6.3.1. Классификация элементарных частиц

Поль Дирак

Изобилие типов элементарных частиц поставило перед фи­зиками трудные вопросы: что же лежит в основе строения вещества, есть ли какая-нибудь общая схема, систематика, ко­торая позволила бы просто и ясно объяснить взаимную связь элементарных частиц? Физики, представьте себе, упорно верят в то, что природе присуща внутренняя гармония и существует

единый принцип, который, когда его откроют, позволит построить общую картину и систематизировать это обилие частиц. ,

В настоящее время в основе современной классификации элементарных частиц лежит их деление на два класса (рис. 6.2): сильно взаимодействующих (адроны) и слабо взаимодействую­щих (лептоны) частиц. Адроны делятся также на мезоны и ба- рионы, а последние, в свою очередь, на нуклоны (нейтроны и протоны) и гипероны (X, I, Е, Q). Название «гипероны» проис­ходит от греческого «гипер» — выше, так как они тяжелее про­тона, «барионы» — от греческого «барис» тяжелый. К лептонам относятся электроны, мюоны и нейтрино. Барионы (нуклоны, гипероны, барионные резонансы — короткоживущие частицы) при любых реакциях могут превращаться в протоны или из них получаться. Разность между числом барионов и антибарионов в системе называется барионным числом. В теории элементарных частиц существует закон сохранения барионного числа в любом процессе. Именно этим законом обусловлена невозможность аннигиляции протона и электрона в обычных условиях, потому что протон — это барион, а электрон — лептон. Закон сохране­ния барионных чисел обеспечивает также стабильность прото-

Рис. 6.2. Схема классификации элементарных частиц.

нов. С точки зрения квантовой статистики, частицы с разными (целыми и полуцелыми) спинами могут также разделяться на фермионы (статистика Ферми) с полуцелым спином (1/2): электрон, нейтрон, мюон, протон, нейтрон, гиперон), бозоны (статистика Бозе) с целым (0,1) спином: пион (я-мезон), каон (ЛГ-мезон), фотон. Фермионы, все без исключения, возникают или аннигилируют парами. С другой стороны, бозоны могут рождаться или поглощаться по одному и группами по несколь­ко частиц.

В дополнение к закону сохранения числа барионов Гелл-Манн (р. 1929) и Нишиджима в 1953 г. ввели еще одну квантовую характеристику — странность S, для которой тоже существует закон сохранения, согласно которому странность со­храняется во всех сильных (ядерных) взаимодействиях, дейст­вующих на расстоянии около 10~¹³ см. Эти законы позволяют прогнозировать природу взаимодействия различных элементар­ных частиц. К концу 50-х годов нашего века численность и раз­нообразие элементарных частиц настолько выросли, что класси­фикация их только по массе, заряду и спину, даже с учетом упо­мянутых законов сохранения барионного числа и странности, вызывала у физиков-теоретиков значительное неудовлетворение. Появлялись даже идеи, что за этим разнообразием скрывается некая симметрия.

6.3.2. Кварковая модель

Развитием этого поиска явилось еще одно изобретение Гелл-Манна (1963), а затем независим^ от него Цвейга (1964) — модель кварков. В этой модели предполагается, что все сильнов- заимодействующие элементарные частицы являются комбина­циями трех основных частиц (которые и называются кварками) и их античастиц. Название «кварк» взято Гелл-Манном из ту­манной фразы романа Дж. Джойса «Поминки по Финнегану»: «Три кварка для мистера Марка». Другое объяснение этому термину — это название напоминает английское звукоподража­ние крику чаек. Кварки имеют необычные свойства: электриче- 1 2

ский заряд, равный ±3 е или ±3 е, и барионное число (заряд) то­же дробный: равный ^. Обозначение кварков и антикварков, а также их параметров дано в табл. 6.1.

Таблица 6.1	Символ	Заряд я	Странность S	Барионное число (заряд) В	Сини s
Кварки	*	2 + Зе	0	1 3	1 2
		1 "3е	0	1 3	1 2
	6	1 ~зе	-1	1 3	1 2
Антикварки		1 3	+1	1 3	1 2
	д	1 + зе	0	1 3	1 2
	4	2 ~Зе	0	1 3	1 2

Таким образом, основные свойства кварков — заряд q

2 I I \ ■

+ 3 е, ^— з е, — 3^е)' странность S (0, 0, —1), барионное число В

^, j, 5 j и спин s Q j не похожи на свойства других частиц.

