Физика. Теоретические курсы / Ландсберг Г.С. Элементарный учебник физики / Ландсберг Г.С. Элементарный учебник физики. Том 3

ных частиц. Фундаментальные структурные элементы, входящие

всостав адронов, получили название кварков 1).

2.Систематика адронов (т. е. изучение состава и свойств «родственных семейств», в которые группируются адроны) позволила установить, что все известные барионы состоят из трех

кварков (B = [q1q2q3]), антибарионы — из трех антикварков

= [ ] [ ]

(B q1q2q3 ), а все мезоны — из кварка и антикварка (M q1q2 ). Оказалось, что кварки должны обладать очень необычными свойствами. Так как барионный заряд у барионов B = +1 (у антибарионов B = −1), то из кварковой структуры барионов следу-

Электрический заряд кварков тоже должен быть

ет, что барионный заряд кварков дробный: Bq = 1/3; Bq = −1/3. дробным (если

за единицу принять элементарный заряд): Qq = +2/3 или −1/3 (Qq = −2/3 или +1/3). Только в этих предположениях можно объяснить квантовые числа и свойства всех адронов.

3. Существуют не менее 6 типов кварков, каждый из которых является носителем определенного нового квантового числа — адронного аромата. Эти кварки получили следующие названия:

S = −1

c-кварк (очарованный кварк) носитель аромата очарования

C = +1

b-кварк (прелестный кварк) носитель аромата прелести b = +1

t-кварк (истинный кварк) носитель аромата истинности

T = +1 3)

Подчеркнем, что каждый кварк несет только один аромат. Все остальные ароматы у него отсутствуют, т. е. соответствующие квантовые числа равны нулю. Антикварки отличаются от квар-

1) Это название принадлежит американскому физику Мюррею Гелл-Манну (р. 1929 г.), впервые введшему представление о кварковой структуре адронов.

2) Вопрос об изотопических ароматах является более сложным, и мы не будем в дальнейшем говорить об их количественных характеристиках.

3) Выбор знака для различных «зарядов» всегда условный. Выбор величины S = −1 для аромата странного кварка возник случайно и не носит физического характера. Для t-кварка используется также название высший кварк.

624 Гл. XXVI. Новые достижения в физике элементарных частиц

ков противоположными значениями всех зарядов. Так, например, s-кварк характеризуется электрическим зарядом Qs = −1/3, барионным зарядом Bs = +1/3, значением странности S = −1, остальные ароматы у него отсутствуют, т. е. Iz = 0, C = 0, b = 0, T = 0. Для антикварка Qs = +1/3; Bs = −1/3; S = +1; Iz = C = b = T = 0. Значения квантовых чисел кварков приведены в табл. 14.

4.Сильные и электромагнитные взаимодействия не могут изменить индивидуальность кварков, т. е. они не меняют значения кварковых ароматов. Другими словами, в этих взаимодействиях имеют место законы сохранения ароматов (аналогичные закону сохранения барионного заряда). В процессах, обусловленных сильными и электромагнитными взаимодействиями, может происходить либо просто перегруппировка кварков, либо образование (уничтожение) кварк-антикварковых пар с определенными ароматами, либо и то и другое вместе.

5.Слабые взаимодействия играют в природе уникальную роль — они меняют индивидуальность кварков и могут переводить кварк с одним ароматом в кварк с другим ароматом. Таким образом, хотя ароматы несколько напоминают барионный заряд, между ними все же существует очень важное различие. Барионный заряд сохраняется во всех пока нам известных процессах,

вто время как ароматы обладают гораздо меньшей «устойчивостью» и сохраняются только в сильных и электромагнитных взаимодействиях.

Поиски кварков с такими яркими и необычными свойствами

всвободном состоянии проводились в большом количестве экспериментов и отличались значительным разнообразием и изобретательностью. В частности, один из самых чувствительных экспериментов такого типа был проведен на Серпуховском ускорителе вскоре после его запуска. Другой очень красивый опыт,

вкотором искались частицы с дробными зарядами в окружающем нас веществе, представлял собой значительно усовершенствованный вариант опыта Милликена по определению элементарного заряда (§ 197) и был выполнен физиками МГУ. Однако ни в одном из этих и других многочисленных экспериментов кварки найти не удалось.

