ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 05.04.2024
Просмотров: 86
Скачиваний: 0
них атомов. Именно эта необычность свойств кварков и побудила Гелл-Манна дать им не встречающееся до сих пор ни в одном из сло варей название.
Приписывая кваркам не совсем обычные свойства, Гелл-Манн исходил из естественного требования, чтобы построенные из кварков образования по своим основным характери стикам совпадали с реальными адронами. По ступая таким образом, он естественным путем получил унитарные сунермультиплеты, пред сказанные унитарной симметрией. Для по строения всех известных адронов достаточно было допустить существование трех различ ных кварков. Клич чаек Финнегана «Три квар ка...» оказался пророческим! Предполагается, что все три кварка имеют свои античастицы— три антикварка. При конструировании извест ных барионов и барионных резонансов мы мо жем ограничиться комбинациями из трех сис тем кварков, а в случае мезонов комбинаци ями пар кварк— антикварк. Антибарионы строятся из антикварков.
Обозначим три разных кварка латинскими буквами А, В, С. Будем иметь в виду, что кварк А в определенном смысле сходен с про тоном, кварк В — с нейтроном, а кварк С —
с Л°-гипероном. Выражением |
этого сходства |
|
является прежде всего то, |
что все три квар |
|
ка — фермионы: они, так |
же |
как р, п и Л°, |
обладают обычным спином, равным 1/2. |
||
В связи с этим нужно |
иметь в виду, что, |
|
приписывая кваркам определенное значение |
спина и учитывая это в дальнейшем при кон струировании адронов, мы несколько выходим
186
за рамки рассмотренной выше первоначаль: ной схемы унитарной симметрии Гелл-Манна— Неемана. Поступая таким образом, мы учиты ваем независимость ядерпых сил не только от изотопического и унитарного спина, но и от обычного спина, т.е. предполагаем, что сильные взаимодействия не зависят от спиновых со стояний адронов. Тем самым мы уже перехо дим к более высокому типу симметрии в силь ных взаимодействиях. Однако это не должно смущать читателя, ибо, как мы увидим ниже, построенная на этой основе картина распре деления адронов по супермультиплетам и свя занная с ней классификация частиц мало чем отличаются от изложенных ранее.
Два первых кварка А и В, так лее как и р и п, образуют изотопический дублет, т. е. им приписывается изотопический спин 1/2, причем кварк А представляет собой состояние с Т3 = = + 1/2, а кварк В—с Т3 = —1/2. В отличие от первых двух третий кварк С представляет со
бой |
изотопический синглет |
(Т= 0) и так |
же, |
как |
А°-гиперон, является |
«странным». |
Его |
странность 5 = —1.
Далее, учитывая, что реальные барионы строятся из трех кварков, и предполагая, что барионный заряд для всех трех кварков один и тот же, мы приходим к весьма курьезному выводу. Каждый кварк в отличие от всех из вестных барионов и барионных резонансов должен обладать -не целым, а дробным барионным зарядом, равным 1/3. Это первое, но не последнее необычное свойство кварков. В соот ветствии с общим правилом барионный заряд антикварков следует положить равным —1/3.
187
Дробный барпонный заряд влечет за собой и дробное значение гиперзаряда для кварков, так как К = 5 + Б. А это в свою очередь озна чает, что и электрический заряд кварка не мо жет быть целым. В соответствии с формулой Гелл-Манна—Нишиджимы
<2= 8 ^ В + т3
находим, чтоэлектрический заряд А-кварка равен +2/3, а электрические заряды В- и С- кварков равны —1/3.
Однако на этом не заканчивается перечень особых, исключительных свойств кварков. Мы имеем в виду еще аномально большие значе ния масс кварков. Массы свободных кварков должны быть во много раз больше масс любо го из образуемых ими реальных адронов. Та кое предположение неизбежно вытекает из требования черзвычайно большой связи меж ду ними в составленном из них адроне, иначе такие кварки давно были бы обнаружены экс периментатор ами-физикам и.
