книги из ГПНТБ / Афонин А.А. Частицы, поля, кванты

В общем случае при произвольном изоспине Т в муль­ типлете содержится (2Т+1) частиц.

Таким образом, все адроны могут быть объединены в изотопические мультиплеты. Одной из основных харак­ теристик сильных взаимодействий является сохранение полного изоспина и его проекции для всех частиц, участ­ вующих в каждом конкретном процессе. Слабое и элек­ тромагнитное взаимодействие нарушает этот закон со­ хранения.

Мы ввели уже две новых характеристики адронов: барионное число (обозначим его А) и изоспин. Оказыва­ ется, что для многих адронов электрический заряд мо­ жет быть просто выражен через проекцию изоспина и барионное число:

С>=(тз+4Л)-е-

Здесь «е» — элементарный электрический заряд.

Но не все частицы удовлетворяют этому соотноше­ нию. Существует, например, изотопический дублет К-ме- зонов: К — отрицательно заряженный и К — нейтраль­ ный. Поскольку это мезоны и они составляют дублет, то

А = 0; Т = - 2~; Т3= ± Но тогда, согласно приведенной

выше формуле, заряды К-мезонов должны были бы быть

равны либо либо — что неверно. И таких

частиц довольно много. Они были названы странными. Чтобы объяснить заряд этих частиц, потребовалось при­ писать им новую характеристику «странность» и соответ­ ствующее число (обозначим его латинской буквой Б) включить в формулу для заряда.

<2= ^ 7 » —

92

мезонов 5 = 0.

В таком виде формула справедлива для всех извест­ ных в настоящее время адронов. К «странности» можно подойти и с другой стороны.

Положим, как и раньше, что слабое и электромагнит­ ное взаимодействия «выключены». Тогда К-мезоны не могут распасться на лептоны и фотоны, но еще ничто не запрещает им превратиться в я-мезоны, масса которых в четыре с лишним раза меньше массы К-мезона. Но это­ го не происходит. Поэтому физики вынуждены были вводить еще одну сохраняющуюся величину. Это и есть «странность». Именно она запрещает К-мезонам превра­ щаться в л-мезоны. В сильных взаимодействиях эта ве­ личина сохраняется. Включение слабых и электромаг­ нитных взаимодействий приводит к нарушению и это­ го закона сохранения.

Три вновь введенных закона сохранения (странности, изоспина и барионного числа) вместе с прежними зако­ нами сохранения энергии, импульса, момента позволяют объяснить все многообразие превращений адронов, обу­ словленных сильными взаимодействиями.

Как уже упоминалось, Д. И. Менделеев, пользуясь созданной им периодической таблицей химических эле­ ментов, сумел успешно предсказать целый ряд неизвест­ ных тогда элементов. Это тогда справедливо рассматри­ валось как триумф предложенной им классификации.

С помощью систематики элементарных частиц не ме­ нее успешно были предсказаны некоторые элементарные частицы. Приведем лишь один пример. Были известны две частицы 2 —барионы с приблизительно (с точностью около 0,5%) равными массами: одна с положительным

93

зарядом, другая—с отрицательным. Относительно их бы­ ло также известно, что Б = — 1. Квзалось, эти частицы дол­ жны принадлежать изотопич’ескому дублету. Но тогда, согласно полученной выше формуле, их заряды были бы полуцелыми

чего не может быть. Следующее по простоте предполо­ жение состоит в том, что Т = 1, Тогда проекция изоспина может быть равна 1, 0 или — 1 и должна, следовательно, существовать еще одна 2-частица, нейтральная. Вскоре она была обнаружена.

Несомненно, что успешные предсказания такого рода нужно рассматривать как успех предложенной система­ тики элементарных частиц. Но развитие систематики на этом не кончилось. Буквально в течение последних двух­ трех лет мы стали свидетелями нового скачка в этом направлении.

Благодаря резкому увеличению числа известных ад­ ронов стало возможным вскрыть более глубокую их сим­ метрию. Именно удалось выяснить, что существует еще один тип взаимодействия адронов, названный умеренно сильным. Электромагнитное взаимодействие изменяет массу адронов на несколько десятых долей процента, на­ рушая тем самым равенство масс частиц из одного мультиплета. Из-за малости этих нарушений симметрия ад­ ронов, связанная с изоспином, выступает все же доволь­ но ясно.

