Landsberg-1985-T3

R 11

"0"'(

100"

~OBl

• ХУ

W rz

w lX

CMII 1[51

Рис. 423. Снимок с дисплея ЭВМ, работающей вместе с установкой

UA-l (рис. 422). На снимке зарегистрировано одио из рр-соударений

при энергии 270 ГэВ (р)+270 ГэВ (р). Информация со всех детекторов

установки, обработанная на ЭВМ, позволяет определить траектории

частиц и получить полную картину взаимодеАствия, несколько напоми­ нающую снимки с пузырьковых камер. Импульсы частиц измерялись по кривизне их треков в магнитном поле. Как видно из снимка, взаимодей­ ствия при таких высоких энергиях носят очень сложный характер:

в них образуется большое число вторичных частиц

нах. На рис. 423 приведен снимок с дисплея ЭВМ, на кото­

ром показан вид одного ИЗ событий, зарегистрованных на установке ИА-I (рис. 422). Вот с какими сложны:vш процес­ сами приходится иметь дело в современном фИЗIlческом

эксперименте.

§ 239. Адроны и кварки. Исследования на больших ус­ корителях сильно расширили наши представления об эле­

ментарных частицах. Прежде всего это касается самого

614

многочисленного семейства частиц - адронов, т. е. частиц,

участвующих в сильных взаимодействиях. В настоящее вре­

мя известно несколько сотен таких адронов - барионов

(частиц с барионным зарядом В = +1), антибарионов (В = =-1) и мезонов, у которых барионный заряд равен нулю.

Большинство этих частиц распадается на другие адроны

из-за сильных взаимодействий. Они имеют малые времена

жизни, характерные для ядерных процессов (",10-23 с, см. § 234). Столь короткие временные интервалы не могут быть

ИЗ~1ерены непосредственно и определяются из косвенных

данных. Однако есть адроны и с временами жизни 10-8-

10-13 с. Распады этих долгоживущих (по ядерным масшта­

бам) частиц обусловлены слабыми взаимодействиями.

Пока элементарных частиц было IIзвестно немного, они

считались «кирпичиками» мироздания: из них строилось

все многообразие атомов. Теперь же число элементарных

частиц превышает число химических элементов, и само по­

нятие «элементарная частица» для адронов явно утратило

свое первоначальное значение.

В физике элементарных частиц нет сейчас законченной

теории, которая позволила бы объяснить все основные яв­ ления, выявить главнейшие закономерности и достигнуть той же степени понимания, которая существует в класси­

ческой механике или электродинамике. В подобной ситуации

особое значение приобретают попытки феноменологическо­ го анализа и классификации физических явлений, основан­

ные на определенных законах сохранения. Эти законы по­

зволяют ориентироваться в том, какие процессы могут, а

какие не могут происходить в природе.

Вспомним, например, закон сохранения барионного за­ ряда, о котором говорилось В предыдущей главе. Согласно

этому закону в любых процессах разность между числом

барионов и антибарионов не изменяется. Для математи­ ческого выражения этого закона ыы приписали барионам значение барионного заряда В=+ 1, антибарионам - зна­ чение В =-1, а для всех других частиц положили барион­ ный заряд равный нулю. Тогда, сохранение числа барионов

и означает сохранение барионного заряда.

Для суждения о возможности ТОй или иной реакции не­ обходимо прежде всего проверить, сохраняются ли в этой реакции электрический и 6арионный заряды. Рассмотрим,

например, процесс

p+p~p+p+p+p. (239.1)

Исходные частицы имеют суммарный барионный заряд

615

~B=+ 1+1=2. Для частиц в конечном состоянии "1:.В=

=1+1 1-1=2. Другими словами, барионный заря}], в

начальном и конечном состоянии один и тот же (~B - ~B),

начаЛLН К;,lIl'Ч!!

И реакция может идти. Легко проверить, что эта реаКlJ,ИЯ

разрешена и законом сохранения электрического заряда

Однако реакция

(239.2)

хотя в ней также сохраняется электрическиii заряд, ока­

зывается запрещенной из-за несохранения барионного за­

ряда (2:В =2* LB= 1). О других заКонах сохранения мы

Ilача~ьн конечн

БУДe:l! говорить ниже.

Установление закономерностей ВlIутреНlIего строения

элe:vlентарных частиц является одной из важнейших про­

блем СОВРе\!енной фИЗИКИ. Для реIIIенiIЯ этой пробле;vш и;v!е­

ет большое значение создание четкой систе~атики частиц,

в известно:.! смысле напо:.шнающеЙ пеРИО:Lическ\,ю таблиц\'.

