Элементарные частицы

Э. ч., за исключением фотона, разбиваются на две основные группы: адроны

(от греческого hadros - большой, сильный) и лептоны (от греческого leptos -

мелкий, тонкий, лёгкий). Адроны характеризуются прежде всего тем, что они

обладают сильными взаимодействиями, наряду с электромагнитными и слабыми,

тогда как лептоны участвуют только в электромагнитных и слабых

взаимодействиях. (Наличие общих для той и другой группы гравитационных

взаимодействий подразумевается.) Массы адронов по порядку величины близки к

массе протона (тр); минимальную массу среди адронов имеет p-мезон: тp"м

1/7Чтр. Массы лептонов, известных до 1975-76, были невелики ( 0,1 mp),

однако новейшие данные, видимо, указывают на возможность существования

тяжёлых лептонов с такими же массами, как у адронов. Первыми исследованными

представителями адронов были протон и нейтрон, лептонов - электрон. Фотон,

обладающий только электромагнитными взаимодействиями, не может быть отнесён

ни к адронам, ни к лептонам и должен быть выделен в отд. группу. По

развиваемым в 70-х гг. представлениям фотон (частица с нулевой массой

покоя) входит в одну группу с очень массивными частицами - т. н.

промежуточными векторными бозонами, ответственными за слабые взаимодействия

и пока на опыте не наблюдавшимися (см. раздел Элементарные частицы и

квантовая теория поля).

Характеристики элементарных частиц.

Каждая Э. ч., наряду со спецификой присущих ей взаимодействий, описывается

набором дискретных значений определённых физических величин, или своими

характеристиками. В ряде случаев эти дискретные значения выражаются через

целые или дробные числа и некоторый общий множитель - единицу измерения; об

этих числах говорят как о квантовых числах Э. ч. и задают только их,

опуская единицы измерения.

Общими характеристиками всех Э. ч. являются масса (m), время жизни (t),

спин (J) и электрический заряд (Q). Пока нет достаточного понимания того,

по какому закону распределены массы Э. ч. и существует ли для них какая-то

единица измерения.

В зависимости от времени жизни Э. ч. делятся на стабильные, квазистабильные

и нестабильные (резонансы). Стабильными, в пределах точности современных

измерений, являются электрон (t > 5Ч1021 лет), протон (t > 2Ч1030 лет),

фотон и нейтрино. К квазистабильным относят частицы, распадающиеся за счёт

электромагнитных и слабых взаимодействий. Их времена жизни > 10-20 сек (для

свободного нейтрона даже ~ 1000 сек). Резонансами называются Э. ч.,

распадающиеся за счёт сильных взаимодействий. Их характерные времена жизни

10-23-10-24 сек. В некоторых случаях распад тяжёлых резонансов (с массой і

3 Гэв) за счёт сильных взаимодействий оказывается подавленным и время жизни

увеличивается до значений - ~10-20 сек.

Спин Э. ч. является целым или полуцелым кратным от величины . В этих

единицах спин p- и К-мезонов равен 0, у протона, нейтрона и электрона J=

1/2, у фотона J = 1. Существуют частицы и с более высоким спином. Величина

спина Э. ч. определяет поведение ансамбля одинаковых (тождественных)

частиц, или их статистику (В. Паули, 1940). Частицы полуцелого спина

подчиняются Ферми - Дирака статистике (отсюда название фермионы), которая

требует антисимметрии волновой функции системы относительно перестановки

пары частиц (или нечётного числа пар) и, следовательно, "запрещает" двум

частицам полуцелого спина находиться в одинаковом состоянии (Паули

принцип). Частицы целого спина подчиняются Бозе - Эйнштейна статистике

(отсюда название бозоны), которая требует симметрии волновой функции

относительно перестановок частиц и допускает нахождение любого числа частиц

в одном и том же состоянии. Статистические свойства Э. ч. оказываются

существенными в тех случаях, когда при рождении или распаде образуется

несколько одинаковых частиц. Статистика Ферми - Дирака играет также

исключительно важную роль в структуре ядер и определяет закономерности

заполнения электронами атомных оболочек, лежащие в основе периодической

системы элементов Д. И. Менделеева.

