belonuchkin-zaikin-tsipenyuk-kvantovaya-fizika (1) (810753), страница 46
Текст из файла (страница 46)
Таким образом, создается впечатление, что каждая из этих групп представляет собой большой супермультиплет частиц, получившихся в результате «расщепления» одной частицы. Состояние последней характеризуется теми самыми олином и четностью, которые присущи всем членам данного супермультиплета. Все это очень похоже на рассмотренные выше изотопические мультиплеты и дает основание предположить существование более высокой !чем изотопическая инвариантность) симметрии взаимодействия так называемой унитарнойл сиз(метр(ллл.
Опа учитывает приближенную симметрию адронов огпоситель- Г'1 12 элементАРные чАстицы 176 но изотопического спина и странности одновременно. Оказывается, что для унитарной симметрии закон сохранения эквивалентен инвариантности сильного взаимодействия относительно поворотов в некотором восьмимерном пространстве (пространстве унитарного спина). Теоретический анализ свойств симметрии такого пространства показал, что в физических системах должны существовать пе только наблюдающиеся октеты и декуплеты, которые приведены на рис. 12.2, но еще и группы из 3 частиц.
В 1964 г. американские физики Дж. Цвейг и М. Гелл-Манн независимо нашли этому удивительно простое обьяснение. Они предположили, что такие частицы не принадлежат группе уже изученных адронов, а представля1от собой разновидность сильно взаимодействующих частиц, выступающих в качестве составных частей адронов. Таких частиц, очевидно, три.
Новые частицы Гелл-Ман назвал кварками (д), и это название очень скоро стало общеупотребительным. Термин «кварк» не имеет прямого смыслового значения. Он был заимствован из романа ирландского писателя Джойса «Поминки по Финнегану», герою которого во сне часто слышалась таинственная фраза: «Три кварка для доктора Марка».
Кварки являются гипотетическими частицами, которые, несмотря на длительные и упорные поиски, еще никто пе наблюдал. Более того, сейчас полагают, что они вообще не могут наблюдаться как свободные частицы. Основные характеристики кварков, получившие название ароматов, приведены в табл. 12.1. Таблица 1Е1. К«ар«и и иа ароматы Названия тяжелых кварков и соответствующих квантовых чисел до сих пор окончателы1о пе установились. Символы (7 и 1 произошли от слов )7свп1у и 1гие. Однако б- и ~-кварки называют также болот — и 1ор -кварками. Квантовое число С часто называют шармом или чармом от слова сЬогт.
В отличие от остальных странный кварк имеет заряд Я = — 1. Обращают на себя внимание также необычные -" дробные -" значения электрического заряда Я7 и барионного заряда В, не встречающиеся ни у одной из наблюдавшихся элементарных частиц. Что же касается названий легких кварков: верхний' (ир) и низ7сний (11ои7п), то ключ к их происхождению лежит в аналогии с моментом импульса в квантовой механике. У1шовой момент в квантовой механике может иметь проекции, отличающиеся друг от друга только на целое число (в единицах Ь). Заряд также можно себе представить как проекцию вектора (в некотором абстрактном пространстве).
Используя такую идею (вернее картинку) для кварков, можно сказать, что вектор зарядов кварков имеет две проекции: 12.3. КВАРКОВАЯ СТРУКТУРА АДРОНОВ 177 +2713 и — 173. Естественно считать, что если вектор имеет положительную проекцию, то он направлен вверх, а если сто проекция отрицжгельна, то он направлен вниз.
Отсюда и возникли эти названия, которые сохранились до сих пор, хотя глубокого смысла они пе имеют. В отношении масс кварков следует сделать одно замечание. Необходимо иметь в виду, что масса есть характеристика свободной частицы. А поскольку кварки в свободном с1х:тояпии, по-видимому, пе существуют, то попятив массы для них не может быть строго определено, и массы кварков представляют собой некоторые эффективные величины.
Да и само представление о кварках неоднозначно. Последнее проистекает из специфики современных представлений о сильных взаимодействиях. Однако этот интересный, не решенный до конца в настоящее время вопрос выходит далеко за рамки курса общей физики. Отметим лишь, что во многих моделях оказывается плодотворным представление о составллю1цня (или консп1итузнтнызв) кварках. Массы составляющих кварков и приведены в табл. 12.1. Кроме перечисленных ароматов, кварки имеют еще одно квантовое число цвет: желтый, красный и синий. Причину появления этого квантового числа мы обсудим немного дальше. Таким образом, полное число кварков с учетом различия в цвете равно 18, и столько же имеется антикварков. Согласно современным представлениям из этих истинно элементарных частиц и состоят сотни ядерных частиц адронов, еще недавно считавшихся элементарными.
