Часть 6 ФИЗИКА АТОМНОГО ЯДРА И ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

Раздел 18 ФИЗИКА ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

18.8. Некоторые проблемы развития физики элементарных частиц

На первом этапе стремление каким-то образом ограничить количество элементарных составляющих материи привело к обсуждению теоретических схем, в которых фундаментальными частицами считалась лишь часть известных адронов, которые рассматривались как связанные состояния, состоящие из фундаментальных адронов. Однако позже оказалось, что эти схемы могут описать свойства всех известных частиц. С увеличением количества открытых адронов трудности, с которыми столкнулись подобные схемы, усложнялись и становилось все более очевидным, что адроны не могут быть элементарными образованиями, элементарные частицы, если они существуют, должны быть объектами какой-либо другой природы.

Адроны со спином цілочисловим называют мезонними, поскольку первые обнаружены мезоны (π, К) имели массу, промежуточную между массой электрона и протона. Адроны с півцілим спином вследствие значительной массы достали название баріонних адронов. К ним относятся нуклоны, гіперони и некоторые другие частички.

Знание характеристик адронов дает возможность надежно осуществить их классификацию, то есть выделить группы с одинаковыми или близкими свойствами. Часть таких достаточно широких групп мы упоминали. Оказывается, что можно выделить и другие группы адронов, близких друг к другу по некоторым признакам.

Простейшим примером таких групп адронов являются так называемые ізотопічні мультиплети. Иллюстрацией могут быть такие группы: г, n; π⁺, π⁰, π^-; К⁺, К°, К^-; Σ⁺, Σ°, Σ^-. Существование подобных групп адронов было приписано наличии у частиц, входящих в них, особой характеристики - изотопического спина И в формально подобного обычного спина. Как и обычный спин, I-спин может иметь различные проекции И_z на выделенную ось (I_z - аддитивное квантовое число). Каждая группа (мультиплет) включает в себя в общем случае 2I + 1 частицы. Например, для групп с г и n I = 1/2, а для групп мезонов π⁺, π⁰, π^- И = 1 и т. д.

Современные исследования направлены на поиски фундаментальных частиц, из которых можно создать все сильновзаємодіючі частицы, т.е. адроны. В этих фундаментальных частиц предъявляют следующие требования: они должны быть барионами и антибаріонами - частицами с положительным и отрицательным баріонним зарядами. их комбинация будет способствовать образованию баріонного заряда любого адрона. Баріонний заряд мезонов равен нулю, поэтому их получают комбинацией бариона с антибаріоном. Фундаментальные частицы должны иметь минимальное півціле значение обычного спина, чтобы из них можно было построить частицы с любыми целыми и півцілими спинами. Среди них обязательно должен быть барион с дивністю, которая равна единице, для контроля странных частиц. Важно также, чтобы масса фундаментальных частиц не очень отличалась, что может свидетельствовать о одинаковые значения сильного взаимодействия, которая существует между ними. Еще одно требование связано с ізотопічним спином фундаментальных частиц. Чтобы можно было достать любые ізотопічні мультиплети, в нашем распоряжении должно быть хотя бы изотопический синглет и изотопический дублет.

С. Саката, руководствуясь этими требованиями, за фундаментальные частицы взял три барионы: протон, нейтрон и λ-гиперон (р, n, λ) и их античастинки (,,). Схема Сакаты удовлетворительно описывает мезонні адроны, но оказывается непригодной для баріонних адронов. Для устранения недостатков схемы Сакаты было применено октетний формализм Г. Гелл-Манна и Ю. Нойманн. Авторы октетного формализма предложили расширить схему Сакаты, выбрав в качестве фундаментальных частиц восемь барионов вместо трех.

Новую схему оказалось возможным распространить на баріонні адроны. На основе предложенной схемы Гелл-Манн предсказал существование неизвестного в то время Ω^--гиперон. При этом с помощью октетної схемы определили не только все квантовые числа предусмотренного гиперон, а и его массу. Предусмотрено значение массы совпало с экспериментальным значением, когда Ω^--гиперон был открыт в Брукхейвене в двухметровой водородной пузырьковой камере, облученной K-мезонами.

Однако оказалось, что не все факты можно объяснить на основе схемы октетної симметрии. Для преодоления трудностей октетного формалізм М. Гелл-Манн и Дж. Цвейг 1964 г. предложили кварковую модель, согласно которой все элементарные частицы построены из трех кварков. Необычным в этой модели было то, что кваркам приписывались дробные квантовые числа (электрический и баріонний заряды). В частности, электрический заряд у них должен быть кратным одной третьей элементарного электрического заряда.