Электрические заряды изученных Э. ч. являются целыми кратными от величины е

"1,6Ч10-19 к, называются элементарным электрическим зарядом. У известных Э.

ч. Q = 0, ±1, ±2.

Помимо указанных величин Э. ч. дополнительно характеризуются ещё рядом

квантовых чисел, называются внутренними. Лептоны несут специфический

лептонный заряд L двух типов: электронный (Le) и мюонный (Lm); Le = +1 для

электрона и электронного нейтрино, Lm= +1 для отрицательного мюона и

мюонного нейтрино. Тяжёлый лептон t; и связанное с ним нейтрино, по-

видимому, являются носителями нового типа лептонного заряда Lt.

Для адронов L = 0, и это ещё одно проявление их отличия от лептонов. В свою

очередь, значительные части адронов следует приписать особый барионный

заряд В (|Е| = 1). Адроны с В = +1 образуют подгруппу барионов (сюда входят

протон, нейтрон, гипероны, барионные резонансы), а адроны с В = 0 -

подгруппу мезонов (p- и К-мезоны, бозонные резонансы). Название подгрупп

адронов происходит от греческих слов barэs - тяжёлый и mйsos - средний, что

на начальном этапе исследований Э. ч. отражало сравнительные величины масс

известных тогда барионов и мезонов. Более поздние данные показали, что

массы барионов и мезонов сопоставимы. Для лептонов В = 0. Для фотона В = 0

и L = 0.

Барионы и мезоны подразделяются на уже упоминавшиеся совокупности: обычных

(нестранных) частиц (протон, нейтрон, p-мезоны), странных частиц (гипероны,

К-мезоны) и очарованных частиц. Этому разделению отвечает наличие у адронов

особых квантовых чисел: странности S и очарования (английское charm) Ch с

допустимыми значениями: 151 = 0, 1, 2, 3 и |Ch| = 0, 1, 2, 3. Для обычных

частиц S = 0 и Ch = 0, для странных частиц |S| № 0, Ch = 0, для очарованных

частиц |Ch| № 0, а |S| = 0, 1, 2. Вместо странности часто используется

квантовое число гиперзаряд Y = S + В, имеющее, по-видимому, более

фундаментальное значение.

Уже первые исследования с обычными адронами выявили наличие среди них

семейств частиц, близких по массе, с очень сходными свойствами по отношению

к сильным взаимодействиям, но с различными значениями электрического

заряда. Протон и нейтрон (нуклоны) были первым примером такого семейства.

Позднее аналогичные семейства были обнаружены среди странных и (в 1976)

среди очарованных адронов. Общность свойств частиц, входящих в такие

семейства, является отражением существования у них одинакового значения

специального квантового числа - изотопического спина I, принимающего, как и

обычный спин, целые и полуцелые значения. Сами семейства обычно называются

изотопическими мультиплетами. Число частиц в мультиплете (п)связано с I

соотношением: n = 2I + 1. Частицы одного изотопического мультиплета

отличаются друг от друга значением "проекции" изотопического спина I3, и

Важной характеристикой адронов является также внутренняя чётность Р,

связанная с операцией пространств, инверсии: Р принимает значения ±1.

Для всех Э. ч. с ненулевыми значениями хотя бы одного из зарядов О, L, В, Y

(S) и очарования Ch существуют античастицы с теми же значениями массы т,

времени жизни t, спина J и для адронов изотопического спина 1, но с

противоположными знаками всех зарядов и для барионов с противоположным

знаком внутренней чётности Р. Частицы, не имеющие античастиц, называются

абсолютно (истинно) нейтральными. Абсолютно нейтральные адроны обладают

специальным квантовым числом - зарядовой чётностью (т. е. чётностью по

отношению к операции зарядового сопряжения) С со значениями ±1; примерами

таких частиц могут служить фотон и p0.