Именно для описания свойств адронов ввели представления о кварках со всей совокупностью их цветов и ароматов. Основное предположение кварковой модели о строении адронов заключа- етсЯ в том, 1тО мезоны состОЯт из кварка и антикВарка М = (111., ч2) а барионы из трех кварков В = (171, 772, д1). Обычным адронам соответствуют связанные состояния, построенные только из и- и и'-кварков. Наличие в связанном состоянии наряду с и- и д-кварками одного з-, с-,б- или 1-кварка означает, что соответствующий адрон -- странный (О' = — 1), очарованный (С = 1).
красивый (б = 1) или 1гравдивый (~ = 1). В табл. 12.2 даны примеры кварковой структуры мезонов и барионов. Как видно из табл. 12.2, бариопы Ь ь Р, Ь ', П 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 (у) — нейтрвз1ьные 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 глюопы являются цветными частицами, полевая теория кварковых взаимодействий носит называние кваншовал хуожодинимика (КХД). Глюоны «склеивают» кварки в вдроны (их название и произошло от английского слова д1ие клей). Теперь нам надо объяснить, почему кварки невозможно развести, т. е. наблюдать их в свободном состоянии. Гипотеза удержания кварков (опа паз11вается также Г'1 12 ЭЛЕМЕНТЛРНЫЕ ЧЛСТИЦЫ 178 гипотезой конфайнмента, от английского слова согг) гпвтеп$ — пленение), предполагает, что для отрыва кварков друг от друга требуется бесконечная энергия, и, следовательно, такой отрыв физически невозможен.
Подобную Таблици 12.И Кварковая старуктура мезонин и бариовов Кварцевый состав Частица Масса, МэВ ив, (ий — ~И)/т/2 "1 йб я ' Кв иие1 тв иив Ев -о ивв "1 Истинно нейтральны обе комбинации из кварка и антикварка ий в г7д, но в результате сильных взаимодействий эти кварк-аитикварковые состояния могут переходить друг в друга, поэтому определенное значение массы имеет лишь квантовомеханическая суперпозиция этих состояяий. 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 бесконеч- "~1 Й==:===4$4з ности. 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 пих как о струпе, 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 а Рис. 12.3 1/о — — — — + бг. (12. 15) Значения констант а и 5 получают из согласия с экспериментальными данными.
Следует заметить, что на малых расстояниях потенциал очень прост и похож па кулоновский. Однако по мере удаления кварков друг от друга 140 136 140 494 498 494 938 940 1116 1189 1192 1197 1236 1236 1321 134о 1672 «-1 0 — 1 «-1/2 -1/2 -1/2 1/2 -1/2 0 «-1 0 — 1 3/2 -3/2 -1/2 1/2 0 12. Ь ЭЛЕКТРОСЛАБОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ 179 (увеличения г в формуле (12.15)) энергия взаимодействия резко увеличивается. Оценки показывают, что на ядерных расстояниях ( 10 12 см) энергия взаимодействия кварков составляет около 1 ГэВ., по уже при расстоянии г 10 '2 см она составляет около 10 ГЗВ. 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. Аптикварк соединяется с первичя ным кварком в мезон и улетает, а оставшийся кварк притягивается обратно к исходному адрону. Изолировать кварк оказывается невозможным. С точки зрения кварковой структуры мсзоны 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. Опо имеет специальное название и «позитроний». Однако это означает, что система кварк-антикварк должна иметь, подобно атому, и Рис. 12.4 возбужденные состояния, отвечающие более высоким массам (энергиям) системы. Действительно в системе (сс), названной чармонием, была обнаружена большая совокупность отдельных уровней с разнообразными переходами между ними. По своему значению для физики сильных взаимодействий (сс)-система может быть согюставлена с атомом водорода, сыгравшим важную роль в становлении нерелятивистской квантовой механики. Не менее богатый спектр найден и у системы (55) --- бопгтония. Несмотря на то, что кварки не обнаруживаются в свободном состоянии, их существование доказано многочисленными косвенными экспериментами.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
