Что такое кварки? (02.08.2021 г.)

В нашем столетии физика развивается стремительными темпами, что дает возможность по-новому взглянуть на строение основы всех веществ и материалов – атома. До начала ХХ века атом считали единой, неделимой частицей, но потом выяснилось, что атом составляют мельчайшие элементы: протоны, электроны и нейтроны.

Открытие этих частиц считалось научным прорывом, основой открытия и массового распространения электричества. Сложно было представить, что исследование этих всем известных из школьного курса физики частиц станет только лишь началом других потрясающих открытий. Речь идет об исследовании элементарных частиц нашей Вселенной: бозонов, фермионов, кварков и других элементов.

Одни из них, фермионы, являются строительным материалом вещества, а бозоны силами, которые толкают фермионы на взаимодействие между собой и остальными частицами.

Бозоны

Физики выделяют шесть бозонов, самыми известными из них являются:

• электрически заряженный фотон, который способствует объединению атомов в молекулы;
• глюон связывает протоны и нейтроны в ядре атома;
• бозон Хиггса отвечает за инертную массу частиц Вселенной.

Бозоны заряжены по-разному, от положительного или отрицательного заряда зависит их способность оказывать влияние на взаимодействие элементарных частиц. Наиболее понятный пример взаимодействия – распад нейтрона. Процесс распада происходит по следующей схеме: кварк в составе нейтрона, излучая бозон, трансформируется в другой кварк. Бозон в свою очередь распадается на нейтрино и электрон.

Фермионы

Этих разновидностей частиц намного больше, чем бозонов. В общем, они разделяются на два больших класса: кварки и лептоны. Главное отличие элементов в том, что кварки участвуют в активном перемещении частиц, а лептоны не участвуют.

Лептоны

Элементы разделяют на три поколения, в каждом поколении два лептона: отрицательно заряженный и положительно заряженный.

К первому поколению относятся электрон и его нейтрино, ко второму – мюон и, соответственно, мюон-нейтрино, к третьему – тау-лептон и тау-нейтрино. Главное отличие этих элементов в их массе, однако, пока еще не удается определить массу нейтрино, настолько она мала.

Ученые также нашли отличия во времени жизни лептонов. Мюон живет 0,2 миллисекунды, жизнь тау-лептона в 17 раз короче. Время жизни нейтрино пока также сложно определить. Известно, что нейтрино вступают во взаимодействие с частицами, но оно настолько слабое, что засечь его пока не представляется возможным.

Кварки

Одни из самых необычных частиц, которым физики дали столь же необычные определения. Всего их шесть, первые два называются традиционно для точных наук: верхний и нижний. Остальные имеют совсем не физические названия: странный, очаровательный, обаятельный и истинный.

Схема построения кварков такая же, как у лептонов: три поколения, в каждом из которых существует пара заряженных частиц с разными зарядами. Кварки: активные участники электромагнитных взаимодействий любого вида.

Адронный коллайдер

Исследования, проводимые в адронном коллайдере, привлекли внимание всего мира. Ученые планируют раскрыть происхождение Земли и Вселенной благодаря изучению поведения кварков.

В коллайдере наблюдают за фермионами – адронами, которые состоят из кварков. Исследователи пока не могут разгадать, как поведут себя кварки, взаимодействуя с протонами. Сейчас они появляются только парно или по трое, но никогда не приходят по одному.