Файл: fiz_1_1_mekh_otnosit_vm_i_as_rab_var_1_09_12.doc

Обычным адронам соответствуют связанные состояния, построенные только из u- иd-кварков. Наличие в связанном состоянии наряду сu-ud-кварками одного s-,c-,b- или t-кварка означает, что соответствующий адрон — странный (S = -1), очарованный

(С = 1), красивый b=1) или правдивый (t = 1). В табл. 12.2 даны примеры кварковой структуры мезонов и барионов.

Как видно из табл. 12.2, барионы А⁺⁺, А^~, О^~состоят из трех одинаковых кварков, причем, как показали эксперименты, они находятся в одном и том же квантовом состоянии. В силу того, что кварки — фермионы, этого не должно быть, что и послужило основанием для введения еще одной квантовой переменной — цвета. Таким образом указанные частицы состоят из кварков разного цвета, но ни мезоны, ни барионы цвета не имеют и являются белыми частицами. Цветовая аналогия удобна, поскольку совокупность

трех дополнительных цветов дает белый (нулевой) цвет.

Кварки — сильновзаимодействующие частицы. Переносчиками сильного взаимодействия между кварками являются глюоны (д) — нейтральные частицы со спином 1, нулевой массой и обладающие цветовым зарядом. Всего существует восемь разновидностей глюонов, что очень осложняет расчеты сильного взаимодействия. Так как и кварки, и глюоны являются цветными частицами, полевая теория кварковых взаимодействий носит название квантовая хромодинамика (КХД). Глюоны «склеивают» кварки в адроны

(их название и произошло от английского слова glue — клей). Теперь нам надо объяснить, почему кварки невозможно развести, т. е. наблюдать их в свободном состоянии. Гипотеза удержания кварков (она называется также гипотезой конфайнмента, от английского слова confinement — пленение), предполагает, что для отрыва кварков друг от друга требуется бесконечная энергия, и, следовательно, такой отрыв физически невозможен. Подобную

Таблица 12.2. Кварковая структура мезонов и барионов

*^ Истинно нейтральны обе комбинации из кварка и антикварка ии и dd, но в результате сильных взаимодействий эти кварк-антикварковые состояния могут переходить друг в друга, поэтому определенное значение массы имеет лишь квантовомеханическая суперпозиция этих состояний

ситуацию можно себе представить, если считать, что сила, стягивающая кварки, с увеличением расстояния между ними остается неизменной, а значит работа этой силы на бесконечном пути равна бесконечности. Физически это может быть реализовано в том случае, если силовые линии глюонного поля параллельны друг другу, как в плоском конденсаторе линии электрического поля. Говорят, что силовые линии глюонного поля собраны в трубку, или еще говорят о них как о струне, соединяющей кварки (см. рис. 12.3 а).

На рис. 12.3 б показан кварковый удерживающий потенциал. В первом приближении выражение для удерживающего центрально-симметричного кваркового потенциала имеет вид

Рис. 12.3

(12.15)

Значения констант а и b получают из согласия с экспериментальными данными. Следует заметить, что на малых расстояниях потенциал очень прост и похож на кулоновский. Однако по мере удаления кварков друг от друга

(увеличения г в формуле A2.15)) энергия взаимодействия резко увеличивается.

Оценки показывают, что на ядерных расстояниях (~ 10^~13см) энергия взаимодействия кварков составляет около 1 ГэВ, но уже при расстоянииr~ 10^~12см она составляет около 10 ГэВ. Такой энергии вполне достаточно, чтобы родить из вакуума пару кварк-антикварк. Поэтому при отдалении кварков друг от друга и растяжении струны возникает ситуация, показанная на рис. 12.4, а именно: струна разрывается, и в месте разрыва возникает пара кварк-антикварк. Антикварк соединяется с первичным кварком в мезон и улетает, а оставшийся кварк притягивается обратно к исходному адрону. Изолировать кварк оказывается невозможным.

С точки зрения кварковой структуры мезоны представляют собой систему «кварк-антикварк», т. е. «частица-античастица». Физикам давно известна такого рода пара — это электрон и позитрон, которые могут образовывать связанное состояние, подобное

атому водорода. Оно имеет специальное название , «позитроний». Однако это означает, что система кварк-антикварк должна иметь, подобно атому, и возбужденные состояния, отвечающие более высоким массам (энергиям) системы.

Действительно в системе (cc^-), названной чармонием, была обнаружена большая совокупность отдельных уровней с разнообразными переходами между ними. По своему значению для физики сильных взаимодействий (cc^-) -система может быть сопоставлена с атомом водорода, сыгравшим важную роль в становлении нерелятивистской кван-

квантовой механики. Не менее богатый спектр найден и у системы (bb^-) — боттоmoния.

Несмотря на то, что кварки не обнаруживаются в свободном состоянии,

их существование доказано многочисленными косвенными экспериментами.

Гипотеза о кварковой структуре адронов не только позволила объяснить,

многие, казавшиеся ранее загадочными, величины, такие как, например,

магнитные моменты протона и нейтрона, но и предсказать многие явления

в мире элементарных частиц, впоследствии подтвердившиеся экспериментально.

На современном уровне знаний кварки, подобно лептонам, выглядят как бесструктурные, истинно элементарные частицы, и потому они, в отличие от адронов, называются фундаментальными частицами.

