Какими свойствами обладают кварки
Природа построена по принципу матрешки. Каждый раз открывая каждую последующую матрешку, мы обнаруживаем что-то новое.
Имеются молекулы. Молекулы состоят из атомов. Атомы состоят из электронов и атомного ядра. Ядро состоит из протонов и нейтронов.
Примерно 100 лет назад считалось, что протоны и нейтроны являются элементарными частицами. Потом оказалось, что таких частиц как протоны и нейтроны намного больше. Сначала в космических лучах, а потом и на ускорителях стали открывать все новые и новые частицы. В итоге таких частиц образовалось несколько десятков.
Такое большое количество новых частиц необходимо было проклассифицировать. Чтобы провести правильную классификацию, ученые предположили, что эти частицы состоят из неких других составляющих. То есть было предположено, что протоны, нейтроны и прочие частицы состоят из еще каких-то более мелких частиц.
Этими более мелкими частицами и оказались кварки. Чтобы описать все новые частицы, ученые ввели понятия о верхних, нижних и странных кварках или по-другому u-кварк, d-кварк и s-кварк (от англ. — up, down и strange).
Как строятся частицы из кварков?
Протон и нейтрон состоят из трех кварков. Например протон состоит из двух u-кварков и одного d-кварка. Нейтрон состоит из одного u-кварка и двух d-кварков.
Протон
При помощи комбинации трех кварков, будь то uus, dds, uuu и так далее, мы можем получить ту или иную частицу. То есть все то разнообразие частиц, которое было открыто в середине XX века на ускорителях и в космических лучах, можно описать при помощи трех кварков.
Новые кварки
Безусловно за этой идеей стояла мощная математическая конструкция под названием теория групп. Эта теория говорит о том, что все частицы должны образовывать некие семейства. И все те открытые элементарные частицы отлично укладывались в эти семейства при помощи кварков. Также при помощи этой теории получились некоторые незанятые места в семействах, которые впоследствии были заняты в ходе открытия новых частиц.
В 1974 году была открыта частица джей-пси-мезон, которая не вписывалась ни в какое семейство. Поэтому для этой частицы был введен новый очарованный кварк или c-кварк (от англ. charm).
Об этом четвертом кварке говорили и раньше в 1970 году, поскольку теория трех кварков предсказывала распады, которые не происходят в природе, а четное количество кварков как раз исключает эти ненаблюдаемые распады.
В 1977 году в лаборатории Фермилаб был обнаружен пятый b-кварк (от англ. bottom). Наличие пяти известных кварков означало, что должен быть и шестой.
Поиски шестого кварка продолжались почти 20 лет, пока в 1995 году не были обнародованы результаты об обнаружении нового и на данный момент последнего t-кварка (от англ. top).
Классификация кварков
Когда было выяснено, что всего существует 6 кварков, то возникла необходимость проклассифицировать их. Оказалось что кварки группируются парами. Первую пару составляют u- и d-кварки, вторую c- и s-кварк и третью соответственно t- и b-кварк.
Оказалось что каждая пара кварков обладает идентичными свойствами относительно друг друга. Единственное отличие пар заключалось в том, что каждая следующая пара тяжелее предыдущей. Таким образом эти пары кварков были распределены в три семейства или в три поколения частиц.
Главная загадка кварков
Весь видимый мир вокруг нас и мы сами состоит всего из протонов и нейтронов, которые состоят всего из u- и d-кварков. И загадка заключается в том, зачем природе понадобились по две более массивные копии u- и d-кварков.
Делитесь этой статьей в своих социальных сетях, а также не забывайте поставить палец вверх, подписаться на наш канал и оставить комментарий, если вам понравилась данная публикация!
Telegram: https://t.me/different_angle
Яндекс.Дзен: https://zen.yandex.ru/different_angle
Канал не позиционирует себя, как источник стопроцентно правдивой информации, а лишь претендует быть таковым.
Предложить свою статью, замечание или просто написать автору: @different_angle_bot
Источник
Привет, друзья!
