Электропроводность полупроводников Физика атомного ядра и элементарных частиц

Элементы квантовой механики и физики атомов, молекул, твердых тел

Кварки

Обилие открытых и вновь открываемых адронов навела Гелл-Мана и Цвейга (1964 г.) на мысль, что все они построены из каких-то других более фундаментальных частиц. Ими  была выдвинута гипотеза, подтвержденная последующими исследованиями, что все тяжелые фундаментальные частицы – адроны – построены из более фундаментальных частиц, названных кварками. На основе кварковой гипотезы не только была понята структура уже известных адронов, но и предсказано существование новых.

В настоящее время практически доказано, что все адроны (мезоны, барионы, резонансы) состоят из кварков — фундаментальных частиц, у которых имеются и античастицы — антикварки. Существуют шесть типов (или ароматов) кварков: и, d, s, с, b, t (данные об открытии кварка t пока требуют дальнейшего уточнения). Кварки обладают необычными свойствами, прежде всего дробным электрическим зарядом (заряды антикварков имеют обратный знак). Все кварки имеют спин 1/2 и барионный заряд В = 1/3. Согласно модели Гелл-Мана—Цвейга, все известные в то время адроны можно было построить, постулировав существование кварков и соответствующих им антикварков, если им приписать характеристики, указанные в табл. 17.4.

  Таблица 17.4

Кварк

Символ кварка

(антикварка)

Электрический

заряд, Q [e]

Барионное число, B

Спин

[ħ]

Странность,

S

Верхний

(up)

0

Нижний

(down)

0

Странный

(strange)

-1 (+1)

Очарованный

(charm)

-1 (+1)

Прелестный

(beauty)

0

Истинный

(truth)

0

  Согласно кварковой модели, все барионы (В = 1) состоят из трех кварков, а мезоны (B = 0) — из пары кварк — антикварк. Примеры образования некоторых мезонов и барионов из кварков представлены в табл. 17.5.

 

Таблица 17.5.

Мезоны

Барионы

Частица

Состав

Частица

Состав

π+

p

uud

π-

K +

n

udd

K -

K0

Σ +

uus

Σ -

dds

В теории вводятся новые квантовые числа: шарм (очарование) С и красота (прелесть) b. Эти квантовые числа являются аналогами квантового числа странности S. Кварк s является носителем странности, с — шарма (очарования), b — красоты. Квантовые числа С и b сохраняются только в сильных и электромагнитных взаимодействиях. Поскольку квантовые числа С и b присущи немногим, причем экзотическим, частицам (D- и F-мезоны, ΛC-, Λb-барионы), мы этим и ограничимся.

Соответствующие антикварки отличаются от кварков знаками зарядов Q, В, S, С и b.

Модель кварков удачно описала все многообразие адронов, в том числе и некую группировку их по свойствам. В модели кварков предполагается наличие у кварков ранее неведомого заряда. Этот заряд должен был иметь три различных значения, в отличие от элементарного электрического заряда, принимающего два значения ±1. Новый заряд назвали цветом, а его значения — условно красным, синим и желтым. Наблюдаемые адроны цветового заряда не имеют, т. е. они «бесцветны». Отсюда следуют свойства цветового заряда: 1) любой цвет компенсируется антицветом (чтобы объяснить бесцветность мезонов, состоящих из кварка и антикварка) и 2) смесь всех трех цветов дает бесцветное («белое») состояние — это нужно для объяснения бесцветности адронов, состоящих из трех кварков. Т. е. протон, например, состоит из красного кварка и, синего кварка и и желтого кварка d, так что в целом он нейтрален по отношению к цветовому заряду («бесцветен»). Пи-плюс-мезон π+ состоит, скажем, из красного кварка и и антикрасного антикварка  и тоже «бесцветен».

