Кварки и лептоны

Кварки и лептоны — это два семейства элементарных фермионов со спином 1/2, которые составляют всю известную материю в Стандартной модели.

Definition

Кварки и лептоны — это элементарные фермионы Стандартной модели со спином 1/2; кварки (верхний, нижний, очарованный, странный, истинный, прелестный) несут цветовой заряд и объединяются в адроны, в то время как лептоны (электрон, мюон, тау и их нейтрино) не несут цветового заряда и взаимодействуют только посредством электрослабого взаимодействия.

Scope

Эта тема охватывает шесть кварков и шесть лептонов, их расположение в три поколения и квантовые числа, которые их различают: электрический заряд, цвет, слабый изоспин и аромат. В ней рассматривается различие между кварками, которые несут цветовой заряд и ограничены внутри адронов, и лептонами, которые бесцветны и могут существовать как свободные частицы, а также их античастицы и эмпирическая закономерность масс фермионов.

Core questions

• Почему кварки и лептоны существуют ровно в трех поколениях с возрастающей массой?
• Какие квантовые числа отличают различные кварки и лептоны?
• Почему кварки ограничены внутри адронов, в то время как лептоны существуют свободно?
• Как слабые взаимодействия, изменяющие аромат, смешивают поколения кварков?

Key concepts

• Шесть ароматов кварков и дробный электрический заряд
• Заряженные лептоны и нейтрино
• Три поколения фермионов
• Цветовой заряд и конфайнмент кварков
• Дублеты слабого изоспина
• Антикварки и антилептоны

Key theories

Кварковая модель адронов

Гелл-Манн и Цвейг предположили, что адроны состоят из кварков с дробным зарядом, при этом барионы состоят из трех кварков, а мезоны — из кварк-антикварковой пары, что объясняет наблюдаемый спектр сильно взаимодействующих частиц.

Трехпоколенная структура ароматов

Кварки и лептоны повторяются в трех поколениях с идентичными калибровочными взаимодействиями, но разными массами, а поколения кварков смешиваются через матрицу Кабиббо-Кобаяши-Маскавы в процессах слабого взаимодействия с заряженными токами.

Clinical relevance

Свойства кварков и лептонов определяют строительные блоки всей атомной материи, управляют составом протонов и нейтронов и измеряются с высокой точностью в экспериментах на коллайдерах и с фиксированной мишенью, которые проверяют Стандартную модель и ищут новые поколения или субструктуру.

History

Кварковая модель была независимо предложена Гелл-Манном и Цвейгом в 1964 году для систематизации постоянно растущего числа адронов, а эксперименты по глубоко неупругому рассеянию в SLAC в конце 1960-х годов выявили точечные составляющие внутри протона. Семейство лептонов было расширено открытием мюона, тау и связанных с ними нейтрино, в то время как очарованный, прелестный и истинный кварки завершили трехпоколенную структуру к 1995 году.

Key figures

• Murray Gell-Mann
• George Zweig
• Makoto Kobayashi
• Toshihide Maskawa

Seminal works

• gellmann1964
• halzenmartin1984

Frequently asked questions

Почему свободные кварки никогда не наблюдались?

Кварки удерживаются сильным взаимодействием: энергия, необходимая для их разделения, растет с расстоянием, поэтому разделение кварков приводит к образованию новых кварк-антикварковых пар, а не изолированных свободных кварков.

Сколько поколений кварков и лептонов существует?

Известно три поколения. Измерения ширины распада Z-бозона ограничивают число легких нейтрино тремя, что согласуется с существованием ровно трех поколений обычных фермионов.