Astronet Астронет: СОЖ Фундаментальные частицы
http://variable-stars.ru/db/msg/1176263/text3.html

Фундаментальные частицы

С. А. Славатинский

Московский физико-технический институт, Долгопрудный Московской обл.

Кварковая модель адронов

Кварковую модель адронов начнем описывать с рисунка силовых линий, исходящих из источника - кварка с цветным зарядом и заканчивающихся на антикварке (рис. 2, б). Для сравнения на рис. 2, а мы показываем, что в случае электромагнитного взаимодействия силовые линии расходятся от их источника - электрического заряда веером, ибо виртуальные фотоны, испущенные одновременно источником, не взаимодействуют друг с другом. В результате получаем закон Кулона.

В отличие от этой картины глюоны сами обладают цветными зарядами и сильно взаимодействуют друг с другом. В результате вместо веера из силовых линий мы имеем жгут, показанный на рис. 2, б. Жгут протянут между кварком и антикварком, но самое удивительное то, что сами глюоны, имея цветные заряды, становятся источниками новых глюонов, число которых нарастает по мере их удаления от кварка. Такая картина взаимодействия соответствует зависимости потенциальной энергии взаимодействия между кварками от расстояния между ними, показанной на рис. 3. А именно: до расстояния R > 10-13 см зависимость U(R ) имеет воронкообразный характер, причем сила цветного заряда в этой области расстояний относительно невелика, так что кварки при R > 10-15 cм в первом приближении можно рассматривать как свободные, невзаимодействующие частицы. Это явление имеет специальное название асимптотической свободы кварков при малых R. Однако при R больше некоторого критического $R_{кр} \approx 10^{-13}$ cм величина потенциальной энергии взаимодействия U(R ) становится прямо пропорциональной величине R. Отсюда прямо следует, что сила F = -dU/dR = const, то есть не зависит от расстояния. Никакие другие взаимодействия, которые физики ранее изучили, не обладали столь необычным свойством [5].

Расчеты показывают, что силы, действующие между кварком и антикварком, действительно, начиная с $R_{кр} \approx 10_{-13}$ см, перестают зависеть от расстояния, оставаясь на уровне огромной величины, близкой 20 т. На расстоянии R ~ 10-12 см (равном радиусу средних атомных ядер) цветные силы более чем в 100 тыс. раз больше электромагнитных сил. Если сравнить цветную силу с ядерными силами между протоном и нейтроном внутри атомного ядра, то оказывается, что цветная сила в тысячи раз больше! Таким образом, перед физиками открылась новая грандиозная картина цветных сил в природе, на много порядков превышающих ныне известные ядерные силы. Конечно, сразу же возникает и вопрос о том, можно ли такие силы заставить работать как источник энергии. К сожалению, ответ на этот вопрос отрицательный.

Естественно, встает и другой вопрос: до каких расстояний R между кварками потенциальная энергия линейно растет с ростом R? Ответ простой: при больших расстояниях жгут силовых линий рвется, так как энергетически более выгодно образовать разрыв с рождением кварк-антикварковой пары частиц. Это происходит, когда потенциальная энергия в месте разрыва больше массы покоя кварка и антикварка. Процесс разрыва жгута силовых линий глюонного поля показан на рис. 2, в.

Такие качественные представления о рождении кварка-антикварка позволяют понять, почему одиночные кварки вообще не наблюдаются и не могут наблюдаться в природе. Кварки навечно заключены внутри адронов. Это явление невылета кварков называется конфайнментом [5]. При высоких энергиях жгуту может быть выгоднее разорваться сразу во многих местах, образовав множество $q \tilde q$-пар. Таким путем мы подошли к проблеме множественного рождения кварк-антикварковых пар и образованию жестких кварковых струй.

Рассмотрим сначала строение легких адронов, то есть мезонов. Они состоят, как мы уже говорили, из одного кварка и одного антикварка.

Чрезвычайно важно, что оба партнера пары имеют при этом одинаковый цветной заряд и такой же антизаряд (например, кварк синий и антикварк антисиний), так что их пара независимо от ароматов кварков не имеет цвета (а только бесцветные частицы мы и наблюдаем).

Все кварки и антикварки имеют спин (в долях от h), равный 1/2. Поэтому суммарный спин сочетания кварка с антикварком равен либо 0, когда спины антипараллельны, либо 1, когда спины параллельны друг другу. Но спин частицы может быть и больше 1, если сами кварки вращаются по каким-либо орбитам внутри частицы.

В табл. 3 приведены некоторые парные и более сложные комбинации кварков с указанием, каким известным ранее адронам данное сочетание кварков соответствует.

