книги из ГПНТБ / Румлянский, П. М. Философия и физика микромира. Системно-структурный анализ и физика частиц

«...взаимодействия фермиоыов представляют собой своеоб­ разные силовые взаимодействия»3 .

Аналогично спину, для элементарных частиц введено еще одно квантовое число: изотопический спин. По нему также выделяется разнообразие элементарных частиц. Аналогично тому как для фермионов во внешнем маг­ нитном поле выделяется два состояния, различающиеся направлением ориентации спинов, так и две частицы — протон и нейтрон — считаются двумя состояниями нукло­ на, различающимися так называемой зетовской проекцией изотопического сппна нуклона. Нуклон с зетовской состав­ ляющей изотопического сппна, равной +1/2, считается протоном, а с —1/2 нейтроном. С учетом связей между нуклонами эти состояния нуклона, как и указанные состоя­ ния фермионов, во внешнем магнитном поле образуют дуб­ лет. Для соответствующих античастиц знак зетовской со­ ставляющей изотопического спина противоположен по от­ ношению к частицам. Различается дублет нуклонов и дублет аитинуклонов, т. е. различается два изомультиплета, представляющие определенные целостные образования. Д л я пи-мезонов как частицы, так и античастицы объеди­ няются в одни изомультиплет. Положительный и отрица­ тельный пи-мезоны выступают как частицы и античастицы, а нейтральный пи-мезон является одновременно и частицей, и античастицей. Последнее дает возможность объединить в один изомультиплет как частицы, так и соответствующие им античастицы. Положительный, нейтральный и отрица­ тельный пп-мезоны соответствуют трем значениям зетов­ ской составляющей изотопического спина: + 1 ; 0; — 1 . У нуклонов нейтральная частица п нейтральная античасти­ ца, не имеющие заряда, не могут обладать п определенны­ ми зетовскими составляющими изотопического спина од­ ного изомультиплета. Поэтому дублет нуклонов и дублет аитинуклонов нельзя объединить в квадруплет. «Сущест­ вование нейтральной частицы и парной ей нейтральной античастицы заставляет делить частицы и античастицы на различные мультпплеты»4 .

Отдельные нейтральные частицы или нейтральные ан­ тичастицы образуют сннглеты. Исходя из этого, для адро-

3 В. С. Готт, А. Ф. Перетурин. Категория «взаимодействия» и припади Паули в физике. «Вопросы философии», 1964, № 3, стр. 84.

4 К. И. Щелкин. Физика микромира, стр. 177.

40

нов выделяются такие различные мультиплеты: триплеты пи-мезонов, сигма-гиперонов, анти-сигма-гипероиов, дуб­

эта-мезона, ламбда-ноль и анти-ламбда-ноль-гипероновт омега-ноль и анти-омега-ноль-гиперонов. Для всех адронов изотопический спин сохраняется в сильных взаимодей­ ствиях, закон сохранения изотопического спина выполняет­ ся. В слабых и электромагнитных взаимодействиях данноесвойство вообще не проявляется. По выражению В. С. Б а - рашенкова, оно является лишь «приближенным свойст­ вом», имеющим смысл лишь тогда, когда эффекты, обу­ словленные разностью масс этих состояний, пренебрежимомалы по сравнению с эффектами, обусловленными основ­ ным типом взаимодействия5 .

Разнообразие элементарных частиц по изотопическому

стемы, структуры изомультиплетов.

В электромагнитных и слабых взаимодействиях нельзя не учитывать разнообразие частиц по массе, ибо эффекты, обусловленные разностью масс отдельных состояний, яв ­ ляются порядка эффекта, обусловленного основным типом взаимодействия. При этом можно говорить о разнообразии множества системы на уровне элементов, связей и отно­ шений, ибо наряду с разнообразием частиц (элементов) для систем элементарных частиц выделяется и разнообра­ зие связей и отношений между отдельными частицами, объединенными в мультиплеты. Так, в области «очень сильного» 5-взаимодействия,— замечает В. Б . Берестецкий,— сохраняется симметрия между протоном и сигма- плюс-гипероном. В области «умеренного сильного» У¥-взаи- модействия этот дублет частиц расщепляется6 .

5 См.: В. С. Варашенков. Развитие физики и законы сохране­ ния. «Вопросы философии», 1967, № 6, стр. 83.

* См.: В. Б. Берестецкий. Динамические симметрии сильновзаимодействующих частиц. Успехи физических наук, 85, 3, 1965, стр. 407.

