Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Фундаментальные частицы

Голосов: 0

Приведен краткий популярный обзор одного из крупнейших достижений физики высоких энергий последних трех десятилетий - создания современной картины строения частиц на основе кварковой модели.

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
                                                                                            ФИЗИКА

                                                       ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ЧАСТИЦЫ

                                                                             С. А. СЛАВАТИНСКИЙ
                                               Московский физико-технический институт, Долгопрудный Московской обл.



                                                                                                             ВВЕДЕНИЕ
                                 FUNDAMENTAL PARTICLES                                                 Еще сравнительно недавно элементарными считались
                                                                                                       несколько сот частиц и античастиц. Детальное изуче-
                                 S. A. SLAVATINSKII                                                    ние их свойств и взаимодействий с другими частицами
                                                                                                       и развитие теории показали, что большинство из них
                                 A brief popular overview of one of the most                           на самом деле не элементарны, так как сами состоят из
                                 significant accomplishments of high-energy                            простейших или, как сейчас говорят, фундаментальных
                                                                                                       частиц. Фундаментальные частицы сами уже ни из чего
                                 physics in the last thirty years, i.e., the modern
                                                                                                       не состоят. Многочисленные эксперименты показали,
                                 picture of the structure of particles based on                        что все фундаментальные частицы ведут себя как без-
                                 the quark model is presented.                                         размерные точечные объекты, не имеющие внутренней
                                                                                                       структуры, по крайней мере до наименьших, изучен-
                                 Приведен краткий популярный обзор одно-                               ных сейчас расстояний ∼10−16 см.
                                 го из крупнейших достижений физики высо-                                  Среди бесчисленных и разнообразных процессов
                                 ких энергий последних трех десятилетий –                              взаимодействия между частицами имеются четыре ос-
                                                                                                       новных или фундаментальных взаимодействия: силь-
                                 создания современной картины строения
                                                                                                       ное (ядерное), электромагнитное, слабое и гравитаци-
                                 частиц на основе кварковой модели.                                    онное. В мире частиц гравитационное взаимодействие
                                                                                                       очень слабое, его роль еще неясна, и о нем дальше мы
                                                                                                       говорить не будем.
                                                                                                           В природе существуют две группы частиц: адроны,
                                                                                                       которые участвуют во всех фундаментальных взаимо-
                                                                                                       действиях, и лептоны, не участвующие только в силь-
                                                                                                       ном взаимодействии.
                                                                                                            Согласно современным представлениям, взаимо-
                                                                                                       действия между частицами осуществляются посредст-
                                                                                                       вом испускания и последующего поглощения квантов
                                                                                                       соответствующего поля (сильного, слабого, электро-
                                                                                                       магнитного), окружающего частицу. Такими квантами
                                                                                                       являются калибровочные бозоны, также являющиеся
                                                                                                       фундаментальными частицами. У бозонов собственный
                                                                                                       момент количества движения, называемый спином, ра-
                                                                                                       вен целочисленному значению постоянной Планка h =
     © Славатинский С.А., 2001




                                                                                                       = 1,05 ⋅ 10− 27 эрг ⋅ с. Квантами поля и соответственно пе-
                                                                                                       реносчиками сильного взаимодействия являются глю-
                                                                                                       оны, обозначаемые символом g (джи), квантами элект-
                                                                                                       ромагнитного поля являются хорошо известные нам
                                                                                                       кванты света – фотоны, обозначаемые γ (гамма), а
                                                                                                       квантами слабого поля и соответственно переносчика-
                                                            www.issep.rssi.ru                          ми слабых взаимодействий являются W ± (дубль ве)- и
                                                                                                       Z 0 (зет нуль)-бозоны.



62                                                       С О Р О С О В С К И Й О Б РА З О В АТ Е Л Ь Н Ы Й Ж У Р Н А Л , Т О М 7 , № 2 , 2 0 0 1


