Номер 1, страница 235 - гдз по физике 11 класс учебник Касьянов

Вопросы. § 64. Кварки. Глава 8. Элементарные частицы - номер 1, страница 235.

В О П Р О С Ы

1. В чём состояла кварковая гипотеза М. Геллмана и Д. Цвейга? Какие эксперименты подтвердили существование трёх точечных зарядов в нуклонах?

Кварковая гипотеза М. Геллмана и Д. Цвейга

К середине XX века в физике элементарных частиц было открыто огромное количество адронов — частиц, участвующих в сильном взаимодействии (протоны, нейтроны, пионы, каоны и др.). Это многообразие, получившее название «зоопарк частиц», наводило на мысль о том, что адроны не являются истинно элементарными, а обладают внутренней структурой.

В 1964 году американские физики Мюррей Гелл-Манн и Джордж Цвейг независимо друг от друга выдвинули гипотезу, согласно которой все адроны состоят из более фундаментальных частиц — кварков.

Основные положения кварковой гипотезы:

• Существует несколько (изначально предполагалось три) типов кварков: «верхний» (up, $u$), «нижний» (down, $d$) и «странный» (strange, $s$). Каждому кварку соответствует своя античастица — антикварк ($\bar{u}, \bar{d}, \bar{s}$).
• Самой революционной идеей было предположение о том, что кварки обладают дробным электрическим зарядом, выраженным в единицах элементарного заряда $e$. До этого все известные частицы имели заряд, кратный $e$.
  • u-кварк имеет заряд $+ \frac{2}{3}e$;
  • d-кварк имеет заряд $- \frac{1}{3}e$;
  • s-кварк имеет заряд $- \frac{1}{3}e$.
• Адроны делятся на два класса в зависимости от их кваркового состава:
  • Барионы (например, нуклоны — протон и нейтрон) состоят из трёх кварков (комбинация $qqq$).
  • Мезоны (например, пионы) состоят из одного кварка и одного антикварка (комбинация $q\bar{q}$).

В рамках этой модели нуклоны (протон и нейтрон) имеют следующий состав:

• Протон ($p$) состоит из двух верхних и одного нижнего кварка ($uud$). Его суммарный заряд: $q_p = (+\frac{2}{3}e) + (+\frac{2}{3}e) + (-\frac{1}{3}e) = +1e$.
• Нейтрон ($n$) состоит из одного верхнего и двух нижних кварков ($udd$). Его суммарный заряд: $q_n = (+\frac{2}{3}e) + (-\frac{1}{3}e) + (-\frac{1}{3}e) = 0$.

Гипотеза также предполагала, что кварки не могут существовать в свободном состоянии из-за явления конфайнмента (удержания) — силы между ними не ослабевают, а даже возрастают с расстоянием.

Экспериментальное подтверждение существования трёх точечных зарядов в нуклонах

Решающее доказательство существования кварков было получено в серии экспериментов по глубоко неупругому рассеянию электронов на протонах и нейтронах. Эти эксперименты проводились в конце 1960-х — начале 1970-х годов на Стэнфордском линейном ускорителе (SLAC) в США.

Суть эксперимента заключалась в «прощупывании» структуры нуклонов с помощью пучка электронов высокой энергии (до 20 ГэВ). Электроны, в отличие от адронов, не участвуют в сильном взаимодействии, что делает их идеальными зондами для изучения внутренней структуры адронов.

Этот эксперимент был идеологическим аналогом опыта Резерфорда по рассеянию альфа-частиц на золотой фольге, который доказал существование атомного ядра. В экспериментах на SLAC электроны играли роль альфа-частиц, а протоны и нейтроны — роль атомов.

Наблюдения показали, что значительная часть электронов рассеивалась на очень большие углы. Такое поведение нельзя было объяснить, если бы заряд в протоне был распределён равномерно. Картина рассеяния соответствовала столкновению электронов с несколькими точечными, твёрдыми центрами внутри протона. Эти точечные центры Ричард Фейнман назвал партонами, которые и были отождествлены с предсказанными кварками.

Детальный анализ данных рассеяния позволил:

• Подтвердить, что внутри нуклона действительно находятся точечные, бесструктурные объекты.
• Определить их спин, который оказался равным $1/2$, что совпадает с теоретическим предсказанием для кварков.
• Сравнивая результаты рассеяния на протонах (мишень из жидкого водорода) и нейтронах (мишень из дейтерия), удалось измерить электрические заряды этих партонов. Полученные значения совпали с предсказанными дробными зарядами $ +2/3e $ и $ -1/3e $.
• Количественный анализ показал, что носителями электрического заряда в нуклоне являются именно три таких точечных объекта (их называют валентными кварками), что полностью соответствовало кварковой модели ($p=uud$, $n=udd$).

Таким образом, эксперименты по глубоко неупругому рассеянию стали прямым доказательством существования кварков и подтвердили, что нуклоны состоят из трёх точечных носителей заряда. За эти исследования Джером Фридман, Генри Кендалл и Ричард Тейлор в 1990 году были удостоены Нобелевской премии по физике.

Ответ: Кварковая гипотеза М. Геллмана и Д. Цвейга (1964 г.) состояла в том, что все сильновзаимодействующие частицы (адроны) не являются элементарными, а состоят из более фундаментальных частиц — кварков. Ключевыми идеями гипотезы были дробный электрический заряд кварков ($+2/3e$ или $-1/3e$) и их комбинаторика: барионы (протон, нейтрон) состоят из трёх кварков, а мезоны — из кварка и антикварка. Экспериментальным подтверждением существования трёх точечных зарядов в нуклонах стали опыты по глубоко неупругому рассеянию высокоэнергетических электронов на протонах и нейтронах, проведённые в Стэнфордском центре линейных ускорителей (SLAC) в конце 1960-х годов. Результаты этих экспериментов показали, что электроны рассеиваются на трёх точечных центрах внутри нуклона, спин и дробные заряды которых соответствовали предсказанным свойствам кварков.