Что такое адроны в физике. Наивная кварковая модель. Что такое кварк

Адроны - общее название для частиц, участвующих в сильных взаимодействиях. Название происходит от греческого слова, означающего «сильный, крупный». Все адроны делятся на две большие группы - мезоны и барионы .

Массы перечисленных барионов примерно в полтора раза больше массы протона, а их характерное время жизни составляет около Ю-10 с. Напомним, что протон практически стабилен, а нейтрон живет более 15 мин. Казалось бы, более тяжелые барионы очень недолговечны, но по масштабам микромира это не так. Такая частица, даже двигаясь относительно медленно, со скоростью, скажем, равной 10% от световой, успевает пройти путь в несколько миллиметров и оставить свой след в детекторе элементарных частиц (см. Детекторы ядерных излучений). Одним из свойств барионов, отличающих их от других видов частиц, можно считать наличие у них сохраняющегося барионного заряда. Эта величина введена для описания опытного факта постоянства во всех известных процессах разности между числом барионов и антибарионов (см. Четность, Пептоны, Протон).

Мезоны - адроны с целым спином . Название произошло от греческого слова, означающего «средний», поскольку массы первых открытых мезонов имели промежуточные значения между массами протона и электрона. Барионный заряд мезонов равен нулю. Легчайшие из мезонов - пионы, или пи-мезоны л-, л+ и Их массы примерно в 6-7 раз меньше массы протона. Более массивны странные мезоны - каоны К+, К~ и /С0: их массы почти в два раза меньше массы протона. Характерное время жизни этих мезонов - Ю-8 с.

Почти все адроны имеют античастицы. Так, барион сигма-минус 2- имеет античастицу антисигма-плюс 2 + , которая отлична от 2 + . То же самое можно сказать и о других барионах. С мезонами дело обстоит несколько иначе: отрицательный пион - античастица положительного пиона, а нейтральный пион античастицы вообще не имеет, поскольку является античастицей сам себе. В то же время нейтральный каон К0 имеет античастицу К0. Эти факты получают объяснение в кварковой модели адронов.

Мир адронов огромен - он включает более 350 частиц. Большинство их очень нестабильны: они распадаются на более легкие адроны за время порядка 10-23с.

По современным представлениям адроны не являются истинно элементарными частицами. Они имеют конечные размеры и сложную структуру. Барионы состоят из трех кварков. Соответственно антибарион состоит из трех антикварков и всегда отличен от бариона. Мезоны построены из кварка и антикварка. Ясно, что мезоны, в состав которых входят пары из кварков и антикварков одного сорта, не будут иметь античастиц. Кварки удерживаются внутри адронов глюонным полем. В принципе теория допускает существование других адронов, построенных из большего числа кварков или, наоборот, из одного глюонного поля. В последнее время появились некоторые экспериментальные данные о возможном существовании таких гипотетических частиц.

В дальнейшем оказалось, что трех кварковых ароматов недостаточно для описания всех адронов. В 1974 г. были открыты так называемые пси-мезоны, состоящие из кварка и антикварка нового вида (сс). Этот аромат был назван очарованием. Новый очарованный кварк с оказался гораздо тяжелее своих «собратьев»: легчайшая из пси-частиц - мезон J/ -ф - имеет массу 3097 МэВ, т. е. в 3 раза тяжелее протона. Время ее жизни около Ю-20с.

Было открыто целое семейство пси-мезонов с тем же кварковым составом сс, но находящихся в возбужденных состояниях и вследствие этого имеющих большие массы. Было очевидно, что должны существовать и связанные состояния с-кварка с кварками других ароматов. В такого рода частицах «очарование» с-кварка не будет компенсироваться «антиочарованием» с-кварка, как это происходит в пси-мезонах. Поэтому такие частицы получили название очарованных мезонов.

Адроны - общее название для частиц, участвующих в сильных взаимодействиях. Название происходит от греческого слова, означающего «сильный, крупный». Все адроны делятся на две большие группы - мезоны и барионы.

Единицей странности обладают барион лямбда и семейство барионов сигма (). Индексы +, - и 0 указывают на знак электрического заряда или нейтральность частицы. Двумя единицами странности обладают барионы ион ( и ). Барион имеет странность, равную трем. Массы перечисленных барионов примерно в полтора раза больше массы протона, а их характерное время жизни составляет около с. Напомним, что протон практически стабилен, а нейтрон живет более 15 мин. Казалось бы, более тяжелые барионы очень недолговечны, но по масштабам микромира это не так. Такая частица, даже двигаясь относительно медленно, со скоростью, скажем, равной 10% от световой, успевает пройти путь в несколько миллиметров и оставить свой след в детекторе элементарных частиц (см. Детекторы ядерных излучений). Одним из свойств барионов, отличающих их от других видов частиц, можно считать наличие у них сохраняющегося барионного заряда. Эта величина введена для описания опытного факта постоянства во всех известных процессах разности между числом барионов и антибарионов (см. Четность, Пептоны, Протон).