                                                            ФИЗИКА
    В отличие от бозонов все остальные фундаменталь-                       Дж. Томсоном. Роль электронов в нашем мире огром-
ные частицы являются фермионами, то есть частица-                          на. Они являются теми отрицательно заряженными час-
ми, имеющими полуцелое значение спина, равное h /2.                        тицами, которые вместе с атомными ядрами образуют
   В табл. 1 приведены символы фундаментальных                             все атомы известных нам элементов Периодической
фермионов – лептонов и кварков.                                            таблицы Менделеева. В каждом атоме число электро-
                                                                           нов в точности равно числу протонов в атомном ядре,
    Каждой частице, приведенной в табл. 1, соответст-                      что и делает атом электрически нейтральным.
вует античастица, отличающаяся от частицы лишь зна-                            Электрон стабилен, главной возможностью унич-
ками электрического заряда и других квантовых чисел                        тожения электрона является его гибель при соударении
(см. табл. 2) и направлением спина относительно на-                        с античастицей – позитроном e+. Этот процесс получил
правления импульса частицы. Античастицы мы будем                           название аннигиляции:
обозначать теми же символами, как и частицы, но с
волнистой чертой над символом.                                                                       e− + e+          γ + γ.      (1)
     Частицы в табл. 1 обозначены греческими и латин-                          В результате аннигиляции образуются два гамма-
скими буквами, а именно: буквой ν (ню) – три различ-                       кванта (так называют фотоны высокой энергии), уно-
ных нейтрино, буквами е – электрон, ё (мю) – мюон,                         сящие и энергии покоя e+ и e−, и их кинетические энер-
τ (тау) – таон, буквами u, c, t, d, s, b обозначены кварки;                гии. При высокой энергии e+ и e− образуются адроны и
их наименования и характеристики приведены в табл. 2.                      кварковые пары (см., например, (5) и рис. 4).
      Частицы в табл. 1 сгруппированы в три поколения                          Реакция (1) наглядно иллюстрирует справедливость
I, II и III в соответствии со структурой современной тео-                  знаменитой формулы А. Эйнштейна об эквивалентно-
рии [1]. Наша Вселенная построена из частиц первого                        сти массы и энергии: E = mc2.
поколения – лептонов и кварков и калибровочных бо-                             Действительно, при аннигиляции остановившего-
зонов, но, как показывает современная наука о разви-                       ся в веществе позитрона и покоящегося электрона вся
тии Вселенной, на начальной стадии ее развития важ-                        масса их покоя (равная 1,22 МэВ) переходит в энергию
ную роль играли частицы всех трех поколений.                               γ-квантов, которые не имеют массы покоя.
                                                                               Во втором поколении нижней строки табл. 1 рас-
Таблица 1                                                                  положен мюон – частица, являющаяся по всем своим
                                                                           свойствам аналогом электрона, но с аномально боль-
            Лептоны                         Кварки                         шой массой. Масса мюона в 207 раз больше массы элек-
    I         II       III       I              II           III           трона. В отличие от электрона мюон нестабилен. Вре-
                                                                           мя его жизни t = 2,2 ⋅ 10− 6 с. Мюон преимущественно
    νe         νё       ντ       u               c            t            распадается на электрон и два нейтрино по схеме
    e          ё        τ        d               s            b
                                                                                                       −          −
                                                                                                   ё            e + νe + νё .
                                                                                                                    ˜             (2)
    ЛЕПТОНЫ                                                                    Еще более тяжелым аналогом электрона является
Сначала рассмотрим более подробно свойства лепто-                          τ-лептон (таон). Его масса более чем в 3 тыс. раз пре-
нов. В верхней строке табл. 1 содержатся три разных                        восходит массу электрона (mτ = 1777 МэВ/с2), то есть
нейтрино: электронное νe , мюонное νё и тау-нейтрино                       таон тяжелее протона и нейтрона. Время его жизни
ντ . Их масса до сих пор точно не измерена, но опреде-                     равно 2,9 ⋅ 10−13 с, а из более чем ста разных схем (кана-
лен ее верхний предел, например для νe равный 10− 5 от                     лов) его распада возможны следующие:
величины массы электрона (то есть 10− 32 г).                                                                     −
                                                                                                                e + νe + ντ ,
                                                                                                                    ˜
                                                                                                        −
     При взгляде на табл. 1 невольно возникает вопрос                                               τ            −
                                                                                                                                  (3)
                                                                                                                ё + νё + ντ .
                                                                                                                    ˜
о том, зачем природе потребовалось создание трех раз-
ных нейтрино. Ответа на этот вопрос пока нет, ибо не                           Говоря о лептонах, интересно сравнить слабые и
создана такая всеобъемлющая теория фундаменталь-                           электромагнитные силы на некотором определенном
ных частиц, которая бы указала на необходимость и                          расстоянии, например R = 10−13 см. На таком расстоя-
достаточность всех таких частиц и описала бы их ос-                        нии электромагнитные силы больше слабых сил почти
новные свойства. Возможно, эта проблема будет реше-                        в 10 млрд раз. Но это вовсе не значит, что роль слабых
на в XXI веке (или позже?).                                                сил в природе мала. Отнюдь нет.
     Нижняя строка табл. 1 начинается с наиболее изу-                          Именно слабые силы ответственны за множество
ченной нами частицы – электрона. Электрон был от-                          взаимных превращений различных частиц в другие
крыт еще в конце прошлого века английским физиком                          частицы, как, например, в реакциях (2), (3), и такие



