Владимир Каланов.

Адроны

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). Адроны, 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.

Адроны состоят из кварков. Кварки 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 распада́ются на мюон и нейтрино и т.д.

Различают стабильные (точнее, мета-стабильные) адроны со средними временами жизни T>10^-23 сек. и резонансы, времена жизни которых T~10^-24—10^-23 сек. 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.

Барионы и мезоны

Адроны подразделяются на барионы и мезоны.

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

Барионы состоят из трёх кварков. Самыми «значимыми» частицами вещества, образованными кварками, являются нуклоны (протоны и нейтроны) — частицы, из которых состоят атомные ядра. Барионы относятся к фермионам (см. стандартная модель).

Барионы

Мезоны (от греческого mesos - 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 (π^-) 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).

Мезоны

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.

Изотопический спин. Изомультиплеты.

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 p—p, n—n, p—n.

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 p и нейтрон n, 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.

(Щелкните для просмотра подробностей)

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 кварки 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=T₃+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=T₃+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 0, 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.

Очарование (charm). Прелесть (beauty).

В 70-е годы были открыты очарованные частицы, для которых оказалось несправедливым и соотношение (2). Им приписали новое квантовое число — очарование C [charm (англ.) — очарование], введение которого обобщает соотношение Гелл-Манна—Нишиджимы:

q=T₃+½(B+S+C), (3).

Очарование подчиняется таким же законам сохранения, что и странность. После открытия прелестных частиц возникла необходимость во введении прелести b [beauty (англ.) — прелесть, красота]:

q=T₃+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 (?) [truth. (англ.) — истина, правда].

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.