Гіперони. Елементарні частинки. Закон збереження парності

Важкі нестабільні елементарні частинки з масою (2183–3273) m_e, більшої маси нуклона, називаються гіперонами. Відомі лямбда (Λ⁰), сигма (⁰, ⁺, ^-), ксі (⁺, ^-) і омега (^-) – гіперони. Вони беруть участь у сильних взаємодіях (належать до групи адронів), розпадаючись на нуклони і легкі частинки (π - мезони, електрони, нейтрино і γ - кванти). Час існування більшості гіперонів 10^-10с, що в 10¹³ разів більше характерного ядерного часу ~10^-23с.

Такий час існування можна пояснити лише тим, що розпад гіперонів відбувається за рахунок слабкої взаємодії. Крім цього, виявилося, що всякий раз гіперон народжується в парі з К – мезоном. Наприклад, у реакції

(9.13)

завжди народжується K⁰ – мезон з тими ж особливостями в поводженні, що й у гіперона. Розпад же Λ⁰ - гіперону відбувається за схемою

. (9.14)

Для пояснення особливостей поводження гіперонів і K – мезонів була введена нова квантова характеристика елементарних частинок – дивність S, що зберігається в процесі сильної і електромагнітної взаємодії. У каонів S = 1, у Λ⁰ і  – гіперонів S = -1,  – гіперонам приписують S = -2,  – гіперонам – S = -3. У нуклонів і π – мезонів S = 0. Реакція (9.14) йде з порушенням дивності, тому вона не може відбуватися за рахунок сильної взаємодії.

Ґрунтуючись на законі збереження дивності, були експериментально виявлені – мезон, ⁰, ⁰ – гіперони.

Елементарним частинкам приписують ще одну квантово – механічну характеристику – парність P, що відображує симетрію їхньої хвильової функції. Якщо при дзеркальному відбитті хвильова функція частинки не змінює знака, то парність частинки P = +1; якщо змінює знак, то парність негативна P = -1.

При всіх перетвореннях, що відбуваються з системою частинок, парність їхнього стану не змінюється. Це закон збереження парності. Збереження парності пов’язане з властивістю дзеркальної симетрії простору і вказує на інваріантність законів природи стосовно заміни лівого правим і навпаки. Однак дослідження розпадів K – мезонів показало, що в слабких взаємодіях закон збереження парності може порушуватися, тобто він виконується тільки при сильних і електромагнітних взаємодіях.

Класифікація та взаємне перетворення елементарних частинок. Кварки

Елементарні частинки за властивостями і характеристиками можна поділити на три групи: фотони, лептони й адрони. Змістовна систематика елементарних частинок ґрунтується на їхньому відношенні до фундаментальних взаємодій.

До першої групи входить єдина частинка – фотон, перенощик електромагнітної взаємодії. В електромагнітній взаємодії беруть участь у тій чи іншій мірі всі частинки: заряджені та нейтральні, за винятком нейтрино.

До групи лептонів входять електрон, мюон, таон і відповідні їм нейтрино й античастинки. Лептони не беруть участі у сильній взаємодії. Усі лептони мають спин 1/2 і, будучи ферміонами, підкоряються статистиці Фермі–Дірака. Дивність лептонів дорівнює нулеві. Усім лептонам приписують лептонний заряд L = +1, для антилептонів L = -1 і L = 0 для всіх інших елементарних частинок.

У замкнутих системах при всіх процесах взаємоперетворення елементарних частинок лептонне число зберігається. Це закон збереження лептонного числа.

До групи адронів належать піони, каони,  – мезон, нуклони, гіперони, а так само їхні античастинки. Вони беруть участь у всіх чотирьох типах фундаментальних взаємодій.

Розрізняють стабільні (точніше, метастабільні) адрони (>>10²³с) і резонанси (~10^-24с – 10^-23с). Стабільні частинки розпадаються за рахунок електромагнітної або слабкої взаємодії, резонанси – за рахунок сильної взаємодії. Стабільні адрони, що мають цілі спіни, тобто ферміони, називаються баріонами. Аналогічно розрізняють мезонні резонанси і баріонні резонанси. Баріонам і баріонним резонансам приписують баріонний заряд B = +1, антибаріонам і їх резонансам – B = –1. В усіх інших частинок B = 0. При всіх процесах взаємоперетворення елементарних частинок баріонне число зберігається. Це закон збереження баріонного числа.