                                     С Л А В АТ И Н С К И Й С . А . ФУ Н Д А М Е Н ТА Л Ь Н Ы Е Ч А С Т И Ц Ы                           63


                                                                ФИЗИКА
     взаимопревращения являются одной из характерней-                          мально большое время жизни (∼10− 8–10−13 с) по сравне-
     ших черт физики частиц. В отличие от реакций (2), (3)                     нию с характерным ядерным временем (∼10− 23 с). Сами
     в реакции (1) действуют электромагнитные силы.                            частицы были названы странными, в их состав входит
         Говоря о лептонах, необходимо добавить, что со-                       один или несколько странных кварков и странных ан-
     временная теория описывает электромагнитные и сла-                        тикварков. Рождение или исчезновение странных час-
     бые взаимодействия с помощью единой электрослабой                         тиц вследствие сильных взаимодействий происходят
     теории. Она разработана С. Вайнбергом, А. Саламом и                       парами, то есть в любой ядерной реакции сумма ΣS до
     Ш. Глэшоу в 1967 году [2].                                                реакции должна быть равна ΣS после реакции. Однако
                                                                               в слабых взаимодействиях закон сохранения страннос-
         КВАРКИ                                                                ти не выполняется.
                                                                                   В опытах на ускорителях наблюдали частицы, ко-
     Сама идея кварков возникла в результате блестящей
                                                                               торые было невозможно описать с помощью u-, d- и s-
     попытки классифицировать большое количество час-
                                                                               кварков. По аналогии со странностью потребовалось
     тиц, участвующих в сильных взаимодействиях и на-
                                                                               ввести еще три новых кварка с новыми квантовыми
     зываемых адронами. М. Гелл-Ман и Г. Цвейг предпо-
                                                                               числами С = +1, В = −1 и Т = +1. Частицы, составлен-
     ложили, что все адроны состоят из соответствующего
                                                                               ные из этих кварков, имеют существенно большую
     набора фундаментальных частиц – кварков, их антик-
                                                                               массу (>2 ГэВ/с2). Они имеют большое разнообразие
     варков и переносчиков сильного взаимодействия –
                                                                               схем распадов со временем жизни ∼10−13 с. Сводка ха-
     глюонов [3].
                                                                               рактеристик всех кварков приведена в табл. 2.
         Полное число адронов, наблюденное в настоящее                             Каждому кварку табл. 2 соответствует свой анти-
     время, составляет более ста частиц (и столько же анти-                    кварк. У антикварков все квантовые числа имеют знак,
     частиц). Много десятков частиц еще не зарегистриро-                       противоположный тому, который указан для кварка. О
     вано. Все адроны подразделяются на тяжелые частицы,                       величине массы кварков необходимо сказать следую-
     названные барионами, и средние, названные мезонами.                       щее. Приведенные в табл. 2 значения соответствуют
         Барионы характеризуются барионным числом b = 1                        массам голых кварков, то есть собственно кварков без
     для частиц и b = −1 для антибарионов. Их рождение и                       учета окружающих их глюонов. Масса одетых кварков
     уничтожение всегда происходят парами: бариона и ан-                       за счет энергии, несомой глюонами, больше. Особенно
     тибариона. У мезонов барионный заряд b = 0. Согласно                      это заметно для легчайших u- и d-кварков, глюонная
     идее Гелл-Мана и Цвейга, все барионы состоят из трех                      шуба которых имеет энергию около 300 МэВ.
     кварков, антибарионы – из трех антикварков. Поэтому                           Кварки, которые определяют основные физичес-
     каждому кварку было приписано барионное число 1/3,                        кие свойства частиц, называют валентными кварками.
     чтобы в сумме у бариона было b = 1 (или −1 для антиба-                    Помимо валентных кварков в составе адронов имеются
     риона, состоящего из трех антикварков). Мезоны име-                       виртуальные пары частиц – кварки и антикварки, ко-
     ют барионное число b = 0, поэтому они могут быть со-                      торые испускаются и поглощаются глюонами на очень
     ставлены из любой комбинации пар любого кварка и                          короткое время
     любого антикварка. Помимо одинаковых для всех
     кварков квантовых чисел – спина и барионного числа                                                                h
                                                                                                                  t    --
                                                                                                                        -         (4)
     имеются другие важные их характеристики, такие, как                                                               E
     величина их массы покоя m, величина электрического                        (где Е – энергия виртуальной пары), что происходит с
     заряда Q / e (в долях заряда электрона е = 1,6 ⋅ 10−19 ку-                нарушением закона сохранения энергии в соответствии
     лон) и некоторого набора квантовых чисел, характе-                        с соотношением неопределенности Гейзенберга [4].
     ризующих так называемый аромат кварка. К ним от-                          Виртуальные пары кварков называют кварками моря
     носятся:                                                                  или морскими кварками. Таким образом, в структуру
         1) величина изотопического спина I и величина его                     адронов входят валентные и морские кварки и глюоны.
     третьей проекции, то есть I3 . Так, u-кварк и d-кварк об-                     Главная особенность всех кварков в том, что они
     разуют изотопический дублет, им приписан полный                           являются обладателями соответствующих сильных за-
     изотопический спин I = 1/2 с проекциями I3 = +1/2, со-                    рядов. Заряды сильного поля имеют три равноправные
     ответствующей u-кварку, и I3 = −1/2, соответствующей                      разновидности (вместо одного электрического заряда в
     d-кварку. Обе компоненты дублета имеют близкие зна-                       теории электрических сил). В исторически сложившей-
     чения массы и идентичны по всем остальным свойст-                         ся терминологии эти три разновидности заряда назы-
     вам, за исключением электрического заряда;                                вают цветами кварков, а именно: условно красным, зе-
         2) квантовое число S – странность характеризует                       леным и синим. Таким образом, каждый кварк в табл. 1
     странное поведение некоторых частиц, имеющих ано-                         и 2 может быть в трех ипостасях и является цветной