Мезоны - адроны с целым спином. Название произошло от греческого слова, означающего «средний», поскольку массы первых открытых мезонов имели промежуточные значения между массами протона и электрона. Барионный заряд мезонов равен нулю. Легчайшие из мезонов - пионы, или пи-мезоны и . Их массы примерно в 6-7 раз меньше массы протона. Более массивны странные мезоны - каоны и : их массы почти в два раза меньше массы протона. Характерное время жизни этих мезонов - с.

Почти все адроны имеют античастицы. Так, барион сигма-минус имеет античастицу антисигма-плюс , которая отлична от . То же самое можно сказать и о других барионах. С мезонами дело обстоит несколько иначе: отрицательный пион - античастица положительного пиона, а нейтральный пион античастицы вбобще не имеет, поскольку является античастицей сам себе. В то же время нейтральный каон имеет античастицу . Эти факты получают объяснение в кварковой модели адронов (см. Кварки).

Мир адронов огромен - он включает более 350 частиц. Большинство их очень нестабильны: они распадаются на более легкие адроны за время порядка . Это - характерное время сильных взаимодействий; за столь короткий интервал даже свет успевает пройти расстояние, равное всего лишь радиусу протона ( см). Ясно, что столь короткоживущие частицы не могут оставить следов в детекторах.

Обычно их рождение обнаруживают по косвенным признакам. Например, изучают реакцию аннигиляции электронов и позитронов с последующим рождением адронов. Изменяя энергию столкновения электронов и позитронов, обнаруживают, что при каком-то значении энергии выход адронов вдруг резко увеличивается. Данный факт можно объяснить тем, что в промежуточном состоянии родилась частица, масса которой равна соответствующей энергии (с точностью до множителя ). Эта частица мгновенно распадется на другие адроны, и единственным следом ее появления останется пик на графике зависимости вероятности рождения адронов от энергии столкновения.

Такие короткоживущие частицы называют резонансами. Большинство барионов и мезонов - резонансы. Они не оставляют «автографов» в камерах и на фотографиях, и все же физикам удается изучать их свойства: определять массу, время жизни, спин, четность, способы распада и т. п.

По современным представлениям адроны не являются истинно элементарными частицами. Они имеют конечные размеры и сложную структуру. Барионы состоят из трех кварков. Соответственно антибарион состоит из трех антикварков и всегда отличен от бариона. Мезоны построены из кварка и антикварка. Ясно, что мезоны, в состав которых входят пары из кварков и антикварков одного сорта, не будут иметь античастиц. Кварки удерживаются внутри адронов глюонным полем (см. Сильные взаимодействия). В принципе теория допускает существование других адронов, построенных из большего числа кварков или, наоборот, из одного глюонного поля. В последнее время появились некоторые экспериментальные данные о возможном существовании таких гипотетических частиц.

Динамическая теория кварков, описывающая их взаимодействия, стала развиваться относительно недавно. Первоначально кварковая модель была предложена для «наведения порядка» в слишком многочисленном семействе адронов. Эта модель включала кварки трех видов, или, как принято говорить, ароматов. С помощью кварков удалось навести порядок в многочисленном семействе адронов, распределив их в группы частиц, называемые мультиплетами. Частицы одного мультиплета имеют близкие массы, но не только это послужило основой их классификации; кроме опытных данных в этом случае использовали специальный математический аппарат теории групп. В дальнейшем оказалось, что трех кварковых ароматов недостаточно для описания всех адронов. В 1974 г. были открыты так называемые пси-мезоны, состоящие из кварка и антикварка нового вида . Этот аромат был назван очарованием. Новый очарованный кварк с оказался гораздо тяжелее своих "собратьев": легчайшая из пси-частиц - мезон имеет массу 3097 МэВ, т. е. в 3 раза тяжелее протона. Время ее жизни около . Было открыто целое семейство пси-мезонов с тем же кварковым составом , но находящихся в возбужденных состояниях и вследствие этого имеющих большие массы. Было очевидно, что должны существовать и связанные состояния с-кварка с кварками других ароматов. В такого рода частицах «очарование» с-кварка не будет компенсироваться «антиочарованием» -кварка, как это происходит в пси-мезонах. Поэтому такие частицы получили название очарованных мезонов.

Адронами называются элементарные частицы, которые могут участвовать и реально участвуют в сильном взаимодействии. Все они подвержены также электромагнитному, слабому и гравитационному взаимодействиям. Класс адронов самый многочисленный: он насчитывает более 300 частиц (если считать и античастицы). , согласно современным воззрениям, являются составными частицами. Первым косвенным указанием на это может служить хотя бы то, что их очень много - несколько сотен. Далее, большинство адронов являются резонансами - крайне нестабильными частицами. Но, главное, у адронов была обнаружена внутренняя структура. Уже из результатов опытов по упругому рассеянию электронов на нуклонах, проведенных в 50-60-е годы, следовало, что радиусы протона и нейтрона отличны от нуля. Конечно, непосредственно измерить эти радиусы не возможно, имеются в виду среднеквадратичные радиусы распределения электрического заряда и магнитного момента в этих частицах.

R N =0,8·10 -15 м.

При этом электрический заряд и магнитный момент распределены в них неравномерно: они спадают от центра к периферии по экспоненциальному закону (у нейтрона распределение электрического заряда отсутствует). Так, плотность электрического заряда протона хорошо описывается следующей экспериментально найденной формулой:

g(r) =e ·3,06exp(-4,25r) .