В первой форме этой модели было предложено три типа кварков, обозначенных буквами u, d, s, которые происходят от английских слов up (вверх), down (вниз), strange (странный). Носителем странности был кварк s, поэтому в состав всех странных частиц входил по меньшей мере один s-кварк, или s-антикварк. В кварковій модели распределение масс между адронами отражает распределение масс между кварками. Следовательно, поскольку s-кварк значительно массивнее от других кварков, масса странных адронов значительно больше массы недивних адронов.

Позже систему кварков расширили, было дополнительно введено кварки: «очарованный» (с), «привлекательный» (b) и «правдивый» (t). Свойства, которые приписываются кваркам, приведены в табл. 18.3. Основанием увеличения количества кварков было то, что связанные состояния трех кварков вроде uuu (Δ⁺⁺), ddd (Δ^--), sss (Ω^-) противоречат принципу Паули. С табл. 18.3 видно, что все квантовые числа кварков в этих образованиях одинаковы. Поскольку кварки имеют півцілі спіни и, следовательно, должны описываться статистикой Ферме, то в одной системе не может быть не только трех, но даже двух кварков с одинаковым набором квантовых чисел.

Таблица 18.3

Таблица 18.4

Согласно кварковою моделью все адроны являются сложными структурами, образованными из простейших составляющих - кварков. Так, барионы состоят из трех кварков, мезоны - из кварка и антикварка. В табл. 18.4 приведены некоторые из этих структурных образований.

Исходя из некоторых соображений, в частности для устранения противоречия с принципом Паули, было введено понятие «цвет» кварка. Возникла мысль, что каждый кварк может существовать в трех «окрашенных» формах: красной, зеленой, синей (отметим, что смесь этих цветов дает «нулевой» белый цвет). Тогда можно утверждать, что s-кварки, что образуют, например Ω^--гиперон, имеют различную окраску, поэтому принцип Паули не нарушается.

Сочетание цветов кварков в случае адронов должны быть таким, чтобы в целом «цвет» адрона был нулевым (то есть адрон должен быть «бесцветным»). Так, в состав протона входят кварки u (красный), u (зеленый) и d (синий). В результате получают нулевой (белый) «цвет».

Антикварки считаются окрашенными в дополнительные «цвета» («антикольори»), что дают вместе с «цветом» нулевой «цвет». Поэтому мезоны, состоящие из кварка и антикварка, также имеют нулевой «цвет».

В 1974 г. было открыто практически одновременно в двух лабораториях США (в Стэнфорде - Бы. Рихтером, в Брукейвені - С. Тінгом) частицу с большой массой, которая равна 3,10 Гэв (свыше три массы нуклона). В одной из лабораторий новой частице дали обозначение J, Во второй - ψ, в связи с чем эту частичку называют J/ψ-частицей (джей-пси-частицей). После этого были выявлены другие ψ-частицы с массами 3,69; 3,77 и 4,04 ГеВ, а также группа χ-частиц с массами 3,45; 3,51 и 3,55 Гэв.

Открытие ψ- и χ-частиц было подтверждением предложенной ранее модели частиц из четырех кварков. Кроме u-, d-, s-кварков в этой модели введено четвертый «прелестный» кварк с (от англ. charming - очаровательный). Он отличается от других кварков тем, что квантовое число С, которое получило название «очарование» (его называют также «шарм» или «чарм»), у него равен единице, тогда как для других кварков оно равно нулю (см. табл. 18.3). В состав «незачарованих» частиц (мезонов и барионов) с-кварк не входит.

Частицы групп ψ и χ являются разными уровнями (состояниями) систем С («зачарованные» кварк - антикварк). По аналогии с системой электрон - позитрон, которая называется позитронієм, система получила название чармоній.

Поскольку «очарованность» кварка С и его антикварка равен соответственно +1 и -1, квантовое число С системы С равна нулю. Утверждают, что для ψи χ-частиц свойственна спрятана «очарованность». В 1976 г. было открыто теоретически предусмотрены частицы с явной «зачарованностью». Их свойства приведены в табл. 18.5.

Таблица 18.5

Чтобы объяснить свойства открытой 1976 г. Y-частицы (ипсилон-частицы), ввели пятый кварк, который обозначили b (bottom - нижний или beauty - привлекательный) (см. табл. 18.3). Частицы Y (9,46 Гэв), Y' (10,02 Гэв), Y" (10,40 Гэв), Y"' (10,55 Гэв) являются разными уровнями b. Теоретики предсказали существование шестого кварка, который обозначают буквой t (top - верхний или truthful - правдивый). Пока нет экспериментальных данных, для толкования которых нужен был бы этот кварк. Однако ученые уверены, что соответствующие частицы будут открытые.