64                               С О Р О С О В С К И Й О Б РА З О В АТ Е Л Ь Н Ы Й Ж У Р Н А Л , Т О М 7 , № 2 , 2 0 0 1


                                                             ФИЗИКА
Таблица 2. Характеристики кварков

           Кварки             u (up)                d (down)               s (strange)            c (charm)            b (bottom)            t (top)
                                            2                     2                        2                     2                     2
         Масса m0         (1,5–5) МэВ/с          (3–9) МэВ/с          (60–170) МэВ/с (1,1–4,4) ГэВ/с                 (4,1–4,4) ГэВ/с       174 ГэВ/с2
Изотопоспин I                   1/2                     1/2                     0                        0                  0                  0
Проекция I3                   +1/2                     −1/2                     0                        0                  0                  0
Электрический заряд Q/e       +2/3                     −1/3                   −1/3                   +2/3                  −1/3              +2/3
Странность S                    0                        0                     −1                        0                  0                  0
Чарм C                          0                        0                      0                     +1                    0                  0
Боттом B                        0                        0                      0                        0                 −1                  0
Топ T                           0                        0                      0                        0                  0                 +1


частицей. Смешение всех трех цветов, подобно тому                                        σ, мбн
как это имеет место в оптике, дает белый цвет, то есть                                   200
                                                                                                      ∆++
обесцвечивает частицу. Все наблюдаемые адроны бес-
цветны.
    Взаимодействия кварков осуществляют восемь                                                           Γ
                                                                                         100
разных глюонов. Термин “глюон” означает в переводе
с английского языка клей, то есть эти кванты поля есть                                                               π+p
частицы, которые как бы склеивают кварки между со-
                                                                                                                                  Tπ
бой. Как и кварки, глюоны являются цветными части-
цами, но поскольку каждый глюон изменяет цвета сра-                                        0      Tmax         500              1000 МэВ
зу двух кварков (кварка, который испускает глюон, и
кварка, который поглотил глюон), то глюон окрашен                               Рис. 1. Зависимость сечения σ π+p-взаимодейст-
дважды, неся на себе цвет и антицвет, как правило от-                           вия от кинетической энергии пиона. При энергии
                                                                                Tmax ∼ 200 МэВ образуется ∆++-резонанс
личный от цвета.
    Масса покоя глюонов, как и у фотона, равна нулю.                      но рассматривать как возбужденное состояние ста-
Кроме того, глюоны электрически нейтральны и не об-                       бильных частиц, так как они имеют тот же кварковый
ладают слабым зарядом.                                                    состав, что и их стабильные аналоги, хотя масса резо-
    Адроны принято также делить на стабильные час-                        нансов больше за счет энергии возбуждения.
тицы и резонансы: барионные и мезонные. Для резо-
нансов характерно чрезвычайно малое время жизни                                 КВАРКОВАЯ МОДЕЛЬ АДРОНОВ
(∼10−20–10−24 с), так как их распад обусловлен сильным                    Кварковую модель адронов начнем описывать с рисун-
взаимодействием.                                                          ка силовых линий, исходящих из источника – кварка с
    Десятки таких частиц были открыты американ-                           цветным зарядом и заканчивающихся на антикварке
ским физиком Л.В. Альваресом. Поскольку путь таких                        (рис. 2, б). Для сравнения на рис. 2, а мы показываем,
частиц до распада столь мал, что они не могут наблю-                      что в случае электромагнитного взаимодействия сило-
даться в детекторах, регистрирующих следы частиц (та-                     вые линии расходятся от их источника – электрическо-
ких, как пузырьковая камера и др.), все они были обна-                    го заряда веером, ибо виртуальные фотоны, испущен-
ружены косвенно, по наличию пиков в зависимости                           ные одновременно источником, не взаимодействуют
вероятности взаимодействия различных частиц друг с                        друг с другом. В результате получаем закон Кулона.
другом от энергии. Рисунок 1 поясняет сказанное. На                            В отличие от этой картины глюоны сами обладают
рисунке приведена зависимость сечения взаимодейст-                        цветными зарядами и сильно взаимодействуют друг с
вия (пропорциональное величине вероятности) поло-                         другом. В результате вместо веера из силовых линий мы
жительного пиона π+ с протоном p от кинетической                          имеем жгут, показанный на рис. 2, б. Жгут протянут
энергии пиона. При энергии около 200 МэВ виден пик                        между кварком и антикварком, но самое удивительное
в ходе сечения. Его ширина Γ = 110 МэВ, а полная масса                    то, что сами глюоны, имея цветные заряды, становятся
частицы ∆++ равна T 'max + M p c + M π c 2 = 1232 МэВ/с2,
                                2
                                                                          источниками новых глюонов, число которых нарастает
где T 'max – кинетическая энергия соударения частиц в                     по мере их удаления от кварка. Такая картина взаимо-
системе их центра масс. Большинство резонансов мож-                       действия соответствует зависимости потенциальной



