Файл: Афонин А.А. Частицы, поля, кванты.pdf

упоминаемая энергия взаимодействия двух протонов, уже примерно равна энергии покоя протона.

Сильное взаимодействие приводит к рассеянию эле­ ментарных частиц, к процессам их рождения и уничто­ жения. Это взаимодействие также часто сопровождается образованием связанных и резонансных состояний эле­ ментарных частиц, с которыми мы уже встречались в электродинамике.

Процессы распада резонансных систем, вызванные этим взаимодействием, протекают чрезвычайно быстро, в течение интервалов времени 10_22-т НИ24 секунды.

Но не все частицы могут принимать участие во всех трех взаимодействиях (гравитационное взаимодействие мы не рассматриваем). Например, фотон участвует толь­ ко в электромагнитных взаимодействиях.

Частицы, которые могут взаимодействовать слабо и электромагнитно, называются лептонами. Их всего во­ семь: электрон (е), мю-мезон (ц), электронное нейтрино (у), мю-мезонное нейтрино (у^) и античастицы всех этих частиц. Все они, кроме мю-мезона, устойчивы. Пос­ ледний распадается на электрон, нейтрино (г^.) и анти­ нейтрино

Те частицы, которые могут участвовать и в сильных взаимодействиях, называются адронами. Адроны могут также взаимодействовать слабо и электромагнитно. Чис­ ло их очень велико и продолжает расти до сих пор. В ос­ новном за счет адронов и происходит рост общего числа частиц. Как правило, адроны неустойчивы. Стабилен из них только протон. Остальные распадаются слабо, элек­ тромагнитно или сильно. Казалось бы, ничто не запре­ щает и протону превратиться, например, в позитрон и не­ сколько фотонов. Ведь заряд при этом сохраняется, мас­ са протона, а следовательно (согласно принципу эквивалентности массы и энергии), и энергия достаточно

89

велика, чтобы такое превращение имело место. И тем не менее опыт совершенно четко говорит о стабильности протона. Следовательно, должен существовать еще один

содержится протон, назвали барионами, а сохраняющую­ ся величину назвали барионным числом. Такое число для барионов равно единице, а для аптибарионов— 1.

Таким образом, барион-антибарионная пара имеет суммарное барионное число, равное нулю, и уже может распасться на лептоны и фотоны.

Все остальные адроны названы мезонами. У них, а так­ же у фотона и лептонов барионное число равно нулю. Поэтому все мезоны в конечном счете распадаются на фотоны и лептоны.

Следует еще отметить, что спин у всех барионов полуцелый, а у мезонов целый.

Поскольку сильное взаимодействие намного сильнее остальных и имеет значительно меньшее характерное время, то с большей степенью точности можно считать, что оно происходит так, как если бы других взаимодей­ ствий вообще в природе не было. Поэтому, чтобы разоб­ раться в классификации адронов, положим, что слабое и электромагнитное взаимодействия как бы выключены. Тогда более наглядно проявляется симметрия среди ад­ ронов. Так, нейтрон и положительно заряженный протон ведут себя в сильных взаимодействиях совершенно оди­ наково. Если к тому же имеющуюся небольшую разницу отнести только за счет электромагнитных взаимодействий (а основания для этого имеются), то можно предполо­ жить, что с точки зрения сильных взаимодействий это одна частица, но в двух разных состояниях. Эта частица была названа нуклоном.

90

Для того, чтобы уметь описывать математически воз­ можность нуклону находиться только в двух состояниях, использовали аналогию со спином элементарных частиц. Известно, если спин некоторой частицы равен половинке, то на любое направление в пространстве он может иметь всего две проекции: по данному направлению и против него. Поэтому нуклон был наделен так называемым изо­

топическим спином, равным половинке Т=~^-. Этот

спин также имеет всего две проекции на любое направле­

ние Тз= ± -у . Здесь Т3 — проекция изоспина Т на некото­

рое направление. Если проекция равна+-^-, то нуклон

1

находится в протонном состоянии, если же — ^ ,—то в

нейтронном.

Формальность такого описания состоит в том, что проекции и направления при этом берутся не в нашем обычном пространстве, а в некотором абстрактном мате­ матическом пространстве (изопространстве), которое, как и сам изотопический спин, вводится лишь для удоб­ ства описания нуклона.

Итак, протон и нейтрон объединены в одну частицу. Принято еще говорить, что они составляют изотопиче­ ский дублет.

Существуют также изотопические триплеты, то есть в одну частицу объединяются аналогичным образом три частицы. Но для этого нужно приписать этой частице изоспин Т =1. В этом случае последний будет иметь три проекции Т = ± 1 ,0 , каждую из которых можно связать с одной из трех исходных частиц. Примером изотопиче­ ского триплета могут служить три я-мезона (я — греч. буква «пи»): я + — положительно заряженный, я - — от­ рицательный, я0 — нейтральный.

91

В общем случае при произвольном изоспине Т в муль­ типлете содержится (2Т+1) частиц.

Таким образом, все адроны могут быть объединены в изотопические мультиплеты. Одной из основных харак­ теристик сильных взаимодействий является сохранение полного изоспина и его проекции для всех частиц, участ­ вующих в каждом конкретном процессе. Слабое и элек­ тромагнитное взаимодействие нарушает этот закон со­ хранения.