Однако различные комбинации этих гипотетических частиц воспроизводят свойства всех известных адронов с поразительной точностью. Предполагается, что, например, барионы построены из трех кварков, а мезоны из двух кварков (кварк — антикварк). Реальны ли кварки в действительности или эта модель служит лишь удобным средством описания элементарных частиц, но ли­шена физического реального смысла? Пока это не известно. Кстати, последними исследованиями показано, что кварки не являются самыми «неделимыми». Обнаружены уже протокварки.

Тем не менее, несмотря на то что экспериментально кварки в свободном состоянии не обнаружены, в теории элементарных частиц существует так называемая «стандартная модель». Со­гласно этой модели кварки различаются «ароматом»: и (от up — верхний), d (от down — нижний), s (от strange — странный), с (от charm — очарование), b (от beauty — красота), t (от truth — ис­тинный). Главная особенность всех кварков в том, что они явля­ются обладателями соответствующих сильных зарядов. Заряды сильного поля имеют три равноправные разновидности (вместо одного электрического заряда в теории электрических сил). В исторически сложившейся терминологии эти три разновидности заряда называют цветами кварков, а именно: условно красным, зеленым и синим. Таким образом, каждый кварк в табл. 6.1 и 6.2 является цветной частицей. Смешение всех трех цветов, подобно тому как это имеет место в оптике, дает белый цвет, т. е. обесц­вечивает частицу. Все наблюдаемые адроны бесцветны.

Взаимодействия кварков осуществляют восемь разных глюо- нов. Термин «глюон» в переводе с английского языка означает «клей», т. е. эти кванты и есть частицы, которые как бы склеива­ют кварки между собой. Как и кварки, глюоны являются цвет­ными частицами, но поскольку каждый глюон изменяет цвета сразу двух кварков (кварка, который испускает глюон, и кварка, который поглотил глюон), то глюон окрашен дважды, неся на себе цвет и антицвет, как правило, отличный от цвета.

Масса покоя глюонов, как и у фотона, равна нулю. Кроме то­го, глюоны электрически нейтральны и не обладают слабым за­рядом.

Современные представления о природе таковы, что в рамках «стандартной модели» существует всего три поколения кварков, лептонов и нейтрино, которые и представляют собой начальный уровень структурной организации материи.

Из лептонов и кварков первого поколения вместе с фотонами построена современная Вселенная. Частицы второго и третьего

Таблица 6.2

	Кварки
	и	d	S	с	6	т
Масса т0	(1,5-5) МэВ/с2	(3-9) МэВ/с2	(60-170) МэВ/с2	(1,1-4,4) ГэВ/с2	(4,1-4,4) ГэВ/с2	17 ГэВ
Изоспин /			0	0	0	0
Проекция /3		1 2	0	0	0	0
Электрический заряд	♦Г	1 3	1 3	+1	1 3	+2
Странность S	0	0	-1	0	0	0
Чарм С	0	0	0	+1	0	0
Боттом В	0	0	0	0	-1	0
Топ Т	0	0	0	0	0	+

поколения играли важную роль в первые мгновения после Боль­шого Взрыва ранней Вселенной, когда не было различия между лептонами и кварками.

Академик РАЕН Б. А. Трубников отмечал, что прошедший XX век справедливо называть квантово-релятивистским веком. В 1897 г. Томсон (1824—1907) открыл электрон, в 1911 г. Резер- форд открыл атомное ядро, затем в 1931—1932 гг. Чадвиком бы­ли обнаружены нейтроны, а Андерсеном — позитроны. После обнаружения сотен других короткоживущих частиц и «наведения порядка» для них была разработана квантовая теория поля, в рамках которой теоретически и были предсказаны совершенно новые объекты природы — кварки и глюоны. В настоящее время установлено, что истинно элементарными частицами следует счи­тать шесть сортов кварков со своим «ароматами»: и, d, s, с, t, b и шесть сортов лептонов. Это — электрон ё~, мюон ц, тау-лептон (таон) т и соответствующие этим частицам нейтрино (v_e, v_T). Предполагается, что согласно принципу кварк-лептонИой сим­метрии каждому лептону должен соответствовать определенный кварк (табл. 6.3).

Таблица 6.3 Поколеяне	Легггои	Кварк
Первое	Электронное нейтрино ve Электрон е	Верхний (up) кварк и Нижний (down) d
Второе	Мюонное нейтрино v^ Мюон ц	Очарованный (charm) с Странный (strange) s
Третье	Тау нейтрино т Маон цт	Истинный (truth) t Прелестный (beaty) b