Номер 3, страница 364 - гдз по физике 11 класс учебник Мякишев, Буховцев

3. Какие характеристики кварков были введены для объяснения их взаимодействия?

Для объяснения природы взаимодействий кварков, фундаментальных составляющих адронов (таких как протоны и нейтроны), в физику элементарных частиц были введены новые квантовые числа и характеристики.

Ключевой характеристикой, введенной для объяснения сильного взаимодействия, которое связывает кварки вместе, является цветовой заряд или просто «цвет». Эта концепция легла в основу теории сильного взаимодействия — квантовой хромодинамики (КХД).

• Причина введения: Изначально кварковая модель столкнулась с проблемой, связанной с принципом запрета Паули. Некоторые частицы, например $\Delta^{++}$-барион, должны были состоять из трех одинаковых u-кварков с одинаковыми спинами, что невозможно для фермионов. Чтобы разрешить это противоречие, было предложено, что у кварков есть еще одна, внутренняя степень свободы, которую условно назвали «цветом».

• Описание: Каждый кварк может находиться в одном из трех «цветовых» состояний: красном, зеленом или синем. Антикварки обладают соответствующими «антицветами». Сильное взаимодействие между кварками осуществляется путем обмена частицами-переносчиками — глюонами, которые также несут цветовой заряд.

• Конфайнмент: Важнейший постулат КХД гласит, что все свободно существующие частицы (адроны) должны быть «бесцветными» (иметь нулевой цветовой заряд). Это достигается двумя способами: либо комбинацией трех кварков разных цветов (красный + зеленый + синий = «белый») в барионах, либо комбинацией кварка и антикварка с соответствующим антицветом (например, красный + антикрасный = «белый») в мезонах. Это явление называется конфайнментом (удержанием цвета) и объясняет, почему свободные кварки и глюоны не наблюдаются в природе.

Другой важной характеристикой кварков является «аромат» (flavor). Существует шесть «ароматов» кварков: верхний (up, u), нижний (down, d), странный (strange, s), очарованный (charm, c), прелестный (bottom, b) и истинный (top, t). Аромат определяет массу кварка, его электрический заряд и участие в слабом взаимодействии. Хотя сильное взаимодействие не зависит от аромата, разнообразие ароматов необходимо для объяснения всего спектра существующих адронов.

Также кварки характеризуются дробным электрическим зарядом. Это свойство объясняет их участие в электромагнитном взаимодействии и позволяет правильно вычислить заряды адронов.

• Кварки u, c, t имеют заряд $ + \frac{2}{3}e $.

• Кварки d, s, b имеют заряд $ - \frac{1}{3}e $.

Например, протон состоит из двух u-кварков и одного d-кварка ($uud$), и его суммарный заряд равен $ (+\frac{2}{3} + \frac{2}{3} - \frac{1}{3})e = +1e $.

Ответ: Для объяснения взаимодействия кварков были введены следующие основные характеристики: 1) цветовой заряд («цвет»), который является источником сильного взаимодействия; 2) аромат, который классифицирует кварки по типам и определяет их массу и участие в слабом взаимодействии; 3) дробный электрический заряд, который объясняет электромагнитное взаимодействие кварков и целочисленные заряды состоящих из них адронов.