Квантовые числа Э. ч. разделяются на точные (т. е. такие, которые связаны с

физическими величинами, сохраняющимися во всех процессах) и неточные (для

которых соответствующие физические величины в части процессов не

сохраняются). Спин J связан со строгим законом сохранения момента

количества движения и потому является точным квантовым числом. Другие

точные квантовые числа: Q, L, В; по современным данным, они сохраняются при

всех превращениях Э. ч. Стабильность протона есть непосредственное

выражение сохранения В (нет, например, распада р ® е+ + g). Однако

большинство квантовых чисел адронов неточные. Изотопический спин,

сохраняясь в сильных взаимодействиях, не сохраняется в электромагнитных и

слабых взаимодействиях. Странность и очарование сохраняются в сильных и

электромагнитных взаимодействиях, но не сохраняются в слабых

взаимодействиях. Слабые взаимодействия изменяют также внутреннюю и

зарядовую чётности. С гораздо большей степенью точности сохраняется

комбинированная чётность СР, однако и она нарушается в некоторых процессах,

обусловленных слабыми взаимодействиями. Причины, вызывающие несохранение

многих квантовых чисел адронов, неясны и, по-видимому, связаны как с

природой этих квантовых чисел, так и с глубинной структурой

электромагнитных и слабых взаимодействий. Сохранение или несохранение тех

или иных квантовых чисел - одно из существенных проявлений различий классов

взаимодействий Э. ч.

Классификация элементарных частиц.

Унитарная симметрия. Классификация лептонов пока не представляет проблем,

большое же число адронов, известных уже в начале 50-х гг., явилось

основанием для поиска закономерностей в распределении масс и квантовых

чисел барионов и мезонов, которые могли бы составить основу их

классификации. Выделение изотопических мультиплетов адронов было первым

шагом на этом пути. С математической точки зрения группировка адронов в

изотопические мультиплеты отражает наличие у них симметрии, связанной с

группой вращения (см. Группа), более формально, с группой SU (2) - группой

унитарных преобразований в комплексном двумерном пространстве.

Предполагается, что эти преобразования действуют в некотором специфическом

внутреннем пространстве - "изотопическом пространстве", отличном от

обычного. Существование изотопического пространства проявляется только в

наблюдаемых свойствах симметрии. На математическом языке изотопические

мультиплеты суть неприводимые представления группы симметрии SU (2).

Концепция симметрии как фактора, определяющего существование различных

групп и семейств Э. ч., в современной теории является доминирующей при

классификации адронов и других Э. ч. Предполагается, что внутренние

квантовые числа Э. ч., позволяющие выделять те или иные группы частиц,

связаны со специальными типами симметрий, возникающими за счёт свободы

преобразований в особых "внутренних" пространствах. Отсюда и происходит

название "внутренние квантовые числа".

Внимательное рассмотрение показывает, что странные и обычные адроны в

совокупности образуют более широкие объединения частиц с близкими

свойствами, чем изотопические мультиплеты. Они называются

супермультиплетами. Число частиц, входящих в наблюдаемые супермультиплеты,

равно 8 и 10. С точки зрения симметрий возникновение супермультиплетов

истолковывается как проявление существования у адронов группы симметрии

более широкой, чем группа SU (2), а именно: SU (3) - группы унитарных

преобразований в трёхмерном комплексном пространстве (М. Гелл-Ман и

независимо Ю. Нееман, 1961). Соответствующая симметрия получила назв.

унитарной симметрии. Группа SU (3)имеет, в частности, неприводимые

представления с числом компонент 8 и 10, отвечающие наблюдаемым

супермультиплетам: октету и декуплету. Примерами могут служить следующие

группы частиц с одинаковыми значениями J P:

Общими для всех частиц в супермультиплете являются значения двух величин,

которые по математической природе близки к изотопическому спину и поэтому

часто называются унитарным спином. Для октета значения связанных с этими

величинами квантовых чисел равны (1, 1), для декуплета - (3, 0).

Унитарная симметрия менее точная, чем изотопическая симметрия. В

соответствии с этим различие в массах частиц, входящих в октеты и

декуплеты, довольно значительно. По этой же причине разбиение адронов на

супермультиплеты сравнительно просто осуществляется для Э. ч. не очень

высоких масс. При больших массах, когда имеется много различных частиц с

близкими массами, это разбиение осуществляется менее надёжно. Однако в

свойствах Э. ч. имеется много разнообразных проявлений унитарной симметрии.