                                    С Л А В АТ И Н С К И Й С . А . ФУ Н Д А М Е Н ТА Л Ь Н Ы Е Ч А С Т И Ц Ы                                            65


                                                               ФИЗИКА
           а                       б                                          ла в тысячи раз больше! Таким образом, перед физика-
                                                                              ми открылась новая грандиозная картина цветных сил
                                                                              в природе, на много порядков превышающих ныне из-
                                    q                             ~
                                                                  q           вестные ядерные силы. Конечно, сразу же возникает и
                                                                              вопрос о том, можно ли такие силы заставить работать
                                                                              как источник энергии. К сожалению, ответ на этот во-
                                                                              прос отрицательный.
           в                                                                      Естественно, встает и другой вопрос: до каких рас-
       q                  ~
                          q    q                ~
                                                q + q             ~
                                                                  q           стояний R между кварками потенциальная энергия ли-
                                                                              нейно растет с ростом R? Ответ простой: при больших
        Рис. 2. Схема силовых линий электрического поля в                     расстояниях жгут силовых линий рвется, так как энер-
        электростатике (а) и глюонного поля между кварком                     гетически более выгодно образовать разрыв с рождени-
        и антикварком (б), а также схема разрыва жгута при                    ем кварк-антикварковой пары частиц. Это происходит,
        его большом растяжении (в)
                                                                              когда потенциальная энергия в месте разрыва больше
                                                                              массы покоя кварка и антикварка. Процесс разрыва жгу-
     энергии взаимодействия между кварками от расстоя-
                                                                              та силовых линий глюонного поля показан на рис. 2, в.
     ния между ними, показанной на рис. 3. А именно: до
     расстояния R < 10−13 см зависимость U(R) имеет ворон-                        Такие качественные представления о рождении
     кообразный характер, причем сила цветного заряда в                       кварка–антикварка позволяют понять, почему оди-
     этой области расстояний относительно невелика, так                       ночные кварки вообще не наблюдаются и не могут на-
     что кварки при R < 10−15 cм в первом приближении                         блюдаться в природе. Кварки навечно заключены внут-
     можно рассматривать как свободные, невзаимодейст-                        ри адронов. Это явление невылета кварков называется
     вующие частицы. Это явление имеет специальное на-                        конфайнментом [5]. При высоких энергиях жгуту мо-
     звание асимптотической свободы кварков при малых R.                      жет быть выгоднее разорваться сразу во многих местах,
     Однако при R больше некоторого критического Rкр ≈                                               ˜
                                                                              образовав множество qq -пар. Таким путем мы подо-
     ≈ 10−13 cм величина потенциальной энергии взаимодей-                     шли к проблеме множественного рождения кварк-ан-
     ствия U(R) становится прямо пропорциональной вели-                       тикварковых пар и образованию жестких кварковых
     чине R. Отсюда прямо следует, что сила F = −dU/dR =                      струй.
     = const, то есть не зависит от расстояния. Никакие дру-                      Рассмотрим сначала строение легких адронов, то
     гие взаимодействия, которые физики ранее изучили,                        есть мезонов. Они состоят, как мы уже говорили, из од-
     не обладали столь необычным свойством [5].                               ного кварка и одного антикварка.
         Расчеты показывают, что силы, действующие меж-                           Чрезвычайно важно, что оба партнера пары имеют
     ду кварком и антикварком, действительно, начиная с                       при этом одинаковый цветной заряд и такой же антиза-
     Rкр ≈ 10−13 см, перестают зависеть от расстояния, оста-                  ряд (например, кварк синий и антикварк антисиний),
     ваясь на уровне огромной величины, близкой 20 т. На                      так что их пара независимо от ароматов кварков не име-
     расстоянии R ∼ 10−12 см (равном радиусу средних атом-                    ет цвета (а только бесцветные частицы мы и наблюдаем).
     ных ядер) цветные силы более чем в 100 тыс. раз боль-
     ше электромагнитных сил. Если сравнить цветную си-                           Все кварки и антикварки имеют спин (в долях от h),
     лу с ядерными силами между протоном и нейтроном                          равный 1/2. Поэтому суммарный спин сочетания кварка
     внутри атомного ядра, то оказывается, что цветная си-                    с антикварком равен либо 0, когда спины антипарал-
                                                                              лельны, либо 1, когда спины параллельны друг другу. Но
                                                                              спин частицы может быть и больше 1, если сами кварки
                                   U(R)                                       вращаются по каким-либо орбитам внутри частицы.
                                                                                  В табл. 3 приведены некоторые парные и более
                                                                              сложные комбинации кварков с указанием, каким из-
                                                                              вестным ранее адронам данное сочетание кварков со-
                                                   R, см                      ответствует.
                                        10−13
                                                                                  Из наиболее изученных в настоящее время мезонов
                                                                              и мезонных резонансов наибольшую группу составля-
                                                                              ют легкие неароматные частицы, у которых квантовые
                                                                              числа S = C = B = 0. В эту группу входят около 40 частиц.
        Рис. 3. Зависимость потенциальной энергии взаи-
        модействия кварка с антикварком от расстояния                         Таблица 3 начинается с пионов π±, 0, открытых англий-
        между ними                                                            ским физиком С.Ф. Пауэллом в 1949 году. Заряженные



