С. Трейман - Этот странный квантовый мир (1129358), страница 47
Текст из файла (страница 47)
Она группирует изоспиновые мультиплеты в еще большие, причем все частицы этого большого мультиплета имеют одинаковый спин и одинаковое барионное число. Если бы симметрия была точной, они имели бы и одинаковые массы. Е!апример, изотопический триплет пионов, дублет К-мезонов, дублет анти-К-мезонов и синглет г1-частицы — все они имеют одинаковый спин и одинаковое нулевое барионное число. Они образуют вместе отдельный Яг(3)-мультиплет с восемью состояниями.
Дру~ие адроны тоже собираются вместе в другие мультиплеты, с размерностью (числом состояний), разрешенной Я7(3)-симметрией, например; 8, !О, 27. Увы, массы внутри различных ЯГ(3)-мультиплетов неодинаковы и в некоторых случаях отличаются достаточно сильно; так что Я7(3)-симметрия не является точной.
Тем не менее, она обеспечивает приемлемое приближение во многих ситуациях. Но основной триумф Яг(3)-симметрии связан с так называемой 185 Осноеньге ингредиенгпьг кварковой гипотезой. Математика ЯГ(3)-симметрии разрешает мультиплеты с размерностью 3. Через некоторое время после появления Яс7(3) стало ясно, что ни один из известных адронов не может группироваться в мультиплет с этой размерностью; все они соответствуют другим состояниям.
Само по себе это не означало какого-либо противоречия. Можно было просто сказать, что природа, по каким-то внутренним причинам предпочла проигнорировать простую возможность, предоставленную Яг7(З)-симметрией. Тем не менее, в начале 60-х годов возникла идея, что внутренняя структура адронов должна быть основана на этом триплете Яг7(3)-симметрии, названном «кваркамиан Хотя понимание основополагающей квантовой динамики еще было далеко от завершения, по-крайней мере, математика 517(3)-симметрии приводила к картине, в которой все известные адроны могут быть составлены из трех типов кварков— частиц со спином 1,г2 (здесь кварк означает общее название как для частицы, так и для античастицы).
Эти первые три кварка были названы ир, г7оюп и зЬгапре' (эти названия остаются одними из самых причудливых в субъядерной номенклатуре). Символически они обозначаются буквами ти т1, .з. На раннем этапе кварки воспринимались многими как чисто математический трюк, который будет отброшен, когда выяснится их математическая структура. Для других они были реальными физическими частицами, которые могут быть найдены экспериментально. То, в чем мы сейчас убеждены, находится где-то посередине.
Кварки действительно реальны в том смысле, что они входят как основные составляющие в современной теории частиц; они оставляют ни с чем не сравнимые отпечатки во всех проведенных экспериментах. Но никто не видел их непосредственно, отдельно от других частиц. Основные ингредиенты Частицы За первыми тремя кварками в последующие годы были успешно (но не при прямом наблюдении) открыты сйагт, Ьо1гот и Ьор~ кварки, часто обозначаемые как с-, Ь- и Ь-кварки. Первый из них был предсказан единой электромагнитной теорией, созданной в конце 60-х годов ХХ века.
Открытие с-кварка несколькими годами позднее явилось драматическим подтверждением теории, возникшей примерно в то же время. Тогда, по крайней мере для истинно убежденных людей, полностью неожиданное открытие тау-лептона в середине 70-х годов означало существование 'От англ. ир — вверх, домо — анна, аиапяе — гтраппый. — Прим, пер. 2 От англ.
гьаггп — омроваопе, Ьоцогп — пиа, гор — верх. — Прим. пер. 186 Глава 8 двух дополнительных кварков. Более уверенно существование Ь-кварка было доказано в течение нескольких лет; для 1-кварка понадобилось почти два десятилетия. Вместе получилось шесть типов кварков; или, можно сказать, шесть кварковых ароматов. Более современная теория утверждает, что каждый кварковый аромат может существовать в трех различных состояниях, каждое нз которых имеет одинаковую массу, заряд, барионное число и спин. То, что различает эти состояния, математически хорошо определяется в терминах основополагающей теории, но повседневная жизнь требует использования повседневных названий.
По подобию, с которым образовывались имена ароматов, этн различные состояния стали обозначать цветом. Можно использовать любые три цвета, это вопрос соглашения. Можно использовать красный, белый и голубой. В последующем обсуждении мы будем просто говорить о шести кварковых ароматах, понимая, что для каждого аромата есть частица и античастица, каждая из которых может находиться в трех цветовых состояниях; всего, таким образом, 36 величин. Кварки имеют спин = 1г2, поэтому являются фермионами. Это свойство объединяет их с тремя заряженными лептонами и тремя нейтральными лептонами (нейтрино).