Умеренно сильное взаимодействие приводит уже к более существенным изменениям масс частиц, достигаю­ щим 20%. Если попытаться все же выделить эффекты* обусловленные этим взаимодействием, то есть считать его выключенным наряду со слабым и электромагнитным

94

взаимодействием, то окажется, что все барионы (8 час­ тиц) следует считать равной массы. Поэтому они объеди­ няются в одно семейство. То же самое произойдет и с мезонами. Их также восемь. Эти два семейства назы­ ваются соответственно октет барионов и октет мезонов.

Здесь мы видим, что в одно семейство объединяются уже различные изомультиплеты. Так, например, октет барионов состоит из дублета нейтрона и протона, синглета (то есть изомультиплет с одной частицей) Я-бариона, триплета 2-барионов и дублета Е барионов (см. соответ­ ствующие буквы греческого алфавита).

Аналогичным образом разобьются по семействам все остальные адроны.

Открытие этой более глубокой симметрии адронов дало, естественно, значительно больше предсказаний от­ носительно их свойств, чем на предыдущем этапе. Был, например, предсказан и вскоре найден необычный ба-

предсказан в старой систематике, где отдельные изо­ мультиплеты были никак не связаны. Действительно, эта частица сама представляет собой изомультиплет, то есть, помимо ее, в изомультиплете других частиц нет. А предсказание могло быть основано, как это видно на разобранном выше примере с 2°-барионом, только на изучении уже известных частиц из одного изомультиплета.

Были получены также правильные соотношения меж­ ду массами элементарных частиц, отношение магнитных моментов протона и нейтрона и т. д.

Но, может быть, наиболее интересным является то, что в данной систематике естественно содержатся совсем необычные частицы с дробным электрическим зарядом и барионным числом. Их всего три, и названы они квар-

95

ками. Обозначим первые две малыми латинскими бук­ вами р и п, а третью — малрй греческой буквой К (ламбда).

Все кварки имеют спин, равный половинке, и барион-

ное число А =

Странность кварков р и п равна нулю, а у кварка

к Б = — 1.

Электрический заряд у п и к одинаковый и равен

-----е. У кварка р он противоположен по знаку и в

два раза больше по величине.

Кроме того, к новой систематике легче всего прийти, предположив, что все адроны составлены из кварков и антикварков. Последние имеют противоположные по зна­ ку электрический заряд, барионное число и странность. При этом барионы всегда будут состоять из трех квар­ ков, а мезоны — из кварка и антикварка. В результа­ те получится вся новая систематика адронов.

Таким образом, все устроено так, как если бы в при­ роде существовали кварки. По этой причине были пред­ приняты попытки найти эти частицы на эксперименте, но пока безуспешно. В настоящее время существуют раз­ ные мнения относительно их существования. Может быть, почти все кварки объединились в адроны и в сво­ бодном состоянии встречаются чрезвычайно редко? А мо­ жет быть, они вовсе не существуют как физические объ­ екты, являясь просто математически удобным способом описания вновь открытой симметрии адронов?

Ответы на эти вопросы явились бы чрезвычайно важ­ ными, а может быть, и решающими на пути создания теории элементарных частиц.

Крупный советский ученый Я. Б. Зельдович в ответ на вопрос о существовании кварков приводит, например, следующую аналогию:

98

Далее естественно попытаться включить в эту теорию другие заряженные частицы. Но, помимо р-мезона, все остальные заряженные частицы являются адронами, то есть частицами, взаимодействующими сильно.

Электромагнитные эффекты малы по сравнению с сильными и, как правило, проявляются на фоне послед­ них как малые изменения. Это было бы не так страшно' если бы существовала теория сильных взаимодействий. Но, как мы увидим далее, ситуация там весьма неопре­ деленная. Следовательно, остается пока только р-мезон. Помимо электромагнитных взаимодействий, он может участвовать еще в слабых, то есть является лептоном. Поскольку электромагнитное взаимодействие гораздо сильнее слабого, то последнее при изучении электромаг­ нитных свойств р-мезона можно считать выключенным. Тогда р-мезон будет такой же стабильной частицей, как фотон, электрон и позитрон.

