Материал: Иродов. т5 Квантовая физика Основные законы. 2014, 256с

ства микрочастиц, и в этих случаях четность является достаточно добротным квантовым числом.

Однако в процессах, где основным эффектом являются слабые взаимодействия (например, 7-распад ядер, или процесс K0 & –), наблюдается несохранение четности, т. е. физическое неравноправие левого и правого по отношению к этим взаимодействиям.

Теоретически это предсказали Ц. Ли и Ч. Янг (1956). Они также предложили идею опыта, который был осуществлен By Цзянь-сун и ее сотрудниками. Суть идеи в следующем: если правое и левое в природе неразличимы, то при 7-распаде вылет электронов в направлении спина ядра и в противоположном направлении должен быть равновероятен.

лось, что электроны испускаются преимущественно в направлении, противоположном направлению ядерных спинов. Так была доказана экспериментально неравноправность правого и левого при слабых взаимодействиях (которыми обусловлен 7-распад).

§ 9.6. Изотопический спин

Оказывается, что сильно взаимодействующие частицы (адроны), весьма близкие по своим физическим свойствам, можно разбить на группы, называемые изотопическими мультиплетами (дублеты, триплеты и т. д.). В каждом мультиплете частицы одинаковым образом участвуют в сильных взаимодействиях, имеют примерно равные массы и одинаковые барионный заряд, спин, внутреннюю четность, странность, отличаясь друг

от друга электрическим зарядом. В отсутствии электромагнитных и слабых взаимодействий все свойства таких частиц были бы одинаковыми.

Эту по существу независимость от электрических зарядов называют изотопической (или зарядовой) независимостью сильных взаимодействий. Так, протон и нейтрон объединяют в изотопический дублет. Эти две частицы рассматриваются как различные квантовые состояния одной и той же частицы — нуклона. Изотопические триплеты — это, например, ( –, 0, ) и (Π–, Π0, Π ). Существуют и одиночные частицы, не входящие в мультиплеты, их называют синглетами ( -мезон, Ο- и -гипероны).

По аналогии с обычным спином каждому зарядовому мультиплету приписывают определенное значение изотопического спина (короче изоспина) T. Значение T выбирают так, чтобы 2Т 1 было равно числу частиц в мультиплете. Отдельным частицам мультиплета приписывают различные значения Тz — проекции изоспина на ось Z в воображаемом изотопическом пространстве. Причем частице с большим электрическим зарядом — большее значение Tz. Например, для нуклонов T 1/2, у протона Tz 1/2, у нейтрона Tz –1/2; для -мезонов* T 1, тогда для , 0, – соответственно Tz равно +1, 0, –1.

С изоспином связан закон сохранения. При сильных взаимодействиях сохраняется как изоспин Т, так и его проекция. При электромагнитных — только Тz, сам же изоспин Т не сохраняется. Слабые взаимодействия протекают как правило с изменением изоспина Т.

Понятие изоспина оказалось весьма плодотворным. На основании изотопической инвариантности удается предсказать существование, массу и заряд новых частиц. Именно так были предсказаны существование и свойства частиц 0, Π0, Θ0 по известным 1 , Π1 и Θ–. В заключение заметим, что понятие изоспина плодотворно используется не только по отношению к элементарным частицам, но и к атомным ядрам.

*Тот факт, что в случае -мезонов в одном зарядовом мультиплете объединяются частица ( ) и античастица ( –), объясняется тем, что частицы, входящие в мультиплет, должны отличаться только величиной или знаком электрического заряда. Все остальные величины частиц мультиплета должны быть одинаковыми, что и имеет место для всех трех компонент данного триплета.

§ 9.7. Кварковая модель адронов

Кварки. Большое разнообразие адронов заставило усомниться в их «элементарности» и побудило к поиску более фундаментальных, первичных частиц, из которых они могли бы быть построены. В настоящее время внутренняя структура не обнаружена только у фотона и лептонов. А составной характер адронов уже доказан (теоретически и подтвержден экспериментально).

Первоначально гипотеза о том, что все адроны построены из частиц, названных кварками, была выдвинута Гелл-Манном и Цвейгом в 1964 г. На основе кварковой гипотезы была не только понята структура уже известных адронов, но и предсказано существование новых. Ниже кварковая модель адронов будет представлена в своем современном виде.