Сегодня я хотел бы более подробно описать образование материи в рамках гипотезы Новой физики, на примере протона, который будет состоять из двух u-кварков и одного d-кварка.
Я постараюсь понятно объяснить, как на мой взгляд, устроен протон, почему известно лишь 6 типов кварков, и почему кварки бывают трех цветов. Многие из вас удивятся тому, о чем я сообщу в своих выводах ниже, но это вытекает из представлений гипотезы о Новой физики.
Для начала повторим тот курс физики, которым все пользуются, и вспомним, что кварков в природе 6: u-кварк, или верхний (up) кварк; d-кварк, или нижний (down)кварк; c-кварк, или очарованный (charm) кварк; s-кварк, или странный (strange)кварк; t-кварк, или истинный (true) кварк; b-кварк, или красивый (beauty) кварк. Те эпитеты, которые присвоены кваркам никакое отношение к самим кваркам не имеют, это просто у тех, кто их открывал и называл, свои тараканы в голове. 🙂 Массы каждого типа кварка довольно сильно отличаются, сейчас я объясню почему. Более того, согласно гипотезе Новой физики, массы кварков могут меняться, при чем одинаковых значений масс не может быть более, чем у трех кварков.
Для начала представим из чего состоит протон в представлении автора. В современной физике частицы и пространство разделены, их объединяют силовые поля 4-х видов фундаментальных взаимодействий. Согласно гипотезе Новой физики, пространство, материя и силовые поля-это одно целое. Для тех, кто не знаком с первым и вторым постулатом Новой физики, поясняю.
Пространство представляет из себя объемный носитель информации, в котором ячейки памяти сформированы из узлов, каждый из которых имеет 12 нерушимых связей со своими соседними узлами. Элементарная частица, например кварк или лептон представляет собой объемную петлю пространства. Образно это можно представить таким образом, представьте перед собой пространство, в котором его узлы представляют шарики на пружинках. А теперь возьмите и защипните двумя пальцами кусочек пространства, и поверните его на 180 градусов, это и будет объемной петлей пространства. При резком отпускании, пространство вернется в исходное состояние, при этом по пространству пойдет волна, сигнализирующая о том, что частица исчезла, перейдя в волну. Одним из свойств объемной петли является то, что петля беспрепятственно может перемещаться из одной точки пространства в другую, при этом сами узлы пространства никуда не перемещаются. Петля пространства аналогична биту информации, только лишь с тем различием, что в компьютере, информация не может сама перемещаться по дисковому накопителю. Это наводит на мысль, что наш мир виртуален. Но этот вид виртуальности не такой, каким мы привыкли считать, играя в компьютерные игры. Для создания виртуального мира на компьютере, необходим тотальный контроль в виде просчетов состояния каждого объекта посредством мощного процессора. Виртуальность нашего мира лишена этого процессора – само пространство обладающее некоторыми свойствами, позволяет информации (в нашем случае это материя) самой перемещаться и взаимодействовать между собой, подчиняясь некоему единому Закону. В результате этого взаимодействия и образован наш мир. Мной описано только пространство и частица, но вы скажете, что есть еще и силовые поля. Силовые поля в пространстве, это всего лишь сжатость, растянутость или скручивание пространства, благодаря чему расстояния между узлами пространства становятся больше или меньше. Одним из свойств петли является стремление в ту область пространства, где расстояния между узлами больше, то есть, где пространство более растянуто.
Давайте рассмотрим вариацию на тему того, как устроен протон, подчеркиваю, что это вариация. Возможно, что расположение кварков относительно друг друга, может быть и иным.
Протон состоит из 3 легких кварков: два u-кварка и одного d-кварка. При чем суммарный цветовой заряд всех трех кварков должен составлять 0, то есть быть бесцветным.
В нашем случае, будем считать, что кварк это петля пространства, которая может быть сформирована в одном из 6 пространственных направлений, которые просматриваются в его структуре.
Если представить дальнейшее расположение узлов, получающихся при складывании икосаэдра, то можно увидеть 6 равнозначных направлений.
