По современным представлениям нейтрино и антинейтрино отличаются друг от друга такой квантовой характеристикой состояния элементарных частиц как спиральность – проекция спина частицы на направление её движения (импульс). Объясняя экспериментальные данные предполагают, что спин нейтрино и его импульс направлены противоположно. Поэтому их ориентации образуют левый винт, т. е. считается, что нейтрино обладает левой спиральностью. У антинейтрино спин и импульс сонаправлены. Поэтому говорят, что антинейтрино обладает правой спиральностью.

Данное свойство справедливо в равной мере как для электронного, так и для мюонного нейтрино (антинейтрино). Но, применяя к данным элементарным частицам, необходимо считать их массу равной нулю. Важность этого свойства состоит в том, что оно позволило объяснить нарушение закона чётности при слабых взаимодействиях, вызывающих распад частиц и - распад. Так, -мюону приписывают правую спиральность, а мюону – левую.

Согласно модели М. Гелл-Мана – Д. Цвейга, предложенной в 1964 году, всё известное на то время адроны, можно было построить из кварков трёх типов ( ) и их антикварков  ( ), которые должны иметь дробный электрический заряд (  или ). Согласно ей кварковая структура мезонов имеет вид , а антимезонов - ; барионов – , антибарионов – . Такая модель казалась достаточно замкнутой – практически каждой комбинации кварков соответствовала экспериментально наблюдаемая частица. Например, структура  соответствовала -мезону,  – -мезону,  – протону,  – нейтрону,  – -гиперону,  – -гиперону и т. д.

В последующие годы с открытием новых адронов для объяснения их существования были введены c- и b-кварки. Причём открытие b-кварка подтвердило существование d-, s- и b-кварков с отрицательным электрическим зарядом, равным , и существование u- и c-кварков с положительным электрическим зарядом, равным . Также его появление нарушило симметрию в семействе кварков и вселило уверенность в существовании шестого кварка с зарядом , которая возросла  после наблюдения τ-лептона.

Таб. №4

Кварки

Симметрия в мире лептонов и кварков служила указанием на то, что в природе существует как три семейства лептонов, так и кварков. Открытие в 1995 году нового t-кварка при столкновении протонов и антипротонов на ускорителе Tevatron в лаборатории Fermilab (США) показало, что он имеет очень малое время жизни . В связи с этим данный кварк не может успевать образовывать новые семейства адронов. Хотя существование адронов с t-кварком пока не пока ещё не открыто, считается все они состоят из различных комбинаций шести кварков.

В настоящее время ведутся поиски  обнаружения 4-го поколения лептонов и кварков.

В зависимости от кваркового состава адронов некоторым из них принято приписывать такие квантовые характеристики, как странность (), очарование ( ) и прелесть ( ).

Открытие странности ()

Введение странности связано с тем, что в начале 50-ых гадов XX века были обнаружены парадоксальные (с точки зрения существующих на тот момент представлений),  свойства таких частиц, как ,  и  .

Конкретно, было замечено, что всякий раз гиперон рождается в паре с -мезоном. Например, вероятность протекания реакции  практически равна единице. При этом в поведении -мезона были обнаружены те же особенности, что и у ламбады (). А, к примеру, реакция рождения -мезона с нуклоном () никогда не наблюдалась. Особенно странным это казалось ещё и тем, что  вторая реакция не  нарушала ни одного из известных законов сохранения и  для её осуществления было достаточно количество энергии.

Также было замечено, что время их жизни находится в пределах , что характерно для слабого взаимодействия. Хотя представлялось, что, распадаясь на сильно взаимодействующие частицы (например, , ), оно должно составлять .

Особенности такого поведения гиперонов и K-мезонов были объяснены в 1955 году американским физиком М. Гелл-Манном (совместно с японским физиком Д. Нисидзымом) с помощью введения нового квантового числа (странности ( )) – и закона его сохранения в сильном взаимодействии (и не сохранения в слабом).

Странность, (от англ. strange) – квантовое число, определяемое кварковым составом адронов. То есть согласно кварковой теории странные частицы содержат s-кварк или его антикварк. Оно может принимать значения  в зависимости от того, сколько странных кварков входит в тот или иной адрон. Например, -гипероны имеют ; нуклоны, - и -мезоны – ; -мезон имеет , а -мезон – ; -гипероны – , а 𝛺-гипероны –  (см. ниже таб. № 5).