Более того, опыты по неупругому рассеянию электронов на нуклонах, проведённые в 60-70-е годы, выявили зернистую («партонную») структуру протона и нейтрона.

состоят из кварков . комбинируются таким образом, что их дробные заряды в сумме дают целый заряд адрона, т.е. адроны не имеют цветового заряда, хотя его имеют кварки. Все адроны, за исключением протона, - нестабильны, т.е. распадаются на другие частицы. Например, нейтрон распадается на протон, электрон и антинейтрино; K-мезон распадается на два пи-мезона, которые далее распадаются на мюон и нейтрино и т.д.

Различают стабильные (точнее, мета-стабильные) адроны со средними временами жизни T>10 -23 с и резонансы, времена жизни которых T~10 -24 -10 -23 с. Самой характерной особенностью резонансов является то, что они распадаются в результате сильного взаимодействия, тогда как распады «стабильных» адронов обусловлены гораздо менее интенсивными взаимодействиями, главным образом слабым, иногда электромагнитным. Данное свойство резонансов может служить наиболее адекватным их определением.

Адроны подразделяются на барионы и мезоны.

Адроны, имеющие полуцелые спины, называют барионами; адроны, обладающие целыми спинами, называют мезонами.

Мезоны (от греч. m esos - средний ) состоят из одного кварка и одного антикварка. Например, такой мезон, как пион (π + ), имеет структуру ud (т.е. состоит из одного u -кварка и одного d -антикварка). Аналогично антипион (p - ) имеет совсем другую структуру du (т.е. состоит из одного u -антикварка и одного d -кварка). Мезоны относятся к бозонам, т.е. к переносчикам взаимодействий (см. стандартная модель).

Поскольку мезон состоит из частицы и античастицы, то он очень нестабилен. Однако такой мезон, как каон (K ), имеет гораздо большую продолжительность жизни по сравнению с остальными мезонами, и потому входящий в него кварк назвали странным (strange).

Таким образом, бывают стабильные мезоны и стабильные барионы, а также мезонные резонансы и барионные резонансы. Для характеристики этого различия вводят физическую величину, аналогичную лептонному заряду - барионный заряд.

Барионный заряд.

По определению, у всех барионов В = + 1, у всех антибарионов В= - 1, у всех прочих частиц (в том числе у мезонов) В = 0. Пока считается, что барионный заряд сохраняется во всех взаимодействиях. Этим обусловлена, в частности, стабильность протона - самого легкого бариона. Все мезоны и барионы подразделяются на «обычные», «странные», «очарованные» и «прелестные». Заметим, что «прелестные» барионы ещё не зарегистрированы, хотя нет никаких сомнений в том, что они существуют. Кроме того, предсказывается новый класс «истинных» частиц с весьма большими массами.

Помимо пространственно-временных симметрий в мире частиц действуют симметрии иной природы, называемые внутренними или динамическими симметриями. Они позволяют, например, классифицировать всё многообразие адронов.

Пояснить, что такое внутренняя симметрия, лучше всего на конкретном примере. Рассмотрим два легчайших бариона - протон и нейтрон. Массы частиц очень близки: m p = 938,2 МэВ , m n = 939,5 МэВ . Заряд протона Q = +1 , заряд нейтрона Q = 0 . Как показывают эксперименты, в реакциях сильного взаимодействия обе частицы ведут себя одинаково. Если не учитывать электромагнитный заряд, то во всём остальном они неразличимы. В ядерном мире протон и нейтрон выступают как единая частица - нуклон, который может находиться в двух разных состояниях, протонном и нейтронном.

«Взаимозаменяемость» протона и нейтрона в реакциях сильных взаимодействий можно математически описать как симметрию по отношению к вращениям в некотором гипотетическом (не имеющем ничего общего с обычным) трёхмерном пространстве, получившем название изотопического пространства. Как электрон со спином ½ способен находиться в двух состояниях с проекциями спина на избранное направление (ось квантования) ½ или -½, так и протон с нейтроном могут считаться состояниями одной частицы (нуклона N), наделённой новым квантовым числом - изотопическим спином T= ½ , но с разными проекциями: Tз = ½ и Tз = -½ (понятие изотопического спина ввёл в 1940 г. В. Гейзенберг). Неразличимость протона и нейтрона теперь выражается как инвариантность уравнений теории сильных взаимодействий относительно «вращений» в изотопическом пространстве. Или, другими словами, тождественность протона и нейтрона по отношению к сильному взаимодействию находит свое конкретное выражение в свойстве зарядовой независимости ядерных сил: они одинаковы для систем р - р, п - п, р - п .

Все адроны распределяются по небольшим семействам - изомультиплетам. Сильное взаимодействие отдельных их членов одинаково, а различаются они только своим отношением к электромагнитному и слабому взаимодействиям. Если бы два последних взаимодействия удалось бы не учитывать, то члены одного изомультиплета стали бы тождественными, неразличимыми частицами. Характерный внешний признак принадлежности частиц к одному изомультиплету - приближенное равенство их масс при разных значениях электрического заряда. Считается, что небольшие различия в массах возникают как раз вследствие электромагнитного взаимодействия. Самый известный пример изомультиплета дает нуклонный изодублет N , содержащий протон р и нейтрон п , на примере которого мы и провели первоначальное пояснение.

