книги из ГПНТБ / Богуш А.А. Элементарные частицы

и в обратную, т. е. при столкновении конеч­ ных частиц они должны с той же скоростью превращаться в начальные. В то время неявно предполагалось, что в процессе сильного взаи­ модействия как К0, так и Л° могут появляться поодиночке. Отсюда в соответствии с принци­ пом обратимости и вытекало, что каждая из этих частиц по отдельности должна распадать­ ся примерно за 10~23 сек.

Выход из этого противоречия был найден А. Пайсом и И. Намбу. Они предположили, что вместе со странной частицей А0 или К0 рожда­ ется еще по крайней мере одна частица. Толь­ ко при встрече с последней может произойти реакция, обратная той, в которой она появи­ лась. Но поскольку после образования, напри­ мер, Л°-гиперона и какой-то другой частицы они разлетаются друг от друга на достаточно

,большие расстояния, то обратная реакция и не может произойти. Представленный самому се­ бе А°-гиперон не обязан распадаться по силь­ ному взаимодействию. Именно в этом может таиться причина довольно большого времени

жизни этой частицы.

Догадка Пайса и Намбу подтвердилась. В первых же экспериментах, выполненных на мощных ускорителях, было обнаружено, что в одном и том же процессе столкновения я-ме- зона высокой энергии с протоном обе частицы К0 и А0 рождаются одновременно, в паре друг с другом. Впоследствии оказалось, что парное рождение является общим свойством всех

142

странность. Парное рождение странных частиц напоминает парное рождение электрона и по­ зитрона, бариона и антибариона, хотя и не сов­ сем похоже на них, так как пара странных ча­ стиц не обязательно состоит из античастицы и частицы. Оно более похоже на парное рож­ дение электрона и антинейтрино.

Одиночное рождение позитрона и антибари­ она запрещено законами сохранения элек­

трического и барионного зарядов. Так как оди­ ночное рождение странных частиц не наблю­ дается, естественно и для странных частиц ввести свой «заряд», сохранение которого за­ прещало бы их рождение в одиночку. Этот свое­ образный заряд, т. е. число, указывающее на степень странности частицы, и получил назва­ ние с т р а н н о с т ь . Нуклонам и пи-мезонам, не проявляющим никаких странных свойств, следует приписать нулевое значение странно­ сти, а каждой из странных частиц, рождаю­ щихся в паре друг с другом,— значения стран­ ности, равные по величине и противоположные по знаку. Тогда во всех процессах рождения странных частиц странность будет сохранять­ ся, т. е. алгебраическая сумма странностей ча­ стиц до и после реакции будет одинакова. В частности, если, как это принято, приписать /С°-мезону странность, равную +1, а рождаю­ щемуся в паре с ним Л°-гиперону странность, равную —1, то сумма странностей пары К0 и Л°, как и сумма странностей сталкивающихся пи-мезона и нуклона, будет равна нулю.

Вместе с тем требование сохранения стран­ ности запрещает появление в процессах столк-

143

нсвения пи-мезонов с нуклонами одиночной странной частицы, так как при этом странность изменилась бы на единицу. Таким образом, это требование разрешает реакции, которые на са­ мом деле происходят, и запрещает те из них, которые не наблюдаются.

В настоящее время по тому же принципу на основе реакций, в которых странные части­ цы рождаются парами, установлены значения странности всех таких частиц и их античастиц

(ср. табл. 1 и 2).

Как уже отмечалось, наличие хотя бы од­ ного отличного от нуля заряда обязательно связано с существованием античастицы, с про­ тивоположным по знаку значением этого заряда. Роль такого заряда, по которому мож­ но отличить частицу от античастицы в случае электрически нейтральных частиц, может играть странность. Поэтому у К°-мезона, странность которого равна +1, есть своя анти­ частица со странностью —1 анти-ка-ноль-ме-

зон (К0). Точно так же наряду с А°-гиперо- ном со странностью —1 существует А°-гиперон со странностью +1.

Теперь требование сохранения странности, единым образом применяемое к большому ко­ личеству реакций, приобретает характер зако­ на, управляющего некоторыми явлениями ми­

странных частиц закон сохранения странности оказался справедливым й для реакций взаи­ модействия между странной и нестранной ча­ стицами. Например, в результате столкнове-

144

ния /( -мезона, странность которого равна —1, с не имеющим странности протоном в соот­ ветствии с этим законом рождается или одна частица со странностью —1 (Л°, 2+, 2 _, 2°) в паре с пи-мезоном, или несколько странных частиц, сумма странностей которых равна —1 (Е~ и К+, Е° и К0, Е- и К+) (см. табл. 2). В то

же время рождение А° или 2~, 2°, £+ в таком столкновении никогда не наблюдается, так как при этом странность изменилась бы на 2.