Узлы пространства в котором формируются различные типы кварков. Вдоль каждого из шести направлений формирования свой тип кварка (всего 6 типов)
То есть если вдоль какого либо из 6-ти направлений формируется пространственная петля, появляется кварк. Следует заметить, что у каждой кварковой петли свой угол атаки по отношению к пространству, если петля пространства будет перемещаться “плашмя”, то ее масса будет минимальной. Из анимации движения самого тяжелого t-кварка видно, что его петля движется почти в плоскости движения материи. Этой петле трудно проходить сквозь пространство и она быстро распадается, не успев возникнуть, поэтому t-кварки не могут существовать долго. Можно заметить, что при движении t-кварка, имеет место квазивращение частицы, у t-кварка квазивращение максимально. Чем больше это вращение, тем больше масса частицы. Следует так же отметить, что у кварков есть цветной заряд, это принято для удобства представления в квантовой хромодинамике (КХД). На самом деле конечно, кварки не окрашены в цвета. Цветность кварка, по мнению автора, объясняется тем, что при своем движении петля может вращаться вокруг своего направления формирования.
К объяснению цветности кварков.
t-кварк (красный цветной заряд)
t-кварк (зеленый цветной заряд)
t-кварк (синий цветной заряд)
При переходе из одного цветного состояния в другое, происходит перетекание петли из одной “цветной” плоскости в другую, при этом происходит небольшая деформация внутри петельного пространства, в результате которой появляются дополнительная частица – глюон. Но это отдельная тема, поэтому пока распространяться не стану.
Если взять более стабильные кварки, такие как u-кварк и d-кварк, те, из которых состоят протоны и нейтроны в ядрах окружающей нас материи, то скорость квазивращения у них минимальна, им проще перетекать сквозь пространство, потому что кварковые петли почти плашмя движутся относительно пространства, они словно перетекают, квазивращение минимально, и масса их так же одна из самых маленьких в своем классе частиц.
Для того, чтобы представить как выглядит протон, представляю вариацию на эту тему.
Протон, состоящий из двух u-кварков и одного d-кварка, с учетом цветного заряда. (Фантазия художника)
Подводя итог сегодняшнего рассказа, можно сказать, что кварк – это петля пространства одного вида, масса кварка зависит от того, с какой скоростью происходит квазивращение при перемещении в пространстве. Тип кварка (u,d,c,s,b или t) зависит от того, в каком направлении сформированы кварковые петли.
К объяснению масс кварков.
Приведу еще один пример. Если в одной части пространства яблоко будет двигаться в одном направлении, а в нашей части Вселенной такое же яблоко будет двигаться перпендикулярно движению первого, то “их” яблоко будет сформировано из b и t-кварков в их части Вселенной u- и d- кварки будут тяжелыми и нестабильными, в отличие от нашего яблока. В виду разности направлений, массы кварков будут перераспределены согласно направлению своего перемещения. Все кварки однотипны!
Ваш Михаил Н. Бровкин.
bmiha@mail.ru
Огромное спасибо всем, кто поддерживает развитие канала лайками, репостами и донатами:
Источник
Есть атомное ядро. Внутри него существуют протоны и нейтроны. И это не всё. Они состоят из кварков. А уже эти частицы могут вас поразить своей странностью. Когда физики говорят о них, то кажется, будто происходит какая-то мистика. И что же о них известно на сегодня? Вам стоит это узнать, но не обещаем, что вы поймете.
Сегодня поговорим о 7 удивительных моментах, связанных с кварками. Если вы ничего не поймете, то это нормально. Даже не стоит пытаться. Это современная физика.
1. Крошки
Эти микроскопические кирпичики сущего возникли в первые доли существования Вселенной. Уже через 10 в минус 12 степени секунд они появились в нашем мире. И больше не существовало ничего.
Также, одновременно с ними, возникли антикварки, которые проиграли войну с обычной материей. Кварки создали адроны – составные частицы, т.е. протоны и нейтроны. Благодаря им мы все с вами сегодня существуем.