Математический аппарат, с помощью которого описываются разные изомультиплеты и отдельные их члены, почти идентичен аппарату, созданному для описания обычного спина и разных спиновых состояний данной частицы. Изомультиплету в целом приписывается изоспин T , который определяет число его членов по формуле:

N=2T+1 . ()

У частицы с обычным спином J имеется 2J + 1 спиновых состояний, различающихся проекциями спина J 3 . По аналогии с этим вводится проекция изоспина T з , значениями которой различаются отдельные члены изомультиплета (хотя здесь никакие наглядные геометрические образы непригодны). Величина T з пробегает значения от -T до T через единицу в порядке возрастания электрического заряда. Приведем два простых примера. Для нуклона N = 2 (р, п) , а поэтому T=½ , у нейтрона T з =-½ протона T з =+ ½ . Для пиона N = 3 (л + , л 0 , л -) , и поэтому Т= 1 ; у л - -мезона T з = - 1 , у л 0 -мезона T з = 0 , у л + -мезона Т з =+1 .

В сильном взаимодействии изоспин сохраняется. Заметим только, что свойство зарядовой независимости ядерных сил является частным следствием закона сохранения изоспина. Электромагнитное взаимодействие делает члены данного изомультиплета уже различными, и поэтому в процессах, им обусловленных, изоспин не сохраняется. Не сохраняется он и в слабом взаимодействии.

Странность (strange).

Прежде всего следует напомнить, что адроны, в состав которых входят того или иного аромата, становятся обладателями соответствующего квантового числа, другими словами, в составе рассматриваемых ниже странных частиц содержится странный кварк.

Первоначально из адронов были известны только частицы N и л. Электрические заряды этих «обычных» частиц могут быть вычислены по формуле q = T 3 +½B, (1) .

Но для «странных» частиц, открытых в 50-е годы, данная формула уже не справедлива. Так, у K + -мезона q= +1 , в то время, как Тз= +½, B=0 . Всем этим частицам приписывается новое квантовое число - странность S. Оно вводится так, чтобы для странных частиц выполнялось соотношение Гелл-Манна-Нишиджимы q = T 3 +½(B+S), (2) , обобщающее предыдущую формулу. По сути дела, соотношение рассматривается в настоящее время просто как определение странности, позволяющее находить её значения для конкретных частиц. Так, у «обычных» частиц S = 0 , а из последнего примера сразу ясно, что K + -мезону следует приписать странность S= + 1 .

Считается, что странность сохраняется в сильном (и электромагнитном) взаимодействии, но не сохраняется в слабом взаимодействии. В более строгом смысле в физике элементарных частиц существуют т.н. правила отбора , одно из них применительно к свойству странности формулируется так: суммы странностей частиц в начале и конце реакции сильного взаимодействия одинаковы.

Этим сразу объясняется весьма необычное свойство странных частиц, из-за которого они главным образом и получили свое название: рождаются эти частицы всегда парами, причем быстро - за время т~10 -23 с, а распадаются поодиночке и медленно - за время т~ 10 -10 -т~ 10 -8 с. Дело в том, что в космическом излучении «странные» частицы генерируются при соударении «обычных» адронов N и л с S=0 и в результате сильного взаимодействия (отсюда малые времена). Так как в начальном состоянии S = 0 , то и в конечном состоянии полная странность равна нулю. А это значит, что если образовалась какая-то одна частица с S не равной О , то обязана образоваться и другая частица с противоположным значением S . Распадаться же «странные» частицы за счёт сильного взаимодействия не могут, так как в конечном итоге они превращаются в «обычные» частицы. Их распады обусловлены слабым взаимодействием, не сохраняющим странность, откуда относительно большие времена жизни.

В 70-е годы были открыты очарованные частицы, для которых оказалось несправедливым и соотношение (2) . Им приписали новое квантовое число - очарование С , введение которого обобщает соотношение Гелл-Манна-Нишиджимы q = T 3 +½(B+S+C), (3) .

Очарование подчиняется таким же законам сохранения, что и странность. После открытия прелестных частиц возникла необходимость во введении прелести Ь . q = T 3 +½(B+S+C-b), (4) . (знак минус введен по причинам достаточно случайного характера).

Для «истинных» частиц, если их откроют, необходимо ввести ещё одно квантовое число - истинность (?) .

Итак, мы видим, что для описания всего многообразия адронов приходится использовать большое количество весьма необычных физических величин (причём мы перечислили не все из них). Их глубокий смысл в том, что все эти величины подчиняются определенным законам сохранения, позволяющим устанавливать правила отбора, которые запрещают или разрешают протекание тех или иных превращений частиц. Из сказанного ясно, что фундаментальные взаимодействия различаются, наряду с прочими характеристиками, также свойственными им законами сохранения.