Вместе с тем исследования свойств адронов все более и более убедительно показывали, что адроны действительно имеют сложную структуру и состоят из кварков. Об этом свидетельствовали опыты, в которых изучалось пространственное распределение электрического заряда и магнитного момента и было обнаружено внутреннее движение кварков в адронах. Удалось

Т а б л и ц а 14. Истинно-элементарные частицы

626 Т а б л и ц а 14 (продолжение)

628 Гл. XXVI. Новые достижения в физике элементарных частиц

Начнем с самых легких барионов — с протонов и нейтронов. Правильные значения квантовых чисел для этих частиц можно получить, если предположить, что их кварковая структура имеет вид p = [uud]

от нейтронов своими электрическими зарядами и значениями изотопических ароматов. Как уже говорилось и в этой и в предыдущей главах, протоны и нейтроны образуют изотопическое семейство нуклонов, т. е. частиц с очень близкими свойствами. Для объяснения этого сходства надо предположить, что сильные взаимодействия u- и d-кварков близки между собой и что кварковые системы, которые отличаются друг от друга только заменой u-кварков на d-кварки, очень сходны по своим основным характеристикам и образуют изотопическое семейство частиц. Отдельные члены такого изотопического семейства можно рассматривать как различные зарядовые состояния одной и той же частицы (в данном случае протон и нейтрон — различные состояния нуклона). Подтверждение такой картины можно получить, если рассматривать свойства мезонов, состоящих из u- и d-кварков и соответствующих антикварков. Здесь могут существовать системы с нулевым барионным зарядом [ud], [du] и [uu] [dd] 1). Они обладают электрическими зарядами +1; −1 и 0. Самые легкие такие системы — это уже известные нам π+-, π−- и π0-мезоны, которые также образуют изотопическое семейство π-мезонов. Интересно отметить, что π+- и π−-мезон — это частица и античастица (как видно из их кварковой структуры). π0-мезон как истинно-нейтральная частица (т. е. частица, у которой все заряды равны нулю) тождественна своей античастице. Принадлежность частицы и античастицы к одному изотопическому семейству является общим свойством всех мезонов, состоящих из u- и d-кварков.

Отнюдь не любые системы, имеющие один и тот же кварковый состав, должны быть близки между собой по свойствам и входить в одно изотопическое семейство. Подобно тому как в атомах могут существовать основные и возбужденные состояния, так и в кварковых системах помимо основных состояний с наименьшими массами возможны и «возбужденные состояния», характеризующиеся большими значениями масс. Если эти «возбужденные состояния» лежат достаточно высоко и могут, излучая π-мезоны, переходить в более низкие состояния, то такие переходы осуществляются благодаря сильным взаимодействиям. При этом «возбужденные состояния» имеют времена жизни, характерные для сильных взаимодействий ( 10−23 с). Как уже

частица, которая часть времени пребывает в состоянии uu, а часть времени —

0

всостоянии dd (т. е. π -мезон).

говорилось раньше, обнаружено очень большое число таких «возбужденных» барионов и мезонов, которые также группируются в свои изотопические семейства. Для «возбужденных» частиц изотопические семейства могут носить и другую структуру — например, среди барионов встречаются группы из 4 частиц

0 = [udd], − = [ddd]; их называют -изобарами, а среди мезонов — «семейства», состоящие только из одной частицы.

Рассмотрим теперь адроны, в которые, помимо u- и d-кварков, входят и кварки с другими ароматами — их называют странные частицы, очарованные частицы и т. д. Продемонстрируем основные особенности кваркового строения таких адронов на примере частиц со странными s-кварками, которые изучены гораздо более полно, чем очарованные и прелестные частицы.

Частицы с s-кварками имеют отличную от нуля странность. Если в состав странного бариона, или, как его еще называют, гиперона, входит всего один странный кварк, то странность гиперона S = −1. Такой частицей является Λ-гиперон или целое изотопическое семейство из трех Σ-гиперонов: Λ0 = [uds] — Λ-гиперон (QΛ = 0, BΛ = 1), и Σ+ = [uus], Σ0 = [uds], Σ− = [dds] — Σ-гипероны, отличающиеся

друг от друга зарядами и значениями изотопических ароматов. Гипероны с двумя странными кварками характеризуются странностью S = −2 и образуют изотопическое семейство из двух частиц, получивших название Ξ-гиперонов. Их кварковая структура Ξ0 = [uss] и Ξ− = [dss], а отсюда легко можно получить значения их квантовых чисел. Существует и Ω−-гиперон со странностью S = −3, состоящий из одних s-кварков: Ω− = [sss]. Так как в Ω−-гиперон не входят u- или d-кварки, то у него нет «близких родственников»: соответствующее изотопическое семейство состоит всего из одной частицы.

Перейдем теперь к странным мезонам. Здесь должны существовать частицы типа [su] и [sd]. Самые легкие из них («основные состояния») получили название K-мезонов и образуют изотопическое семейство из двух частиц: K+ = [su] и K0 = [sd]. Их странность S = +1. Как видно из кварковой структуры этих мезонов, их античастицы образуют

короткоживущих странных частиц. Здесь все обстоит так же, как и для «обычных» частиц из u- и d-кварков.

В последние годы были найдены и другие классы адронов с новыми квантовыми числами, похожими на странность, — очарованные и прелестные барионы и мезоны. В состав этих частиц, помимо рассмотренных ранее u-, d- и s-кварков, входят очарованные c-кварки и прелестные b-кварки. Кварковая модель предсказывает очень большое разнообразие таких новых частиц, представляющих собой все возможные комбинации из трех кварков (барионы) или из кварка и антикварка (мезоны). Пока из всего этого многообразия было обнаружено только