Номер 5, страница 235 - гдз по физике 11 класс учебник Касьянов

Вопросы. § 64. Кварки. Глава 8. Элементарные частицы - номер 5, страница 235.

5. Приведите важнейшие характеристики основных типов кварков.

Кварки — это фундаментальные частицы, из которых состоят адроны (в частности, протоны и нейтроны). Они не наблюдаются в свободном состоянии из-за явления, называемого конфайнментом (удержанием цвета). Кварки участвуют во всех четырёх фундаментальных взаимодействиях: сильном, слабом, электромагнитном и гравитационном.

Существует шесть сортов (или «ароматов») кварков, которые объединяются в три поколения. Каждому кварку соответствует антикварк с противоположными значениями заряда, барионного числа и цветового заряда.

Общими характеристиками для всех кварков являются: спин $J = 1/2$ (все кварки — фермионы), барионное число $B = +1/3$ (у антикварков $B = -1/3$), а также наличие одного из трёх цветовых зарядов (условно: красный, зелёный, синий), который является источником сильного взаимодействия.

Ниже приведены характеристики каждого из шести типов кварков.

Верхний кварк (up-кварк, u)

Относится к первому, самому лёгкому и стабильному поколению. Протоны (кварковый состав uud) и нейтроны (udd) состоят из верхних и нижних кварков. Его характеристики: электрический заряд $Q = +2/3 e$, масса $\approx 2.2 \text{ МэВ/c}^2$, проекция изоспина $I_z = +1/2$.

Нижний кварк (down-кварк, d)

Второй кварк первого поколения, также является компонентом обычного вещества. Его характеристики: электрический заряд $Q = -1/3 e$, масса $\approx 4.7 \text{ МэВ/c}^2$, проекция изоспина $I_z = -1/2$.

Странный кварк (strange-кварк, s)

Относится ко второму поколению. Его введение позволило объяснить свойства «странных» частиц (например, каонов), имевших аномально большое время жизни. Его характеристики: электрический заряд $Q = -1/3 e$, масса $\approx 95 \text{ МэВ/c}^2$, квантовое число «странность» $S = -1$.

Очарованный кварк (charm-кварк, c)

Второй кварк второго поколения. Его существование было предсказано для объяснения отсутствия некоторых теоретически возможных распадов (механизм ГИМ — Глэшоу, Илиопулоса, Майани). Его характеристики: электрический заряд $Q = +2/3 e$, масса $\approx 1.27 \text{ ГэВ/c}^2$, квантовое число «очарование» (шарм) $C = +1$.

Прелестный (или красивый) кварк (bottom-кварк, b)

Относится к третьему, самому тяжёлому поколению. Был открыт в Фермилабе в 1977 году в составе ипсилон-мезона. Его характеристики: электрический заряд $Q = -1/3 e$, масса $\approx 4.18 \text{ ГэВ/c}^2$, квантовое число «прелесть» (красота) $B' = -1$.

Истинный (или топ-) кварк (top-кварк, t)

Самый массивный из всех известных элементарных частиц. Из-за своей огромной массы он распадается так быстро (время жизни $\approx 5 \cdot 10^{-25}$ c), что не успевает образовывать адроны (не адронизуется). Его характеристики: электрический заряд $Q = +2/3 e$, масса $\approx 173 \text{ ГэВ/c}^2$, квантовое число «истинность» (топность) $T = +1$.

Ответ: Основными типами кварков являются шесть «ароматов», сгруппированных в три поколения: (u, d), (c, s), (t, b). Важнейшие характеристики кварков включают: 1) дробный электрический заряд ($+2/3 e$ для u, c, t и $-1/3 e$ для d, s, b); 2) массу, которая значительно различается для разных ароматов (от $\approx 2.2 \text{ МэВ/c}^2$ для u-кварка до $\approx 173 \text{ ГэВ/c}^2$ для t-кварка); 3) спин, равный $1/2$ для всех кварков; 4) барионное число $+1/3$; 5) цветовой заряд (красный, зелёный или синий), определяющий участие в сильном взаимодействии; 6) уникальные для каждого кварка (кроме u и d) «ароматовые» квантовые числа (странность, очарование, прелесть, истинность). Кварки не встречаются в свободном состоянии из-за конфайнмента.