Кварки Мезоны   Кварки Барионы
J=0 J=1 J=1/2 J=3/2
частицы резонансы частицы резонансы
$u \tilde d$ $\pi^+$
(пион+)		 $\rho^+$
(ро+)		 uuu   $\Delta^{++}$
(дельта++)
$\tilde u d$ $\pi^-$
(пион-)		 $\rho^-$
(ро-)		 uud p
(протон)		 $\Delta^+$
(дельта+)
$u \tilde u - d \tilde d$ $\pi^0$
(пион0)		 $\rho^0$
(ро0)		 udd n
(нейтрон)		 \Delta^0
(дельта0)
$u \tilde u + d \tilde d$ $\eta$
(эта)		 $\omega$
(омега)		 ddd   $\Delta^-$
(дельта-)
$d \tilde s$ $k^0$
(каон0)		 $k^0*$
(каон0*)		 uus $\Sigma^+$
(сигма+)		 $\Sigma^+*$
(сигма+*)
$u \tilde s$ $k^+$
(каон+)		 $k^+*$
(каон+*)		 uds $\Lambda^0$
(лямбда0)		 $\Sigma^0*$
(сигма0*)
$\tilde u s$ $k^-$
(каон-)		 $k^-*$
(каон-*)		 dds $\Sigma^-$
(сигма-)		 $\Sigma^-*$
(сигма-*)
$c \tilde d$ $D^+$
(дэ+)		 $D^+*$
(дэ+*)		 uss $\Xi^0$
(кси0)		 $\Xi^0*$
(кси0*)
$c \tilde s$ $D^+_s$
(де-эс+)		 $D^+_s*$
(дэ-эс+*)		 dss $\Xi^-$
(кси-)		 $\Xi^-*$
(кси-*)
$c \tilde c$ Чармоний $J/\psi$
(джей-пси)		 sss $\Omega^-$
(омега-)		  
$b \tilde b$ Боттоний Ипсилон udc $\Lambda^+_c$
(лямбда-цэ+)		  
$c \tilde u$ $D^0$
(дэ0)		 $D^0*$
(дэ0*)		 uuc $\Sigma^{++}_c$
(сигма-цэ++)		  
$b \tilde u$ $B^-$
(бэ-)		 $B*$
(бэ*)		 udb $\Lambda_b$
(лямбда-бэ)		  

Из наиболее изученных в настоящее время мезонов и мезонных резонансов наибольшую группу составляют легкие неароматные частицы, у которых квантовые числа S = C = B = 0. В эту группу входят около 40 частиц. Таблица 3 начинается с пионов $\pi$±,0, открытых английским физиком С.Ф. Пауэллом в 1949 году. Заряженные пионы живут около 10-8 с, распадаясь на лептоны по следующим схемам:

$\pi^+ \to \mu + \nu_{\mu}$ и $\pi^- \to \mu^- + \tilde \nu_{\mu}$.

Их "родственники" в табл. 3 - резонансы $\rho$±,0 (ро-мезоны) имеют в отличие от пионов спин J = 1, они нестабильны и живут всего около 10-23 с. Причина распада $\rho$±,0 - сильное взаимодействие.

Причина распада заряженных пионов обусловлена слабым взаимодействием, а именно тем, что составляющие частицу кварки способны испускать и поглощать в результате слабого взаимодействия на короткое время t в соответствии с соотношением (4) виртуальные калибровочные бозоны: $u \to d + W^+$ или $d \to u + W^-$, причем в отличие от лептонов осуществляются и переходы кварка одного поколения в кварк другого поколения, например $u \to b + W^+$ или $u \to s + W^+$ и т.д., хотя такие переходы существенно более редкие, чем переходы в рамках одного поколения. Вместе с тем при всех подобных превращениях электрический заряд в реакции сохраняется.

Изучение мезонов, включающих s- и c-кварки, привело к открытию нескольких десятков странных и чармированных частиц. Их исследование проводится сейчас во многих научных центрах мира.

Изучение мезонов, включающих b- и t-кварки, интенсивно началось на ускорителях, и мы пока не будем говорить о них более подробно.

Перейдем к рассмотрению тяжелых адронов, то есть барионов. Все они составлены из трех кварков, но таких, у которых имеются все три разновидности цвета, поскольку, так же как и мезоны, все барионы бесцветны. Кварки внутри барионов могут иметь орбитальное движение. В этом случае суммарный спин частицы будет превышать суммарный спин кварков, равный 1/2 или 3/2 (если спины всех трех кварков параллельны друг другу).

Барионом с минимальной массой является протон p (см. табл. 3). Именно из протонов и нейтронов состоят все атомные ядра химических элементов. Число протонов в ядре определяет его суммарный электрический заряд Z.