41

Другим свойством, по отношению к которому выделя­ ется разнообразие элементарных частиц, является стран­

смещения среднего заряда различных мультиплетов. Мультиплеты барионов рассматривались ими по отношению к нуклониому дублету, а мультиплеты мезонов — по отно­ шению к мезонному триплету пионов. Странность опре­ деляется как удвоенное значение смещения среднего электрического заряда семейства по отношению к центру пуклонного дублета или ппоиного триплета. Разнообразие элементарных частиц по странности выделяется следую­ щим образом: с нулевой странностью или обычными яв ­

анти-ламбда-ноль-гиперои, аити-сигма-плюс, анти-спгма- поль и анти-сигма-мииус-гипероиы; —1 — ка-минус и ан- ти-ка-ноль-мезоны, ламбда-ноль-гиперон, сигма-плюс, сиг­

элементарных частиц можно выделить и по другим свой­

пулевом для мезонов. Суммой ж е бариониого числа и странности определяется повое свойство элементарных частиц — гиперзаряд. Свойства странности и бариониого числа, а следовательно, и гиперзаряда сохраняются в силь­ ных взаимодействиях. В электромагнитном п слабом вза­ имодействиях оно не сохраняется, в слабых — странность, например, меняется на единицу.

Значит, по барпонному числу, странности и гиперзаря­ ду можно выделить разнообразие элементарных частиц, объединить их в определенные системы и постропть для них мультиплеты частиц с учетом разнообразия связей и отношений между ними, ибо при одних силах взаимо­ действия эти мультиплеты возможны, а при других они невозможны. Так, в электромагнитном и слабом взаимодей­ ствиях частиц мультиплеты их, объединенные по изотопи­ ческому спину, распадаются. Аналогичные явления наблю­ даются и в отношении других свойств микрочастиц — как пространственной четности и зарядового сопряжения. Эти свойства в отдельности в слабых взаимодействиях нару-

42

шаются, сохраняется же новое свойство — комбинирован­ ная СР-ииверсия. Последнее предполагает одновременное изменение частиц на античастицы (С-инверсия) и левое на право (Р - инверсия) .

Разнообразие элементарных частиц выделяется также по лептонному заряду для лептоиов, по джи-четности для мезонов и мезоиных резонаисов7 и др.

Таким образом, получение новой информации об эле­ ментарных частицах связано с изучением их разнообразия, различия частиц по массе, электрическому заряду, спину, изотопическому спину, странности, барионному числу, ги­ перзарядам, лептонному заряду, зарядовому сопряжению, пространственной и джи-четности и др. К тому же для системы элементарных частиц, мультиплетов наряду с разнообразием элементов системы выделяется также и раз­ нообразие связей и отношений. Микрочастицы способны вступить в сильные, электромагнитные, слабые и гравита­ ционные взаимодействия. В одних взаимодействиях один свойства проявляются, в других — не проявляются. К тому ж е между самими свойствами элементарных частиц име­ ются определенные отношения. Известны, например, отношения между двумя свойствами, как например, между электрическим зарядом и зетовской составляющей изото­

между совокупностью свойств. Отношение, например, ме­ жду странностью, барионным зарядом (сумма которых выражает гиперзаряд), электрическим зарядом и зетовской составляющей изотопического спина выражается соотно­

зей и отношений между отдельными свойствами этих эле­

8 Мультиплетность выражает число частиц в изомультиплетах.

43

чением соотношений между ними. Связь между барионным числом, странностью и гвперзарядом, а также между электрическим зарядом и зетовской составляющей изото­ пического спина позволяет при объединении частиц учи­ тывать лишь разнообразие их по гиперзаряду и зетовской составляющей изотопического спина. Так, в 5 £ / 3 - симме - трпп, названной симметрией унитарной унимодулярной группы в трех измерениях, двумя измерениями с л у ж а т гиперзаряд и зетовская составляющая изотопического спи­ на, третьим — изотопический спин. В 5 ( / 3 - г р у п п а х унитар ­ ные мультиплеты объединяют различные по изотопическо­ му спину изомультиплеты (в изомультиплетах все объеди­ ненные частицы имеют одинаковый спин) .

