Фундаментальное взаимодействие элементарных частиц

 

СИЛЬНОЕ  ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ.

Адроны и кварки.

 

Адроны, в отличие от лептонов, можно назвать элементарными частицами только с известными оговорками. Любой из многочисленных адронов действительно элементарен в том смысле, что его нельзя разбить на составные части. И вместе с тем твердо установлено, что адроны имеют внутреннюю структуру: они состоят из кварков. Кварки, подобно лептонам, на современном уровне знания выглядят как бесструктурные, истинно элементарные частицы. Иногда поэтому лептоны и кварки называют, в отличие от адронов, фундаментальными частицами.

Парадоксальные свойства кварков не имеют прецедента в  богатой парадоксами истории  физики. Экспериментаторы, используя  пучки энергичных частиц, уверенно видят их внутри адронов, измерили их спин, массы и электрические заряды. И вместе с тем никому не удалось, а если правильны современные теоретические представления, то и не удастся в будущем выбить кварк из адрона. Кварки в адронах находятся в пожизненном заключении. Это пленение называют английским словом «конфайнмент». Теоретические представления о механизме конфайнмента мы обсудим через некоторое время. А пока ближе познакомимся с различными сортами кварков.

Удобно начать обсуждение свойств кварков с нерелятивистской кварковой модели, имеющей дело с так называемыми конституентными, или блоковыми, кварками, и которых, как из блоков, построены адроны. Конституентный кварк представляет собой сложный объект, имеющий тот же электрический заряд и тот же спин, что и одноименный «голый» кварк, входящий в лагранжиан (такие лаг-ранжевы кварки называют обычно токовыми). Сложная структура блокового кварка возникает на базе токового кварка за счет облака виртуальных частиц, образованного сильным взаимодействием. В результате масса блокового кварка примерно на 300 МэВ превышает массу токового кварка. В дальнейшем, говоря о массе кварков, мы будем иметь в виду именно массы токовых кварков.

Протоны и нейтроны состоят  из самых легких кварков и (от английского up) и d (от down). Их спин, так же как и всех других кварков, равен V₂- Заряд -кварка равен +²/₃. заряд d-кварка равен —¹/₃. Масса u-кварка равна примерно 5 МэВ, а масса d-кварка 7 МэВ. Протон состоит из двух u-кварков и одного d-кварка: p=uud. Нейтрон состоит из двух d-кварков и одного u-кварка: n=ddu.

Согласно нерелятивистской кварковой модели орбитальные угловые моменты кварков в нуклонах равны нулю. Суммарный спин двух u-кварков в протоне равен единице. Эта единица, геометрически складываясь со спином d-квар-ка, дает спин протона, равный ¹/₂. Аналогично, с заменой , устроен нейтрон.

Из тех же кварков, как из кубиков, может быть построена целая серия других адронов. Так, например, если спины трех кварков параллельны, то они образуют квартет -барионов со спином 3/2:

Подчеркнем, что, согласно нерелятивистской кварковой модели, орбитальный угловой момент кварков равен нулю не только в нуклонах, но и в -барионах. Последнее утверждение очевидным образом противоречит принципу Паули: действительно, два и даже три кварка одного типа находятся в одном и том же квантовом состоянии. В дальнейшем мы увидим, однако, что принцип Паули здесь не нарушается, поскольку кварки одного типа отличаются друг от друга значениями квантового числа. Это квантовое число — цвет.

-барионы — самые легкие из барионных резонансов. За время порядка 10 с они распадаются на нуклоны и -мезоны: . Известно большое число более тяжелых барионных резонансов, также состоящих из и- и d-кварков. В них кварки находятся в состояниях, имеющих орбитальные и/или радиальные возбуждения. В этом отношении резонансы похожи на возбужденные состояния атомов.

Итак, барионы состоят  из трех кварков. Другой тип адронов — мезоны состоят из кварка и антикварка. Так, например, самые легкие из мезонов, -мезоны, имеют следующую структуру:

.

 

Кварк и антикварк  в я-мезоне находятся в состоянии  с нулевым орбитальным моментом и с противоположно направленными  спинами,

 

Рис.   1       так что суммарный спин я-мезона равен нулю.

Если спины кварка и антикварка    параллельны, то они, находясь все в том же состоянии с нулевым орбитальным моментом, образуют мезоны со спином,

           Рис 2     равным единице: _. Эти мезоны являются резонансами и за время порядка 10 с распадаются на два -мезона: _. -мезоны являются самыми легкими из мезонных резонансов. Известно большое число более тяжелых мезонных резонансов, в которых пара кварк — антикварк находится в возбужденном состоянии.

Распад  - и -резонансов можно проиллюстрировать следующими кварковыми диаграммами. На рис. 7 и 8 стрелка, направленная вспять по времени, изображает антикварк.

