S-кварк

s-кварк
Родина	ферміони
Група	кварки
Античастинка	s-антикварк
Покоління	друге ◄d-кварк  b-кварк  ►
Фізичні властивості
Маса	101 МеВ
Заряд	-1/3
Спін	1/2
Число спінових станів	2
Колірний заряд	так
Парність	1
Взаємодія
Взаємодії	всі

s-кварк (від англ. strange — дивний) — одна з фундаментальних частинок у рамках теорії кварків та Стандартної моделі. Властивістю s-кварка є особливе квантове число (аромат) дивність. s-кварк не входить до складу стабільних частинок, таких як протон, але входить до складу каонів та гіперонів. Він ферміон зі спіном 1/2, його електричний заряд дорівнює -1/3. Античастинкою s-кварка є s-антикварк. Разом із c-кварком s-кварк входить до другого покоління фундаментальних частинок.

У першій половині 20 століття фізики встановили будову атомів і атомних ядер – було відомо, що атоми складаються з протонів, нейтронів і електронів. Також у 1936 році був відкритий мюон^[1], який вважали (хибно) кандидатом в частинки-носії сильної взаємодії. У 1944 році Луї Лепренс-Ренґе і Мішель Лерітьє спостерігали в космічних променях невідому нестабільну частинку, в 990 разів важчу за електрон, проте вдалося отримати лише одну фотографію її треку, і були підозри щодо неакуратності вимірювання, тому твердження про відкриття нової елементарної частинки не було переконливим. Лише через три роки, в 1947 Джордж Рочестер і Кліффорд Батлер, працюючи у Манчестерському університеті, впевнено показали що нова частинка з масою близько 1000 ${\displaystyle m_e}$ міститься серед космічних променях. Їх треки містили характерну "розвилку" повʼязану з розпадом, через яку деякий час називалася V-частинкою, а пізніше – каоном. Каони були першими представниками групи "дивних частинок". Протягом наступних років було відкрито ще кілька нових нестабільних частинок. Всі вони називалися V-частинками. Деякі з них мали позитивний заряд, деякі – негативний, а деякі були нейтральні. З часом стало зрозуміло, що під назвою "V-частинки" ховається кілька різних груп частинок – зараз вони відомі як лямбда-баріони, каони і ксі-баріони^[2].

Дивні частинки мали цікаву властивість – вони завжди утворювалися парами в реакціях сильної взаємодії. Також, їх час життя був досить великий як для їх маси (бо вони розпадалися лише через слабку взаємодію). Це наштовхувало на думку про існування нового квантового числа, дивності, яке зберігається під час реакції сильної взаємодії і не зберігається у реакціях слабкої^[3].

У 1950-х роках було відкрито цілий ряд нових частинок, і виникла потреба в їх класифікації. Були відкриті формули які поєднували специфічні квантові числа які зберігаються при сильній взаємодії і електричний заряд:

${\displaystyle Q=I_3+\frac{B+S}{2}}$,

де ${\displaystyle I_3}$ – проєкція ізоспіну, ${\displaystyle B}$ – баріонне число а S – дивність. Суму ${\displaystyle Y=B+S}$ називають гіперзарядом (термін введений Джуліаном Швінгером в 1956 році^[4]). Гіперзаряд зберігається при сильній взаємодії. У 1961 році Маррі Гелл-Манн і Юваль Неєман розробили концепцію восьмистого шляху (названу з натяком на однойменну буддистську концепцію). На той час вже існувала концепція ізоспіну, яка описувала протон і нейтрон як два "стани" однієї частинки в рамках порушенної SU(2)-симетрії. Восьмистий шлях розширював цю схему до SU(3)-симетрії, в якій стан частинки описувався вже трьома квантовими числами. Природнім чином 9 можливих пар цих трьох чисел розпадалися на октет і синглет, а 27 трійок – на декуплет, два октети і триплет^[5][6] Не всі частинки, які випливали з цієї моделі, були відкриті. В 1964 році омега-баріон, передбачений нею був відкритий, що стало сильним підтвердженням того що за нею стоїть реальний фізичний зміст. Того ж року Маррі Гелл-Манн та Джордж Цвейг висловили гіпотезу про кварки, згідно якою всі адрони складаються з більш фундаментальних частинок – u, d і s-кварків.

Протони і нейтрони містять лише два типа валентних кварків (тобто, таких які визначають квантові числа адронів) – u і d. Проте у нуклонах існує деяка кількість морських кварків та антикварків різних типів – в тому числі і дивних^[7].

В нерухомому протоні сумарна маса валентних кварків складає близько 1% від маси протона, тобто, майже вся його маса насправді походить від морських кварків (значна частина морських кварків також є легкими u- і d-кварками) і глюонів. Частка маси, що припадає саме на дивні кварки, σ_s, оцінюється в 41-53 МеВ, тобто близько 5% від маси протона^[8].

При зіткненнях кількість кварків визначається двома параметрами:

1. Масштаб передачі імпульсу Q² – квадрат 4-імпульсу частинки-зонда, віртуального W^±-бозона або фотона. Це не те саме що квадрат 4-імпульсу налітаючої частинки – це саме квадрат імпульсу віртуальної частинки, завдяки якій відбувається взаємодія налітаючої частинки і партона. Ця величина є лоренц-інваріантною, тобто, не залежить від системи відліку, і залежить від імпульсів налітаючої частинки і протона (а конкретно від інваріанту Мандельштама s).
2. Змінна Бйоркена x, частка повздовжного імпульсу, що припадає на один партон. Низьке значення (x→0) відповідає кваркам низької енергії, високе (x→1) – навпаки, кваркам які несуть в собі майже весь імпульс протона.

Частка імпульсу що припадає на s-кварки з деяким x дорівнює

${\displaystyle x{q}_s(x)\sim x^{-0.2}}$,

тобто зростає при низькому x. Кількість кварків ${\displaystyle q_s(x)}$ при цьому зростає ще швидше (оскільки кожен з них несе менше імпульсу), і загалом якщо проінтегрувати цю величину по всіх x, інтеграл буде розбіжним. Тому немає сенсу говорити про загальну кількість s-кварків у протоні. При цьому, якщо відняти від кількості кварків кількість антикварків, такий інтеграл буде збіжним, і більш того, його значення для протона і нейтрона дорівнює нулю^[9]:

${\displaystyle {\int }_0^1(s(x)-\overline{s}(x))\mathrm{d}x=0}$,

Тобто, різниця кількості кварків і антикварків у нуклоні однакова, хоча самі ці кількості не є визначеними.

При збільшенні Q² і фіксованому x кількість кварків зростає, якщо x~0,1 і менше, інакше ж вона спадає^[10].

• Индурайн Ф., Квантовая хромодинамика. Введение в теорию кварков и глюонов, пер. с англ.. Москва, Мир, 1986