Мы ввели уже две новых характеристики адронов: барионное число (обозначим его А) и изоспин. Оказыва­ ется, что для многих адронов электрический заряд мо­ жет быть просто выражен через проекцию изоспина и барионное число:

С>=(тз+4Л)-е-

Здесь «е» — элементарный электрический заряд.

Но не все частицы удовлетворяют этому соотноше­ нию. Существует, например, изотопический дублет К-ме- зонов: К — отрицательно заряженный и К — нейтраль­ ный. Поскольку это мезоны и они составляют дублет, то

А = 0; Т = - 2~; Т3= ± Но тогда, согласно приведенной

выше формуле, заряды К-мезонов должны были бы быть

равны либо либо — что неверно. И таких

частиц довольно много. Они были названы странными. Чтобы объяснить заряд этих частиц, потребовалось при­ писать им новую характеристику «странность» и соответ­ ствующее число (обозначим его латинской буквой Б) включить в формулу для заряда.

<2= ^ 7 » —

92

мезонов 5 = 0.

В таком виде формула справедлива для всех извест­ ных в настоящее время адронов. К «странности» можно подойти и с другой стороны.

Положим, как и раньше, что слабое и электромагнит­ ное взаимодействия «выключены». Тогда К-мезоны не могут распасться на лептоны и фотоны, но еще ничто не запрещает им превратиться в я-мезоны, масса которых в четыре с лишним раза меньше массы К-мезона. Но это­ го не происходит. Поэтому физики вынуждены были вводить еще одну сохраняющуюся величину. Это и есть «странность». Именно она запрещает К-мезонам превра­ щаться в л-мезоны. В сильных взаимодействиях эта ве­ личина сохраняется. Включение слабых и электромаг­ нитных взаимодействий приводит к нарушению и это­ го закона сохранения.

Три вновь введенных закона сохранения (странности, изоспина и барионного числа) вместе с прежними зако­ нами сохранения энергии, импульса, момента позволяют объяснить все многообразие превращений адронов, обу­ словленных сильными взаимодействиями.

Как уже упоминалось, Д. И. Менделеев, пользуясь созданной им периодической таблицей химических эле­ ментов, сумел успешно предсказать целый ряд неизвест­ ных тогда элементов. Это тогда справедливо рассматри­ валось как триумф предложенной им классификации.

С помощью систематики элементарных частиц не ме­ нее успешно были предсказаны некоторые элементарные частицы. Приведем лишь один пример. Были известны две частицы 2 —барионы с приблизительно (с точностью около 0,5%) равными массами: одна с положительным

93

зарядом, другая—с отрицательным. Относительно их бы­ ло также известно, что Б = — 1. Квзалось, эти частицы дол­ жны принадлежать изотопич’ескому дублету. Но тогда, согласно полученной выше формуле, их заряды были бы полуцелыми

чего не может быть. Следующее по простоте предполо­ жение состоит в том, что Т = 1, Тогда проекция изоспина может быть равна 1, 0 или — 1 и должна, следовательно, существовать еще одна 2-частица, нейтральная. Вскоре она была обнаружена.

Несомненно, что успешные предсказания такого рода нужно рассматривать как успех предложенной система­ тики элементарных частиц. Но развитие систематики на этом не кончилось. Буквально в течение последних двух­ трех лет мы стали свидетелями нового скачка в этом направлении.

Благодаря резкому увеличению числа известных ад­ ронов стало возможным вскрыть более глубокую их сим­ метрию. Именно удалось выяснить, что существует еще один тип взаимодействия адронов, названный умеренно сильным. Электромагнитное взаимодействие изменяет массу адронов на несколько десятых долей процента, на­ рушая тем самым равенство масс частиц из одного мультиплета. Из-за малости этих нарушений симметрия ад­ ронов, связанная с изоспином, выступает все же доволь­ но ясно.

Умеренно сильное взаимодействие приводит уже к более существенным изменениям масс частиц, достигаю­ щим 20%. Если попытаться все же выделить эффекты* обусловленные этим взаимодействием, то есть считать его выключенным наряду со слабым и электромагнитным

94

взаимодействием, то окажется, что все барионы (8 час­ тиц) следует считать равной массы. Поэтому они объеди­ няются в одно семейство. То же самое произойдет и с мезонами. Их также восемь. Эти два семейства назы­ ваются соответственно октет барионов и октет мезонов.

Здесь мы видим, что в одно семейство объединяются уже различные изомультиплеты. Так, например, октет барионов состоит из дублета нейтрона и протона, синглета (то есть изомультиплет с одной частицей) Я-бариона, триплета 2-барионов и дублета Е барионов (см. соответ­ ствующие буквы греческого алфавита).

Аналогичным образом разобьются по семействам все остальные адроны.

Открытие этой более глубокой симметрии адронов дало, естественно, значительно больше предсказаний от­ носительно их свойств, чем на предыдущем этапе. Был, например, предсказан и вскоре найден необычный ба-

предсказан в старой систематике, где отдельные изо­ мультиплеты были никак не связаны. Действительно, эта частица сама представляет собой изомультиплет, то есть, помимо ее, в изомультиплете других частиц нет. А предсказание могло быть основано, как это видно на разобранном выше примере с 2°-барионом, только на изучении уже известных частиц из одного изомультиплета.

Были получены также правильные соотношения меж­ ду массами элементарных частиц, отношение магнитных моментов протона и нейтрона и т. д.

Но, может быть, наиболее интересным является то, что в данной систематике естественно содержатся совсем необычные частицы с дробным электрическим зарядом и барионным числом. Их всего три, и названы они квар-

95