Здесь ситуация похожа на ту, которая имеет место в атомном ядре. Известно, что масса ядра всегда меньше масс составляющих его нуклонов. Эта разность масс, или, как го ворят, дефект масс, как раз и определяет энергию связи ядра (согласно формуле АЕ = = Атс2). Чем больше энергия связи АЕ, тем больше дефект масс Ат. Чтобы расщепить ядро атома на составляющие его нуклоны, нужно затратить энергию, равную энергии связи АЕ. Аналогично, чтобы расщепить ну-
18»
Только изрядно потрудившись, можно освободить кварки из взаимных объятий. Затраченная энергия идет на мно гократное увеличение массы кварка
ю
то
X 5
Ч
Ю
ТО
Н
О сн овн ы е х а р а к т е р и с т и к и к в а р к о в
*
с.
оэ
£
<
5
*
о<0. 03
1о |
со |
со |
|
|
|
||
|
СО |
|
|
Iе* |
со |
СО |
|
сч |
|
||
|
СО |
со |
|
о |
1 |
+ |
|
|
|||
ч |
СО |
со |
|
1 |
+ |
||
|
|||
|
СО |
со |
|
|
СЧ |
|
|
|
+ |
+ |
-
|
СО |
° |
° |
СЧ |
|
СЧ |
^ |
||
о |
|
СЧ |
сч |
см |
|
|
|
|
|
о |
СО |
сч |
сч |
сч |
|
|
|
|
|
|
со |
о |
о |
сч |
1 |
сч' |
|
||
1 |
|
|
|
|
|
со |
сч |
сч |
сч |
|
' |
_ |
|
|
|
•—ч |
|
|
|
|
|
|
1 |
|
о |
со |
сч |
сч |
сч |
|
—и" |
|
|
|
|
|
|
“Г |
|
ГС |
о |
|
*-< |
« |
Г“С |
|
Е-. |
||
с |
|
х |
|
|
п |
к |
г( |
то |
|
£ |
о. |
с |
||
|
|
ЕС |
и |
|
|
X |
ТОО. |
со |
|
|
СП |
и: |
|
|
|
а> |
Л |
|
|
|
о |
X |
|
|
|
а. |
|
X |
|
|
X |
|
||
|
н |
о |
|
|
|
х |
X |
|
|
|
а> |
а- |
|
|
|
СП |
то |
|
|
|
1Д |
|
|
190
клон на составляющие его три кварка, нужно затратить энергию, равную энергии связи кварков: АЕ = ЗАтс2, где Ат — разница в массах свободного и связанного кварков. При достижимых энергиях (порядка 30 Гэв) не удается расщепить ни один из реальных адро нов на составляющие его кварки. Поэтому приходится допустить, что Ат для кварка до стигает невероятно большой энергии, так что
масса |
кварка |
должна быть по крайней мере |
||
в 10 |
раз |
больше массы |
протона (М кварка = |
|
10 т р). |
Это |
означает, |
что протон, состав |
ленный из трех кварков, будет иметь энергию связи, почти в 30 раз превышающую его соб
ственную энергию покоя! |
|
В, |
Основные характеристики кварков А, |
||
С и соответствующих им |
антикварков А, В, |
С |
приведены в табл. 5.
Таким образом, мы имеем в своем распоря жении весь необходимый строительный мате риал и все необходимые данные о нем для того, чтобы можно было приступить к кон струированию реальных адронов.
Мы будем следовать процедуре, напоминаю щей ту, которую предложил академик Б. Я. Зельдович при объяснении сущности ги
потезы кварков для непосвященных.
Вначале рассмотрим случай барионов, ко торые строятся из трех кварков. Нетрудно установить, сколько различных комбинаций такого рода можно построить из трех типов кварков. Очевидно, что здесь возможны ком бинации следующих трех типов:
191
а) все три кварка одинаковы:
AAA ВВВ ССС;
б) два кварка одинаковы:
ААВ ABB ААС ВВС ACC ВСС;
в) все три кварка разные:
АВС.