В отличие от горстки известных лептонов адронов существует буквально сотни. Одно лишь это наводит на мысль, что адроны – не элементарные частицы, а построены из более мелких составляющих. Все адроны участвуют в сильном, слабом и гравитационном взаимодействиях, но встречаются в двух разновидностях – электрически заряженные и нейтральные. Среди адронов наиболее известны и широко распространены нейтрон и протон. Остальные адроны короткоживущие и распадаются либо менее чем за одну миллионную секунды за счет слабого взаимодействия, либо гораздо быстрее (за время порядка 10-23 с) – за счет сильного взаимодействия.

В 50-х годах физиков крайне озадачили численность и разнообразие адронов. Но мало-помалу частицы удалось классифицировать по трем важным характеристикам: массе, заряду и спину. Постепенно стали появляться признаки порядка и выстраиваться четкая картина. Появились намеки на то, что за кажущимся хаосом данных скрываются симметрии. Решающий шаг в раскрытии тайны адронов был сделан в 1963 г., когда Марри Гелл– Манн и Джордж Цвейг из Калифорнийского технологического института предложили теорию кварков.

Рис. 10 Адроны построены из кварков. Протон (вверху) состоит из двух u-кварков и одного d-кварка. Более легкий пион (внизу) – это мезон, состоящий из одного u-кварка и одного d-антикварка. Другие адроны представляют собой всевозможные комбинации кварков.

Основная идея этой теории очень проста. Все адроны построены из более мелких частиц, называемых кварками. Кварки могут соединяться друг с другом одним из двух возможных способов: либо тройками, либо парами кварк-антикварк. Из трех кварков состоят сравнительно тяжелые частицы – барионы, что означает “тяжелые частицы”. Наиболее известны из барионов нейтрон и протон. Более легкие пары кварк-антикварк образуют частицы, получившие название мезоны - “промежуточные частицы”. Выбор такого наименования объясняется тем, что первые обнаруженные мезоны занимали по массе промежуточное положение между электронами и протонами. Чтобы учесть все известные тогда адроны, Гелл-Манн и Цвейг ввели три различных типа (“аромата”) кварков, получивших довольно причудливые названия: и (от up - верхний), d (от down - нижний) и s (от strange – странный). Допуская возможность различных комбинаций ароматов, можно объяснить существование большого числа адронов. Например, протон состоит из двух и- и одного d-кварков (рис, 10), а нейтрон – из двух d-кварков и одного u-кварка.

Чтобы предложенная Гелл-Манном и Цвейгом теория оказалась действенной, необходимо предположить, что кварки несут дробный электрический заряд. Иначе говоря, они обладают зарядом, величина которого составляет либо 1/3, либо 2/3 фундаментальной единицы – заряда электрона. Комбинация из двух и трех кварков может иметь суммарный заряд, равный нулю или единице. Все кварки имеют спин 1/2. поэтому они относятся к фермионам. Массы кварков не установлены столь точно, как массы других частиц, поскольку энергия связи их в адроне сравнима с массами самих кварков. Однако известно, что s-кварк тяжелее и- и d-кварков.

Внутри адронов кварки могут находиться в возбужденных состояниях, во многом сходных с возбужденными состояниями атома, но со значительно большими энергиями. Избыток энергии, заключенный в возбужденном адроне, настолько увеличивает его массу, что до создания теории кварков физики ошибочно принимали возбужденные адроны за совершенно иные частицы. Ныне установлено, что многие из казавшихся различными адронов в действительности представляют собой лишь возбужденные состояния одного и того же фундаментального набора кварков.

Как уже говорилось в гл. 5, кварки скрепляются между собой сильным взаимодействием. Но они участвуют и в слабом взаимодействии. Слабое взаимодействие может изменять аромат кварка. Именно так происходит распад нейтрона. Один из d-кварков в нейтроне превращается в u-кварк, а избыток заряда уносит рождающийся одновременно электрон. Аналогичным образом, изменяя аромат, слабое взаимодействие приводит к распаду и других адронов.

Существование s-кварков необходимо для построения так называемых “странных” частиц – тяжелых адронов, открытых в начале 50-х годов. Необычное поведение этих частиц, подсказавшее их название, состояло в том, что они не могли распадаться за счет сильного взаимодействия, хотя как сами, так и продукты их распада представляли собой адроны. Физики ломали голову над тем, почему, если и материнские, и дочерние частицы принадлежат к семейству адронов, сильное взаимодействие не вызывает их распада. По какой-то причине эти адроны “предпочитали” гораздо менее интенсивное слабое взаимодействие. Почему? Теория кварков естественным образом решила эту загадку. Сильное взаимодействие не может изменять аромат кварков – на это способно только слабое взаимодействие. А без изменения аромата, сопровождающегося превращением s-кварка в и- или d-кварк, распад невозможен.

В табл. 2 представлены различные возможные комбинации кварков с тремя ароматами и указаны их названия (обычно просто греческая буква). Многочисленные возбужденные состояния не приведены. То обстоятельство, что из различных комбинаций трех основных частиц можно получить все известные адроны, символизировало главный триумф теории кварков. Но несмотря на этот успех, лишь через несколько лет удалось получить прямые физические доказательства существования кварков.

