Файл: Богуш А.А. Элементарные частицы.pdf

Взаимодействия, нарушающие унитарную симметрию, должны быть значительно силь­ нее электромагнитных и не должны нарушать изотопическую симметрию. Это следует из того, что различие масс между отдельными изотопическими мультиплетами в унитарном супермультиплете, вызванное нарушением унитарной симметрии, во много раз больше, чем различие масс между зарядовыми со­ стояниями в изотопическом мультиплете, ко­ торое целиком объясняется нарушением изо­ топической симметрии электромагнитными взаимодействиями. Указанными свойствами как раз и обладают обычные сильные взаимо­ действия. Следовательно, эти взаимодействия и будут ответственны за нарушение унитар­ ной симметрии. Отсюда сразу следует вывод, что обычные сильные взаимодействия, подчи­

стить существование каких-то новых сил, но­ вых взаимодействий, которым и присуща сим­ метрия более высокая, чем изотопическая.

С другой стороны, известно, что чем выше симметрия, тем сильнее взаимодействие. Это находит свое выражение, в частности, в том, что чем сильнее взаимодействия, тем больше­ му числу специфических законов сохранения они подчиняются. Тогда, чтобы объяснить и обосновать возможность существования унитарной симметрии, т. е. симметрии более высокого порядка, чем та, которая присуща обычным, сильным взаимодействиям, мы дол­ жны допустить существование еще более

выводу о существовании двух типов сильного взаимодействия: обычного, умеренно сильно­ го и какого-то нового, сверхсильного. Стро­ гая унитарная симметрия будет иметь место только для сверхсильных взаимодействий при отсутствии умеренных.

Так же как электромагнетизм приводит к частичному нарушению строгой изотопиче­ ской симметрии, нарушение симметрии уме­ ренно сильными взаимодействиями носит лишь частичный характер. Оно сводится к то­ му, что в унитарном пространстве появляется некоторое выделенное направление, связанное с действием умеренно сильных взаимодейст­ вий. В результате все направления в унитар­ ном пространстве уже не будут равноправны­ ми и оно перестает быть изотропным, а будет обладать симметрией более низкого поряд­ ка — симметрией относительно выделенного направления, играющего роль оси симметрии,

тарных преобразований, относительно кото­ рых остается инвариантной теория взаимо­ действий, подчиняющихся нарушенной таким

178

образом симметрии. Соотношения, описываю­ щие такие взаимодействия, будут уже инва­ риантными относительно тех унитарных пре­ образований, которые соответствуют поворо­ там только вокруг того направления в унитарном пространстве, вдоль которого нару­ шается унитарная симметрия, т. е. вдоль выде­ ленной оси г. В результате из такой ограни­ ченной инвариантности будет уже следовать закон сохранения не полного унитарного спина и, а только той его составляющей, ко­ торая откладывается вдоль этого направле­ ния, т. е. закон сохранения зетовой проекции унитарного спина £/3.

Таким образом,, унитарная симметрия при условии ее частичного нарушения умеренно сильными взаимодействиями, что как раз и соответствует реально наблюдаемой ситуа­ ции, обеспечивает и объясняет установленный на опыте закон сохранения гиперзаряда и странности, однозначно связанных с зетовой проекцией унитарного спина £/3.

Обусловленное снятием вырождения по гиперзаряду различие масс между отдельны­ ми гиперзарядовыми состояниями внутри унитарного супермультиплета объясняется столь же просто. При нарушении изотропно­ сти унитарного пространства различные на­ правления унитарного спина относительно вы­ деленной оси уже неравноправны. Следова­ тельно, неравноправны и соответствующие им различные гйперзарядные состояния супер­ мультиплета, т. е. состояния с различными значениями проекции Н3 на это направление. Это неравноправие будет выражаться, в част-