Вторая реакция не наблюдается, потому что странность частиц до их взаимодействия не совпадает со странностью предполагаемых частиц после реакции:  (в первой реакции: ).

Помимо объяснения совместного рождения -гиперона с -мезоном была определена невозможность  осуществления за счёт сильного взаимодействия распада частиц со странностью, отличной от нуля.  Например, реакция   возможна благодаря слабому взаимодействию (проявляется нарушение закона сохранения странности: ). В сильном взаимодействии распад странных частиц на более лёгкие не странные частицы никогда не происходит.

Кварковая диаграмма слабого распада -гиперона

Сохранение квантового числа s в сильном взаимодействии приводит к ассоциативному рождению адронов с - и -кварками. Его открытие послужило экспериментальному обнаружению таких частиц, как -мезон, -гипероны и многих других частиц.

Небольшой перечень странных частиц представлен в таблице №5. Более расширенный список странных частиц можно посмотреть, перейдя по вкладке «Сводные таблицы» к группам: мезоны и барионы.

Таб. №5

Примеры странностей основных представителей класса адронов

Из таблицы видно, что странности частиц и их античастиц имеют значения, противоположные по модулю. Странности нуклонов,   - и -мезонов равны нулю, так как в их кварковом составе нет странной частицы.

Для всех известных сильновзаимодействующих частиц величина s находится в определённом соотношении с величиной электрического заряда, третьей проекции изоспина  и барионным зарядом, выражаемого эмпирической формулой  М. Гелл-Манна-Д. Нисидзымы:

или ,

где  – так называемый гиперзаряд).

Открытие очарованности ()

В 1974 году практически одновременно на двух различных ускорителях: протонном лаборатории SLAC (Стэнфорд, США), в -соударениях, и электронно-позитронном коллайдере SPEAP (Брукхэйвен, США)), в соударениях протонов с энергией 28 ГэВ с бериллиевой мишенью, был открыт тяжёлый мезон массой около  (примерно ), временем жизни примерно  и спином равным единице. Он наблюдался в виде острого резонанса, ширина которого определялась экспериментальным разрешением по массе. Так как в одной лаборатории частице присвоили название джей (), а в другой пси (), за ней сохранилось двойное название джей-пси (). Но для объяснения его существования не доставало ещё одного кварка с зарядом  с новым ароматом, получившего название очарованный () – от англ. сharm. Поэтому частицы, в состав которых он входит (или его антикварк ( )), стали именовать очарованными.

Пример резонансного пика, образующегося при -соударениях,  который свидетельствует о наличии тяжёлого мезона (-мезона)

Квантовое число  (и ) может принимать значения . В настоящее время обнаружены частицы, имеющие . Например, -мезон имеет , а его антимезон ( ) имеет ; -мезон является частицей со скрытым очарованием, его  (см. таб. № 6). Очарование частиц, не содержащих  или  кварка, принимается равным нулю.

Таб. №6

Примеры очарования некоторых мезонов

Подобно странности, очарование сохраняется в сильных взаимодействиях, но не сохраняется в слабых. Законом сохранения очарования объясняется относительно долгое время жизни -мезона. Структуру, которую он имеет (), называют чармоний (от англ. сharm). В некотором смысле она напоминает атом водорода тем, что  в каком бы состоянии он не находился бы, его всё-равно будут называть атомом водорода. Однако в отличии от него в квантовой хромодинамике (КХД) различные уровни чармония  рассматриваются как отдельные мезоны (это справедливо и для других кварковых систем). Уровни чармония отличаются  друг от друга взаимной ориентацией спинов кварка и антикварка, значениями их орбитальных угловых моментов, различиями в радиальных свойствах их волновых функций.

Помимо очарованных мезонов также были открыты очарованные барионы. Например, -, -, -,  -гипероны с , в кварковый состав которых входит один c-кварк; -гиперон (дважды очарованный), в его кварковом составе имеется два c-кварка ().

Просмотреть полный список -мезонов (уровней чармония) и других очарованных частиц, составленных по данным обзора по всем элементарным частицам  за 2016-2017 год, можно, перейдя по вкладке «Сводные таблицы» к соответствующим к группам.