2. Рассеянные электроны
Что бы это ни значило, но расчеты в 1960-х годах давали прогноз: нуклоны (т.е. протоны и нейтроны) друг от друга рассеивались более значимо, чем показала действительность.
Существует 6 типов кварков
Это легло в основу понимания кварков, о которых мы сегодня и поговорим. Сложно сказать, что это значит, но суть такова: ученые думали одно, а в реальности случилось совсем другое.
3. Джеймс Джойс
Трудно поверить, что еще в 1939 году Джеймс Джойс в книге с названием «Поминки по Финнегану» завел речь об этих уникальных частицах. Читать это произведение не советуем: там смешаны философские излияния и модернистские физические исследования.
Понадобилось более 20 лет, чтобы использовать его предположение о кварковой структуре материи.
Мистер Джойс собственной персоной
4. Ароматно
Вы удивитесь, но кварки делятся на ароматы. И это физика? Куда она катится? Так вот, они бывают: верхними, нижними, очаровательными, странными, прелестными и истинными.
Если вы спросите, что это значит, отвечу следующее: ничего. Это просто характеристики. Это лишь показатель того, что они могут быть 6 типов, описать которые не в состоянии современная физическая модель сущего.
5. Глюоны
Кварки соединяются вместе при помощи глюонов, т.е. частиц-передатчиков сильного ядерного взаимодействия. И их нельзя никак измерить.
Глюонны – передатчики сильного взаимодействия
Для их определения нужны антикварки, так как требуется произведение аналогичного количества энергии. Единственное предположение о массе кварков исходит из расчетов суперкомпьютеров. Они показывают ее значение в расчете 10 в минус 15 степени кг, т.е. практически ноль.
6. Антиматерия
В момент возникновения Вселенной существовало приблизительно одинаковое соотношения частиц и античастиц. Не ясно одно: почему привычная нам материя победила.
Ведь вначале истории соотношение кварков и антикварков должно было быть одинаковым. Эти антисущности можно и сегодня наблюдать. Но почему они проиграли? Ответа нет.
7. Судьба Космоса
Прогноз судьбы будущего мира предлагает 2 варианта:
– он закончит свое существование через 10 млрд. лет;
– создастся так называемый «мозг Больцмана», который сможет осознать свое существование вне Вселенной.
Людвиг Больцман
Не призываю вас понять всё это: если Больцман был прав, то вероятнее возникновение мозга-одиночки, чем планет, галактик. Расчеты и наблюдения показали, что всё совсем не так. В этом парадокс.
—
Кварки… Мельчайшие кирпичики сущего. Все мы состоим из них. Беда в одном: они названы, но определение данных объектов не имеет реального воплощения. Получается, что мир существует, но мы ничего о нем не знаем. Остается ожидать дальнейших измышлений физиков.
Спасибо за внимание. Подписывайтесь.
Источник
Частицы в составе атомного ядра состоят из еще более фундаментальных частиц — кварков.
На протяжении двух последних веков ученые, интересующиеся строением Вселенной, искали базовые строительные блоки, из которых состоит материя, — самые простые и неделимые составляющие материального мира. Атомная теория объяснила всё многообразие химических веществ, постулировав существование ограниченного набора атомов так называемых химических элементов, объяснив природу всех остальных веществ через различные их сочетания. Таким образом, от сложности и многообразия на внешнем уровне ученым удалось перейти к простоте и упорядоченности на элементарном уровне.
Но простая картина атомного строения вещества вскоре столкнулась с серьезными проблемами. Прежде всего, по мере открытия всё новых и новых химических элементов стали обнаруживаться странные закономерности в их поведении, которые, правда, удалось прояснить благодаря вводу в научный обиход периодической системы Менделеева. Однако представления о строении материи всё равно сильно усложнились.
В начале XX столетия стало ясно, что атомы отнюдь не являются элементарными «кирпичиками» материи, а сами имеют сложную структуру и состоят из еще более элементарных частиц — нейтронов и протонов, образующих атомные ядра, и электронов, которые эти ядра окружают. И снова усложненность на одном уровне, казалось бы, сменила простота на следующем уровне детализации строения вещества. Однако и эта кажущаяся простота продержалась недолго, поскольку ученые стали открывать всё новые и новые элементарные частицы. Труднее всего было разобраться с многочисленными адронами — тяжелыми частицами, родственными нейтрону и протону, которые, как оказалось, во множестве рождаются и тут же распадаются в процессе различных ядерных процессов.