Эти доказательства были получены в 1969 г. в серии исторических экспериментов, проведенных на большом линейном ускорителе в Станфорде (Калифорния, США) – СЛАКе. Станфордские экспериментаторы рассуждали просто. Если в протоне действительно существуют кварки, то можно наблюдать столкновения с этими частицами внутри протона. Необходим лишь субъядерный “снаряд”, который можно было бы направить прямо в недра протона. Использовать для этой цели другой адрон бесполезно, так как он имеет такие же размеры, как и протон. Идеальным снарядом мог бы стать лептон, например электрон. Так как электрон не участвует в сильном взаимодействии, он не “увязнет” в среде, которую образуют кварки. Вместе с тем электрон может почувствовать присутствие кварков благодаря наличию у них электрического заряда.

Таблица 2

Трем ароматам кварков, u, d и s, соответствуют заряды +2/3, -1/3 и -1/3; они комбинируются по три, образуя восемь барионов, приведенных в таблице. Пары кварк– антикварк образуют мезоны. (Некоторые комбинации, такие, как sss опущены.)

В станфордском эксперименте трехкилометровый ускоритель по существу выполнял роль гигантского электронного “микроскопа”, который позволил получить изображение внутренности протона. Обычный электронный микроскоп дает возможность различать детали размером менее одной миллионной сантиметра. Протон же в несколько десятков миллионов раз меньше, и его можно “прощупать” только электронами, разогнанными до энергии 2.1010 эВ. Во времена станфордских экспериментов лишь немногие физики придерживались упрощенной теории кварков. Большинство ученых ожидало, что электроны будут отклоняться электрическими зарядами протонов, но при этом считалось, что заряд равномерно распределен внутри протона. Если бы это было действительно так, то происходило бы в основном слабое рассеяние электронов, т.е. при прохождении через протоны электроны не претерпевали бы сильных отклонений. Эксперимент показал, что картина рассеяния резко отличается от предполагаемой. Все происходило так, как если бы некоторые электроны налетали на крохотные твердые вкрапления и отскакивали от них под самыми невероятными углами. Теперь мы знаем, что такими твердыми вкраплениями внутри протонов являются кварки.

В 1974 г. упрощенному варианту теории кварков, которая к тому времени получила признание среди теоретиков, был нанесен чувствительный удар. С интервалом в несколько дней две группы американских физиков – одна в Станфорде во главе с Бартоном Рихтером, другая в Брукхейвенской национальной лаборатории под руководством Сэмюэла Тинга – объявили об открытии независимо друг от друга нового адрона, который получил название пси-частицы. Само по себе открытие нового адрона вряд ли было бы особо достопримечательным, если бы не одно обстоятельство: дело в том, что в схеме, предлагаемой теорией кварков, не было места ни для одной новой частицы. Все возможные комбинации из и-, d– и s-кварков и их антикварков были уже “израсходованы”. Из чего же состоит пси-частица?

Проблему удалось решить, обратившись к идее, которая уже некоторое время носилась в воздухе: должен существовать четвертый аромат, который до того никому не доводилось наблюдать. Новый аромат уже имел свое название – charm (очарование), или с. Было высказано предположение, что пси-частица – это мезон, состоящий из с-кварка и с-антикварка (с), т.е. cc. Так как антикварки являются носителями антиаромата, очарование у пси-частицы нейтрализуется, и поэтому экспериментального подтверждения существования нового аромата (очарования) пришлось ждать до тех пор, пока не удалось обнаружить мезоны, в состав которых очарованные кварки входили в паре с анти-кваркамп других ароматов. Ныне известна целая вереница очарованных частиц. Все они очень тяжелые, так что очарованный кварк оказался тяжелее странного кварка.

Описанная выше ситуация повторилась в 1977 г., когда на сцену вышел так называемый ипсилон-мезон (ИПСИЛОН). На этот раз без особых колебаний был введен пятый аромат, получивший название b-кварк (от bottom – дно, а чаще beauty – красота, или прелесть). Ипсилон-мезон представляет собой пару кварк– антикварк, состоящую из b-кварков, и поэтому он обладает скрытой красотой; но, как и в предыдущем случае, другая комбинация кварков позволила в конечном счете обнаружить “красоту”.

Об относительных массах кварков можно судить хотя бы по тому, что легчайший из мезонов, пион, состоит из пар и- и d-кварков с антикварками. Пси-мезон примерно в 27 раз, а ипсилон-мезон не менее чем в 75 раз тяжелее пиона.

Постепенное расширение списка известных ароматов происходило параллельно увеличению числа лептонов; поэтому возник очевидный вопрос, будет ли когда-нибудь конец. Кварки были введены для того, чтобы упростить описание всего многообразия адронов, но и сейчас есть ощущение, что список частиц снова растет слишком быстро.

Со времен Демокрита основополагающая идея атомизма заключается в признании того, что в достаточно малых масштабах должны существовать подлинно элементарные частицы, из комбинаций которых состоит окружающее нас вещество. Атомистика привлекательна тем, что неделимые (по определению) фундаментальные частицы должны существовать в весьма ограниченном числе. Разнообразие природы обусловлено большим числом не составных частей, а их комбинаций. Когда обнаружилось, что существует множество различных атомных ядер, исчезла надежда, что то, что мы сегодня называем атомами, соответствует представлению древних греков об элементарных частицах вещества. И хотя по традиции мы продолжаем говорить о различных химических “элементах”, известно, что атомы вовсе не элементарны, а состоят из протонов, нейтронов и электронов. И коль скоро число кварков оказывается слишком большим, возникает искушение предположить, что и они представляют собой сложные системы, состоящие из более мелких частиц.

