Т. Ипсилантису удалось получить и идентифицировать антипротоны, образующиеся в реакции

p + p → p + p + p + p .

В 1956 году был открыт антинейтрон. Пятидесятые годы завершились открытием антигиперонов.

Сейчас почти ни у кого не вызывает сомнения тот факт, что каждая частица имеет "двойника" – античастицу. Античастицы обладают рядом характеристик, имеющих те же численные значения, что и частицы, и некоторые характеристики с противоположным знаком. Так, у частицы и античастицы одинаковые массы, спины, изоспины, времена жизни; противоположные знаки у электрических зарядов, магнитных моментов, барионных и лептонных зарядов, проекций изоспина, четности и др. Схемы распада частиц и античастиц – зарядово-сопряженные, например:

n → p + e− + νe , n → p + e+ + νe .

Истинно нейтральные частицы ( γ , π0 , η0 ) тождественны сво-

им античастицам. Наиболее сложной формой антивещества, полученной и идентифицированной в лабораторных условиях, являются антиядра трития и гелия. Эти эксперименты были выполнены на серпуховском ускорителе в 1970–1974 гг. В 1998 году были получены первые атомы антиводорода.

7.8.Кварки

Всередине 60-х годов число обнаруженных сильно взаимодействующих элементарных частиц – адронов – перевалило за 100. Возникла уверенность, что наблюдаемые частицы не отражают предельный элементарный уровень организации материи. В 1964 году независимо друг от друга М. Гелл-Манн и С. Цвейг предложили модель кварков – частиц, из которых могут состоять адроны. Эксперименты по рассеянию электронов и пионов на нуклонах показали, что нейтрон и протон, в отличие от лептонов, имеют сложную внутреннюю структуру. Поэтому гипотеза о новых фундаментальных частицах, из которых можно строить адроны, казалась вполне правдоподобной. Однако для того, чтобы объяснить наблю-

113

даемые свойства адронов, кваркам пришлось приписать необычные свойства. Кварки должны иметь дробный электрический заряд +⅔℮ и –⅓℮. Существуют кварки:

c (charm), b (bottom), t (top) – тяжелые ; u (under), d (down), s (strange) – легкие.

Их электрические заряды: Quct = + 23 e , Qdsb = −13 e , где е – за-

ряд позитрона. Барионы конструировались из трех кварков, мезоны

– из кварков и антикварков. Все обнаруженные до 1974 г. адроны можно было описать, составляя их из кварков u, d, s. Так, протон состоит из двух u-кварков и одного d-кварка (р (uud), n (udd),

Λ (uds), π– ( ud ), π+ ( ud )).

Однако в 1974 г. одновременно две группы физиков объявили о наблюдении новой частицы. Ее назвали J/Ψ-мезоном с массой ≈ 3,1 ГэВ. Причиной сенсации было необычайно большое время жизни J/Ψ: почти в 103 раз больше, чем у известных частиц такой же массы. Дальнейшее исследование показало, что в ее состав входит новый, неизвестный ранее, с-кварк. Так же как с s-кварком связано квантовое число s (странность), с-кварк связан с новым квантовым числом с (шарм или очарование), регулирующим значение квантового числа с (очарование) для J/Ψ, т.е. системы кварка с и антикварка c . Очарованный кварк с должен порождать новое семейство адронов, имеющих в своем составе с-кварк или c . Все эти частицы тяжелее нуклонов, т.к. масса с-кварка – больше массы s-

кварка. Очарованный барион Σ++ (mΣ ++≈2,4 ГэВ) впервые зафиксирован при реакции

νµ + p → Σ++ +µ−

Итак, кварков стало четыре.

В 1977 г. были открыты нейтральные мезоны с массами около 10 ГэВ, получившие название ипсилон-мезонов Υ(bb). Это озна-

чало открытие 5-го кварка: b-bottom (нижний, красивый). В 1995 г. был открыт 6-й кварк, самый тяжелый, t-кварк (top – верхний). Таким образом, все известные адроны могут быть сконструированы из 6 кварков:

114

u, c, t; d, s, b.

Каждый кварк имеет еще одно квантовое число – цвет: красный, синий, зеленый. Сильное взаимодействие кварка не зависит от его цветового состояния. Так появилась цветовая симметрия. Кварки и лептоны – фундаментальные частицы, имеющие полуцелые спины ( фермионы ).

Итак, кварки со спином J = ½ образуют три семейства или поколения:

q = u c t .d s b

Так же как и лептоны, кварки обладают характеристиками: зарядом, массой, спином, магнитным моментом.

Кварки в свободном состоянии не существуют. Поэтому в настоящие время различают два типа кварков – токовые и конституэнтные. Токовые кварки – это кварки, закладываемые в теорию, т.е. кварки, не испытывающие взаимодействия со стороны вакуума (чистые кварки). Конституэнтные кварки – это объекты, которые существуют в физическом вакууме и участвуют во всех возможных вакуумных взаимодействиях, т.е. это реальные (эффективные) кварки в адронах, движение и взаимодействие которых формирует адроны. Токовые и конституэнтные кварки являются аналогами электронов в пустом пространстве и электронных комплексов в твердом теле. Масса токового кварка – это масса кварка, не взаимодействующего с глюонами и другими кварками, т.е. голого кварка.

Если кварк локализован в адроне малыми пространственными размерами, т.е. менее 10-14см, то формируется масса токового кварка; если размер порядка 10-14см и больше, то формируется масса конституэнтного кварка. По массам кварки разделяются на легкие (u, d, s) и тяжелые (c, b, t).