Клас адронів поділяється на ізомультиплети - невеликі сімейства, члени яких тотожні стосовно сильної взаємодії. Типовий приклад ізомультиплета дає нуклонний ізодублет N, що містить протон p і нейтрон n.

Ізомультиплету в цілому приписується ізоспін T, що визначає кількість його членів N за формулою N = 2T + 1. Окремі члени ізомультиплета розрізняються значеннями проекції ізоспіна T₃, що змінюється від –T до T через одиницю в порядку зростання електричного заряду. Приклад: для нуклона N = 2, а тому T–1/2 (у нейтрона T₃= -1/2, у протона T₃ = + 1/2). Трьом піоном відповідає ізоспін T = 1.

Ізотопічний спін зберігається при сильній взаємодії, але порушується при інших фундаментальних взаємодіях.

Проекція ізотопічного спіна, баріонний заряд B, дивність S, зачарування C та істинність b зв’язані між собою формулою Гелл–Мана–Нишиджими

(9.15)

де q – електричний заряд.

Зміст уведених тут і раніше квантових чисел у тому, що вони зберігаються у визначених класах взаємоперетворень частинок. При сильних взаємодіях виконуються всі закони збереження (енергії, імпульсу, моменту імпульсу, зарядів (електричного, лептонного, баріонного, ізоспіна, дивності й парності).

У процесах, зумовлених слабкими взаємодіями, не зберігаються тільки ізоспін, дивність і парність.

Вважається, що всі адрони складаються з кварків – дробово-заряджених фундаментальних частинок. При цьому передбачається, що їх є шість сортів, або „ароматів”. Як і лептони, вони утворюють три дублети або покоління: (u, d), (c, s), (t, b), так що має місце глибока з теоретичної точки зору кварк–лептонна симетрія. Трьом дублетам антилептонів відповідає три покоління антикварків. Характеристики кварків наведені в таблиці 9.2.

Кожен мезон відповідно до кваркової теорії складається з одного кварка q і одного антикварка : ; кожен баріон – із трьох кварків: . Звичайні адрони містять тільки кварки u та d. Наприклад, кварковий склад піона , піона ,( ), протона , нейтрона . Дивні адрони містять один або кілька кварків S. Наприклад, каон , гіперон .

У 1974 році відкритий мезон , що складається з пари . У 1977 році відкритий іпсилон-мезон = , що мав „приховану чарівність”.

Таблиця 9.2

Кварк	Квантові числа								Маса, МеВ
	Т	Т3	В	S	С	b	t	Q
Верхній u		+		0	0	0	0	+	~5
Нижній d		-		0	0	0	0	-	~7
Дивний s	0	0		-1	0	0	0	-	~150
Чарівний c	0	0		0	1	0	0	+	~1250
Красивий b	0	0		0	0	-1	0	-	~4700
Істинний t	0	0		0	0	0	1	+	~22000

Щоб побудувати – гіперон, як бачимо необхідно 3 кварки S з паралельними спінами, що не відповідає принципу Паулі. Тому було введено додаткове квантове число, що набуває трьох значень (кольору): red (R), green (G), blue (B). Тоді піон можна в символічній формі записати

;

гіперон

.

Отже, адрони є білими або безбарвними частинками.

У вільному стані кварки не виявлені. Кваркова теорія пояснює це „полоном” кольору. Вірність моделі кварків у цілому не викликає сумнівів (багато її нетривіальних пророкувань підтверджено експериментом), але зрозуміло, що потрібні нові гіпотези й експерименти для просування в цьому напрямку.

Сучасне уявлення про сильну взаємодію базується на припущенні про обмін кварків глюонами – частинками, маса спокою яких дорівнює нулеві, спін дорівнює 1. Вважають, що існують 8 глюонів, кожний з яких має колір. Обмін глюонами приводить тільки до зміни кольору кварків, залишаючи без змін інші квантові числа. Питання взаємодії кольорових кварків і глюонів вивчаються квантовою хромодинамікою (КХД).

Отже, сьогодні вважається, що складовими елементами матерії є кварки і лептони 6 сортів, взаємодії між якими виникають за рахунок обміну відповідними перенощиками. Загальний для всіх фундаментальних взаємодій обмінний механізм дає надію на можливість побудови надалі єдиної теорії устрою матерії.