Следует подчеркнуть, что цветовой заряд кварков ничего общего, кроме аналогии, не имеет с обычным цветом, где любые оттенки могут быть получены смешиванием трех базовых цветов. В 1976г. М. Гелл-Манн построил квантовую теорию цветовых взаимодействий. Согласно этой теории (ее назвали квантовой хромодинамикой) цветовой заряд порождает особое поле, подобно тому, как заряд электрический порождает электрическое поле. Кванты этого поля называются глюонами (от англ. glue— клей), так как они «склеивают» кварки в адронах. Роль глюонов сводится к «перекрашиванию» кварка. Глюон несет пару цветов (например, синий и антикрасный). Такой глюон, при поглощении красным кварком, компенсирует красный цвет и окрашивает кварк в синий, в результате чего кварки удерживаются вместе. Поэтому при испускании и поглощении глюонов цвет кварков изменяется, но их аромат при этом сохраняется. Например, u-кварк не превращается в s-кварк. Согласно модели цветных кварков, последние, не нарушая бесцветности адронов, беспрестанно изменяют в них свою окраску.

Таким образом, в квантовой хромодинамике взаимодействие между кварками осуществляется путем обмена безмассовыми частицами - глюонами. Наблюдаемые адроны (мезоны и барионы) составлены из «бесцветных» комбинаций кварков, а наблюдаемые сильные взаимодействия между ними — это «остаток» цветового взаимодействия кварков, входящих в их состав.

Ряд экспериментальных данных указывает с несомненностью на реальное существование кварков. К их числу относятся результаты изучения рассеяния быстрых электронов нуклонами и другими адронами. Анализ полученных результатов привел к заключению, что внутри адронов электроны рассеиваются на точечных частицах с электрическими зарядами +2/3 и -1/3, причем эти частицы (кварки) ведут себя как бесструктурные точечные элементы.

  Вместе с тем все попытки наблюдать кварки в свободном состоянии оказались безуспешными. Это привело к выводу, что кварки могут существовать только внутри адронов и в принципе не могут наблюдаться в свободном состоянии. Появился даже применительно к кваркам термин конфайнмент (от английского confinement, что означает тюремное заключение). Причиной конфайнмента является необычное поведение сил взаимодействия кварков друг с другом. При малых расстояниях эти силы крайне малы, так что кварки оказываются практически свободными (это состояние называется асимптотической свободой). Однако с увеличением расстояний между кварками силы взаимодействия очень быстро растут, не позволяя кваркам вылететь из адрона.

В настоящее время лептоны и кварки считают фундаментальными частицами. Всего к настоящему времени обнаружено уже три пары лептонов и, в составе адронов, три пары кварков. Эти пары частиц называют поколениями. Каждой паре кварков в поколении должна соответствовать пара лептонов. Число пар лептонов и кварков должно совпадать, иначе окажется противоречивой другая теория, объединяющая электромагнитные и слабые взаимодействия. Таким образом, современная таблица (табл. 17.6) для свойств фундаментальных частиц имеет простой вид.

 Таблица 17.6

Поколения

1

2

3

Электрический заряд

Кварки

u

c

t

2/3

d

s

b

-1/3

Лептоны

νе

νμ

ντ

0

е

μ

τ

-1

Идея Эйнштейна о распространении света в виде потока отдельных фотонов и квантовом характере взаимодействия электромагнитного излучения с веществом подтверждена в 1922 г. опытами А. Ф. Иоффе и H. И. Добронравова. В электрическом поле плоского конденсатора уравновешивалась заряженная пылинка из висмута. Нижняя обкладка конденсатора изготовлялась из тончайшей алюминиевой фольги, которая являлась одновременно анодом миниатюрной рентгеновской трубки. Анод бомбардировался ускоренными до 12 кВ фотоэлектронами, испускаемыми катодом под действием ультрафиолетового излучения. Освещенность катода подбиралась столь слабой, чтобы из него в 1 с вырывалось лишь 1000 фотоэлектронов, а следовательно, и число рентгеновских импульсов было 1000 в 1 с.
Примесная проводимость полупроводников