Следует иметь в виду различия между обычными фейнмановскими графиками и кварковыми диаграммами. Ведь на бесконечность уходят не свободные, а плененные в адронах кварки. Кроме того, сильные взаимодействия между кварками на кварковых диаграммах обычно не изображают. В частности, не указывают взаимодействие, приводящее к рождению пары кварк + антикварк, изображаемой на кварковых диаграммах в виде «заколки для волос».

Рис. 8 содержит одну из двух кварковых диаграмм, отвечающих распаду -мезона.

 

Странные   частицы.

 

Семейство странных адронов  более многочисленно, чем семейство  нестранных адронов. То, что они играют существенно меньшую роль в ядерной физике, чем нуклоны и -мезоны, связано с тем, что странные адроны нестабильны (самый долгоживущий из них, -мезон, живет 5- с) и тяжелы, так что для их рождения требуются довольно высокие энергии сталкивающихся частиц.

Первые странные частицы  были открыты в 40-х годах в космических  лучах. В 50-х годах их производство было поставлено на поток с помощью специально построенных для этой цели ускорителей. Парадоксальным, странным в их поведении (отсюда и пошло их название) казалось то, что эти частицы рождаются обильно, сильно (при достаточно высокой энергии сталкивающихся адронов), а распадаются на нестранные адроны слабо, медленно).

Решение этого парадокса  заключалось в том, что рождаются странные частицы парами за счет сильного взаимодействия, а распадаются поодиночке за счет слабого взаимодействия. Сегодня мы знаем, что это обусловлено тем, что каждая странная частица содержит в своем составе как минимум один странный кварк, s-кварк. Странный 
кварк, подобно d-кварку, имеет заряд, равный

 

Рис. 3         Но он гораздо тяжелее d-кварка: его масса равна примерно 150 МэВ.В сильных взаимодействиях рождаются пары кварк — антикварк: .

На рис. 9 изображена кварковая  диаграмма процесса . Мы видим, что рождение пары странных частиц связано с появлением в кварковой диаграмме «странной заколки» . В данном случае один конец заколки (s) принадлежит К-мезону, другой (s) — -гиперону.

 

Очарованный  кварк.

 

Убедительное подтверждение  кварковой теории адронов принесло с собой открытие группами Рихтера  и Тинга очарованных частиц, содержащих в своем составе кварки

                                       Рис.   4

четвертого сорта, так  называемые очарованные кварки, обозначаемые буквой с (от английского слова charm). Первым был открыт осенью 1974 г. -мезон — векторная частица «со скрытым очарованием», состоящая из пары с в -состоянии.

Вскоре был обнаружен  целый ряд других уровней системы с , названной чармонием. Схема известных в настоящее время уровней чармония изображена на рис. 4. Массы уровней указаны в ГэВ. Масштаб по вертикали не соблюден. Частицы, отмеченные штрихом, представляют собой радиальные возбуждения нижележащих состояний. P-состояния отвечают орбитальному моменту , равному нулю, а P -состояния — единице. Правый нижний индекс указывает спин мезона, верхний левый указывает спиновое состояние кварка и антикварка: 1 — синглет (сумма спинов равна нулю), 3 — триплет (сумма спинов равна единице) .

Таким образом, с-кварк  является очень тяжелым аналогом -кварка.

 

-кварк  и  другие.

 

В 1976 г. группа Ледермана  открыла новую частицу —  -мезон (читается: «ипсилон»), состоящий из кварков 5-го сорта, так называемых -кварков. Заряд -кварка оказался равным —1/3.

b-кварк является тяжелым аналогом «нижних» d- и s-кварков, отсюда название bottom и буква b (некоторые физики предпочитают относить букву b к слову beauty — красота).

-кварк гораздо тяжелее, чем  с-кварк: его масса — примерно 4,8 ГэВ.

-мезон, масса которого 9,46 ГэВ,  представляет собой низшее  ³ -состояние пары b . К настоящему времени найдены также три радиально возбужденных уровня этой системы, которую иногда называют ипсилонием, а иногда боттонием или боттомонием: '(10,02), "(10,40) и (10,55).

Кроме того, найдены 2Р-уровни ипсилония. Открыты также мезоны, содержащие одиночные -кварки: В⁺= , , , Массы этих мезонов таковы, что (более точно, _~5,27 ГэВ).

Итак, экспериментально установлено существование трех кварков «нижнего типа», d, s, b, и двух кварков «верхнего типа», и, с.

Весной 1995 года физиков  облетело известие о том, что открыт t-кварк. Это открытие попадает в разряд предсказанных.

 

Ароматы   и   поколения.

 

Часто говорят, что кварки различных типов отличаются друг от друга своими ароматами. Никакого отношения к привычному понятию  об аромате эти кварковые ароматы  не имеют. Слово «аромат» употребляется  здесь как синоним слов «тип»  или «сорт», оживляя своим неожиданным употреблением сухие физические тексты. Термин «аромат» удобен также ввиду подразумеваемого в нем противопоставления термину «цвет», к обсуждению которого мы приступим в следующем параграфе.

