкцию без
каких-либо её перестроек (если не считать добавления
новых кварков).
• Как проверить, что заряд у кварков действительно дробный?
• Кварковая
модель
предсказывала,
что
при аннигиляции высокоэнергетических электрона и позитрона будут рождаться не сами адроны, а сначала пары
кварк-антикварк, которые потом уже превращаются в
адроны.
• Результат расчёта течения такого процесса напрямую
зависел от того, каков заряд рождённых кварков.
Эксперимент полностью подтвердил эти предсказания.

55. Доказательства существования кварков

• С наступлением эры ускорителей высокой энергии стало
возможным изучать распределение импульса внутри,
например, протона. Выяснилось, что импульс в протоне не
распределён равномерно, а частями сосредоточен в отдельных
степенях
свободы.
Эти
степени
свободы
назвали партонами (от англ. part — часть).
• Более того, оказалось, что партоны, в первом приближении,
обладают спином ½ и теми же зарядами, что и кварки. С ростом
энергии заметили, что количество партонов растёт, но такой
результат и ожидался в кварковой модели при сверхвысоких
энергиях.
• С повышением энергии ускорителей стало возможным также
попытаться выбить отдельный кварк из адрона в
высокоэнергетическом столкновении. Кварковая теория давала
чёткие предсказания, как должны были выглядеть результаты
таких столкновений — в виде струй. Такие струи действительно
наблюдались в эксперименте.

56. Доказательства существования кварков

• При
столкновениях
высокоэнергетических
адронов вероятность того, что адроны рассеются на
некоторый угол без разрушения, уменьшается с ростом
величины угла. Эксперименты подтвердили, что,
например, для протона скорость получается точно такая,
какая ожидается для объекта, состоящего из трёх
кварков.
• При столкновениях протонов с высокими энергиями
экспериментально наблюдается аннигиляция кварка
одного протона с антикварком другого протона с
образованием пары мюон-антимюон (процесс Дрелла —
Яна).
• Есть и много других экспериментальных подтверждений
кварковой модели строения адронов.

57. Доказательства существования кварков

• В целом, можно сказать, что гипотеза кварков и всё, что из
неё вытекает (в частности, КХД), является наиболее
консервативной гипотезой
относительно строения
адронов, которая способна объяснить имеющиеся
экспериментальные данные.
• Попытки обойтись без кварков наталкиваются на трудности
с описанием всех тех многочисленных экспериментов,
которые очень естественно описывались в кварковой
модели.
• Кварковая
модель
была
признана
физическим
сообществом в 1976 году.