Часть 6 ФИЗИКА АТОМНОГО ЯДРА И ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

Раздел 18 ФИЗИКА ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

18.5. Резонансы

Формально резонансы отличаются от других частиц меньшим временем жизни. Каждый резонанс характеризуется несколькими способами распада. Чем больше эффективная масса резонансной частицы, тем больше у него способов (каналов) распада. Обычные элементарные частицы стабильны относительно сильного взаимодействия и распадаются в результате слабого взаимодействия или в результате электромагнитного взаимодействия, а некоторые из них (фотон, электрон, нейтрино, свободный протон и их античастинки) стабильны в отношении всех видов взаимодействия. Резонансы возникают и распадаются в результате сильного взаимодействия, поэтому их причисляют к адронов.

Общепринятой терминологии относительно резонансов еще нет. Для обозначения резонансов используют буквы греческого η, ω, ρ, Ξ), латинского (К, N, Y) и других алфавитов.

В 1960 г. был начат новый период экспериментальной физики высоких энергий открытием большого количества резонансных частиц. Первую резонансную частицу массой 1237 Мэв обнаружил (1952 г.) Е. Ферми в Чикагском университете. Много резонансов было предусмотрено теоретически, на основании предположения о существование высших симметрии сильных взаимодействий, а также при изучении внутренней структуры нуклонов. Однако настоящий интерес к резонансных состояний возник лишь после открытия группой Л. Альвареса мезонного резонанса с массой примерно 0,8 Гэв, чем был начат новый этап развития физики элементарных частиц.

Графики сечения рассеяния π⁺ - и π^--мезонов на нуклонах в зависимости от энергии розсіюваних пионов изображен на рис. 18.1. Существенная особенность графиков - их немонотонность, наличие резонансных пиков при определенных значениях энергии. Как видно из графиков, наибольший пик приходится на энергию пионов 0,18 Гэв. Этот пик свидетельствует о наличии резонансных условий рассеяния, чему соответствует, как позже выяснилось, образование на короткое время связанного состояния с пиона и нуклона, то есть непродолжительное время пион и нуклон летят, «злипнувшись» друг с другом, а затем разъединяются и становятся независимыми частицами. Как рассматривать такие образования: как некоторое новое состояние двух адронов (пиона и нуклона) или как новую частицу? Это вопрос достаточно актуален, поскольку таких резонансных состояний (резонансов) открыто уже около 100 и количество их продолжает увеличиваться.

Рис. 18.1

Оказывается, что резонансам можно приписать такие же квантовые числа, как и обычным метастабильным частицам, а поэтому нет оснований не признавать резонансы частицами. Если резонансы существуют как частицы, то из графика (рис. 18.1) нетрудно определить их время жизни. Ширина резонансного пика около 0,1 Гэв (на половине высоты), то есть определяем энергию резонанса с неопределенностью 0,1 Гэв. Тогда из соотношения неопределенностей ΔЕΔt ≥ ħ определяем время жизни резонансного частицы - 5 ∙ 10^-23 с, т.е. время жизни лишь в пять раз превышает время, характерный для сильных взаимодействий. Такое малое время жизни поставил перед физиками немало принципиальных проблем, в частности установление самого существования резонансов: за время 10^-23 с непосредственная регистрация невозможна.

Резонансы регистрируют опосредованным путем, используя закон сохранения импульса, обобщенный на релятивистский случай. Итак, идея регистрации резонансов проста. Конкретная ее реализация существенно осложняется прежде всего через принцип тождественности частиц в квантовой теории.

Спин резонансов определяют, добавляя спіни всех связанных в таком образовании частиц. При этом еще добавляют относительный орбитальный момент, который не меньше единицы, поэтому спіни резонансов часто превышают единицу.

По аналогии с метастабильными частицами резонансы можно охарактеризовать ізотопічним спином, который приобретает для них значения 1/2, 3/2, 5/2 и т. д.

Существует два больших класса резонансов: мезонні и баріонні (с нулевой и отличной от нуля дивністю). Мезонні резонансы наблюдаются при (ππ)-, (Kπ)-, (KK)-взаимодействиях. Баріонні резонансы регистрируются в реакциях (πN), (KN), (NN), а также при гиперон-піонних, гиперон-нуклонних и гиперон-гіперонних взаимодействиях.

Большое количество резонансных частиц, с одной стороны, способствует выявлению симметрии сильного взаимодействия, а с другой - усложняет проблему элементарных частиц.

Вопрос о природе резонансных частиц до настоящего времени остается открытым. Проблема резонансных частиц - одна из самых сложных в физике, решения которой принадлежит будущему.