Другой основной частицей атомных ядер является нейтрон n. Нейтрон немного тяжелее протона, он неустойчив и в свободном состоянии со временем жизни около 900 с распадается на протон, электрон и нейтрино. В табл. 3 показано кварковое состояние протона uud и нейтрона udd. Но при спине этой комбинации кварков J = 3/2 образуются резонансы $\Delta^+$ и $D^0$ соответственно. Все другие барионы, состоящие из более тяжелых кварков s, b, t, имеют и существенно большую массу. Среди них особый интерес вызывал W--гиперон, состоящий из трех странных кварков. Он был открыт сначала на бумаге, то есть расчетным образом, с использованием идей кваркового строения барионов. Были предсказаны все основные свойства этой частицы, подтвержденные затем экспериментами.

Многие экспериментально наблюденные факты убедительно говорят сейчас о существовании кварков. В частности, речь идет и об открытии нового процесса в реакции соударения электронов и позитронов, приводящей к образованию кварк-антикварковых струй. Схема этого процесса показана на рис. 4. Эксперимент выполнен на коллайдерах в Германии и США. На рисунке показаны стрелками направления пучков e+ и e-, а из точки их столкновения вылет кварка q и антикварка $\tilde q$ под зенитным углом $\Theta$ к направлению полета e+ и e-. Такое рождение $q+\tilde q$ пары происходит в реакции

$e^+ + e^- \to \gamma_{вирт} \to q + \tilde q$

Как мы уже говорили, жгут силовых линий (чаще говорят струна) при достаточно большом растяжении рвется на составляющие. При большой энергии кварка и антикварка, как говорилось ранее, струна рвется во многих местах, в результате чего в обоих направлениях вдоль линии полета кварка q и антикварка образуются два узких пучка вторичных бесцветных частиц, как это показано на рис. 4. Такие пучки частиц названы струями. Достаточно часто на опыте наблюдается образование трех, четырех и более струй частиц одновременно.

В экспериментах, которые проводились при сверхускорительных энергиях в космических лучах, в которых принимал участие и автор этой статьи, получены как бы фотографии процесса образования многих струй. Дело в том, что жгут или струна одномерны и поэтому центры образования трех, четырех и более струй также располагаются вдоль прямой линии [6].

Теория, описывающая сильные взаимодействия, называется квантовой хромодинамикой или сокращенно КХД. Она гораздо сложнее теории электрослабых взаимодействий. Особенно успешно КХД описывает так называемые жесткие процессы, то есть процессы взаимодействия частиц с большой передачей импульса между частицами. Хотя создание теории еще не завершено, многие физики-теоретики уже сейчас заняты созданием "великого объединения" - объединения квантовой хромодинамики и теории электрослабого взаимодействия в единую теорию.

В заключение кратко остановимся на том, исчерпывают ли шесть лептонов и 18 разноцветных кварков (и их античастицы), а также кванты фундаментальных полей - фотон, W±-, Z0-бозоны, восемь глюонов и, наконец, кванты гравитационного поля - гравитоны весь арсенал истинно элементарных, точнее, фундаментальных частиц. По-видимому, нет. Скорее всего, описанные картины частиц и полей суть отражение лишь наших знаний в настоящее время. Недаром уже сейчас есть много теоретических идей, в которые вводятся большая группа еще на наблюденных так называемых суперсимметричных частиц, октет сверхтяжелых кварков и многое другое.

Очевидно, современная физика еще далека от построения завершенной теории частиц. Возможно, был прав великий физик Альберт Эйнштейн, полагая, что лишь учет гравитации, несмотря на ее сейчас кажущуюся малую роль в микромире, позволит построить строгую теорию частиц. Но все это уже в XXI веке или еще позже.

Литература

1. Окунь Л.Б. Физика элементарных частиц. М.: Наука, 1988.

2. Кобзарев И.Ю. Лауреаты Нобелевской премии 1979 г.: С. Вайнберг, Ш. Глэшоу, А. Салам // Природа. 1980. N 1. С. 84.

3. Зельдович Я.Б. Классификация элементарных частиц и кварки в изложении для пешеходов // Успехи физ. наук. 1965. Т. 8. С. 303.

4. Крайнов В.П. Соотношение неопределенности для энергии и времени // Соросовский Образовательный Журнал. 1998. N 5. С. 77-82.

5. Намбу И. Почему нет свободных кварков // Успехи физ. наук. 1978. Т. 124. С. 146.

6. Жданов Г.Б., Максименко В.М., Славатинский С.А. Эксперимент "Памир" // Природа. 1984. N 11. С. 24

Рецензент статьи Л.И. Сарычева

Назад | К содержанию

Rambler's Top100 Яндекс цитирования