66                              С О Р О С О В С К И Й О Б РА З О В АТ Е Л Ь Н Ы Й Ж У Р Н А Л , Т О М 7 , № 2 , 2 0 0 1


                                                                            ФИЗИКА
Таблица 3. Кварковый состав некоторых адронов                                            переходы в рамках одного поколения. Вместе с тем при
                                                                                         всех подобных превращениях электрический заряд в
                       Мезоны                                        Барионы
                                                                                         реакции сохраняется.
Кварки     J=0             J=1       Кварки             J = 1/2           J = 3/2            Изучение мезонов, включающих s- и c-кварки,
          частицы резонансы                            частицы резонансы                 привело к открытию нескольких десятков странных и
                                                                                         чармированных частиц. Их исследование проводится
 ˜
ud           π+              ρ+      uuu                                    ∆++          сейчас во многих научных центрах мира.
          (пион+)          (ро+)                                        (дельта++)
                                                                                             Изучение мезонов, включающих b- и t-кварки, ин-
˜
ud           π−              ρ−      uud                  p         ∆+
          (пион−)          (ро−)                       (протон) (дельта+)                тенсивно началось на ускорителях, и мы пока не будем
                                                                                         говорить о них более подробно.
 ˜    ˜
uu – dd      π0              ρ0      udd                  n        ∆0
          (пион0)          (ро0)                      (нейтрон) (дельта0)                    Перейдем к рассмотрению тяжелых адронов, то
                                                                                         есть барионов. Все они составлены из трех кварков, но
 ˜    ˜
uu + dd      η               ω       ddd                                    ∆−
           (эта)          (омега)                                        (дельта−)
                                                                                         таких, у которых имеются все три разновидности цвета,
                                                                                         поскольку, так же как и мезоны, все барионы бесцвет-
 ˜
ds           k0              k0*     uus                  Σ+       Σ+*                   ны. Кварки внутри барионов могут иметь орбитальное
          (каон0)         (каон0*)                     (сигма+) (сигма+*)
                                                                                         движение. В этом случае суммарный спин частицы бу-
 ˜
us           k+      k+*   uds                           Λ0        Σ 0*                  дет превышать суммарный спин кварков, равный 1/2
          (каон+) (каон+*)                            (лямбда0) (сигма0*)
                                                                                         или 3/2 (если спины всех трех кварков параллельны
˜
us           k−              k−*     dds                  Σ−               Σ−*           друг другу).
          (каон−)         (каон−*)                     (сигма−)         (сигма−*)
                                                                                             Барионом с минимальной массой является протон
 ˜
cd          D+              D+*      uss                  Ξ0               Ξ0*           p (см. табл. 3). Именно из протонов и нейтронов состо-
           (дэ+)           (дэ+*)                       (кси0)           (кси0*)
                                                                                         ят все атомные ядра химических элементов. Число про-
                                                          Ξ−               Ξ−*
                   +            +
 ˜
cs           DS       DS *   dss                                                         тонов в ядре определяет его суммарный электрический
          (дэ-эс+) (дэ-эс+*)                            (кси−)           (кси−*)
                                                                                         заряд Z.
 ˜
cc        Чармо- J/ψ (джей- sss                           Ω−
           ний      пси)                               (омега−)
                                                                                             Другой основной частицей атомных ядер является