Таким образом, закон сохранения странно­ сти является общим законом для сильных взаи­ модействий. Он разрешает лишь те процессы, в которых сумма странностей до реакции и после реакции одна и та же, и запрещает такие процессы, в которых это требование не выпол­ няется.

Однако этот закон, справедливый для силь­ ного взаимодействия, не обязан выполняться в слабых взаимодействиях. Тем не менее, как показывает опыт, его нарушение не является произвольным. Оказывается, что во всех про­ цессах слабого взаимодействия с участием странных частиц странность меняется не боль­ ше чем на единицу.

Более глубокий смысл понятия странности раскрывается в ее тесной связи с изотопи­ ческими свойствами странных частиц, установ­ ленной М. Гелл-Манном и К. Нишиджимой в 1952 г. Эта связь и позволила предсказать мультиплеты странных частиц задолго до их экспериментального открытия. Ее сущность станет понятной, если мы уясним себе более

отчетливо различие между отдельными изото­ пическими мультиплетами.

Значение изотопического спина Т еще не полностью определяет, из каких конкретно ча­ стиц состоит мультиплет. При одном и том же Т, т. е. при равном числе частиц, мультиплеты могут быть как барионными, так, и мезонными и могут содержать частицы с различными со­ четаниями электрических зарядов. Эту неопре­ деленность можно устранить, если наряду с изо­ топическим спином Т задать барионный заряд

В и средний электрический заряд О, мультиплета. Последний определяется как среднее арифметическое всех зарядов. Вместо средне­

го заряда <2 обычно пользуются его удвоен­

ной величиной 2 (2 = У, которая носит название г и п е р з а р я д а .

Три числа Т, В и У полностью определяют изотопический мультиплет.

Пусть, например, мультиплет характеризу­ ется совокупностью чисел Т = 1/2, В —1, У=1. Так как В = 1, мы сразу заключаем, что это ба­ рионный мультиплет. Значение изотопического спина Г = 72 дает нам число частиц в мульти­ плете. По формуле N = 21+ 1 находим, что их две. Величина гиперзаряда У = 1 свидетельст­ вует о том, что средний электрический заряд двух частиц мультиплета равен + 1/2. Если учесть, что заряды частиц выражаются целы­

ми числами, то такое значение С} может быть лишь в том случае, когда заряд одной частицы равен +1, а второй —0.

Таким образом, тройка чисел Т = '/ 2, В= 1, У = 1 определяет мультиплет из двух барионов

146

(барионный дублет) с электрическими заря­ дами + 1 и 0. Аналогичным образом найдем, что совокупность чисел 7=1, В = 0, У = 0 опре­ деляет мультиплет из трех мезонов (мезонный триплет) с электрическими зарядами +1, 0 и

—1. Эти два мультиплета естественно отожде­ ствить с нуклонным дублетом и пп-мезониым триплетом соответственно.

После открытия странных частиц А0 и К0 казалось естественным считать, что А0, как барион, является членом барионного дублета, а /(-мезоны, подобно пи-мезонам, образуют три­ плет. Однако, кроме двух /(-мезонов, К0 н К +, никаких других частиц, похожих на /(-мезоны, не было обнаружено. Точно также никто не смог обнаружить заряженную лямбда-частицу. Гелл-Манн н Нишиджима, сопоставляя эти факты со «странным» поведением этих частиц, предположили, что странность /(-мезонов и А-гиперона как раз в том и заключается, что /С° и /(+-мезоны образуют не мезонный три­ плет, а мезонный дублет, в то время как А-ги- перон не является членом барионного дубле­ та, а сам по себе образует самостоятельный ба­ рионный синглет. При этом, как легко видеть, дублет /(-мезонов будет определяться набором чисел 7=1, В = 0, У = 1, а синглет А — тройкой чисел 7 = 0, 5 = 1 , У = 0. Но если это так, то число, обозначающее величину странности, должно как-то быть связано с тройкой чисел, характеризующей тот или иной мультиплет. Сопоставляя наборы троек чисел 7, В, У для нуклонов (Л') и пи-мезонов (я), с одной сторо­ ны, с соответствующими наборами 7, В, У для Л'-'-гиперона (А) и /(-мезонов (К), с другой

147

стороны, легко заметить, что для нестранных мультиплетов (А') и (л) барионный заряд ра­ вен гиперзаряду, т. е. В=У, в то время как в случае странных частиц (А и К) В ф У .