179

180

ности, в том, что нарушающие строгую уни­ тарную симметрию умеренно сильные взаимо­ действия будут по-разному действовать на со­ стояния с различными значениями £/3, т. е. с различными значениями гиперзаряда. А это означает, что будет различной и обусловлен­ ная этим энергия взаимодействия, что в свою очередь, в согласии с известным соотношени­ ем Эйнштейна между энергией и массой, при­ ведет к различию масс между различными ги­ перзарядовыми состояниями внутри унитар­ ного супермультиплета. Происходит снятие вырождения по гиперзаряду, или, как гово­ рят, расщепление супермультиплета в полной аналогии с тем, как магнитное поле приводит к расщеплению спектральных линий, а элек­ тромагнитные силы — к расщеплению изото­ пических мультиплетов по зарядовым состоя­ ниям. Следует иметь в виду, что в реальных условиях, когда нельзя пренебречь ни умерен­ но сильными, ни электромагнитными силами, одновременно со снятием вырождения по ги­ перзаряду внутри супермультиплета происхо­ дит снятие вырождения по зарядовым состоя­ ниям внутри каждого из изотопических мультиплетов, входящих в данный унитарный супермультиплет. Как уже отмечалось, связан­ ное с этим различие масс неодинаково. В этом можно убедиться, обращаясь к табл. 1, где приведены экспериментальные значения масс всех членов октета обычных барионов со спи­ ном 1/2.

Привлекательность схемы унитарной сим­ метрии состоит еще в том, что развитый для нее математический аппарат позволяет оце­

181

183

«...Виноват дублинский трактирщик Фин­ неган, герой романа английского писателя Джойса «Поминки по Финнегану». В этом усложненном, запутанном, нарочито непонят­ ном литературном произведении есть эпизод,

у которого племянник Тристан похитил жену, прекрасную Изольду. Король Марк гонится за Изольдой на корабле, над ним кружат чай­ ки (которые, впрочем, быть может, вовсе не чайки, а судьи) и злобно кричат «ТРИ КВАР­ КА МИСТЕРУ МАРКУ». Короля мучают кошмары, над ним издеваются чайки, и все громче их загадочный, страшный клич: «ТРИ КВАРКА, ТРИ КВАРКА, ТРИ КВАРКА...»

Короче говоря, термин «кварки» в «перево­ де» на нормальный, человеческий язык будет означать «бредовые», «немыслимые», «кошмар­ ные», «дикие», «невообразимые» — можете смело продолжать подбирать синонимы сами».

Ниже станет понятным, почему столь не­ обычное название дал своим «прачастицам» Гелл-Манн.

Попытки построения всех элементарных частиц из небольшого числа «прачастиц», или, как говорят физики, попытки создания состав­ ных моделей элементарных частиц, предпри­ нимались и до Гелл-Манна, но безуспешно. При этом, как правило, в качестве исходных элементов брались уже известные частицы. Так, например, еще в 1955 г. японский физик Саката пытался построить все существующие частицы из различных комбинаций протона,

184

нейтрона, Л°-гиперона и их античастиц. Не­ смотря на известную привлекательность и определенные успехи этой модели, она не вы­ держала проверки временем. Представление о кварках является своеобразным возрожде­ нием модели Саката, но уже на принципиаль­ но новой основе. Если ранее составные модели элементарных частиц строились вслепую, чи­ сто интуитивно путем подбора различных воз­ можностей, то теперь унитарная симметрия явилась той схемой, которая достаточно опре­ деленно указывала на правила такого постро­ ения, делала его более осмысленным и целе­ направленным. Здесь ситуация подобна той, которая имела место при создании периоди­ ческой системы химических элементов Д. И. Менделеева. Классификацию адронов на ос­ нове унитарной симметрии можно сопоставить с классификацией химических элементов.

Но подобно тому как для выяснения зако­ номерностей таблицы Менделеева потребова­ лось создание теории строения атомов, физики надеются обосновать схему унитарной сим­ метрии на основе составных моделей адронов. Наиболее смелым, так сказать революцион­ ным шагом Гелл-Манна на пути создания его гипотезы кварков явилось предположение, что элементы, «кирпичики», из которых мож­ но построить все существующие адроны, — это совершенно новые, неведомые до сих пор субэлементарные частицы, обладающие не­ обычными с точки зрения установившихся по­ ложений теории свойствами. Вспомните, на­ сколько сильно отличаются свойства элемен­ тарных частиц от свойств составленных из

185