Первый шаг в это:.! направлении БЫ.1 сделан-, когла уда­

лось выяснить, что адроны группируются I3 очень близкие

по СВОИЫ свойствам небольшие сe:v!ейства частиц *), отдель­

ные члены которых различаются ыежду собой в OCI!OBHO\! своими электроыагнитнымИ своЙства:.lИ - зарядюш, ;v!аг­ нитными моментами. Примерами так':IХ семейств являются уже известные нам нуклоны (протоны, нейтроны) или л­ мезоны (л+, л-, лО). Однако число изотопических семейств

также очень велико - превышает сотню. Эти семейства в

свою очередь объединяются в более обширные и сложные

группы. Частицы, входящие в подобные группы, обнару­

живают между собой заметное сходство, хотя и не являются

столь «близкими родствеННllкам!!», как члены одного изо­ топического семейства. В основе таких объединений лежит определенная близость или какая-то закономерная связь

между основными параметрами, характеризующими час­

тицы. Эти параметры называют обычно квантовыми числами

элементарных частиц.

Квантовыми числами адронов прежде всего являются их

массы, электрические заряды, спины, маГlIитные моменты,

времена жизни, значения барионного заряда. Однако это далеко не все. Барионные и электрические зарнды - это

не единственные «заряды», характеризующие сильновзаИI\!О-

*) Они иазываются изотопическими семействами - по некоторой аналогии с изотопами элементов, близкими между собой по свойствам.

действующие частицы~ Было установлено эксперименталь­

но, что в ряде реакции некоторые адроны рОждаются целы­

наблюдается определенное сходство с процессами образо­

вания барионов и антибарионов, которые, как мы видели

выше, никогда не рождаются поодиночке. Закономерности

связанные с парным образованием барионов и аНТИбарионов:

вместе с даННЫМII по стабильности нуклонов как раз и по­ казали, что барионы характеризуются сохраняющимся

квантовым числом - баРIIOННЫ~l зарядом. Но рождение

групп новых частиц уже нельзя объяснить, пользуясь толь­ ко законами сохранения электрического и 6арионного за­

рядов. Опыты показали, что существуют процессы, при

которых протон переходит в другой барион (так что барион­ ный заряд сохраняется), но при ЭТОNl обязательно образуют­

ся и новые типы мезонов. Все это заставило предположить,

что у некоторых адронов существуют новые специфические

квантовые числа, новые «заряды», которые до известной

степени напоминают бариОнный заряд и могут иметь дис­

кретные положительные, нулевые и отрицательные значе­

ния. Эти новые заряды получили общее название ароматов.

Отдельные ароматы получили наименования странность,

-очарование, nрелесть и т. д.

Некоторые такие названия носят исторический харак­ тер. Так. в 50-х годах, когда были открыты первые необыч­

ные частицы, их свойства казались очень загадочными в

свете существовавших тогда предстаВ.'IениЙ. Отсюда воз­

никло название странные частицы. Когда же загаДIШ были

объяснены введением нового квантового числа, то этот

новый «заряд» и получил название странность. В целом же обилие экзотических наименований в физике элементарных

частиц (кварк, аромат, странность, очарование и т. д.) от­

ражает пристрастие физиков, работающих в этой области, к ярким, запоминающимся JI образным выражениям, кото­

рые звучат загадочно и красиво на всех языках и вместе с

тем напоминают нам о том, что природа соответствующих

объектов еще не понята до конца и, возможно, таит в себе

много неожиданного.

Общие характеристики некоторых сильновзаимодей­

ствующих частиц приведены в табл. 13, которая в дальней­ шем будет обсуждаться более подробно. В этой таблице,

однако, содержится очень малая часть всех известных адро­

нов - только сравнительно долгоживущие частицы, рас­

падающиеся благодаря слабым взаимодействиям (или под

действием электромагнитных сил). Большинство адронов,

6f7

При м е ч а н и е. Электрические заряды частиц приводнтся в единицах элементарного заряда. Пока открыто

только несколько очарованных и прелестных частиц, хотя теория предсказывает существование очень большого чис­

~ ла таких адронов, как долгоживущих, так и короткоживущих.

OQ

как уже говорилось выше, распадаются из-за сильных

взаимодействий, и их времена жИзни лежат в области 10-22_ 10-23 с. Важно подчеркнуть, что эти короткоживущие ад­

роны принципиально ничем не отличаются от долгоживущих частиц.

j\1bI ограничились в табл. 13 одними долгоживущими час­

тица:\1И, так как, если попытаться включить в нее все из­

вестные адроны, то таблица превратится в целую брошюру. Огромное число обнаруженных адронов и определенная их группировка по разным классам и семействам более или менее близких по свойствам объектов заставляет усомнить­ ся в элементарном характере этих частиц. Наиболее естест­ венное объяснение группирования адронов в семейства,

представления о природе и структуре этих семейств, а так­

же объяснения многих других свойств адронной материи

были получены в кварковой .модели строения адронов.