Открытие прелести ( )

В 1977 году при изучении протонных столкновений в лаборатории Fermilab (США) был открыт сверхтяжёлый нейтральный мезон массой около , получивший название ипсилон (𝛶). Несмотря на большую массу он имел малую ширину распада ( ), то есть для него наблюдалась ситуация аналогичная   -мезону. Но в отличие от него объяснение существования 𝛶-мезона было возможны только при введении нового кварка , имеющего заряд , и его антикварка . Таким образом, 𝛶-мезону приписывается кварковая структура , которая в последствии получила название боттомоний  (от англ. bottomonium).  После чего у него также, как и у -мезона, были открыты уровни – уровни ботомония, то есть новые  𝛶-мезоны.

Квантовое число , характеризующее элементарные частицы, в состав которых входит - или -кварк, получило название прелесть (от англ. beauty). А сами частицы именуют прелестными. Число  может принимать значения . Но на настоящее время пока обнаружены частицы с  . 𝛶-мезон и уровни его чармония имеют скрытую прелесть, для них , -мезон – , -мезон –  (см. таб. № 7).

Таб. № 7

Примеры прелести некоторых мезонов

 кварк является носителем величины, сохраняющейся в сильном взаимодействии. Распад прелестных частиц, как правило, порождает новое семейство более лёгких адронов, содержащих - или -кварк.

Схема одной из мод распада 𝛶(10580)

Чётность элементарных частиц

Всем кваркам и адронам (в зависимости от их кваркового состава) принято приписывать такую величину как чётность ( ) – квантовое число, характеризующее симметрию волновой функции  относительно операции зеркального отражения. Так, если при зеркальном отражении волновая функция частицы знака не меняет, то её чётность  положительна, если же меняет, то отрицательная. Относительно данной операции чётность кварков , чётность антикварков .

Чётность адронов представляет собой произведение чётностей составляющих их кварков или антикварков и чётности орбитального движения кварков:

для барионов: ;

для мезонов: .

l представляет собой результирующий орбитальный момент кварков в адроне. В низших по массе (энергии покоя) состояниях результирующие орбитальные моменты кварков нулевые. Поэтому чётность адронов может быть положительной ( ) или отрицательной ( ). Например, чётность нуклона имеет знак « », а π-мезонов – « ».

Чётность фермиона противоположна чётности антифермиона. Чётности бозонов и антибозонов совпадают. Так чётность π-мезонов всегда отрицательна.

Чётность, связанную с поведением волновой функции при инверсии системы координат принято также приписывать таким частицам, как фотоны и глюоны, для которых она является всегда отрицательной.

Частицы, имеющие спин равный единице и отрицательную чётность, называются векторными, поскольку при вращениях и отражениях координат их волновые функции преобразуются, как обычные пространственные векторы. Именно поэтому глюон, подобно фотону, принадлежит к классу частиц, называемых фундаментальными векторными бозонами.

Многие годы справедливость симметрии законов природы относительно операции зеркального отражения не подвергалась сомнению. Были известны различия между правым и левым на макроскопическом уровне (например, о разнице между правой и левой рукой, полушариями мозга, молекулами ДНК и т. п.). Наблюдаемая асимметрия относилась только на счёт каких-то различий в начальных условиях, поскольку на микроуровне все свойства частиц выглядели симметричными. Однако в 1956 году двумя китайскими физиками Ц. Ли и Ч. Янгом  при исследовании распадов K-мезонов и в ряде последующих других  экспериментах было выявлено, что квантовое число чётность ( ) сохраняется только в сильных и электромагнитных взаимодействиях. При слабых взаимодействиях закон сохранения чётности ( ) нарушается.

Одновременно с открытием не сохранения четности ( ) выявились и другие нарушения симметрии природы: не сохранение  в слабом взаимодействии зарядовой (), временной (), комбинированной чётностей () частиц (см. раздел «CTP-симметрия»).

Цветовой заряд кварков

Кварки, в отличие от адронов, описываются теме же методами квантовой теории поля, которые являются эффективными и для электромагнитного взаимодействия (КЭД). Но при ограничении такой простой  модели в ней начинают возникать проблемы.  Например, проанализируем кварковый состав декуплета барионов (см. рис. ниже), для наглядности расположенный в системе координат  от .