Включение в систематику Э. ч. очарованных адронов позволяет говорить о

сверхсупермультиплетах и о существовании ещё более широкой симметрии,

связанной с унитарной группой SU (4). Примеры до конца заполненных

сверхсупермультиплетов пока отсутствуют. SU (4)-симметрия нарушена ещё

сильнее, чем SU (3)-симметрия, и её проявления выражены слабее.

Обнаружение у адронов свойств симметрии, связанных с унитарными группами, и

закономерностей разбиения на мультиплеты, отвечающих строго определённым

представлениям указанных групп, явилось основой для вывода о существовании

у адронов особых структурных элементов - кварков.

Кварковая модель адронов. Развитие работ по классификации адронов с первых

своих шагов сопровождалось попытками выделить среди них частицы более

фундаментальные, чем остальные, которые могли бы стать основой для

построения всех адронов. Начало этой линии исследования было положено Э.

Ферми и Ян Чжэнь-нином (1949), которые предположили, что такими

фундаментальными частицами являются нуклон (N) и антинуклон ( ), a p-мезоны

есть их связанные состояния ( ). При дальнейшем развитии этой идеи в число

фундаментальных частиц были включены также странные барионы (М. А. Марков,

1955; японский физик С. Саката, 1956; Л. Б. Окунь, 1957). Модели,

построенные на этой основе, хорошо описывали мезонные мультиплеты, но не

давали правильного описания мультиплетов барионов. Важнейший элемент данных

моделей - использование для "построения" адронов небольшого числа фермионов

- органически вошёл в модель, которая наиболее успешно решает задачу

описания всех адронов, - кварковую модель (австрийский физик Г. Цвейг и

независимо М. Гелл-Ман, 1964).

В первоначальном варианте в основу модели было положено предположение, что

все известные адроны построены из трёх типов частиц спина 1/2, названных р-

, n-, l-кварками, не принадлежащих к числу наблюдавшихся адронов и

обладающих весьма необычными свойствами. Название "кварки" заимствовано из

романа Дж. Джойса (см. Кварки). Современный вариант модели предполагает

существование как минимум четырёх типов кварков. Четвёртый кварк необходим

для описания очарованных адронов.

Идея кварков подсказана унитарной симметрией. Математическая структура

унитарных групп открывает возможность описания всех представлений группы SU

(n) (и, следовательно, всех мультиплетов адронов) на основе самого простого

представления группы, содержащего n компонент. В случае группы SU (3)таких

компонент три. Необходимо только допустить наличие частиц, связанных с этим

простейшим представлением. Эти частицы и есть кварки. Кварковый состав

мезонов и барионов был выведен из того факта, что супермультиплеты мезонов

содержат, как правило, 8 частиц, а барионов - 8 и 10 частиц. Эта

закономерность легко воспроизводится, если предположить, что мезоны

составлены из кварка q и антикварка - символически: , а барионы из трёх

кварков - символически: В = (qqq). В силу свойств группы SU (3) 9 мезонов

разбиваются на супермультиплеты из 1 и 8 частиц, а 27 барионов - на

супермультиплеты, содержащие 1, 10 и дважды по 8 частиц, что и объясняет

наблюдаемую выделенность октетов и декуплетов.

Добавление к схеме четвёртого кварка (и, если окажется необходимым, новых

дополнительных кварков) осуществляется при сохранении основного

предположения кварковой модели о строении адронов:

В = (qqq).

Все экспериментальные данные хорошо соответствуют приведённому кварковому

составу адронов. Имеются, видимо, лишь небольшие отклонения от этой

структуры, которые не влияют существенным образом на свойства адронов.

Указанная структура адронов и математические свойства кварков, как

объектов, связанных с определённым (простейшим) представлением группы SU

(4), приводят к след. квантовым числам кварков (табл. 2). Обращают внимание

необычные - дробные - значения электрического заряда Q, а также В, S и Y,

не встречающиеся ни у одной из наблюдавшихся Э. ч. С индексом a у каждого

типа кварка qi (i = 1, 2, 3, 4) связана особая характеристика кварков -

"цвет", которой нет у изученных адронов. Индекс a принимает значения 1, 2,

3, т, е. каждый тип кварка qi представлен тремя разновидностями qia (Н. Н.