Основные положения этой модели могут быть сформули­ рованы следующим образом.

1. Адроны нельзя рассматривать как элементарные час­

т!щы в подлинном смысле этого слова. Они имеют сложную внутреннюю структуру и, наподобие атомных ядер, являют­

Ся связанными системами из истинно-элементарных или

фундаментальных частиц. Фундаментальные структурные

элементы, входящие в состав адронов, получили название

кварков *).

2. Систематика адронов (т. е. изучение состава и свойств

«родственных семейств», в которые группируются адроны) позволила установить, что все известные барионы состоят

обладать очень необычными свойствами. Так как барионный

зар яд у барионов В = +1 (у антибарионов В =-1), ТО из

кварковой структуры барионов следует, что барионный за­

ряд кварков дробный: Bq=1I3; B,,=-1I3. Электрический

заряд кварков тоже должен быть дробным (если за еди­

ницу принять элементарный заряд): Qq=+2/3 или -1/3 (Qq =-2/3 или +1/3). Только в этих предположениях мож­

но объяснить квантовые числа и свойства всех адронов.

3. Существуют не менее 6 типов кварков, каждый из

которых является носителем определенного нового кванто-

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

структуре адронов,

вого числа - адронного аромата. Эти кварки получили

следующие названия:

и-кварк (верхний К8арк) носители «ИЗотопических аро­

} ~laTOB»

d-кварк (нижний кварк) /z=+ 1/2 для и-кварка и lz=

, = -112 дли d-кварка *) s-кварк (странный кварк) носптель apOl\IaTa странности

S=-1

с-кварк (очарованный кварк) носитель аромата очарования

С=+1

Ь-кварк (прелесmный кварк) носитель аромата прелести

Ь=+1

'-кварк (истинный кварк) носитель аромата истинности

Т=+ I **)

Подчеркнем, что каждый KBapr, несет только один аро­

мат. Все остальные ароматы у него отсутствуют, т. е. со­

ответствующие квантовые чиСла равны нулю. Антикварки

отличаются от кварков противоположными значениями

всех зарядов. Так, например, s-кварк характеризуется электрическим зарядом Qs=-1/З, барнонным зарядом

В$=+1/3, значение,! странности S=-I, остальные аро­

маты у него отсутствуют, т. е. /z=O, С=О, Ь=О, Т=О.

ДЛЯ антикварка Qs=+1/3; Bo$ =-1/3; S=+I; lz=C=b=

= Т=О. Значения квантовых чисел кварков приведены в табл. 14.

4. Сильные и электромагнитные взаимодействия не мо­

гут изменить индивидуальность кварков, т. е. они не ме­

няют значения кварковых ароматов. Другими словами, в

этих взаимодействиях имеют место законы сохранения аро­

матов (аналогичные закону сохранения барионного заря­ да). В процессах, обусловленных сильными и электромаг­ IIИТНЫМИ взаимодействиями, может происходить либо прос­ то перегруппировка кварков, либо образование (уничтоже­ ние) кварк-антикварковых пар с определенными аромата­ ми, либо и то и другое вместе.

5. Слабые взаимодействия играют в природе уникаль­

ную роль - они меняют индивидуальность кварков и могут

*) Вопрос об ИЗ0топических ароматах является более сложным,

и мы не будем в дальнейшем говорить об их количественных характери­

стиках.

**) Выбор знака для различных «зарядов» всегда усдовный. Выбор величины S=-I дЛЯ аромата странного кварка возник случайно и не

НОСит физического характера. Для t-кварК8 используется также назва­

ние высший кварк.

621

Т а б л и ц а 14 (продолжение)

При м е ч а н И е.

у каждого кварка указано значение аромата, носителем которого он является (все остальные ароматы имеют ну­

ния кварков: u-кварк-верхний кварк; d-кваРК-НI!ЖНИЙ кварк; s-кварк-странный кварк; с-кварк=очаровавный

!(варк; Ь-кварк-прелестныil кварк; t-кварк=истинный кнарк (это названи~ не общепринятое).

Так как кварки могут находиться Л!!шь внутри адровов, то их массы имеют .1ИШЬ приближенный смысл, так как

говорить о массе составляющего элемента какой-то системы мож!1О, только если дефект масс системы мал. Большая

масса с-; Ь- и t-кварков определяет большие массы очарованных, прелестных и !-частиц.

Существование частиц с !-кварками окончательно еще не подтвержд€но; ""нейтрино прямым образом на опыте

не наблюдалось; его существование установлено из косвенных данных.

Выраженный н специальных KBallTOBblX единицах (/!j2n)-спин для любых частиц может быть либu целым, nибо

о.. полуцелым = в этом его замечательная особенность.

~