Хотя по указанной причине и существует некоторая неудовлетворенность кварковой схемой, большинство физиков считает кварки подлинно элементарными частицами – точечными, неделимыми и не обладающими внутренней структурой. В этом отношении они напоминают пептоны, и уже давно предполагается, что между этими двумя различными, но сходными по своей структуре семействами должна существовать глубокая взаимосвязь. Основания для подобной точки зрения возникают из сравнения свойств лептонов и кварков (табл. 3). Лептоны можно сгруппировать попарно, сопоставив каждому заряженному лептону соответствующее нейтрино. Кварки также можно сгруппировать попарно. Табл. 3 составлена таким образом, что по структуре каждая клетка повторяет расположенную непосредственно перед ней. Например, во второй клетке мюон представлен как “тяжелый электрон”, а очарованный и странный кварки – как тяжелые варианты и- и d-кварков. Из следующей клетки видно, что тау-лептон является еще более тяжелым “электроном”, а b-кварк – тяжеловесной разновидностью d-кварка. Для полной аналогии необходимы еще одно (тау-лептониое) нейтрино и.шестой аромат кварков, уже получивший название истинного (truth, t). В период работы над этой книгой экспериментальные данные в пользу существования t-кварков не были еще достаточно убедительными, и некоторые физики сомневались в том, что t-кварки вообще существуют.

Таблица 3

Лептоны и кварки естественно объединяются в пары. как показано в таблице. Окружающий нас мир состоит из четырех первых частиц. Но следующие группы, по-видимому, повторяют верхнюю и состоят, кроне нейтрино, из крайне нестабильных частиц.

Могут ли существовать четвертая, пятая и т.д. пары, содержащие еще более тяжелые частицы? Если да, то следующее поколение ускорителей, вероятно, даст физикам возможность обнаружить такие частицы. Однако высказывается любопытное соображение, из которого следует, что иных пар, кроме трех названных, не существует. Это соображение основано на числе типов нейтрино. Мы вскоре узнаем, что в момент Большого взрыва, ознаменовавшего возникновение Вселенной, происходило интенсивное рождение нейтрино. Своеобразная демократия гарантирует каждому виду частиц одинаковую с остальными долю энергии; поэтому, чем больше различных типов нейтрино, тем больше энергии содержится в море нейтрино, заполняющем космическое пространство. Вычисления показывают, что если существует более трех разновидностей нейтрино, то гравитация, создаваемая всеми ими, оказывала бы сильное возмущающее действие на ядерные процессы, протекавшие в первые несколько минут жизни Вселенной. Следовательно, из этих косвенных соображений следует весьма правдоподобный вывод о том, что тремя парами, показанными в табл. 3, исчерпываются все кварки и лептоны, которые существуют в природе.

Интересно отметить, что все обычное вещество во Вселенной состоит лишь из двух легчайших лептонов (электрона и электронного нейтрино) и двух легчайших кварков (и и d). Если бы все остальные лептоны и кварки внезапно прекратили свое существование, то в окружающем нас мире, по-видимому, очень мало что изменилось бы.

Возможно, более тяжелые кварки и лептоны играют роль своего рода дублеров легчайших кварков и лептонов. Все они нестабильны и быстро распадаются на частицы, расположенные в верхней клетке. Например, тау-лептон и мюон распадаются на электроны, в то время как странные, очарованные и красивые частицы довольно быстро распадаются либо на нейтроны или протоны (в случае барионов), либо на лептоны (в случае мезонов). Возникает вопрос: для чего существуют все эти частицы второго и третьего поколений? Зачем они понадобились природе?

Барионы (от греческого слова, означающего «тяжелый») - это адроны с полуцелым спином (см. Спин). Самые известные барионы - протон и нейтрон. К барионам принадлежит также ряд частиц с квантовым числом, названным когда‑то странностью. Единицей странности обладают барион лямбда (Λ 0) и семейство барионов сигма (Σ − , Σ + и Σ 0). Индексы +, −, 0 указывают на знак электрического заряда или нейтральность частицы. Двумя единицами странности обладают барионы кси (Ξ − и Ξ +). Барион Ω − имеет странность, равную трем. Массы перечисленных барионов примерно в полтора раза больше массы протона, а их характерное время жизни составляет около 10 −10 с. Напомним, что протон практически стабилен, а нейтрон живет более 15 мин. Казалось бы, более тяжелые барионы очень недолговечны, но по масштабам микромира это не так. Такая частица, даже двигаясь относительно медленно, со скоростью, скажем, равной 10% от световой, успевает пройти путь в несколько миллиметров и оставить свой след в детекторе элементарных частиц (см. Детекторы ядерных излучений). Одним из свойств барионов, отличающих их от других видов частиц, можно считать наличие у них сохраняющегося барионного заряда. Эта величина введена для описания опытного факта постоянства во всех известных процессах разности между числом барионов и антибарионов (см. Четность, Пептоны, Протон).