Существует, по-видимому, какая-то глубокая симметрия между кварками различных ароматов и лептонами. На существование такой симметрии указывает следующая таблица:

Именно на основе кварк-лептонной  симметрии еще в 1964 г. было предсказано  существование с-кварка. После открытия в 1975 г. -лептона на основе той же симметрии было предсказано существование - и -кварков.

Как мы увидим вскоре лептон-кварковая  симметрия особенно ярко проявляется  в слабых взаимодействиях. Конечно, эта симметрия не является полной: хотя разности зарядов нейтрино и заряженных лептонов равны разностям зарядов верхних и нижних кварков, сами заряды у лептонов и кварков различны.

Двенадцать лептонов и кварков естественным образом  разбиваются на три группы, или, как  говорят, на три поколения фундаментальных  фермионов. Каждое поколение содержит четыре частицы, занимающие столбец в табличке: «верхний» и «нижний» лептоны и «верхний» и «нижний» кварки. Самые легкие частицы образуют первое поколение. В каждом из последующих поколений заряженные частицы тяжелее, чем в предыдущем.

Фермионы первого поколения, в совокупности с фотонами, являются той материей, из которой построена современная Вселенная. Из и- и d-кварков состоят нуклоны, а значит, и ядра атомов, из электронов — атомные оболочки; без электронных нейтрино не могли бы протекать реакции ядерного синтеза в Солнце и звездах. Что касается фермионов второго и третьего поколений, то их роль в современном мире кажется ничтожной. На первый взгляд, мир без них был бы ничуть не хуже. Эти частицы напоминают черновые наброски, которые Творец выбросил, как неудачные, а мы с помощью нашей изощренной техники откопали их в его мусорной корзине.

Сейчас мы начинаем понимать, что фермионы второго и третьего поколений играли важную роль в ранней Вселенной, в первые мгновения так называемого большого взрыва. В частности, число сортов (ароматов) нейтрино определило соотношение между распространенностями водорода и гелия во Вселенной. Космологические расчеты указывают на то, что число нейтринных ароматов не превышает четырех. В рамках схемы лептон-кварковых поколений это означает, что полное число кварковых ароматов не превышает восьми.

Важную роль последующие  поколения, по-видимому, играют также  и в том, что частицы первого  поколения имеют именно те массы, которые они имеют. А от соотношения между массами и-, d-кварков и электрона зависит само наше существование. Ведь разность масс нейтрона и протона обусловлена в основном разностью масс и- и d-кварков. А если бы выполнялось неравенство   т_р—m_n+m_e>0, то водород был бы нестабилен.

 

Цвет и  глюоны.

 

Источниками этих сил  между кварками являются цветовые заряды,а  их переносчиками являются частицы- глюоны.

 

Установлено, что кварки каждого аромата существуют в  виде трех строго вырожденных разновидностей. Принято говорить, что эти разновидности  отличаются друг от друга своими цветами. Обычно говорят, что кварки бывают трех цветов: желтого, синего и красного. Разумеется, никакого отношения к обычным, оптическим цветам эти кварковые цвета не имеют. В случае кварков «цвет» — это просто удобный термин для обозначения квантовых чисел, характеризующих кварки. Выбор трех основных оптических — желтого, синего и красного — цветов для обозначения зарядов кварков позволяет, как мы сейчас увидим, пользоваться наглядной оптической аналогией.

Рис.   5

Цветовые заряды антикварков  сопряжены зарядам кварков. Иногда их называют антижелтым, антисиним, антикрасным, иногда — фиолетовым, оранжевым и зеленым (рис. 5) в соответствии с известной последовательностью дополнительных цветов в оптическом спектре.

При таком подборе кварковых  цветов адроны естественно называть бесцветными, белыми частицами. Барионы бесцветны, так как состоят из трех кварков трех взаимно дополнительных цветов. Мезоны представляют собой бесцветные суперпозиции кварков и антикварков.

В сильном взаимодействии цветовые заряды кварков играют ту же роль, что и электрические заряды частиц в электромагнитном взаимодействии. Роль фотонов при этом играют электрически нейтральные векторные частицы, которые получили название глюонов (от английского glue — клей). Обмениваясь глюонами, кварки «склеиваются» друг с другом и образуют адроны.

Основное отличие глюонов от фотонов заключается в том, что фотон — один и он электрически-нейтрален, а глюонов — восемь и он.и несут цветовые заряды. Благодаря своим цветовым зарядам глюоны сильно взаимодействуют друг с другом, испускают друг друга. Это как бы «светящийся свет». В результате такого нелинейного взаимодействия распространение глюонов в вакууме совершенно не похоже на распространение фотонов, а цветовые силы не похожи на электромагнитные.