Массы токовых легких кварков u, d, s:

mu c2 = 1,5 – 3,0 МэВ, md c2 = 3 – 7 МэВ, msc2 = 95 ± 25 МэВ,

а конституэнтная масса~310 МэВ.

115

Массы токовых тяжелых кварков c, b, t:

mcc2 = 1,25 ± 0,09 ГэВ, mbc2 = 4,2 – 4,7 ГэВ, mtc2 = 174,2 ± 3,3 ГэВ.

Конституэнтная масса тяжелых кварков больше их токовой массы на 500 МэВ. Кварки, как и большинство других частиц, являются нестабильными. Поскольку свободных кварков не существует и все они спрятаны в адронах (исключение t-кварки), то их распады проявляются в распадах адронов. Например, d-кварк за

счет слабых сил может, испустив e− и νe , превратиться в более легкий u-кварк:

d →u + e− + νe ,

что соответствует закону сохранения заряда: −13 = + 23 –1 + 0. Такого типа распады проявляются в распаде нейтронов:

n(udd) → p(uud) + e− + νe .

Интересно отметить парадоксальную ситуацию, возникающую с легкими кварками в адронах, у которых полная энергия отличается от суммы масс кварков:

π+ (ud) → π0 (dd) + e+ + νe , π− (du) → π0 (uu) + e− + νe .

В первом распаде происходит нелогичное превращение u→d, т.е. превращение u-кварка в более тяжелый d-кварк, а во втором – d→u. В то же время можно было бы ожидать, что должен быть открыт канал только с превращением более тяжелого кварка d в u. В данном раскладе масса π отличается от суммы масс кварков. Аналогичное явление наблюдается в атомных ядрах. Свободный нейтрон является нестабильным (τ ≈900 c), а в ядре он может жить вечно, в отличие от свободного π свободный протон p, состоящий из u, u, d-кварков, является стабильным. Отсюда следует, что d-кварк в свободном протоне вообще не распадается. Однако протон, стабильный в вакууме, в ядре может распадаться, превращаясь в нейтрон, т.е.

p(uud) → n(udd) + e+ + νe .

116

Это явление известно как β+ -распад.

Для адронов с более тяжелыми кварками s, c, b ситуация в отношении распадов является более простой: распад адрона обусловлен преимущественно распадом тяжелого кварка:

K + (us) → π0 (uu) + e+ + νe ,

s →u + e+ + νe ,

Λ(uds) → p(uud) + e− + νe , s →u + e− + νe .

Специфическим квантовым числом является у лептонов лептонный заряд Le, Lµ, L τ , у кварков – барионный заряд В = +1/3,

у антикварков В = – 1/3. Адроны, состоящие из трех кварков, имеющие барионный заряд В = + 1/3 + 1/3 + 1/3 = + 1, называются барионами. У антибарионов В = – 1. У мезонов и антимезонов, состоящих из кварка и антикварка, В = + 1/3 – 1/3 = 0.

Следующее квантовое число – аромат. Каждый из шести кварков обладает своим ароматом, который совпадает с названием кварка: например, для s-кварка ароматом является s-странность; для с-кварка – шарм (очарование); для b-кварка – боттом; для t-кварка – топ. Для них существуют соответствующие квантовые числа: s = –1, c = + 1, b = –1, t = +1, u и d = 0.

Значения квантовых чисел для антикварков соответственно s = + 1, c = –1, b = + 1, t = –1.

Для идентификации ароматных свойств легчайших кварков u и d используется квантовое число I (изоспин) – характеристика изоспиновой симметрии, т.е. u и d-кварки – суть два разных состояния одной частицы. По формальным свойствам I и I3 (проекция на ось z) тождественны спину J и его проекции Jz. Поэтому кварковые системы, обладающие определенным I, в изотропном и изоспиновом пространстве вырождены по его проекциям I3 и, следовательно, по массе.

Эти системы частиц называются изоспиновыми мультиплетами. Число частиц в мультиплетеN = 2I +1 для кварка

u: I = 1/2 I3 = + 1/2 (up-вверх)

d: I = 1/2 I3 = – 1/2 (d-down-вниз).

117

Наиболее существенную роль изоспин играет в систематике адронов; р и n обладают I = 1/2 и I3 = ± 1/2 (+р); (–n), т.е.:

р(uud) = I = 1/2, I3 = – 1/2;

n(udd) = 1/2 I3 = + 1/2,

т.е. р и n – суть два разных состояния одной частицы – нуклона. Изоспин и квантовые числа s, c, b, t являются приближенно

сохраняющимися только в сильных взаимодействиях.

Для кварков справедливо правило Гелл-Манна-Нишиджими

(1953 г.)

Q = I3 + Y/2,

где Q – электрический заряд; Y – гиперонный заряд;

Y = B + S,

где B – барионный заряд; S – странность. В общем случае

Y = B + S + C + b + t.

Кварки обладают цветами (внутренние квантовые числа): к-красный, з-зеленый, с-синий. Антикварки – антицветами (к, з,с ): u = u кзс и т.д. В нашем мире допустимо только бесцветное состояние составных систем из кварков и глюонов.

Доказательство существования кварков получено экспериментально. В ходе опытов наблюдалась струя адронов, образующаяся

в процессе аннигиляции электронов и позитронов e+e− . Характеристики кварков представлены в табл. 19.

118