ГДЗ по физике, 11 класс, Мякишев, номер 98.3: Адроны. Кварки

План решения:

Для ответа на вопрос необходимо вспомнить основные свойства кварков, которые были постулированы в Стандартной модели физики элементарных частиц для объяснения структуры адронов и их взаимодействий. Ключевыми характеристиками являются электрический заряд, цветовой заряд (сильное взаимодействие), спин и масса.

Вычисление и обоснование:

1. Электрический заряд (q). В отличие от лептонов и барионов с целым зарядом, кварки обладают дробным электрическим зарядом. Верхние кварки (u,c,t) имеют заряд +2/3e, а нижние (d,s,b) — -1/3e. Это было введено для того, чтобы сумма зарядов трёх кварков давала целый заряд протона (+e) или нейтрона (0).

2. Цветовой заряд. Для объяснения принципа Паули в таких частицах, как Δ⁺⁺-резонанс (состоящий из трёх одинаковых u-кварков со спинами, направленными в одну сторону), была введена новая квантовая характеристика — «цвет». Кварки могут быть трёх цветов: красный, зелёный, синий. Сильное взаимодействие (квантовая хромодинамика) действует именно по этому признаку. Все наблюдаемые свободные частицы (адроны) должны быть бесцветными (нейтральными).

3. Спин. Кварки являются фермионами со спином s=1/2. Это позволяет им образовывать барионы (три кварка, суммарный спин полуцелый) и мезоны (кварк и антикварк, суммарный спин целый или нулевой).

4. Масса. Каждый тип (аромат) кварка имеет свою массу покоя, которая значительно варьируется от лёгких u и d до тяжёлых t.

Проверка:

Перечисленные характеристики полностью соответствуют современной теории сильных взаимодействий. Дробный заряд объясняет структуру нуклонов, цветовой заряд решает проблему статистики тождественных частиц внутри адронов и описывает механизм удержания кварков, а спин определяет классификацию частиц на бозоны и фермионы.