Гипероны. Странность и четность элементарных частиц

В ядерных фотоэмульсиях (конец 40-х го­дов) и на ускорителях заряженных частиц (50-е годы) обнаружены тяжелые неста­бильные элементарные частицы массой, большей массы нуклона, названные гиперонами (от греч. hyper — сверх, выше). Известно несколько типов гиперонов: лямбда (L⁰), сигма (S⁰, S⁺, S^-), кси (J⁺, J^-) и омега (W^-). Существование W^--гиперона следовало из предложенной (1961) М. Гелл-Манном (р. 1929) (амери­канский физик; Нобелевская премия 1969 г.) схемы для классификации сильно взаимодействующих элементарных час­тиц. Все известные в то время частицы укладывались в эту схему, но в ней оста­валось одно незаполненное место, которое должна была занять отрицательно заря­женная частица массой, равной примерно 3284 m_e, В результате специально постав­ленного эксперимента был действительно обнаружен W^--гиперон массой 3273m_e.

Гипероны имеют массы в пределах (2183— 3273) m_e, их спин равен 1/2 (только спин W^--гиперона равен 3'/2), время жиз­ни приблизительно 10^-10 с (для S⁰-гиперона время жизни равно приблизительно 10^-20 с. Они участвуют в сильных взаи­модействиях, т. е. принадлежат к группе адронов. Гипероны распадаются на нукло­ны и легкие частицы (p-мезоны, электро­ны, нейтрино и g-кванты).

Детальное исследование рождения и превращения гиперонов привело к уста­новлению новой квантовой характеристи­ки элементарных частиц — так называе­мой странности. Ее введение оказалось необходимым для объяснения ряда пара­доксальных (с точки зрения существовав­ших представлений) свойств этих частиц. Дело в том, что гипероны должны были, как представлялось, обладать временем жизни примерно 10^-23 с, что в 10¹³ раз (!) меньше установленного на опыте. По­добные времена жизни можно объяснить лишь тем, что распад гиперонов происхо­дит за счет слабого взаимодействия. Кро­ме того, оказалось, что всякий раз гиперон рождается в паре с K-мезоном. Например, в реакции

p+p^-®L⁰+K⁰ (274.1)

с L⁰-гипероном всегда рождается K⁰-ме­зон, в поведении которого обнаруживают­ся те же особенности, что и у гиперона. Распад же L⁰-гиперона происходит по схеме

L⁰®p^-+ p. (274.2)

Особенности поведения гиперонов и K-мезонов были объяснены в 1955 г. М. Гелл-Манном с помощью квантового

числа — странности S, которая сохраняет­ся в процессах сильного и электромагнит­ного взаимодействий. Если приписать каонам S=1, а L⁰- и S-гиперонам S=-1 и считать, что у нуклонов и p-мезонов S=0, то сохранение суммарной странно­сти частиц в сильном взаимодействии объясняет как совместное рождение L⁰-гиперона с K⁰-мезоном, так и невозмож­ность распада частиц с не равной нулю странностью за счет сильного взаимодей­ствия на частицы, странность которых рав­на нулю. Реакция (274.2) идет с наруше­нием странности, поэтому она не может происходить за счет сильного взаимодей­ствия. J-Гиперонам, которые рождаются совместно с двумя каонами, приписывают S=-2; W-гипероиам —S =-3.

Из закона сохранения странности сле­довало существование частиц, таких, как К^ ⁰-мезон, S⁰-, ksi⁰-гипероны, которые впос­ледствии были обнаружены эксперимен­тально. Каждый гиперон имеет свою ан­тичастицу.

Элементарным частицам приписывают еще одну квантово-механическую величи­ну — четность P — квантовое число, ха­рактеризующее симметрию волновой фун­кции элементарной частицы (или системы элементарных частиц) относительно зер­кального отражения. Если при зеркаль­ном отражении волновая функция части­цы не меняет знака, то четность частицы P= +1 (четность положительная), если меняет знак, то четность частицы P=- 1 (отрицательная).