Рассмотрим, к примеру, мультиплеты в схеме «восьме­ ричного пути». В основе этой схемы, развиваемой ГеллМанном и Неемаиом, лея^ат следующие характеристики элементарных частиц: три компонента изотопического спи­ на; гиперзаряд Y, две симметрии, уменьшающие или уве­ личивающие Y на единицу, не имея электрического заря ­

«Восьмеричный путь» полагает объединение различных изотопических мультиплетов в отдельные унитарные муль­ типлеты, характеризуемые определенными значениями спинов, а также пространственной четностью. Все объеди­ ненные в рамках отдельных унитарных мультиплетов изо­ мультиплеты тождественны в отношении спина и про ­ странственной четности. Аналогично и отдельные частицы, объединенные в отдельные изомультиплеты, тождественны в отношении изотопического спина. Д л я адронов согласно «восьмеричному пути» выделены следующие унитарныемультиплеты: барионный унитарный октет со спином и чет­

9 См.: Дж. Чу, М. Гелл-Манн, А. Розенфельд. Сильно взаимо­ действующие частицы. В сб.: Над чем думают физики, вып. 3. Эле­ ментарные частицы. М., «Наука», 1965, стр. 103—108.

44

/ р = 0 _ ; мезонный октет / р = 1 _ и соответствующие супермультиплеты из анти-частиц1 0 . Тем самым бесконечное разнообразие элементарных частиц сведено к конечному разнообразию супермультиплетов (частиц), различающих­ ся значениями спинов и простраиственной четности. Все элементарные частицы, объединенные в унитарные мультиплеты, считаются различными состояниями одной и той ж е частицы. Эта частица представлена унитарным мультиплетом. Например, 34 различные частицы могут рас­

мультиплеты, тождественны в отношении значения изо­ топического спина. Переход от элементарных частиц к изотопическим мультиплетам связан с ограничением раз­ нообразия по изотопическому спину. Переход ж е от изомультиплетов к построению унитарных мультиплетов связан и ограничением разнообразия частиц (изомультпплетов) по спину, ибо в унитарных мультиплетах все изомультиплеты тождественны в отношении значений спи­ на. В унитарных мультиплетах добавляется наряду с изоспиновой независимостью также и спиновая. Тогда частицы, представленные унитарными мультиплетами, считаются разнообразными в отношении спина и простран­

и пространственной четности, но разнообразны в отноше­ нии изотопического спина. Все известные элементарные частицы наряду со спином и изотопическим спином раз­ нообразны также и в отношении заряда, массы и др. Все они считаются различными состояниями одной и той ж е частицы, представленной тем или иным мультиплетом.

Объединение элементарных частиц в мультиплеты свя­ зано с ограничением разнообразия совокупности по опреде­ ленным свойствам, характеристикам микрочастиц. Близким

физики элементарных частиц. «Вопросы философии», 1965, № 9,

элементарных частиц. М., «Мир», 1968.

45

С ограниченным количеством разнообразия В. Гейзеиберг связывает понятие фундаментальной материи, спинорного поля. Уравнение фундаментального спинорного поля, на­ званного им «праматерией», инвариантно, во-первых, от­ носительно ряда линейных преобразований по отношению к группам Лоренца (инвариантность этих уравнений от­ носительно преобразований Лоренца приводит к сохране­ нию энергии, импульса и другим характеристикам) . Вовторых, оно инвариантно и по отношению к группе изоспина (сохраняются три компонента полного изоспина), нарушающейся для электромагнитных взаимодействий, а также по отношению к масштабной инвариантности (игра­ ющей роль для частиц с нулевой массой покоя), наруша ­ ющейся для частиц с ненулевой массой. Указанное урав­ нение инвариантно, в-третьих, также относительно кали ­ бровочного преобразования. Последним объясняется сохранение бариоииого числа и других свойств. Учиты ­ вается этим уравнением также релятивистская причин­ ность1 3 .

То, что уравнение «праматерии» инвариантно относи­ тельно ряда линейных преобразований, что связаио с со­ хранением определенных свойств микрочастиц, означает ограничение разнообразия микрочастиц по этим свойствам и вместе с тем ограничение разнообразия элементов, свя­

поле является дираковским спииориым, характеризуемым полуцелым спином.

В связи с этим укажем на относительность понятий по­ ле и частица в квантовой теории элементарных частиц. «Понятия частицы и поля объединяются в едином поня­ тии квантового поля» 1 4 . Такой подход позволяет рассмо­ треть соответствие определенных «частиц» квантовому спинорному полю.

К а к фермионы, бозоны, так и частицы с большими зна­ чениями спинов представляют собой различные состояния

1 3 Подробнее см.: В. Гейзенберг. Введение в единую полевую теорию элементарных частиц, стр. 45—53.

14 В. Я. Файнберг. Специфические черты квантовой теории элементарных частиц. В сб.: Философские проблемы физики эле­ ментарных частиц. М., Изд-во АН СССР, 1964, стр. 31.

