Елементарні частинки

Ще в 1950 році італійський фізик Енріко Фермі висловився з приводу дев'яти відомих на той час елементарних частинок, що "це вже досить велика кількість, щоб викликати підозру в елементарності хоча б деяких із них". А в експериментах з'являлися все нові і нові елементарні частинки. Навіщо природі знадобилася така величезна кількість "найпростіших цеглинок" матерії і як упорядкувати цю безліч, привести її в систему?

Щоправда, елементарні частинки таки мають щось спільне: майже всі вони взаємодіють один з одним за допомогою ядерних сил і утворюють величезний клас адронів. Сюди потрапили протони та нейтрони – основні елементарні частинки. Тут отримало прописку сімейство мезонів: спочатку воно складалося з π і К-мезонів, частинок, що поступаються масою протонам і нейтронам. Але найбільше поповнення до класу адронів зробили такі елементарні частки як гіперони – близькі родичі протона і нейтрона, які від них відрізняються небувало коротким часом життя. Народжуються всі ці численні лямбда-, сигма-, кси-, омега-гіперони в зіткненнях нуклонів з ядрами і один з одним, живуть трильйонні частки секунди і вмирають, знову розпадаючись на нуклони і мезони. Усі елементарні частинки можна розділити на дві групи: мезони та баріони (нуклони та гіперони).

Виявилося, що елементарні частинки протони і нейтрони в ядрі безперервно обмінюються &-;мезонами, перекидаючи їх один одному. Так виникає між ними незримий зв'язок, названий обмінними силами. Ці сили і разом утримують нуклони, що утворюють ядро. Але, що ж робити з рештою адронів, які тільки й роблять, що стикаються один з одним, перетворюючись знову ж таки один на одного?! Яка їхня роль у мікросвіті і як відрізнити в цьому складі елементарні частинки від складових, складних?

Візьмемо, наприклад, нейтрон. У вільному стані поза ядром він розпадається на протон, електрон і нейтрино. Отже, нейтрон – складна частка. Але протон, якщо вдарити по ньому в прискорювачі іншим протоном, може випустити π-мезон і перетворитися на нейтрон. Виходить, тепер уже протон складний із нейтрону та мезону? От і розберися, що тут просте, елементарне, а що складне!

Виходить, що всі адрони неелементарні, а отже, просто повинні бути складеними з якихось елементів. Але яких?

Американський фізик Г. Гелл-Ман припустив, що всі відомі елементарні частинки адрони складаються з різних комбінацій трьох неподільних частинок, які він назвав "кварками". Усі баріони, на його думку, повинні складатися із трьох кварків, мезони – із двох, кварка та антикварка. У всіх часток, що спостерігаються електричний заряд дорівнює цілій кількості зарядів електрона, отже, кварки повинні мати дробовий заряд, щоб у сумі дати ціле.

Протон, наприклад, складається у цій гіпотезі з двох u-кварків і одного d-кварка. Електричний заряд, приписаний u-кварку, дорівнює +2/3, d-кварку - –1/3. Неважко перевірити, що заряди двох u-кварків та одного d-кварка в сумі дадуть +1.

Антикварки позначаються тими самими символами, як і кварки, але з рисою зверху, і мають протилежні властивості. u-антикварк має заряд -2/3, d-антикварк - +1/3. π⁺-мезон, наприклад, будується з u-кварка та d-антикварка, а заряд його, як і належить, дорівнює +2/3 + 1/3 = +1.

Кваркова модель успішно пояснює результати експериментів і передбачає нові елементарні частинки.