                                                                                         нейтрон n. Нейтрон немного тяжелее протона, он неус-
 ˜                                                    Λ c (лямб-
                                                        +
bb        Ботто-          Ипсилон udc                                                    тойчив и в свободном состоянии со временем жизни
           ний                                         да-цэ+)
                                                                                         около 900 с распадается на протон, электрон и нейтри-
                                                            Σc
                                                             ++
 ˜
cu          D0              D0*      uuc                                                 но. В табл. 3 показано кварковое состояние протона
           (дэ0)           (дэ0*)                                                        uud и нейтрона udd. Но при спине этой комбинации
 ˜
bu           B−             B*       udb              Λb (лямб-                          кварков J = 3/2 образуются резонансы ∆+ и ∆0 соответ-
           (бэ−)           (бэ*)                       да-бэ)                            ственно. Все другие барионы, состоящие из более тя-
                                                                                         желых кварков s, b, t, имеют и существенно большую
пионы живут около 10−8 с, распадаясь на лептоны по                                       массу. Среди них особый интерес вызывал Ω−-гиперон,
следующим схемам:                                                                        состоящий из трех странных кварков. Он был открыт
                                                                                         сначала на бумаге, то есть расчетным образом, с ис-
                                               −                 −
           π              ё + νё           π                ё + νё .
               +           +
                                     и                          ˜                        пользованием идей кваркового строения барионов. Бы-
                                                                                         ли предсказаны все основные свойства этой частицы,
Их “родственники” в табл. 3 – резонансы ρ±, 0 (ро-мезо-                                  подтвержденные затем экспериментами.
ны) имеют в отличие от пионов спин J = 1, они неста-
                                                                                              Многие экспериментально наблюденные факты
бильны и живут всего около 10− 23 с. Причина распада
                                                                                         убедительно говорят сейчас о существовании кварков.
ρ±, 0 – сильное взаимодействие.
                                                                                         В частности, речь идет и об открытии нового процесса
     Причина распада заряженных пионов обусловлена                                       в реакции соударения электронов и позитронов, при-
слабым взаимодействием, а именно тем, что составля-                                      водящей к образованию кварк-антикварковых струй.
ющие частицу кварки способны испускать и поглощать                                       Схема этого процесса показана на рис. 4. Эксперимент
в результате слабого взаимодействия на короткое вре-                                     выполнен на коллайдерах в Германии и США. На ри-
мя t в соответствии с соотношением (4) виртуальные ка-                                   сунке показаны стрелками направления пучков e+ и e−,
либровочные бозоны: u         d + W + или d     u + W −,                                 а из точки их столкновения вылет кварка q и антикварка
причем в отличие от лептонов осуществляются и пере-                                      q под зенитным углом θ к направлению полета e+ и e−.
                                                                                         ˜
ходы кварка одного поколения в кварк другого поколе-                                                         ˜
                                                                                         Такое рождение q + q пары происходит в реакции
ния, например u         b + W + или u      s + W + и т.д.,
хотя такие переходы существенно более редкие, чем                                                           e+ + e−           γвирт       ˜
                                                                                                                                      q + q.   (5)