Кварки имеют дробный электрический заряд. В единицах заряда протона квантовые числа заряда для кварковой частицы равны Я = 2/3 для и-, с-, 1-кварков; Ц = — 1/2 для д-, в-, Ь-кварков. Для кварковых античастиц знаки в точности обратные Я = -2/3 для и-, с-, 1-кварков и Я = 1/3 для а-, в-, Ь-кварков. Аналогично, барионное число для всех шести кварков равно В = 1/3; для кварковых античастиц знак обратный, В = — 1/3.
В самих зарядах нет ничего таинственного. Если бы д-кварк был открыт до электрона, величину его заряда можно было бы взять за единицу измерения; тогда при открытии электрона его заряд был бы равен 3. Но реально, исторически все произошло иначе, и поэтому иногда тот факт, что могут существовать величины с зарядами, меньшими, чем известные заряды электрона или протона, первоначально вызывает удивление. Поскольку кварки никогда не существуют по отдельности, очень трудно с большой точностью измерить их массы; существует некоторая теоретическая свобода в выборе того, как должен быть определен массовый параметр.
Но мы можем достаточно уверенно сказать, что массы и- и аркварков достаточно малы но сравнению с известными массами адронов; знаем, что масса в-кварка значительно больше, хотя и остается скромной по этой шкале. Кварки типа с-, Ь- и 1-кварка имеют массы, значительно превосходящие массы этих трех легких кварков, поэтому их массы могут быть определены с большей аккуратностью. В таблице 8.1 представлены данные по массам и электрическим зарядам кварковых и лептонных частиц, разбитых на три семейства.
Там не показано (барионное, лептонное) число, равное (1/3, О) для кварков и (О, Ц для 187 Основные ингредиеиьпи лептонов. Соответствующие античастицы не представлены отдельным списком. Они имеют те же массы, но противоположные знаки для электрического заряда, барионного и лептоннго чисел.
Современная теория вводит еще набор других частиц — глюонов. Как и кварки, они оставляют ясные отпечатки во всех проведенных экспериментах, но никогда не наблюдаются по отдельности. Всего их 8. Они безмассовы и электрически нейтральны. Барионное число равно нулю. Глюоны играют ту же роль в сильных взаимодействиях, какую фотон Т играет в электромагнитных, а И'+, В' и Я бозоны в слабых взаимодействиях. Все они являются калибровочными бозонами со спином 1, а полное их число 8 + 4 = 12.
Фотон, глюоны, и У частица одновременно являются и своими собственными античастицами, в то время как Игч и !4' — зарядово-сопряженной парой. Калибровочные бозоны перечислены в табл. 8.2 Таблица 8.'2. Калибровочные частицы: фотон, глюоны, заряженные и нейтральные слабые бозоны. Таким образом, наш общий список основных составляющих включает в себя шесть кварковых ароматов, шесть лептонных ароматов, двенадцать калибровочных бозонов; напомним при этом, что каждый кварковый аромат может находиться в трех цветовых состояниях, при этом кварки и лептоны имеют как частицу, так и античастицу. В минимальной современной теории, стандартной модели, есть только одна частица, которую еще необходимо добавить к данному списку — хиггсовская частица, нейтральный объект с нулевым спином.
В момент написания книги эта частица еще не была открыта, но ее поиски активно продолжаются. Ее существование важно для понимания того, как частицы могут приобретать массу. Но ее роль достаточно сложна и поэтому мы исключаем частицу Хиггса из дальнейшего обсуждения. Список частиц в таблицах 8.1 и 8.2 может расшириться в любой день. Действительно, в настоящее время идет интенсивное обсуждение того, что каждая частица из списка, возможно, имеет еще суперсимметричных партнеров.
Существуют и другие возможности расширения такой минимальной картины. Но то, что явно должно быть исключено из таблицы фундаментальных составляющих, так это протон, нейтрон, пионы и другие адроны. С современной точки зрения они являются составными формами из кварков и глюонов. Атомные ядра «повседневной» жизни можно считать сложенными из составных частиц.
Более того, кварки и глюоны, которые на данный момент считаются фундаменталь- 188 Глава 8 ными строительными элементами, на самом деле, в некотором смысле являются фантомами; они никогда отдельно не наблюдаются. Поэтому фундаментальными (в соответствии с современной теорией) и непосредственно наблюдаемыми остаются только лептоны, слабые калибровочные бозоны и фотон. Взаимодействия Полная теория должна определять не только фундаментальные частицы, из которых все строится, но и силы, управляющие их поведением. Но при учете рождения и уничтожения частиц лучше говорить не о силах, а о фундаментальных взаимодействиях.
Тогда элементарные акты рождения и уничтожения сводятся к процессам столкновения и распада, которые определяют структуру составных частиц, таких, как адроны. Постепенно мы разберемся с понятием фундаментального взаимодействия, а пока двинемся дальше. Сильные взаимодействия Сильное взаимодействие должно описываться выражением, являющимся суммой слагаемых, по одному на каждый аромат, и сохраняющим значение аромата. Поэтому каждое слагаемое описывает связь в глюоне д с парой кварков д или антикварков д одного аромата, либо с кварк-антикварковой парой одинакового аромата.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