К настоящему времени установлено существование пяти типов (или ароматов) кварков: u, d, s, c, b. Все кварки имеют спин 1/2 и барионный заряд В 1/3. Остальные свойства этих частиц (т. е. соответствующих квантовых чисел) приведены в табл. 9.4.

Таким образом, кварки разительно отличаются от всех известных до сих пор частиц дробностью своих зарядов Q и B.

Кварк s является носителем странности, с — шарма (очарования), b — красоты.

Соответствующие антикварки отличаются от кварков знаками зарядов Q, B, S, C и b.

Сравнивая заряды кварков с зарядами мезонов и барионов, мы приходим к выводу, что каждый мезон является парой кварк–антикварк, а каждый барион состоит из трех кварков. Действительно, только кварк–антикварк имеет В 0 и только три кварка образуют частицу с полуцелым спином и барионным зарядом B 1. В табл. 9.5 приведен кварковый состав некоторых адронов, спин которых указан в скобках. «Ориентация» спинов кварков и антикварков здесь показаны условно стрелками.

Таблица 9.5

Заметим попутно, что истинно нейтральный 0-мезон состо-

тью в одном или другом состоянии.

Из табл. 9.5 видно, что –-гиперон состоит из трех s-кварков с параллельными спинами (подобная ситуация имеет место и в случае некоторых других адронов). Это оказывается несовместимым с принципом Паули, который запрещает одинаковым частицам с полуцелым спином находиться в одном и том же состоянии.

Чтобы устранить это противоречие, было выдвинуто предположение о наличии у кварков некой внутренней степени свободы, из-за которой кварки одного типа (аромата) могут отличаться друг от друга. Эту степень свободы назвали цветом.

Каждый тип (аромат) кварка характеризуют тремя цветами:

красный, зеленый и гoлyбoй. Их смесь бесцветна. Цвет каждого антикварка считается дополнительным цвету кварка, так что пара кварк–антикварк также бесцветна.

Противоречие с принципом Паули было устранено с помощью принципа бесцветности адронов. Этот принцип разрешает возможными только те сочетания кварков разных цветов, смесь которых бесцветна. Так, согласно этому принципу –-ги- перон состоит из трех s-кварков разных цветов, смесь которых

бесцветна. Поскольку кварки разных цветов неодинаковы, то кварковая структура –-гиперона не будет противоречить принципу Паули. Антикваркам присвоили антицвета, каждый из которых является дополнительным к своему цвету, так что комбинации цвет–антицвет считаются бесцветными.

По современным представлениям сильные взаимодействия осуществляются путем обмена между кварками безмассовыми частицами — глюонами. Глюоны являются квантами поля, которое кварки создают и которое на них же и воздействует. Кроме того, они еще являются и переносчиками цвета. Поэтому при испускании и поглощении глюонов цвет кварков изменяется, но их аромат при этом сохраняется. Например, u-кварк не превращается в s-кварк.

Таким образом, согласно модели цветных кварков, последние, не нарушая бесцветности адронов, беспрестанно изменяют в них свою окраску.

Успешная классификация адронов на основе кварковой модели — это веский аргумент в ее пользу. То же следует сказать о об опытах по прямому просвечиванию нуклонов и других адронов электронами высоких энергий. Анализ полученных результатов привел к заключению, что внутри адронов электроны рассеиваютоя на точенных частицах с электрическими зарядами 2/3 и –1/3, причем эти частицы (кварки) ведут себя как бесструктурные точечные элементы.

Необычное поведение кварков. Многочисленные поиски свободных кварков оказались безуспешными. По-видимому, в свободном состоянии кварки не существуют, и это свидетельствует о необычных свойствах сил взаимодействия между кварками. А именно, согласно одной из гипотез сила взаимодействия между кварками не убывает с увеличением расстояния между ними, чем кварки резко отличаются от всех других частиц. Поэтому при неубывающей с расстоянием силе, связывающей кварки в адроне, нужно затратить неограниченно большую энергию, чтобы вырвать кварк из адрона. Такое поведение кварков обусловлено тем, что все глюоны, которые кварки испускают, сосредотачиваются только вблизи прямой, проходящей через кварки, образуя узкую трубку глюонного поля. Так как при этом глюонное поле «не рассеивается» в окружающем пространстве, то