Кварковый состав декуплета барионов

В верхней строчке расположены частицы со странностью . Все они построены из все возможных тройных комбинаций двух легчайших кварков (u  и d), имеют различные проекции изоспина , образуя изоспиновый квартет ( ). Аналогично этому, нижнюю строчку частиц, построенных из двух нестранных кварков (u  и d) и одного странного кварка (s),  образует изоспиновый триплет ( ); ещё более нижнюю – изоспиновый  дублет  ( ).   Последнюю  строчку  этого  де-

Сравнение структур одноароматных адронов

куплета занимает только одна частица, состоящая из комбинации s-кварков, образуя изосинглет ( ). Таким образом, получается, что в вершинах построенного треугольного декуплета располагаются частицы, построенные из комбинаций трёх тождественных кварков, находящихся в одних и тех же квантовых состояниях:  – из -кварков,  – из - кварков и  – из . Действительно, у всех частиц  орбитальный момент равен нулю. А так как все кварки являются фермионами, их спин равен . И несмотря на то, что для них возможны две проекции спина на выделенное направление (  и ), для того чтобы образовалось состояние ,  у всех трёх кварков (u, d и s) они должны быть одинаковыми. В каждом барионе три тождественных кварка имеют одинаковые квантовые числа.

Согласно принципу В. Паули  в одном состоянии не могут находиться два одинаковых фермиона.  А в  данном случае в одинаковом состоянии находятся целых три фермиона (В случае мезонов такой проблемы с квантовой статистикой не возникает, так как все они содержат различимые кварки). Поэтому для объяснения такого парадокса было предложено приписать кваркам ещё одно квантовое число – цвет или цветовой заряд. Согласно теории  КХД каждый аромат кварка может принимать оно из трех различных цветовых значений: красный, синий или зелёный. Так, что структуры адронов из - -, -кварков (и из других одинаковых квантовых чисел) существуют в полном соответствии с принципом  В. Паули только потому, что один из их кварков является синим, второй – красным, а третий – зелёным.

Структура  одноароматного адрона в соответствии с принципом В. Паули

Исходя из этого получается, что у структура протона содержит в себе комбинацию двух -кварков и одного -кварка, каждый из которых может быть окрашен различным образом. Например, она может быть такой  или такой , или  и  т. д. Однако, в природе существует только одно протонное состояние – . Введение нового квантового числа (цвета) не должно увеличивать число наблюдаемых состояний. В связи с этим был выдвинут постулат о бесцветности всех наблюдаемых адронов, т. е. о равных весах кварков разного цвета.  О таких состояниях адронов говорят как о цветовых синглетах. Они инвариантны относительно их внутренних преобразований в трёхмерном цветовом пространстве, происходящих при обмене глюонами между кварками (и между самими глюонами).  

Для объяснения существования структуры антипротона и антинейтрона антикваркам приписали антицвета: антикрасному – голубой; антисинему – жёлтый, антизелёному – пурпурный. Комбинации из антикварков, в которых все три антицвета представлены в равной степени, также являются цветовыми синглетами.  То есть, и в этом случае  равномерная   смесь   трёх   базовых   цветов     даёт    абсолютно    бесцветную    (белую

Циклическая замена цветов кварков в протоне

_

Кварковая структура протона и антипротона

Кварковая структура мезонов

структуру. 

Получается, что кварки и антикварки одного и того же аромата различаются между собой знаком электрического заряда, барионного числа, цветовым зарядом. Помимо этого, тем кваркам, которым присущи одна из таких характеристик как странность, очарование или прелесть, соответствуют антикварки с их противоположным значением.

Объясняя существование мезонов, было предложено, что цвет одного кварка компенсируется антицветом друго кварка.  Из трёх возможных состояний цвет-антицвет () получаются структуры, имеющие скрытый цвет, которые также приближённо можно считать бесцветными.

Цветовая схема кварков даёт возможность понять выделенность в природе из всех их возможных сочетаний таких структур, как ,  и .

Гипотеза о том, что в мире элементарных частиц взаимодействия осуществляются посредством обмена кванта какого-либо поля впервые, была высказана в 30-е годы XX века нашими соотечественниками И. Е. Таммом и Д. Д. Иваненко.