Из квантовой механики вытекает за­кон сохранения четности, согласно которо­му при всех превращениях, претерпевае­мых системой частиц, четность состояния не изменяется. Сохранение четности свя­зано со свойством зеркальной симметрии пространства и указывает на инвариан­тность законов природы по отношению к замене правого левым, и наоборот. Од­нако исследования распадов K -мезонов привели американских физиков Т. Ли и Ч. Янга (1956г.; Нобелевская премия 1957 г.) к выводу о том, что в слабых взаимодействиях закон сохранения четно­сти может нарушаться. Целый ряд опытов подтвердили это предсказание. Таким об-

разом, закон сохранения четности, как и закон сохранения странности, выполня­ется только при сильных и электромагнит­ных взаимодействиях.

§ 275. Классификация элементарных частиц. Кварки

В многообразии элементарных частиц, из­вестных к настоящему времени, обнару­живается более или менее стройная систе­ма классификации. Для ее пояснения в табл. 8 представлены рассмотренные вы­ше элементарные частицы, для которых приводятся основные характеристики. Ха­рактеристики для античастиц не приво­дятся, поскольку, как указывалось в § 273, модули зарядов и странности, массы, спи­ны, изотопические спины и время жизни частиц и их античастиц одинаковы, они различаются лишь знаками зарядов и странности, а также знаками других величин, характеризующих их электриче­ские (а следовательно, и магнитные) свой­ства. В таблице нет также античастиц фотона и.p⁰ - и h⁰ -мезонов, так как антифо­тон и антипи-ноль- и антиэта-ноль-мезоны тождественны с фотоном и p⁰ - и h⁰-мезо­нами.

В табл.8 элементарные частицы объединены в три группы (см. §272): фо­тоны, лептоны и адроны. Элементарные частицы, отнесенные к каждой из этих групп, обладают общими свойствами и ха­рактеристиками, которые отличают их от частиц другой группы.

К группе фотонов относится един­ственная частица — фотон, который пере­носит электромагнитное взаимодействие. В электромагнитном взаимодействии участвуют в той или иной степени все частицы, как заряженные, так и нейтраль­ные (кроме нейтрино).

К группе лептонов относятся электрон, мюон, таон, соответствующие им нейтри­но, а также их античастицы. Все лептоны имеют спин, равный 1/2, и, следовательно, являются фермионами (см. §226), подчи­няясь статистике Ферми — Дирака (см. §235). Поскольку лептоны в сильных взаимодействиях не участвуют, изотопиче-

ский спин им не приписывается. Стран­ность лептонов равна нулю.

Элементарным частицам, относящимся к группе лептонов, приписывают так на­зываемое лептонное число (лептонный за­ряд) L. Обычно принимают, что L=+1 для лептонов (e^-, m^-, t^{- ,} v_е, v_m, v_t), L= — 1 для антилептонов (e⁺, m⁺, t ⁺, v^_e, v^m, v^_t) и L=0 для всех остальных эле­ментарных частиц. Введение L позволяет сформулировать закон сохранения лептонного числа: в замкнутой системе при всех без исключения процессах взаимопревращаемости элементарных частиц лептонное число сохраняется.

Теперь понятно, почему при распаде

(258.1) нейтральная частица названа антинейтрино, а при распаде (263.1) — нейтрино. Так как у электрона и нейтрино L= + l, а у позитрона и антинейтрино L=-1, то закон сохранения лептонного числа выполняется лишь при условии, что антинейтрино возникает вместе с элек­троном, а нейтрино — с позитроном.

Основную часть элементарных частиц составляют адроны. К группе адронов от­носятся пионы, каоны, h-мезон, нуклоны, гипероны, а также их античастицы (в табл.8 приведены не все адроны).

