Файл: Мякишев Г.Я. Элементарные частицы.pdf

На втором этапе реакции промежуточное образова­ ние Y*~, которое и является резонансом, распадается на Л°-гиперон и я~-мезон:

резкого максимума на кривой, выражающей зависимость числа мезонов от энергии, не было б ы ' .

По балансу энергии и импульса можно определить энергию покоя появляющегося резонанса У* - и его мас­ су. В энергетических единицах масса У*- равна 1832 млн. эв.

Теперь о времени жизни резонанса. Максимум кривой распределения энергии я-мезонов имеет ширину около 60 млн. эв. Это можно объяснить тем, что энергия, или масса покоя, У*- резонанса не является строго фиксиро­ ванной. А по принципу неопределенностей, чем больше неопределенность в энергии системы, тем меньше ее вре­ мя жизни:

Зная АЕ, находим время жизни резонанса У*- . Оно, ока­

столкновениях Я-мезонов с нуклонами возникают также положительные и нейтральные разонансы У*+ и У*0. Все три частицы имеют близкие массы и образуют зарядовый триплет с изотопическим спином, равным единице2 .

Типы резонансов. У *-резонансы — это не первые из об­ наруженных образований такого рода. Еще в 1952 г. Энрико Ферми обнаружил резонанс при рассеянии пионов на нуклонах. Вероятность рассеяния, в частности положи­ тельных пионов, на протонах резко возрастает при энер­ гии пионного пучка в 195 млн. эв (рис. 14).

Форма кривой очень напоминает зависимость ампли­ туды обычных вынужденных механических колебаний от частоты. Эта аналогия и послужила основой для наиме­ нования короткоживущих частиц резонансами.

1 В некотором числе случаев рождаются сразу три частицы. Имен­ но поэтому имеются мезоны с различными энергиями.

2 Эти три резонанса часто обозначают символами 2*~, 2*°, 2*+.

'120

Опять-таки объяснить появление максимума на кри­ вой зависимости числа рассеянных пионов от их энергии можно, лишь предположив, что реакция идет в два этапа. Сначала я-мезон сливается с нуклоном, образуя резонанс, который в дальнейшем распадается:

ir+ + Р -» N*+ + ->тс++ р.

По ширине резонансной кривой определяется время жиз­

При исследовании рассеяния я-мезонов на нуклонах бы­ ли обнаружены еще три резонанса: N*~, N*0 и N*+. Все четыре Л^-резонанса1 образуют мультиплет с изотопи­ ческим спином 3А>.

Резонансы, о которых мы пока говорили, это'так на­ зываемые барионные резонансы. Существуют еще мезонные резонансы. Они лишены барионного заряда и распа­ даются только на мезоны.

Одна из таких частиц была обнаружена при рассеянии антипротонов на протонах. Реакция опять-таки идет в два этапа. Сначала возникает два я-мезона и резонанс со0:

Не будем дальше перечислять все известные сейчас резонансы. Отметим лишь, что каждой из относительно стабильных сильно взаимодействующих частиц соответст­ вует группа резонансов с большей массой. Резонансы можно рассматривать как некие возбужденные состояния

стояния нуклонов, а резонансы У* — возбужденные состо­ яния Е-гиперонов.

Элементарная ли частица резонанс? В принципе м'ожно представить себе по крайней мере две возможности. Первая из них такова: резонансы совсем не новый тип элементарных частиц, а представляют собой компактные

Их обозначают также символами Д++, Д-, Д° и Д + .

121

Три кварка мастеру Марку.

ДЖОЙС

«ПОМИНКИ ПО ФИННЕГАНУ»

Супермультиплеты. Давайте повнимательнее присмо­ тримся к сильно взаимодействующим частицам. Привле­ кает внимание группа из восьми мезонов, группа из вось­ ми барионов и группа из восьми антибарионов. Каждая из этих групп разбивается, естественно, на зарядовые мультиплеты. Различие в массах частиц внутри каждого из зарядовых мультиплетов можно отнести за счет элект­ рического заряда.

Указанные три группы друг от друга сильно отлича­ ются. Во-первых, у них разный спин: нуль у мезонов,-|- у барионов и антибарионов. Различные значения у всех

123

трех групп имеет барионный заряд 1 . Общий спин и оди­ наковый барионный заряд — это то общее, что объединя­ ет частицы в группах2 . Разность масс у частиц одной группы не так уж велика (особенно между соседними за­ рядовыми мультиплетами).

Напрашивается мысль: каждую группу рассматривать как нечто единое, как некий сверхмультиплет, супермультиплет.

Ну а чем же отличаются частицы разных зарядовых мультиплетов, входящих в один супермультиплет? Само собой разумеется, массой и изотопическим спином. "А еще чем? Только странностью и ничем больше.

Если по горизонтальной оси отложить значения проек­ ции изотопического спина, которая характеризует заряд, а по вертикальной — значения странности, то получатся любопытные фигуры правильной геометрической формы (рис. 15). Забавно, не правда ли? Но это более чем про­ сто забавно.