В связи с этим Гелл-Манн и Нишиджима предположили, что мерой странности является значение разности барионного заряда В и ги­ перзаряда У. Действительно, в случае нукло­ нов и пи-мезонов, странность которых равна нулю, разность У — В также дает нуль. В то же время разность У — В для мультиплетов странных частиц отлична от нуля и также сов­ падает со значением странности, а именно для

Гелл-Манн и Нишиджима выдвинули сме­ лую гипотезу, что эта формула справедлива для всех без исключения изотопических муль­ типлетов. Такое обобщение и дало им возмож­ ность по некоторым отрывочным эксперимен­ тальным данным предсказать существование целого ряда новых странных частиц и опреде­ лить, в какие изотопические мультиплеты они входят.

Однако, прежде чем рассказать об этом, видоизменим формулу (24) так, чтобы она была справедлива для каждой отдельной ча­ стицы мультиплета. Точно так же, как все ча­ стицы одного и того же мультиплета, облада­ ют одним и тем же барионным зарядом В, они,

148

как следует из формулы (24), обладают од­ ной и той же странностью 5. В то же время гиперзаряд как величина, усредненная но всем зарядам частиц в мультиплете, в отличие от бариониого заряда и странности имеет смысл только лишь по отношению к мультиплету в целом. Отдельная частица характеризуется просто электрическим зарядом. Поэтому, что­ бы формулу (24) переписать для отдельной частицы, нужно связать гиперзаряд с электри­ ческим зарядом этой частицы. Это можно сде­ лать, воспользовавшись зетовой компонентой изотопического спина 73, характеризующей за­ рядовое состояние частицы. Легко проверить, что для всех четырех мультиплетов, упомяну­ тых выше, электрический заряд любой частицы мультиплета определяется общей формулой

Так, например, средний электрический заряд дублета нуклонов равен + ’/2, а Т3= + 1/2 для протона и —'/г Для нейтрона. В результате формула дает <3= + 1 для протона и С} = 0 для нейтрона, что соответствует действительности. Подставляя в формулу (25) В + 5 вместо У (см. формулу (24)), получим основное соотно­ шение Гелл-Манна — Нишиджимы:

Обратимся теперь к следствиям из формул (24) и (25), полагая, что они справедливы для любого возможного мультиплета.

Ярким примером плодотворного примене­ ния формул (24) и (25) является история

149

открытия ксн-ноль-гиперона Е°. Эта частица была предсказана единственно из фактов существования кси-минус-гиперона и его сла­ бого распада на А0 и я - . На основе этих дан­ ных были определены барионный заряд (-6 = 1) и странность Е°-гиперона, оказавшаяся равной минус два. Из формулы (25) сразу полу­ чалось, что Г3— зетовая компонента изотопи­ ческого спина Е°-гиперона равна—У2. Отсюда

Е-гиперонов должно быть равно двум, а элек­ трический заряд второго гиперона с проекцией изотопического спина 7'з= + 1/2, согласно (25), должен быть равен нулю. Так был теорети­ чески предсказан кси-ноль-гиперон, экспери­ ментально обнаруженный в 1959 г.

Аналогичным образом был предсказан триплет сигма-гиперонов (2) и их античастиц,

одна из которых 2+-гиперон была обнаруже­ на советскими физиками в 1960 г. на синхро,- фазатроне в Дубне. К настоящему времени существование всех предсказанных на основе схемы Гелл-Манна — Нишиджимы странных частиц и их античастиц подтверждено экспе­

Закон сохранения странности в отличие от закона сохранения изотопического спина спра­ ведлив не только для сильных взаимодействий. В этом можно убедиться, внимательно проана­ лизировав формулу Гелл-Манна — Нишиджи­ мы (25). Как из нее следует, странность одно-

150

значно определяется через зетовую компоненту изотопического спина и электрический и барионный заряды. Все три величины сохра-к няются не только в сильных, но и в электро­ магнитных взаимодействиях. Следовательно,

вэтих взаимодействиях будет сохраняться странность. Несохранение странности в слабых взаимодействиях как раз с тем и связано, что

вних не только не сохраняется изотопический спин, но и его зетовая компонента.

Здесь ярко проявляется общий принцип, согласно которому, чем сильнее взаимодейст­ вие, тем больше число специфических законов сохранения будет иметь для него место. Как мы уже видели, странность как заряд, отно­ сящийся к целому мультиплету, естественным образом связана с его средним электрическим зарядом по формуле

Таким образом, по существу, странность ха­ рактеризует средний электрический заряд мультиплета с поправкой на его барионный заряд. Поэтому вместо странности для харак­ теристики мультиплета можно пользоваться

просто средним электрическим зарядом (2 или его удвоенным значением — гиперзарядом У. Вследствие того что закон сохранения барионного заряда выполняется всегда, г и п е р ­ з а р я д с о х р а н я е т с я в т е х ж е в з а ­

Закон сохранения гиперзаряда (стран­ ности) не следует из зарядовой симметрии и

151