Адронам приписывают барионное чис­ло (барионный заряд) В. Адроны с В= 0 образуют подгруппу мезонов (пионы,

каоны, h-мезон), а адроны с В=+1 об­разуют подгруппу барионов (от греч. «барис» — тяжелый; сюда относятся нуклоны и гипероны). Для лептонов и фотона В =0. Если принять для барионов В=+ 1, для антибарионов (антинуклоны, антигипероны) В=-1, а для всех остальных частиц B=0, то можно сформулировать закон сохранения барионного числа: в замкнутой системе при всех процессах взаимопревращаемости элементарных частиц барионное число сохраняется.

Из закона сохранения барионного числа следует, что при распаде бари­она наряду с другими частицами обяза­тельно образуется барион. Примерами сохранения барионного числа являются реакции (273.1) — (273.5). Барионы имеют спин, равный 1/2 (только спин W^--гиперона равен 3/2), т. е. барионы, как и лепто­ны, являются фермионами.

Странность 5 для различных частиц подгруппы барионов имеет разные значе­ния (см. табл. 8).

Мезоны имеют спин, равный нулю, и, следовательно, являются бозонами (см. § 226), подчиняясь статистике Бозе — Эйнштейна (см. §235). Для мезонов лептонные и барионные числа равны нулю. Из подгруппы мезонов только каоны обла­дают S= + l, а пионы и h-мезон имеют нулевую странность.

Подчеркнем еще раз, что для процес­сов взаимопревращаемости элементарных частиц, обусловленных сильными взаимо­действиями, выполняются все законы со­хранения (энергии, импульса, момента им­пульса, зарядов (электрического, лептонного и барионного), изоспина, странности и четности). В процессах, обусловленных слабыми взаимодействиями, не сохраня­ются только изоспин, странность и чет­ность.

В последние годы увеличение числа элементарных частиц происходит в основ­ном за счет расширения группы адронов.

Поэтому развитие работ по их класси­фикации все время сопровождалось по­исками новых, более фундаментальных частиц, которые могли бы служить бази­сом для построения всех адронов. Гипоте­за о существовании таких частиц, названных кварками, была высказана независи­мо друг от друга (1964) австрийским физиком Дж. Цвейгом (р. 1937) и Гелл-Манном. Название «кварк» заимствовано из романа ирландского писателя Дж. Джойса «Поминки по Финнегану» (герою снится сон, в котором чайки кричат: «Три кварка для мастера Марка»).

Согласно модели Гелл-Манна — Цвей­га, все известные в то время адроны мож­но было построить, постулировав сущест­вование трех типов кварков (и, d, s) и со­ответствующих антикварков (и^, d^, s^), если им приписать характеристики, указанные в табл. 9 (в том числе дробные! электриче­ские и барионные заряды). Самое удиви­тельное (почти невероятное) свойство кварков связано с их электрическим за­рядом, поскольку еще никто не находил частицы с дробным значением элементар­ного электрического заряда. Спин кварка равен 1/2, поскольку только из фермионов можно «сконструировать» как фермионы (нечетное число фермионов), так и бозоны (четное число фермионов).

Адроны строятся из кварков следую­щим образом: мезоны состоят из пары кварк — антикварк, барионы — их трех кварков (антибарион — из трех антиквар­ков). Так, например, пион p⁺ имеет кварковую структуру ud^, пион p^-— u^d, каон K⁺— ds^, протон — uud, нейтрон — udd, S ⁺-гиперон — uus, S ⁰-гиперон — uds и т. д.

Во избежание трудностей со статисти­кой (некоторые барионы, например W^--гиперон, состоят из трех одинаковых кварков (sss), что запрещено принципом

Паули; см.§227) на данном этапе пред­полагают, что каждый кварк (антикварк) обладает специфической квантовой ха­рактеристикой — цветом: «желтым», «си­ним» и «красным». Тогда, если кварки имеют неодинаковую «окраску», принцип Паули не нарушается.