Боголюбов с сотрудниками, 1965; американские физики И. Намбу и М. Хан,

1965; японский физик И. Миямото, 1965). Квантовые числа каждого типа кварка

не меняются при изменении "цвета" и поэтому табл. 2 относится к кваркам

любого "цвета".

Всё многообразие адронов возникает за счёт различных сочетаний р-, п-, g- и

с-кварков, образующих связанные состояния. Обычным адронам соответствуют

связанные состояния, построенные только из р- и n-кварков [для мезонов с

возможным участием комбинаций и ]. Наличие в связанном состоянии наряду с р-

и n-кварками одного g- или с-кварка означает, что соответствующий адрон

странный (S = -1) или очарованный (Ch = + 1). В состав бариона может

входить два и три g -кварка (соответственно с-кварка), т. е. возможны

дважды и трижды странные (очарованные) барионы. Допустимы также сочетания

различного числа g- и с-кварков (особенно в барионах), которые

соответствуют "гибридным" формам адронов ("странно-очарованным"). Очевидно,

что чем больше g- или с-кварков содержит адрон, тем он тяжелее. Если

сравнивать основные (не возбуждённые) состояния адронов, именно такая

картина и наблюдается (см. табл. 1, а также табл. 3 и 5).

Поскольку спин кварков равен 1/2, приведённая выше кварковая структура

адронов имеет своим следствием целочисленный спин у мезонов и полуцелый - у

барионов, в полном соответствии с экспериментом. При этом в состояниях,

отвечающих орбитальному моменту l = 0, в частности в основных состояниях,

значения спина мезонов должны равняться 0 или 1 (для антипараллельной ґЇ и

параллельной ґґ ориентации спинов кварков), а спина барионов - 1/2 или 3/2

(для спиновых конфигураций Їґґ и ґґґ). С учётом того, что внутренняя

чётность системы кварк-антикварк отрицательна, значения JP для мезонов при

l = 0 равны 0- и 1-, для барионов - 1/2+ и 3/2+. Именно эти значения JP

наблюдаются у адронов, имеющих наименьшую массу при заданных значениях I и

Y (см. табл. 1).

Поскольку индексы i, k, l в структурных формулах пробегают значения 1, 2,

3, 4, число мезонов Mik с заданным спином должно быть равно 16. Для

барионов Bikl максимально возможное число состояний при заданном спине (64)

не реализуется, т. к. в силу принципа Паули при данном полном спине

разрешены только такие трёхкварковые состояния, которые обладают вполне

определённой симметрией относительно перестановок индексов i, k, 1, а

именно: полностью симметричные для спина 3/2 и смешанной симметрии для

спина 1/2. Это условие при l = 0 отбирает 20 барионных состояний для спина

3/2 и 20 - для спина 1/2.

Более подробное рассмотрение показывает, что значение кваркового состава и

свойств симметрии кварковой системы даёт возможность определить все

основные квантовые числа адрона (J, Р, В, Q, I, Y, Ch), за исключением

массы; определение массы требует знания динамики взаимодействия кварков и

массы кварков, которое пока отсутствует.

Правильно передавая специфику адронов с наименьшими массами и спинами при

заданных значениях Y и Ch, кварковая модель естественным образом объясняет

также общее большое число адронов и преобладание среди них резонансов.

Многочисленность адронов - отражение их сложного строения и возможности

существования различных возбуждённых состояний кварковых систем. Не

исключено, что число таких возбуждённых состояний неограниченно велико. Все

возбуждённые состояния кварковых систем неустойчивы относительно быстрых

переходов за счёт сильных взаимодействий в нижележащие состояния. Они и

образуют основную часть резонансов. Небольшую долю резонансов составляют

также кварковые системы с параллельной ориентацией спинов (за исключением W-

). Кварковые конфигурации с антипараллельной ориентацией спинов,

Страницы: 1, 2, 3