Различные типы кварков называют «ароматами», кроме того, кварки имеют дополнительную признак, которую называют «цветом» (и аромат, и цвет являются просто условными обозначениями, которые не имеют ничего общего со вкусовыми, зрительными или другими ощущениями). Каждый «аромат» кварка существует в трех «цветах»: красном, зеленом и синем. Цветная признак создает основное отличие между лептонами и кварками. Шесть «ароматов» кварков соответствуют шести разновидностям лептонов, но аналога кваркового «цвета» в лептонов нет. Это различие наглядно проявляется в эксперименте. Сильная взаимодействие происходит между «цветами», и, поскольку лептоны не имеют «цвета», они не чувствительны к сильной взаимодействия.

В основном «цвет» кварка (подобно до электрического заряда) передает различие в свойствах, которая определяет притяжения и отталкивания кварков. По аналогии с квантами полей различных взаимодействий (фотонами в электромагнитном взаимодействии, π-мезонами в сильном взаимодействии и т. д.) было введено частицы-переносчики взаимодействия между кварками. Эти частицы назвали глюонами (от англ. glue - клей). Они переносят «цвет» от одного кварка к другому, в результате чего кварки удерживаются вместе.

Еще один характерный признак кварков - это их электрический заряд. Кварки d, s, b имеют заряд-1/3, тогда как заряд кварков u, c, t равен +2/3. Антикварки , , и т. д. имеют противоположные по знаку электрические заряды, следовательно, электрический заряд антикварка равна 1/3, антикварка и равен-2/3 и т. д. Антикварки характеризуются также противоположными цветами: античервоним, антизеленим и антисинім. При образовании адронов кварки могут комбинироваться двумя путями: либо объединяются три кварки при одном кварку каждого «цвета», или кварк определенного «цвета» присоединяет к себе антикварк с соответствующим «антикварком». Эти комбинации называют «бесцветными», и они, кроме этого, имеют еще одну важную особенность. Во всех возможных комбинациях дробные электрические заряды кварков складываются так, что дают цілочисловий суммарный заряд; никакие другие комбинации (кроме образованных сборкой уже разрешенных комбинаций) имеют такого свойства. Кварковий состав протона uudy что дает полный электрический заряд 2/3 + 2/3-1/3 или +1. Нейтрон состоит из кварков uud с зарядом 2/3 - 1/3 -1/3, что в результате дает ноль. Положительный пион содержит кварк ы и антикварк , их заряды +2/3 и +1/3 дают в сумме +1.

Лептоны и кварки принято разбивать на три поколения. Каждое поколение состоит из заряженного лептона, соответствующее ему нейтрино и двух кварков, один из которых имеет заряд -1/3, а второй +2/3. Первое поколение состоит из электрона, электронного нейтрино, кварков d i u. Поскольку кварки существуют в трех «цветах», это поколение содержит восемь частиц, представители других поколений наблюдаются практически только в лабораторных экспериментах с ускоренными частицами. В единой теории эти три поколения описываются независимо, но аналогичным образом.

На рис. 18.2 изображены три поколения лептонов и кварков: заряды лептонов в цели, у кварков - дробные. Лептоны существуют в свободном виде, а кварки являются лишь составляющими более сложных частиц - адронов. В обычном веществе содержатся частицы только с первого поколения.

Рис. 18.2

Развитие физики элементарных частиц допускает сложную структуру кварков и лептонов, то есть они, в свою очередь, состоят из субкварків. Гипотеза субкварків обсуждается многими учеными, хотя никому еще не удалось обойти трудности, которые встречаются на этом пути, очевидно, потому, что они имеют принципиальный характер.

Сейчас «внутренность» частиц изучена до размеров порядка 10^-18 м, но субкварків не обнаружено. Весьма вероятно, что фундаментальные физические законы, известные ныне, перестают действовать на расстояниях, меньших чем 10^-18 м, а открытие субкварків, если оно состоится, приведет к изменению основных представлений о законах природы.

Мы рассмотрели некоторые проблемы физики элементарных частиц, которая изучает свойства вещества. Трудно предсказать ход развитию этого раздела физики. Однако экспериментальные результаты в области физики элементарных частиц является надежной основой ее развития в будущем.