46

В. Гейзенберга получается из уравнения фундаменталь­

даемой полевым оператором %{х) или произведением та­ ковых, и из одного или нескольких спурионов»1 5 . Под спуриоиом в данном случае понимается оператор, не име­ ющий лореицовых свойств, но обладающий определенными свойствами в изопространстве. С «присоединением» спуриона к нормальной частице она превращается в стран­ ную. А то, что собственная функция ка-мезона зависит от

Это свидетельствует о том, что ка-мезон связан с большим количеством разнообразных структурных элементов, свя­ зей и отношений между ними, что ка-мезоиы по высоте' структурной организации более развиты, чем частицы фун­ даментальной материи.

И подобно тому как элементарные частицы при объ­ единении их в супермультиплеты считаются различными состояниями одной и той же частицы, представляемой супермультиплетом, или возбужденными состояниями ка­ кой-то одной частицы, так и в спинориой теории В. Гей­ зенберга элементарные частицы считаются возбужденными состояниями фундаментального спинорного поля. Возбуж­ дение этого поля должны дать все сильно взаимодейству­ ющие частицы и фотоны.

Подход В. Гейзенберга перспективен, ибо позволяет формализовать отдельные состояния частиц, вывести из уравнения фундаментальной материи уравнения, характе­ ризующие состояния как нормальных, так и странных частиц, как фермиоиов, так и фотонов. В спинорной те-

15 В. Гейзеиберг. Введение в единую полевую теорию элемен­ тарных частиц, стр. 141.

1 6 Там же, стр. 145.

47

ории В. Гейзенберга выводится также уравнение, харак ­ теризующее состояние фотона, что является знаменатель­ ным фактом. Анализируя унитарные мультиплеты частиц, нами указывается, что восемь частиц: протон, ламбдагиперон, положительный, нейтральный и отрицательный «игма-гипероны, отрицательный и нейтральный кси-гипе-

графике зависимости гиперзаряда от зетовской составляю­

•спин и четности. Но кроме октета, «восьмеричный путь» •привел к супермультиплетам, содержащим 10, 27 и более частиц.

Из теории 5 С з следует также и один исключительно интересный график: перевернутый правильный треуголь­ ник, где ни одна из частиц не совпадает с вершинами треугольника. Если аналогично, как в октете и декаплете, отождествить вершины треугольника с определенными частицами, то получится, что должны существовать части­ цы с необычными свойствами, с дробным электрическим и гиперзарядом. Эти частицы названы были кварками, соответствено Р, п, к. Комбинациями этих необычных частиц п их античастиц можно получить все известные элемен­ тарные частицы. Эти структурные модели элементарных частиц стали называть кварковыми.

Системно-структурный подход к исследованию мнкролбъектов применим и при анализе кварковых моделей элементарных частиц, построенных аналогично «восьме­ ричному пути». Но в данном случае роль структурных элементов принадлежит гипотетическим объектам — квар ­ кам. Кварки связаны с ограниченным разнообразием, тож­ дественны по барионному числу и спину, разнообразны лишь по странности и электрическому заряду. Так, в кварковой модели частиц, предложенной Гелл-Манном и Цвей­ гом, фундаментальными частицами считаются три стро­

48

Н а р я ду с разнообразием кварков в отиошешш стран­ ности и электрического заряда полагается разнообразие и самих целостных образований. Комбинируя кварки и ан­ тикварки различным образом, можно получить мультиплеты для мезонов и бариоиов. Мезоны, например, состоят из одного кварка и одного аитикварка, т. е. из двух раз­ личных частиц, бариоиы — сочетание из трех кварков, аитибариоиы — из трех антикварков. И так как для барионов и антибарионов различают три структурных эле­ мента, а для мезонов лишь два, то с этой точки зрения понятно, что барионы сложнее мезонов. С помощью квар ­ ков объяснимы мультиплеты St/з-симметрии, как, напри­ мер, барионный декаплет со спином 3 /г, бариониый октет со спином '/г, мезонный пи-октет с нулевым спином, мезоиный ро-октет с единичным спином 1 7 и др.

Для еще больших мультинлетов S [/3 -симметрия обоб­ щается в 5(/б-симметршо, в которой наряду с изосппновой независимостью добавляется еще и спиновая. Элемен­

ным направлением спинов (и соответствующие им антнкварки) . Например, для объяснения бариониого 756-плета за структурные элементы в таких моделях берется четыре кварка и один антикварк 1 8 . Таким образом, с учетом вна­ чале трех, а затем шести кварков и антпкварков выдви­

ных частиц и кварки «в изложении для пешеходов». Успехи фи­

В сб.: Экспериментальные исследования частиц. М., «Знание», 1967.