Обнаружилось, что во всех электромагнитных взаи­ модействиях р-мезон ведет себя так же, как электрон, исключая, конечно, те тривиальные кинематические от­ личия, которые обусловлены неравенством масс. Настоя­ щий парадокс!

Чем же тогда объяснить такое колоссальное разли­ чие в их массах? Ведь масса р-мезона более чем в 200 раз больше электронной! В сильных взаимодействиях он не участвует. Очень трудно предположить, чтобы такая громадная разница была обусловлена слабым взаимо­ действием. И р-мезон до сих пор остается одной из са­ мых загадочных элементарных частиц.

Следующей по степени завершенности является тео­ рия слабых взаимодействий. Надо сразу же оговориться, что степень эта весьма невелика. Еще более малая кон­ станта связи, чем в электродинамике, казалось бы, так­ же позволяет воспользоваться теорией возмущений. Дей­

100

ствительно, с помощью первого порядка этой теории уда­ лось объяснить многие экспериментальные факты. Но при попытке уточнить теоретические вычисления с по­ мощью учета следующих порядков теории возмущений вместо разумного численного результата получим беско­ нечность. В квантовой электродинамике спасительной в такой ситуации оказалась процедура перенормировок. Но здесь она бессильна. Дело в том, что в этом случае перенормировать нужно каждый порядок теории возму­ щений, то есть число перенормировок бесконечно велико. Поэтому невозможно связать эту процедуру с переопре­ делением физических величин массы и'заряда. Такая теория называется неперенормируемой.

Таким образом, имеющееся в первом порядке согла­ сие теории и эксперимента, вообще говоря, «висит в воз­ духе». Успокаивать может только то, что эксперимент пока не настолько точный, чтобы требовать следующих порядков для своего объяснения. Иными словами, точ­ ность первого порядка теории возмущений сейчас вполне достаточна.

Следующей отличительной чертой слабых взаимодей­ ствий является отсутствие частицы-переносчика. Объяс­ ним, что это такое.

Электромагнитное взаимодействие между заряжен­ ными частицами осуществляется с помощью фотонакванта электромагнитного поля и представляет собой по­ переменное испускание фотона одной заряженной части­ цей и поглощение другой. Иначе говорят, что фотон играет роль переносчика электромагнитных взаимодей­ ствий.

Переносчиком сильных взаимодействий между барионами являются мезоны. Переносчик же слабых взаимо­ действий неизвестен. Неясно даже, существует ли он во­ обще. Известно только, что если такая частица существу­

101

ет в природе, то она должна обладать спином, равным единице.

Но физики доказали, что даже открытие этого мезона не сделает теорию слабых взаимодействий перенорми­ руемой.

Со слабым взаимодействием связаны недавние откры­ тия по несохранению четностей. Выясним кратко смысл этих открытий.

Уже, по-видимому, ни у кого не вызывает сомнений то, что почти всем частицам соответствуют античастицы: электрону — позитрон, нуклону — антинуклон, л+-мезо- ну — я~-мезон и так далее. При переходе от частицы к античастице все квантовые числа меняют знак: электри­ ческий заряд, барионное число, странность. Операция такого перехода называется зарядовым сопряжением. Долгое время считалось, что если в любом возможном в природе процессе, в котором участвуют элементарные частицы, заменить все частицы на античастицы, а анти­ частицы на частицы (то есть сделать зарядовое сопря­ жение), то получится процесс также возможный. Причем установлению такой точки зрения предшествовали дол­ гие и трудные раздумья физиков. Тот факт, что всегда, когда это можно ожидать, для частицы находится ее ан­ тичастица, в конце концов убедил их в этом мнении.

Но вот в 1957 году выяснилось, что это не так. Оказа­ лось, что слабое взаимодействие нарушает эту симме­ трию, то есть оно меняется при зарядовом сопряжении. Было, например, найдено различие в распадах р+-мезо- на и ее античастицы — р'-мезона. Однако в сильных и электромагнитных взаимодействиях полная симметрия частиц и античастиц по-прежнему остается.

1957 год принес еще одно крупное открытие. Оказа­ лось, что слабое взаимодействие нарушает симметрию между правым и левым.

102