Более того, в поведении различных адронов были обнаружены необъяснимые закономерности — и из них у физиков стало складываться некое подобие периодической таблицы. Использовав математический аппарат так называемой теории групп, физикам удалось объединить адроны в группы по восемь — два типа частиц в центре и шесть в вершинах правильного шестиугольника. При этом частицы из каждой восьмеричной группы, располагающиеся на одном и том же месте в таком графическом представлении, обладают рядом общих свойств, подобно тому как схожие свойства демонстрируют химические элементы из одного столбца таблицы Менделеева, а частицы, расположенные по горизонтальным линиям в каждом шестиугольнике, обладают приблизительно равной массой, но отличаются электрическими зарядами (см. рисунок). Такая классификация получила название восьмеричный путь (в честь одноименной доктрины в буддистской теологии). В начале 1960-х годов теоретики поняли, что такую закономерность можно объяснить лишь тем, что элементарные частицы на самом деле таковыми не являются, а сами состоят из еще более фундаментальных структурных единиц.
Эти структурные единицы назвали кварками (слово позаимствовано из замысловатого романа Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану»). Эти новые обитатели микромира оказались существами весьма странными. Для начала, они обладают дробным электрическим зарядом: 1/3 или 2/3 заряда электрона или протона (см. таблицу). А далее, по мере развития теории, выяснилось, что отдельно их не увидишь, поскольку они вообще не могут пребывать в свободном, не связанном друг с другом внутри элементарных частиц состоянии, и о самом факте их существования можно судить только по свойствам, проявляемым адронами, в состав которых они входят. Чтобы лучше понять этот феномен, получивший название пленение или заточение кварков, представьте, что у вас в руках длинный эластичный шнур, каждый конец которого представляет собой кварк. Если приложить к такой системе достаточно энергии — растянуть и порвать шнур, то он порвется где-то посередине, и свободного конца вы не получите, а получите два резиновых шнура покороче, и у каждого из них опять окажется два конца. То же и с кварками: какими бы энергиями мы ни воздействовали на элементарные частицы, стремясь «выбить» из них кварки, нам этого не удастся — частицы будут распадаться на другие частицы, сливаться, перестраиваться, но свободных кварков мы не получим.
Сегодня, согласно теории, предсказывается существование шести разновидностей кварков, и в лабораториях уже открыты элементарные частицы, содержащие все шесть типов. Самые распространенные кварки — верхний, или протонный (обозначается u — от английского up, или p — proton) и нижний, или нейтронный (обозначается d — от down, или n — от neutron), поскольку именно из них состоят единственные по-настоящему долгоживущие адроны — протон (uud) и нейтрон (udd). Следующий дублет включает странные кварки s (strange) и очарованные кварки с (charmed). Наконец, последний дублет состоит из красивых и истинных кварков — b (от beauty, или bottom) и t (от truth, или top). Каждый из шести кварков, помимо электрического заряда, характеризуется изотопическим (условно направленным) спином. Наконец, каждый из кварков может принимать три значения квантового числа, которое называется его цветом (color)и обладает ароматом (flavor). Конечно же, кварки не пахнут и не имеют цвета в традиционном понимании, просто такое название сложилось исторически для обозначения их определенных свойств (см. Квантовая хромодинамика).
Стандартная модель останавливается на уровне кварков в детализации строения материи, из которой состоит наша Вселенная; кварки — самое фундаментальное и элементарное в ее структуре. Однако некоторые физики-теоретики полагают, что «луковицу можно лущить и дальше», но это уже чисто умозрительные построения. По моему личному мнению, Стандартная модель правильно описывает строение вещества, и хотя бы в этом направлении наука дошла до логического завершения процесса познания.
См. также:
Источник