Что такое кварк простыми словами?

Если представить, что атом — это как матрёшка, то кварки — это самые маленькие и самые главные куколки внутри. Кварки — это фундаментальные, то есть самые основные и неделимые (на данный момент науки) частицы, из которых состоит материя вокруг нас. Они являются «кирпичиками» для более крупных частиц, таких как протоны и нейтроны, которые, в свою очередь, образуют ядро атома.

Простыми словами, кварки — это то, из чего сделаны протоны и нейтроны. А из протонов и нейтронов, как известно, состоит атомное ядро. Без кварков не существовало бы привычных нам атомов, а значит, и всей материальной Вселенной.

Важнейшее свойство кварков: в природе они никогда не встречаются поодиночке. Их всегда минимум два или три, крепко «склеенные» между собой сильным ядерным взаимодействием.

Почему кварки так называются?

Название «кварк» (quark) придумал американский физик Мюррей Гелл-Манн, один из создателей теории кварков. Он взял его из романа Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану», где есть строчка «Three quarks for Muster Mark!». Слово звучало забавно и подходило для обозначения новой экзотической частицы. Интересно, что изначально Гелл-Манн произносил его как «кворк», но в итоге прижилось звучание «кварк».

Какие бывают кварки? Типы (ароматы) и заряды

Кварки различаются по типам, которые в физике поэтично называют «ароматами». Всего известно 6 ароматов кварков:

  • Верхний (u, up) и Нижний (d, down) — самые лёгкие и стабильные. Именно из них состоят протоны и нейтроны в обычной материи.
  • Странный (s, strange) и Очарованный (c, charm) — более тяжёлые, рождаются в высокоэнергетических процессах, например, в ускорителях частиц или в космических лучах.
  • Прелестный (b, beauty/bottom) и Истинный (t, truth/top) — самые тяжёлые. Истинный кварк — рекордсмен по массе, он тяжеже атома железа!

Ещё одно ключевое отличие — электрический заряд. В отличие от протона (+1) и электрона (-1), заряд кварка дробный! Верхний, очарованный и истинный кварки имеют заряд +2/3, а нижний, странный и прелестный — -1/3.

Из чего состоят протон и нейтрон?

Именно комбинация трёх кварков даёт знакомые нам частицы:

  1. Протон = два верхних кварка (u, +2/3) + один нижний кварк (d, -1/3). Считаем заряд: (+2/3)+(+2/3)+(-1/3) = +1. Всё сходится!
  2. Нейтрон = один верхний кварк (u, +2/3) + два нижних кварка (d, -1/3). Заряд: (+2/3)+(-1/3)+(-1/3) = 0. Именно поэтому нейтрон нейтрален.

Почему мы не можем увидеть или поймать отдельный кварк?

Это один из самых интересных вопросов. Представьте себе очень упругую резинку. Если вы попытаетесь разорвать её, потянув за концы, она просто растянется. Нечто похожее происходит, когда учёные в коллайдерах пытаются «выбить» кварк из протона. Энергия, затраченная на разрыв связи между кварками, настолько велика, что её хватает на рождение новых частиц.

Вместо того чтобы получить свободный кварк, мы получаем новые пары или тройки кварков (так называемые адроны, например, мезоны). Это явление называется конфайнмент (пленение). Кварки навсегда заключены внутри более крупных частиц, как узники в тюрьме без возможности побега.

Что склеивает кварки? Сильное взаимодействие

«Клеем», который удерживает кварки вместе, является сильное ядерное взаимодействие — одна из четырёх фундаментальных сил природы (наряду с гравитацией, электромагнетизмом и слабым взаимодействием). Переносчиками этого взаимодействия являются особые частицы — глюоны (от английского glue — клей).

Чем дальше кварки пытаются разойтись, тем сильнее становится эта «глюонная резинка». Это и объясняет феномен конфайнмента.

Значение кварков для науки и нашего мира

Открытие и изучение кварков — это величайшее достижение физики XX века. Оно позволило:

  • Создать Стандартную модель — теорию, которая описывает всё многообразие элементарных частиц и их взаимодействий (кроме гравитации).
  • Понять, как устроено ядро атома на самом фундаментальном уровне.
  • Объяснить, откуда берётся масса протонов и нейтронов (она возникает в основном за счёт энергии связи кварков, а не из массы самих кварков!).
  • Заглянуть в первые мгновения после Большого взрыва, когда кварки существовали в свободном состоянии в виде «кварк-глюонной плазмы».

Таким образом, кварки, будучи невидимыми и неосязаемыми, являются настоящими «невидимыми архитекторами» всего видимого мира. Вся стабильная материя, включая наши тела, планеты и звёзды, в конечном счёте состоит из комбинаций всего двух типов этих удивительных частиц — верхних и нижних кварков.

Источники