Впервые физики наблюдали кварки  в 1960-е гг.  в экспериментах  в Стэнфордском центре  линейных  ускорителей  (сегодня  Национальная  лаборатория  ускорителей  СЦЛУ),  в ходе которых высокоэнергетические электроны сталкивались с мишенями из протонов. Иногда электроны проходили насквозь, но в других случаях они сталкивались с чем-то твердым и отражались назад. Их отраженная скорость и направление показывали наличие и расположение кварков внутри протонов. Эти эксперименты по так называемому «глубоконеупругому  рассеянию»  (ГНР)  показали, что кварки слабо притягивают друг друга на коротких расстояниях; однако на больших дистанциях никаких свободных кварков не наблюдалось, из чего следует предположение, что они должны сильно притягивать друг друга.

Интенсивность (или эффективное сечение) каждого взаимодействия принято характеризовать константой взаимодействия , представляющую собой безразмерный параметр, определяющий вероятность процессов, обусловленных конкретным видом взаимодействия.

Для электромагнитного взаимодействия  определяется следующим образом:

 ,

где E – энергия взаимодействия двух электронов, находящихся на расстоянии λ  (). Значение данного параметра получается равным .

Константы других видов взаимодействий принято определять относительно константы электромагнитного взаимодействия. А отношение констант даёт относительную интенсивность соответствующих взаимодействий.

Согласно ОТО (1916 г.) А. Эйнштейна гравитация является следствием «искривления упругой ткани» пространства-времени под воздействием массы. Чем тяжелее тело, тем сильнее будет «прогибаться» под ним пространство-время, а значит, тем сильнее будет его гравитационное поле. Так, благодаря тому, что масса Солнца составляет почти от массы всей Солнечной системы (планет, астероидов, комет, метеорных тел), его гравитационного поля достаточно, чтобы её удержать. Гравитационного поля нашей планеты  достаточно, чтобы удержать естественные (Луну) и искусственные спутники, обращающиеся вокруг неё.  

«Искривление упругой ткани» пространства-времени под воздействием массы (В качестве примера изображены Солнце и Земля)

И планеты обращаются вокруг Солнца (а спутники вокруг своих планет) именно благодаря искривлению пространства-времени его (их) значительной массой по сравнению с массами его планет (их спутников). Они обращаются подобно маленьким шарикам, пущенным кататься вокруг конуса воронки, образованной в результате «продавливания» пространства-времени более большим и достаточно тяжёлым шаром. А то, что нам кажется силой тяжести, на самом деле по сути является чисто внешнем проявлением искривления пространства-времени, а вовсе не силой в ньютоновском понимании.

Данная теория смогла объяснить поворот орбиты Меркурия; искривление световых лучей, проходящих вблизи Солнца; красное смещение спектральных линий света, излучаемого с поверхности массивных тел. Последние два примера – это то же самое, что и замедление времени в гравитационном поле.

Самое интересное – это то, что А. Эйнштейн своей теорией предсказал существование гравитационных волн, которые удалась зарегистрировать лишь спустя сто лет. А. Эйнштейн полагал, вращение массивных тел с переменным ускорением создает в пространстве волны, подобно тому, как на воде распространяется рябь, когда в неё кинешь камень. Но в отличие от таких волн, и электромагнитных волн, данном случае возникают колебания, растягивающие и сжимающие пространство-время.  Было предложено, что такие волны могут вызвать нейтронные звёзды или чёрные дыры, сближающиеся по спирали перед  слиянием, гравитационные катастрофы вроде взрыва сверхновой или столкновение гигантских чёрных дыр.

14 сентября 2015 года  в 05:51 утра по летнему североамериканскому восточному времени (13:51 по московскому времени) на двух детекторах-близнецах лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории LIGO, расположенных в Ливингстоне (штат Луизиана) и Хэнфорде (штат Вашингтон) в США, был зарегистрирован гравитационно-волновой всплеск, порождаемый слиянием двух чёрных дыр с массами 29 и 36 солнечных масс в далёкой галактике на расстоянии примерно 1,3 млрд световых лет.  

Гравитационные волны, возникшие при слиянии двух черных дыр. Image credit: LIGO / T. Pyle