Резонансные супермультиплеты. В один супермульти­ плет объединяются также барионные резонансы, о кото­ рых мы говорили. Это N*- и У*-резонансы, или в более современных обозначениях А- и 2*-резонансы. Их объе­ диняет общее значение спина 3 / 2 и одинаковый барионный заряд + 1 . К этому же супермультиплету надо отнести еще Е* - - и Н*°-резонансы, не упомянутые ранее. Они об­ разуют зарядовый дублет с тем же спином и таким же барионным зарядом.

Самое замечательное в том, что зарядовые мильтипле- т ы в этом супермультиплете отличаются друг от друга по массе на одну и ту же величину— 146 млн. эв (в энерге­ тических единицах). Зарядовые мультиплеты отличаются друг от друга также значениями странности: у Д-резонан- сов она равна нулю, у 2*-резонансов — единице, у Н*-ре- зонансов — двум.

Если по горизонтальной оси откладывать проекцию изотопического спина, а по вертикальной — странность, то получится усеченная трапеция, которая превратилась бы в треугольник, поставленный на вершину, если бы су-

1Q^-частицу пока рассматривать не будем.

2Если различать частицы только по спину и барионному заряду,

то все мезоны (частицы и. античастицы) окажутся в одной группе, а барионы и антибарионы — в разных.

124

шествовала частица со странностью —3, спином 3 / 2 и барионным числом + 1 (рис. 16).

Свой супермультиплет образуют мезонные резонансы. Имеются и другие резонансные супермультиплеты, но на них мы останавливаться не будем.

Кварки. Как видите, наведен некоторый новый поря­ док в обширном множестве элементарных частиц, общий как для относительно стабильных частиц, так и для резонансов.

Теперь посмотрим на всю проблему систематики эле­ ментарных частиц с новой точки зрения. Вернее, не такой уж новой, но существенно обновленной после открытия резонансов.

Обнаружено огромное количество сильно взаимодей­ ствующих частиц. Они характеризуются такими внутрен­ ними квантовыми числами, как электрический и барионный заряды и странность. Эти числа сохраняются в силь­ ных и электромагнитных взаимодействиях. А что если все сильно взаимодействующие частицы являются состав­ ными и законы сохранения квантовых чисел являются лишь выражением сохранения числа фундаментальней­ ших частиц — составных частей обычных элементарных частиц?

Эта идея оказалась весьма плодотворной и позволила очень наглядно представить себе систематику сильно взаимодействующих частиц, созданную в последнее время.

Первый и самый главный вопрос. Сколько таких суб­ элементарных частиц должно быть? Конечно, хотелось бы, чтобы их было поменьше. Составить две сотни частиц всего лишь из двух-трех было бы очень заманчиво. Ока­ зывается, как нашли Гелл-Манн и Цвейг, достаточно все­ го лишь трех частиц.

Субэлементарных частиц мало, но зато свойства их до крайности необычны. Поэтому Гелл-Манн дал им назва­ ние весьма необыкновенного происхождения. В романе английского писателя Джойса «Поминки по Финнегану» главному герою чудится, будто он король Марк из сред­ невековой легенды, у которого племянник Тристан похи­ тил жену Изольду. Король Марк гонится за Изольдой на корабле. Над ним кружатся чайки (которые, впрочем, может быть, вовсе не чайки, а судьи) и злобно кричат: «Три кварка мистеру Марку!» И все громче их загадоч-

125

ный, страшный клич: «Три кварка, три кварка, три квар­ ка, три кварка!». Кварки — бесы. Выбрав это название для субэлементарных частиц, Гелл-Манн, по-видимому, хотел подчеркнуть проблематичность существования этих частиц.

Для кварков приняты обозначения: р, п, Я. Необычай­ ность кварков в том, что они имеют дробные электриче­ ские и барионные заряды. В таблице приведены значения зарядов и странностей кварков.

Спин всех трех кварков равен - у, так как только из час­ тиц с полуцелым спином можно составить частицы со спином нуль и единица, который имеют мезоны и мезонные резонансы.

Наряду с кварками надо допустить существование ан­ тикварков с зарядами и странностью противоположного знака.

Предсказание £}--частицы. Теперь займемся констру­ ированием элементарных частиц из кварков. Проще все­ го это сделать не для долгоживущих частиц, а для барионных резонансов. Здесь с задачей может справиться ре­ бенок, умеющий складывать дроби.

Спин этих резонансов 3 /2 . Значит, каждый из них дол­ жен состоять из трех кварков с параллельными спинами. Странность А-резонансов равна нулю. Значит, они не дол­ жны содержать Я-кварков. Е*-резонансы имеют по одно­ му Я-кварку, а Н*-резонансы — по два Х-кварка.

Нетрудно сообразить, что из трех кварков с одинако­ вой ориентацией спина можно получить следующие 10 различных комбинаций:

12в