Углубленное изучение модели Гелл-Манна — Цвейга, а также открытие в 1974 г. истинно нейтрального джей-пси-мезона (J/y) массой около 6000 m_e, вре­менем жизни примерно 10^-20 с и спином, равным единице, привело к введению но­вого кварка — так называемого c-кварка и новой сохраняющейся величины — «оча­рования» (от англ. charm). Подобно странности и четности, очарование сохра­няется в сильных и электромагнитных вза­имодействиях, но не сохраняется в слабых. Закон сохранения очарования объясняет относительно долгое время жизни J/y-мезона. Основные характеристики c-кварка приведены в табл. 9.

Частице J /y приписывается кварковая структура cc. Структура cc^называется чармонием — атомоподобная система, на­поминающая позитроний (связанная водородоподобная система, состоящая из электрона и позитрона, движущихся во­круг общего центра масс).

Кварковая модель оказалась весьма плодотворной, она позволила определить почти все основные квантовые числа адронов. Например, из этой модели, поскольку спин кварков равен 1/2, следует целочис­ленный (нулевой) спин для мезонов и по­луцелый — для барионов в полном соответствии с экспериментом. Кроме того, эта модель позволила предсказать также и но­вые частицы, например W^--гиперон. Одна­ко при использовании этой модели воз­никают и трудности. Кварковая модель не позволяет, например, определить массу адронов, поскольку для этого необходимо знание динамики взаимодействия кварков и их масс, которые пока неизвестны.

В настоящее время существует точка зрения, что между лептонами и кварками существует симметрия: число лептонов до­лжно быть равно числу типов кварков. В 1977 г. был открыт сверхтяжелый мезон массой около 20 000m_e, который представ­ляет собой структуру из кварка и антик­варка нового типа —b-кварка (является носителем сохраняющейся в сильных вза­имодействиях величины, названной «пре­лестью» (от англ, beauty)). Заряд b-кварка равен — 1/3. Предполагается, что су­ществует и шестой кварк t с зарядом +2/3, который уже решено назвать истин­ным (от англ. truth — истина), подобно тому как v-кварк называют очарованным, b-кварк — прелестным. В физике элемен­тарных частиц введен «аромат» — харак­теристика типа кварка (и, d, s, с, b, t?), объединяющая совокупность квантовых чисел (странность, очарование, прелесть и др.), отличающих один тип кварка от другого, кроме цвета. Аромат сохраняется в сильных и электромагнитных взаимодей­ствиях. Является ли схема из шести лепто­нов и шести кварков окончательной или же число лептонов (кварков) будет расти, покажут дальнейшие исследования.

Контрольные вопросы

• Какова природа первичного и вторичного космического, излучения? Назовите их свойства.

• Приведите схемы распада мюонов. Чем объясняется выброс мюонного нейтрино (антинейтри­но)?

• Приведите схемы распада p-мезонов. Дайте характеристику p-мезонам.

• Какие фундаментальные типы взаимодействий осуществляются б природе и как их можно охарактеризовать? Какой из них является универсальным?

• Какие законы сохранения выполняются для всех типов взаимодействий элементарных частиц?

• Что является фундаментальным свойством всех элементарных частиц?

• Назовите свойства нейтрино и антинейтрино. В чем их сходство и различие?

• Какие характеристики являются для частиц и античастиц одинаковыми? Какие — разными?

• Что такое странность и четность элементарных частиц? Для чего они вводятся? Всегда ли выполняются законы их сохранения?

• Почему магнитный момент протона имеет то же направление, что и спин, а у электрона па-правления этих векторов противоположны?

• Какие имеются группы элементарных частиц? Каковы критерии, по которым элементарные частицы относятся к той или иной группе?

• Какие законы сохранения выполняются при сильных взаимодействиях элементарных частиц? при слабых взаимодействиях?

• Каким элементарным частицам и почему приписывают лептонное число? барионное число? В чем заключаются законы их сохранения?

• Зачем нужна гипотеза о существовании кварков? Что объясняется с ее помощью? В чем ее трудность?

• Почему потребовалось введение таких характеристик кварков, как цвет и очарование?

Дата добавления: 2015-05-09