Итого получается: 3 + 6+1 = 10 комбинаций. Теперь учтем возможные спиновые состоя ния кварков и тем самым определим спиновые состояния построенных из кварков систем. Условимся считать, что в состояниях с проек
цией + 1/2 спин кварка направлен вверх |
(f ), |
а в состояниях с проекцией —1/2 — вниз |
(|) . |
В общем случае системы из трех кварков, |
|
учитывая, что спин каждого из них может |
быть направлен как вверх, так и вниз, мы по
лучим следующие 8 спиновых |
состояний |
си |
|||
стемы: |
|
|
|
|
|
1) |
2) |
3) |
4) |
5) |
|
m |
ш |
m |
ш |
tit |
|
/в = +3/2, |
—3/2, +1/2, —1/2, +1/2, |
|
|||
|
6) |
7) |
8) |
|
|
Ш |
Itt |
ш |
|
|
|
—1/2, + 1/2, —1/2. |
|
|
|||
Однако эти |
возможные комбинации |
бу |
дут только в том случае соответствовать вось ми р а з л и ч н ы м спиновым состояниям си
стемы, когда |
все три кварка |
будут различны, |
т. е. в случае |
системы АВС. |
Если же хотя бы |
два из трех кварков одинаковы, то среди дан ной совокупности состояний будут эквивалент-
192
ные. Это будут те комбинации, которые могут быть получены одна из другой перестановкой местами двух одинаковых кварков *. Напри мер, в случае системы ААВ эквивалентными будут комбинации 5) и 7)
1 1 1 |
И 1 |
АА В и А А В ,
атакже 6) и 8)
l i t |
t i l |
А А В |
и А А В . |
Таким образом, для системы ААВ, так же как и для каждой из систем AAC, ABB, АСС, ВСС, ВВС, мы будем иметь уже не 8, а 6 неза висимых неэквивалентных спиновых состоя ний:
ttt |
щ |
tn |
ш |
ut |
m |
/, = +3/2, |
— 3/2 |
+1/2, |
-1 /2 , |
+1/2, |
—1/2. |
Если же возьмем систему из трех одинако вых кварков, например ААА, то три комбина ции 3), 5) и 7), дающие проекцию спина, рав ную + 1/2,
I I I t i t l i t
A A A , A A A и A A A
*Это следует из общего принципа квантовой механики для систем тождественных частиц, согласно которому при перестановке местами любой пары одинаковых
частиц в системе мы получаем то же самое состояние системы.
13. А. Богуш, Л. Мороз |
193 |
окажутся эквивалентными между собой, точ но так же, как и три комбинации 4), 6) и 8), дающие проекцию спина, равную —1/2:
I Jr t 1 1 1 t I J
A A A , А А А и A A A .
В итоге для системы из трех одинаковых кварков остается только 4 неэквивалентных спиновых состояния:
m ш tu ut
/з = 3/2, — 3/2, + 1/2, - 1/2.
Врезультате мы имеем 3 системы (ААА,
ВВВ, ССС) с 4 спиновыми состояниями в каждой, б систем {ААВ, ABB, ААС, ВВС,
ACC, |
ВСС) с 6 |
спиновыми |
состояниями и |
||
1 систему (АВС) |
с 8 — всего |
56 состояний. |
|||
Эти данные приведены в табл. 6. |
|
|
|||
Как следует из этой таблицы, каждая из |
|||||
10 систем может |
находиться |
в четырех |
спи |
||
новых |
состояниях |
с проекциями |
спина |
+3/2, |
|
+ 1/2, |
—1/2 и —3/2, т. е. во всех |
допустимых |
для частицы со спином 3/2 состояниях. Выде ляя эти сорок состояний из всей совокупности 56 состояний, мы тем самым выделим те ком бинации, которые можно рассматривать как спиновые состояния 10 частиц со спином 3/2. После этого остается у нас восемь пар состоя ний с проекциями спина+4/2 и—1/2: по одной для каждой из 6 систем с двумя одинаковыми кварками (ААВ, ААС, ВВС, ABB, АСС, ВСС)
и две пары таких же состояний для системы с тремя различными кварками (АВС). Нетруд но сообразить, что совокупность всех этих
194