37.6. Адрони

Адрони утворюють найчисельніше сімейство елементарних частинок (понад 300 частинок, включаючи й античастинки). На відміну від лептонів, адрони беруть участь у сильній взаємодії. Всі вони зазнають також електромагнітної, слабкої і гравітаційної взаємодії.

Для характеристики адронів і більш детальної їх кваліфікації вводять ряд нових фізичних величин: баріонний заряд, ізотопічний спін (ізоспін), дивність, чарівність, привабливість (краса), істинність.

Баріонний заряд. Сімейство адронів можна розбити на дві великі групи – мезони та баріони, які різняться між собою значенням спіна: у мезонів спін цілочисловий, а в баріонів він напівцілий. Однак цим розходження між мезонами й баріонами не вичерпується. Виявляється, що в реакціях розпаду баріонів, обумовлених сильною взаємодією, обов'язково народжується інший, більш легкий баріон. Це дозволило приписати баріонам нову величину, що зберігається, – баріонний заряд В. По визначенню В=1 для баріонів, В=-1 для антибаріонів і В=0 для інших частинок (мезонів і лептонів). Сформулюємо закон збереження баріонного заряду: у замкнених системах при всіх процесах взаємоперетворення частинок баріонний заряд залишається незмінним. Приведемо приклади реакцій, що ілюструють закон збереження баріонного заряду:

Закон збереження баріонного заряду пояснює стабільність найлегшого баріону – протона. За законом збереження енергії вільний протон може розпастися тільки на частинки з меншими масами. Оскільки у всіх цих частинок В=0, те такий процес розпаду протона не спостерігається, тому що при цьому порушувався б закон збереження баріонного заряду.

Ізотопічний спін. Все сімейство баріонів можна розбити на невеликі групи частинок з дуже близькими фізичними властивостями. Прикладом такої групи служать нуклони – протон і нейтрон. Ці частинки рівною мірою беруть участь у сильній взаємодії, що випливає із зарядової незалежності ядерних сил (див. §36.3), спін обох частинок однаковий, а маси дуже близькі. Це дає підставу розглядати протон і нейтрон як різні стани однієї й тієї ж частинки – нуклона. Якщо «виключити» електромагнітну взаємодію, яка обумовлює невелике розходження мас протона та нейтрона, то розходження між цими частинками повністю зникає.

Група частинок, нерозрізнених у сильній взаємодії, називається зарядовим мультиплетом. Для характеристики окремих зарядових мультиплетів уводиться фізична величина Т, яку називають ізотопічним спіном (ізоспіном). Ця величина аналогічна звичайному спіну J, проекція якого на виділений напрямок z приймає 2s+1 значень. Значення ізотопічного спіна Т для даного зарядового мультиплету вибирається таким чином, щоб число його проекцій (тобто 2Т+1) на вісь z в уявлюваному ізотопічному просторі рівнялася числу частинок у мультиплеті. Так для протона й нейтрона (дублет) 2Т+1=2, звідси Т=1/2. Протону приписують Т_z=+1/2, нейтрону Т_z=-1/2. Для – мезонів (⁺, ⁰, ^– – триплет) Т=1, а проекції Т_z рівні +1, 0, -1 для ⁺, ⁰, ^–– мезонів відповідно. Частинка й античастинка відрізняються знаком проекції Т_z. Так для протона Т_z=+1/2, для антипротона Т_z= -1/2; для нейтрона Т_z=-1/2, для антинейтрона Т_z=+1/2. якщо заряд складається з однієї частинки (синглет), то Т=0.

З ізотопічним спіном зв'язаний закон збереження: при сильній взаємодії зберігаються як ізотопічний спін, так і його проекція Т_z. В електромагнітних і слабких взаємодіях процеси протікають, як правило, зі зміною ізотонічного спіна.

Дивність. Ця характеристика була уведена для групи частинок, які народжуються за рахунок сильної взаємодії з характерним часом 10^-23 с, а розпадаються за рахунок слабкої взаємодії (час життя таких частинок 10^-8 …10^-10 с). Ці частинки, які були названі дивними, можуть народжуватися лише парами – одиночне народження дивних частинок заборонено. В основі заборони яких-небудь процесів завжди лежить деякий закон збереження. У зв'язку із цим М. Гелл–Манн і К. Нішиджіма ввели в розгляд нове квантове число S – дивність, значення якого повинне, за їх припущенням, зберігатися при сильних взаємодіях, але не зберігатися при слабких взаємодіях.

Дивним частинкам приписують значення S=+1 або S= -1, а «звичайним» адронам S= 0. Приведемо приклад реакцій за участю дивних частинок

– + p  K0 +  (S=0) (S=0) (S=+1) (S= -1)   – + p (S= -1) (S=0) (S=0)

(37.1) (37.2)

Реакція (37.1) здійснюється за рахунок сильної взаємодії й протікає з дотриманням закону збереження чудності. У цьому легко переконатися, якщо врахувати, що дивність ^– – мезона й протона p дорівнює нулю, для K⁰ – мезона S=+1, а для  – частинки S= –1. Реакція (37.2) протікає в результаті слабкої взаємодії, що приводить до порушення закону збереження дивності.

Електричний заряд Q, проекція ізотопічного спіна T_z , баріонний заряд B і дивність S звичайних і дивних адронів зв'язані співвідношенням Гелл-Манна – Нішиджіми:

Q=Tz +1/2 (B + S)

(37.3)

Наприклад, для протона T_z =1/2, B=1, S=0, Q=1; для нейтрона T_z = –1/2, B=1, S=0, Q=0.

Чарівність С (від англ. charm), привабливість (або краса) b (від англ. beauty) – квантові числа, які вводять для виділення в сімействі адронів чарівних і привабливих частинок відповідно.

Чарівність і привабливість підлягають таким же законам збереження, що й дивність. Для чарівних частинок С = 1, для всіх інших частинок С = 0. Аналогічні значення приймає привабливість: b=1 або 0.

Після відкриття зачарованих і чарівних частинок співвідношення Гелл-Манна - Нішиджіми було узагальнено:

Q=Tz +1/2 (B + S+C – b)

Теорія передбачає існування ще однієї групи частинок – «істинних», для характеристики яких необхідно ввести квантове число t – істинність (від англ. truth). Істинні частинки поки не відкриті.

Таким чином, для описання властивостей елементарних частинок уводиться досить багато характеристик, фізичне походження яких у багатьох випадках невідомо. Необхідність їх введення визначається тим, що для кожної з них виконується відповідний закон збереження. При цьому слід розрізняти строгі й наближені закони збереження. До строгих відносяться такі закони, які виконуються у всіх видах взаємодій. Це, насамперед, закони збереження, пов'язані з геометрією чотиривимірного простору-часу, тобто закони збереження енергії, імпульсу та моменту імпульсу. Строгими є також закони збереження зарядів - електричного, баріонного, лептонного. Наближені закони збереження виконуються в сильній взаємодії, але можуть порушуватися в слабкій. Наприклад, закон збереження дивності та чарівності виконуються в сильній і електромагнітній взаємодіях, але порушуються в слабкій взаємодії.