Мезоны - адроны с целым спином. Название произошло от греческого слова, означающего «средний», поскольку массы первых открытых мезонов имели промежуточные значения между массами протона и электрона. Барионный заряд мезонов равен нулю. Легчайшие из мезонов - пионы, или пи‑мезоны π − , π + и π 0 . Их массы примерно в 6–7 раз меньше массы протона. Более массивны странные мезоны - каоны K + , K − и K 0: их массы почти в два раза меньше массы протона. Характерное время жизни этих мезонов - 10 −8 с.

Почти все адроны имеют античастицы. Так, барион сигма - минус Σ − имеет античастицу антисигма - плюс Σ̃ + , которая отлична от Σ + . То же самое можно сказать и о других барионах. С мезонами дело обстоит несколько иначе: отрицательный пион - античастица положительного пиона, а нейтральный пион античастицы вообще не имеет, поскольку является античастицей сам себе. В то же время нейтральный каон K 0 имеет античастицу K̃ 0 . Эти факты получают объяснение в кварковой модели адронов (см. Кварки).

Мир адронов огромен - он включает более 350 частиц. Большинство их очень нестабильны: они распадаются на более легкие адроны за время порядка 10 −23 с. Это - характерное время сильных взаимодействий; за столь короткий интервал даже свет успевает пройти расстояние, равное всего лишь радиусу протона (10 −13 см). Ясно, что столь короткоживущие частицы не могут оставить следов в детекторах. Обычно их рождение обнаруживают по косвенным признакам. Например, изучают реакцию аннигиляции электронов и позитронов с последующим рождением адронов. Изменяя энергию столкновения электронов и позитронов, обнаруживают, что при каком‑то значении энергии выход адронов вдруг резко увеличивается. Данный факт можно объяснить тем, что в промежуточном состоянии родилась частица, масса которой равна соответствующей энергии (с точностью до множителя c 2). Эта частица мгновенно распадется на другие адроны, и единственным следом её появления останется пик на графике зависимости вероятности рождения адронов от энергии столкновения. Такие короткоживущие частицы называют резонансами. Большинство барионов и мезонов - резонансы. Они не оставляют «автографов» в камерах и на фотографиях, и все же физикам удается изучать их свойства: определять массу, время жизни, спин, четность, способы распада и т. п.

По современным представлениям адроны не являются истинно элементарными частицами. Они имеют конечные размеры и сложную структуру. Барионы состоят из трех кварков. Соответственно антибарион состоит из трех антикварков и всегда отличен от бариона. Мезоны построены из кварка и антикварка. Ясно, что мезоны, в состав которых входят пары из кварков и антикварков одного сорта, не будут иметь античастиц. Кварки удерживаются внутри адронов глюонным полем (см. Сильные взаимодействия). В принципе теория допускает существование других адронов, построенных из большего числа кварков или, наоборот, из одного глюонного поля. В последнее время появились некоторые экспериментальные данные о возможном существовании таких гипотетических частиц.

В дальнейшем оказалось, что трех кварковых ароматов недостаточно для описания всех адронов. В 1974 г. были открыты так называемые пси‑мезоны, состоящие из кварка и антикварка нового вида (cc̃). Этот аромат был назван очарованием. Новый очарованный кварк с оказался гораздо тяжелее своих «собратьев»: легчайшая из пси‑частиц - мезон J/ψ - имеет массу 3097 МэВ, т. е. в 3 раза тяжелее протона. Время её жизни около 10 −20 с. Было открыто целое семейство пси‑мезонов с тем же кварковым составом сс, но находящихся в возбужденных состояниях и вследствие этого имеющих большие массы. Было очевидно, что должны существовать и связанные состояния c‑кварка с кварками других ароматов. В такого рода частицах «очарование» c‑кварка не будет компенсироваться «антиочарованием» c̃‑кварка, как это происходит в пси‑мезонах. Поэтому такие частицы получили название очарованных мезонов. Сейчас почти все они уже открыты. Упомянем для примера очарованный странный мезон F +20 с кварковым составом cs̃, имеющий массу 2021 МэВ. Теория предсказывает также существование около 20 очарованных барионов, некоторые из них уже найдены в опытах, например барион Λ c + с составом c̃ud и массой 2282 МэВ.

Существование очарованного кварка было предсказано теоретиками, поскольку выяснилось, что кварки должны встречаться парами, дублетами. Неожиданно оказалось, что природа не ограничилась двумя кварковыми дублетами. В 1977 г. были открыты ипсилон‑мезоны, состоящие из кварка и антикварка пятого вида b. Новый аромат получил название прелесть. Прелестные кварки еще более массивны, чем очарованные. Масса первой из ипсилон‑мезонов частицы Y составляет 9456 МэВ. Это самая легкая частица из семейства ипсилонов (сейчас известны четыре частицы этого семейства с кварковым составом bb̃), но и она в 10 раз (!) тяжелее протона. В самое последнее время стало известно об открытии прелестных мезонов, в которых b‑кварк соединен с антикварком другого аромата; например, B −20 ‑мезон имеет состав bũ. Масса прелестных мезонов порядка 5274 МэВ. Ожидается, что b‑кварк также образует кварковый дублет с еще более массивным t‑кварком, пока еще не обнаруженным экспериментально.