37.6. Адроны

Адроны образуют самое многочисленное семейство элементарных частиц (более 300 частиц, включая и античастицы). В отличие от лептонов, адроны участвуют в сильном взаимодействии. Все они подвержены также электромагнитному, слабому и гравитационному взаимодействию.

Для характеристики адронов и более детальной их квалификации вводят ряд новых физических величин: барионный заряд, изотопический спин (изоспин), странность, очарование, прелесть (красота), истинность.

Барионный заряд. Семейство адронов можно разбить на две большие группы – мезоны и барионы, которые отличаются друг от друга значением спина: у мезонов спин целочисленный, а у барионов он полуцелый. Однако этим различие между мезонами и барионами не исчерпывается. Оказывается, что в реакциях распада барионов, обусловленных сильным взаимодействием, обязательно рождается другой, более лёгкий барион. Это позволило приписать барионам новую сохраняющуюся величину – барионный заряд В. По определению В=1 для барионов, В=-1 для антибарионов и В=0 для остальных частиц (мезонов и лептонов). Сформулируем закон сохранения барионного заряда: в замкнутых системах при всех процессах взаимопревращения частиц барионный заряд остаётся неизменным. Приведём примеры реакций, иллюстрирующих закон сохранения барионного заряда:

Закон сохранения барионного заряда объясняет стабильность самого лёгкого бариона – протона. По закону сохранения энергии свободный протон может распасться только на частицы с меньшими массами. Поскольку у всех этих частиц В=0, то такой процесс распада протона не наблюдается, так как при этом нарушался бы закон сохранения барионного заряда.

Изотопический спин. Все семейство барионов можно разбить на небольшие группы частиц с очень близкими физическими свойствами. Примером такой группы служат нуклоны – протон и нейтрон. Эти частицы равным образом участвуют в сильном взаимодействии, что вытекает из зарядовой независимости ядерных сил (см. § 36.3),спин обеих частиц одинаков, а массы очень близки. Это даёт основание рассматривать протон и нейтрон как различные состояния одной и той же частицы – нуклона. Если «выключить» электромагнитное взаимодействие, которое обусловливает небольшое различие масс протона и нейтрона, то различие между этими частицами полностью исчезает.

Группа частиц, неразличимых в сильном взаимодействии, называется зарядовым мультиплетом. Для характеристики отдельных зарядовых мультиплетов вводится физическая величина Т, называемая изотопическим спином (изоспином). Эта величина аналогична обычному спину J, проекция которого на выделенное направление z принимает 2s+1 значений. Значение изотопического спина Т для данного зарядового мультиплета выбирается таким образом, чтобы число его проекций (т.е. 2Т+1) на ось z в воображаемом изотопическом пространстве равнялась числу частиц в мультиплете. Так для протона и нейтрона (дублет) 2Т+1=2, отсюда Т=1/2. Протону приписывают Т_z=+1/2, нейтрону Т_z=-1/2. Для – мезонов (⁺, ⁰, ^– – триплет) Т=1, а проекции Т_z равны +1, 0, -1 для ⁺, ⁰, ^–– мезонов соответственно. Частица и античастица отличаются знаком проекции Т_z. Так для протона Т_z=+1/2, для антипротона Т_z= -1/2; для нейтрона Т_z=-1/2, для антинейтрона Т_z=+1/2. если заряд состоит из одной частицы (синглет), то Т=0.

С изотопическим спином связан закон сохранения: при сильном взаимодействии сохраняются как изотопический спин, так и его проекция Т_z. В электромагнитных и слабых взаимодействиях процессы протекают, как правило, с изменением изотопического спина.

Странность. Эта характеристика была введена для группы частиц, которые рождаются за счёт сильного взаимодействия с характерным временем 10^-23 с, а распадаются за счет слабого взаимодействия (время жизни таких частиц 10^-8…10^-10 с). Эти частицы, которые были названы странными, могут рождаться лишь парами – одиночное рождение странных частиц запрещено. В основе запрета каких–либо процессов всегда лежит некоторый закон сохранения. В связи с этим М. Гелл–Манн и К. Нишиджима ввели в рассмотрение новое квантовое число S – странность, значение которого должно, по их предположению, сохраняться при сильных взаимодействиях, но не сохраняться при слабых взаимодействиях.

Странным частицам приписывают значение S=+1 или S= -1, а «обычным» адронам S= 0. Приведём пример реакций с участием странных частиц

– + p  K0 +  (S=0) (S=0) (S=+1) (S= –1)   – + p (S= –1) (S=0) (S=0)

(37.1) (37.2)

Реакция (37.1) осуществляется за счёт сильного взаимодействия и протекает с соблюдением закона сохранения странности. В этом легко убедиться, если учесть, что странность ^– – мезона и протона p равна нулю, для K⁰ – мезона S=+1, а для  – частицы S= –1. Реакция (37.2) протекает в результате слабого взаимодействия, приводящего к нарушению закона сохранения странности.

Электрический заряд Q, проекция изотопического спина T_z , барионный заряд B и странность S обычных и странных адронов связаны соотношением Гелл-Манна – Нишиджимы:

Q=Tz +1/2 (B + S)

(37.3)

Например, для протона T_z =1/2, B=1, S=0, Q=1; для нейтрона T_z = –1/2, B=1, S=0, Q=0.

Очарование С (от англ. Charm), прелесть (или красота) b (от англ. beauty) – квантовые числа, которые вводят для выделения в семействе адронов очарованных и прелестных частиц соответственно.

Очарование и прелесть подчиняются таким же законам сохранения, что и странность. Для очарованных частиц С = 1, для всех остальных частиц С = 0. Аналогичные значения принимает прелесть: b=1 или 0.

После открытия очарованных и прелестных частиц соотношение Гелл-Манна – Нишиджимы было обобщено:

Q=Tz +1/2 (B + S+C – b)

Теория предсказывает существование ещё одной группы частиц – «истинных», для характеристики которых необходимо ввести квантовое число t – истинность (от англ. truth). Истинные частицы пока не открыты.

Таким образом, для описания свойств элементарных частиц вводится довольно много характеристик, физическое происхождение которых во многих случаях неизвестно. Необходимость их введения определяется тем, что для каждой из них выполняется соответствующий закон сохранения. При этом следует различать строгие и приближённые законы сохранения. К строгим относятся такие законы, которые выполняются во всех видах взаимодействий. Это, прежде всего, законы сохранения, связанные с геометрией четырёхмерного пространства–времени, т.е. законы сохранения энергии, импульса и момента импульса. Строгими являются также законы сохранения зарядов – электрического, барионного, лептонного. Приближённые законы сохранения выполняются в сильном взаимодействии, но могут нарушаться в более слабых. Например, закон сохранения странности и очарования выполняются в сильном и электромагнитном взаимодействиях, но нарушаются в слабом взаимодействии.