                                                   С Л А В АТ И Н С К И Й С . А . ФУ Н Д А М Е Н ТА Л Ь Н Ы Е Ч А С Т И Ц Ы                          67


                                                              ФИЗИКА
         Как мы уже говорили, жгут силовых линий (чаще
     говорят струна) при достаточно большом растяжении
     рвется на составляющие. При большой энергии кварка
     и антикварка, как говорилось ранее, струна рвется во                                                                             Струя
     многих местах, в результате чего в обоих направлениях                                                               q
                                                ˜
     вдоль линии полета кварка q и антикварка q образуют-                                                                    θ
     ся два узких пучка вторичных бесцветных частиц, как                                           e+                            e−
     это показано на рис. 4. Такие пучки частиц названы                                                            ~
                                                                                                                   q
     струями. Достаточно часто на опыте наблюдается обра-
     зование трех, четырех и более струй частиц одновре-
     менно.
         В экспериментах, которые проводились при сверх-                                        Струя
     ускорительных энергиях в космических лучах, в кото-
     рых принимал участие и автор этой статьи, получены                            Рис. 4. Схема рождения двух кварковых струй в ре-
     как бы фотографии процесса образования многих                                 акции e+ + e−    γ           ~
                                                                                                            q + q.
                                                                                                            вирт
     струй. Дело в том, что жгут или струна одномерны и по-
     этому центры образования трех, четырех и более струй                    гую теорию частиц. Но все это уже в XXI веке или еще
     также располагаются вдоль прямой линии [6].                             позже.
         Теория, описывающая сильные взаимодействия, на-
     зывается квантовой хромодинамикой или сокращенно                              ЛИТЕРАТУРА
     КХД. Она гораздо сложнее теории электрослабых вза-
                                                                             1. Окунь Л.Б. Физика элементарных частиц. М.: Наука, 1988.
     имодействий. Особенно успешно КХД описывает так
     называемые жесткие процессы, то есть процессы взаи-                     2. Кобзарев И.Ю. Лауреаты Нобелевской премии 1979 г.:
                                                                             С. Вайнберг, Ш. Глэшоу, А. Салам // Природа. 1980. № 1. С. 84.
     модействия частиц с большой передачей импульса меж-
     ду частицами. Хотя создание теории еще не завершено,                    3. Зельдович Я.Б. Классификация элементарных частиц и
                                                                             кварки в изложении для пешеходов // Успехи физ. наук. 1965.
     многие физики-теоретики уже сейчас заняты создани-                      Т. 8. С. 303.
     ем “великого объединения” – объединения квантовой                       4. Крайнов В.П. Соотношение неопределенности для энергии и
     хромодинамики и теории электрослабого взаимодей-                        времени // Соросовский Образовательный Журнал. 1998. № 5.
     ствия в единую теорию.                                                  С. 77–82.
         В заключение кратко остановимся на том, исчер-                      5. Намбу И. Почему нет свободных кварков // Успехи физ. на-
                                                                             ук. 1978. Т. 124. С. 146.
     пывают ли шесть лептонов и 18 разноцветных кварков
     (и их античастицы), а также кванты фундаментальных                      6. Жданов Г.Б., Максименко В.М., Славатинский С.А. Экспери-
                                                                             мент “Памир” // Природа. 1984. № 11. С. 24
     полей – фотон, W ±-, Z 0-бозоны, восемь глюонов и, на-
     конец, кванты гравитационного поля – гравитоны весь
     арсенал истинно элементарных, точнее, фундамен-                                         Рецензент статьи Л.И. Сарычева
     тальных частиц. По-видимому, нет. Скорее всего, опи-
     санные картины частиц и полей суть отражение лишь                                                             ***
     наших знаний в настоящее время. Недаром уже сейчас                      Сергей Анатольевич Славатинский, доктор физико-
     есть много теоретических идей, в которые вводятся                       математических наук, профессор, действительный
     большая группа еще на наблюденных так называемых                        член Российской академии естественных наук, зав. ла-
     суперсимметричных частиц, октет сверхтяжелых квар-                      бораторией Физического института им. П.Н. Лебедева
     ков и многое другое.                                                    РАН, профессор кафедры общей физики Московского
                                                                             физико-технического института. Область научных ин-
         Очевидно, современная физика еще далека от по-                      тересов – физика высоких энергий и элементарных
     строения завершенной теории частиц. Возможно, был                       частиц, физика сверхвысоких энергий в космических
     прав великий физик Альберт Эйнштейн, полагая, что                       лучах. Автор более 200 научных работ, в том числе за-
     лишь учет гравитации, несмотря на ее сейчас кажущую-                    дачника МФТИ по общей физике и нескольких учебных
     ся малую роль в микромире, позволит построить стро-                     пособий.




68                             С О Р О С О В С К И Й О Б РА З О В АТ Е Л Ь Н Ы Й Ж У Р Н А Л , Т О М 7 , № 2 , 2 0 0 1



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика