mukhin-fizika-elementarnykh-chastits (810757), страница 65
Текст из файла (страница 65)
Этим унитарным синглетом является в)овв-резонанс. Точно так же строится нонет векторных мезонов (р о, Ко,, Квв«, Квв„ва, вр) с той только разницей, что те же кварки комбинируются с параллельными спинами. Схема трех кварков очень изящна. Начнем с того, что она естественным образом решает проблему существования простейшего представления И7 13)-группы в мире элементарных частиц. Этим представлением является тройка к варков.
Не менее естественно кварк овая модель объясняет и природу самой унитарной Иl (3)-симметрии. В ее основе лежит предположение об идентичности (вырождении) и-, И- и кварков, при замене которых друг другом энергия взаимодействия не изменяется. На самом деле из-за неравенства масс кварков (лв,>~т„кгпв) реализуется нарушенная ЯУ (3)-симметрия, причем масштаб ее нарушения определяется большой разностью масс гц,— лв„и гл,-гц„т. е. он должен быть велик по сравнению с масштабом нарушения изотопической симметрии, который определяется малой разницей масс тв — т„.
Далее, трехкварковая схема обладает свойством полноты. 325 724. Трекккиркокал .иоде.еь /~- )) Рис. 463 Рис. 462 й Рис. 465 Рис. 464 Рис. 467 Рис. 466 Вплоть до 1974 г., когда были открыты У/4е-частицы (см. 9 125, п. 2), трех кварков оказывалось достаточно, чтобы из них можно было построить любой адрон и вместе с тем из них нельзя было построить ни одну «лишнююхь не существующую (как тогда считали) в природе частицу. На языке кварковой модели легко изображаются любые процессы. На рис. 462 — 466 приведены примеры сильного процесса (и — М)-рассеяния (рис. 462) и кМ- ккЖ-реакции (рис.
463), элекгромагнитного процесса аннигиляции е'е -пары в адроны (рнс. 464) н двух слабых процессов — ()-распада нейтронов (рис. 465) и (я — р)-распада (рис. 466). Для этих и некоторых других процессов с помощью кварковой модели были получены количественные характеристики, которые хорошо подтверждаются экспериментально (см. ниже), Особенно убедительно выглядит интерпретация экспериментов по глубоконеупругому рассеянию электронов на протонах, которая привела первоначально к партонной модели нуклона (из значительной вероятности рассеяния на большие углы), а затем к представлению об идентичности партонов с кварками. 326 Гвааа ХХП.
Кварки и гвювиы. Кваитоваи кромодииамика Правильность постулированных для кварков дробных значений электрического заряда вытекает из сравнения сечений рассеяния электрона и нейтрино на легком ядре (соответственно электромагнитный и слабый процессы с известными константами), которое дает для экспериментальной величины х„'+хв' значение, близкое к теоретическому (2/3)~+(1/3)~=5/9, Дробность электрического заряда подтверждается также совпадением расчетных и экспериментальных значений радиационных ширин распада для некоторых адронов. В 70-е годы кварковая модель получила еще одно новое убедительное экспериментальное подтверждение.
При изучении процесса (е~е )-аннигиляции в адроны при высоких энергиях наблюдались струи вторичных частиц, направления которых естественно связать с направлением движения первичных кварков, образовавшихся из виртуального фотона (рис. 467). Любопытно отметить, что угловое распределение струй подчиняется закону (1+ сов в 0), который соответствует спину кварка 1/2. Появление струй в этом процессе трудно обьяснить каким-либо другим способом (подробнее о струях см.
в ~ 127). В процессе развития модели кварков рассматривались самые разнообразные ее варианты. В простейшей модели со слабой связью кварки внутри адронов считаются свободными, невзанмодействующими. В этом случае масса нуклонных кварков должна быть мала по сравнению с массой нуклона: влв лвв «гп„ а масса Х-кварка тв =вп +0,15тр (0,15т — из эквидистантности расщепления барионного декуплета). В случае сильной связи кварков внутри адрона масса кварка должна быть много больше массы протона (,>,) Привлекательность модели со слабой связью состоит в том, что именно с ее помощью можно проводить некоторые количественные расчеты.
При этом относительно свойств кварков делаются наипростейшие предположения. Считают, что кварки — это элементарные точечные фермионы, которые внутри адрона (например, нуклона) ведут себя как свободные частицы. В этих н некоторых других предположениях можно получить, например, соотношение между полными сечениями для нуклон-нуклонного, антинуклон-пуклонного и пион-нуклонного взаимодействий з !24. Трезв(вар«селя модель 327 (О»я+ Сзг)„) / О„„= 3, (124.4) которое хорошо подтверждается экспериментально (см. рис. 442)*. Было также вычислено отношение магнитных моментов нуклонов: ря/рр — — — 2,'3, (ра/)гр)„,„= -О,б8 — 2/3.
(125,5) Удалось получить отношение сечений рождения адронов и мюонньгх пар в процессе аннигиляции (е' — е )-пар, описать процессы рассеяния электрона и нейтрино на нуклоне и др. Вместе с тем простейшая кварковая модель страдает серьезными недостатками. Одним из возражений против пее является нарушение принципа Паули при составлении барионов (например, Л'+-и А -резонанса или й -гиперона) из кварков. Действительно, согласно табл. 45 эти частицы состоят из трех тождественных фермионов, находящихся в одном и том же пространствецном и спиновом состоянии (А+ ' = д„(/ дг, А =дьдьд„, Й =д„~у„дл).
Для устранения этой трудйости в более совершенной модели кваркам был приписан специфический заряд — «цвет»вв. По аналогии с обычными частицами, которые характеризуются электрическим зарядом (плюс, минус, нуль), кварки также имеют три цветовых заряда: «красный», «синий», «желтый» (иногда вместо «желтого» используют «зеленый»). Эти цвета являются «основными», т. е. при их сложении в барионе (который в соответствии с принципом Паули должен состоять из трех «разноцветных» к нарко в) получается «белый» цвет. Так, например, П -гиперон состоит из г/л, зул и д„, Л -Резонанс — из 17„', д'„и д„и т.
п. Аналогично все мезоны состоят из кварка и антикварка, имеющих «дополнительные» цвета, т. е. они тоже белые. Таким образом, во всех адронах цветовые заряды взаимно скомпенсированы и не проявляются. Тем не менее с их помощью устраняется нарушение принципа Паули. В дальнейшем мы увидим, что цветовой заряд кварков несет очень важную смысловую нагрузку в теории взаимодействия кварков — квантовой хромодина мике.
ч Выражение (124.4) получается следу«алим образом, Согласно кварковой модели о.я=З«„4-3«м (см. рис. 462). Аналогично оя„=9«, а ояя=9ом. * ока+о»я 9«, +9ом Отсюда имеем =3, или с учетом теоремы Помераичука о„,г Зо, +Зон (см. 1 96) ггял/о я=З/2. чь Понятие «цвет» было введено в 1965 г, в СССР Н. Н. Боголюбовым, Б. В. Струминским и А. Н. Тавкелидзе и независимо за рубежом М. Ханом и И, Намбу. 328 Глава ХХ11.
Кварки и глюаны. Квантовая нрамадинамина 2. НЕНАБЛЮДАЕМОСТЬ КВАРКОВ Второе серьезное возражение против кварковой модели (со слабой связью) — ненаблюдаемость кварков в свободном состоянии. Казалось бы, если кварки слабо связаны в адронах, то почему бы им не вылетать из них в процессе соударений адронов между собой? Естественно ' поэтому, что в связи с большими успехами модели со слабой связью было предпринято много попы гок обнаружить кварки в природе или получить их искусственно на ускорителе. Идея эксперимента опирается на своеобразие свойств кварков.
Из-за дробности электрического и барионного зарядов кваркам не на что распадаться (по крайней мере тому, который имеет минимальную массу). Поэтому они должны быть стабильны. Следовательно, кварки„образовавшиеся под действием космического излучения, могут накапливаться в земной коре или в воде океана, а также на космических телах (Луне, метеоригах).
Оценки показывают, что если кварки н существуют, то их должно быть очень мало. Согласно этим оценкам в воде (даже после специального процесса концентрации) кварков не может быть больше одного на 10га протонов, в метеоритах (в котовых кварки концентрируются в поверхностном слое) — ! на 1О ' протонов. Поэтому очень важно уметь выделять кварки на фоне огромного числа других частиц.
Здесь опять-таки помогает дробность заряда. Поскольку ионизующая способность заряженной частицы пропорциональна квадрату ее заряда, минимальная ионизация, создаваемая кварками, должна составлять 4/9 (для дв) или 1/9 (для д„и а„) минимальной ионизация, создаваемой 'однозарядной частицей. Конкретные эксперименты по поиску кварков в природе проводились при помощи самой разнообразной методики. Их искали в составе космических лучей прн помощи камеры Вильсона (понскн треков с половинной плотностью капелек). Ставили опыт типа Милликена.
Пытались получить на ускорителе в реакциях Р+Р Р+Р+Ч+Ч' (124.6) р+р-ьр+ ар+у„. Некоторые из этих опытов первоначально приводили к успеху, но последующий тщательный анализ неизменно показывал ошибочность полученных результатов. Кварки в свободном состоянии не обнаружены. Почему? На этот вопрос может быть два ответа: либо кварки имеют настолько большую массу, что энергии современных ускорителей недостаточны для их рождения (а в природе по той же причине их з 124. треккварковая модель 329 рождается очень мало), либо кварки в принципе не могут существовать в свободном виде. Первый ответ отдает предпочтение моделям с сильной связью.
Второй позволяет сохранить хорошо подкрепленную экспериментом модель со слабой связью, если ее серьезно усовершенствовать. Оказывается, можно совместить два, казалось бы, совершенно несовместимых свойства — слабую связь кварков в адронах н их невылетание нз тех же адронов при увеличении энергии взаимодействия. Объяснение невылетания кварков было получено в 1973 г. в рамках квантовой хромодинамики. З.Г1ОНЯТИЕ О КВАНТОВОЙ ХРОМОДИНАййИКЕ.
ГЛЮОНЫ В основе квантовой хромодинамики лежит общий принцип всех калибровочных теорий е — локальная инвариантность, в данном случае относительно перемешивания трехцветных кварков. Для описания этого перемешивання необходимо восемь параметров. Соответственно в теорию вводится восемь компенсирующих полей с восемью безмассовыми калибровочными бозонами — глюонами**, которые осуществляют взаимодействие между кварками («склеивают» их между собой). Согласно этой теории кварки, обладающие цветовым зарядом, создают вокруг себя глюонное поле, т. е.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