12.4. Электрослабое взаимодействие

Многие из сильно взаимодействующих частиц — адронов — имеют электрический заряд и тем самым участвуют в электромагнитных взаимодействиях. Кроме того, адроны участвуют в слабых взаимодействиях, и типичный пример тому — /3-распад нейтрона. Однако, как мы показали выше, адроны составлены из кварков. Поэтому вполне естественно ожидать, что электромагнитное и слабое взаимодействия адронов отражает наличие соответствующих взаимодействий у кварков. Теоретическое описание таких

взаимодействий было построено в 60-70 гг. Ш. Глэшоу, С. Вайнбергом и А. Саламом, удостоеными в 1979 г. Нобелевской премии по физике.

Заслуга этих ученых состоит в создании теории, объединившей в себе два типа взаимодействия, которые долгое время представлялись не связанными друг с другом. В новой теории, теории электрослабого взаимодействия, электромагнитное поле и поле слабого взаимодействия представляются разными компонентами одного поля, с которым связаны четыре кванта — j, W⁺, W^~, Z⁰. По современной классификации все эти четыре частицы являются бозонами. Взаимодействие заряженных частиц, которое, как считалось,

происходит лишь путем обмена квантами электромагнитного поля —фотонами, на очень малых расстояниях между частицами (~ 10^~15см и меньше) изменяет свой характер. В игру вступает новый механизм — обмен тяжелым промежуточным нейтральным бозоном Z⁰, и на таких расстояниях следует учитывать оба типа взаимодействия — электромагнитное и слабое. Новая теория существенным образом отличается от старой тем, что в ней взаимодействуют не только заряженные частицы — взаимодействуют протон с нейтроном, два нейтрона, нейтрино рассеивается на нуклонах и т. п. Подчеркнем, что здесь речь идет о взаимодействии, не являющимся сильным.

Еще в 60-х годах физики-теоретики обратили внимание, что существует, по-видимому, какая-то глубокая симметрия между кварками различных ароматов и лептонами. На существование такой симметрии указывает следующая таблица:

Поколения фермионов

Как видно из таблицы, электрические заряды частиц, расположенных горизонтально, одинаковы, разности зарядов нейтрино и заряженных лептонов равны разности зарядов верхних и нижних кварков, но в то же время симметрия не является полной, сами заряды у лептонов и кварков естественным образом разбиваются на три группы, или, как говорят, на три поколения фундаментальных частиц. Каждое поколение содержит четыре частицы, занимающие столбец в таблице: «верхний» и «нижний» лептоны и «верхний» и «нижний» кварки. Самые легкие частицы образуют первое поколение. В каждом из последующих поколений заряженные частицы тяжелее, чем в предыдущем. Отметим, что лептоны каждого поколения характеризуются, как указывалось выше, своим лептонным зарядом.

Именно на основе кварк-лептонной симметрии еще в 1964 г. было предсказано существование с-кварка. После открытия в 1975 г. т-лептона на основе той же симметрии было предсказано существование b- и t-кварков. Правдивый кварк (илиtоp- кварк) был открыт совсем недавно, в 1995 г., в полном соответствии с кварковой симметрией.

Фермионы первого поколения в совокупности с фотонами является той материей, из которой построена современная Вселенная. Из u- иd-кварков состоят нуклоны, а значит, и ядра атомов, из электронов — атомные оболочки.

Без электронных нейтрино не могли бы протекать реакции ядерного синтеза в Солнце и звездах. Что касается фермионов второго и третьего поколений, то их роль в современном мире очень мала, но, по-видимому, они играли важную роль в ранней Вселенной, в первые мгновения т. н. Большого взрыва.

Теперь рассмотрим на нескольких примерах, каким образом промежуточные бозоны участвуют в различных распадах. Основой «слабых» процессов с участием лептонов является испускание и поглощение W-бозонов, причем эти переходы всегда происходят только внутри одного поколения. В качестве иллюстрации на рис. 12.5 показана диаграмма β-распада отрицательного мюона

μ^~—> е^~+ ν^*_e+ ν_μ

с участием W^~-бозона. Этот процесс можно стадии: вначале мюон испускает бозон и нейтрино

(μ^~—> W^~+ν^-_μ),

а затем отрицательный W^~-бозон рождает пару (е^~, ν^-_е).

В отличие от лептонов, процессы поглощения и испускания W-бозонов в системе квар-

кварков могут приводить к переходам между поколениями. Поэтому наряду с реакциями

u--> d + W⁺или

d u+ W^~

происходят кварковые переходы

u—> s +W⁺

u—>b+W⁺

Рис. 12.5

Конечно, такие переходы между соседними поколениями менее вероятны, чем внутри одного поколения. Цепочки этих превращений идут от массивных кварков к более легким:

t bcsu<-d

(12.16)

В отличие от сильных взаимодействий, в слабых взаимодействиях может

изменяться странность или очарование, и для слабых взаимодействий формулируют не строгий закон сохранения странности

∆S= 0, ±1. (12.17)

В качестве примера можно привести распад нейтрального Λ-гиперона

Λ° р + е^-+ ν^-_e

(12.18)

при котором ∆S = 1, а также распад тяжелого