9. СТРАННЫЕ ЧАСТИЦЫ

Существует еще ряд частиц, сильно связанных с пионами и нуклонами. В начале 50-х годов некоторые такие частицы были открыты в космических лучах. Так, например, была обнаружена нейтральная частица (в современных обозначениях -гиперон), которая распадалась на и :

Согласно современным Жданным ее масса , а время жизни сек. Это очень большая величина по сравнению с характерным временем сильных взаимодействий сек — время, за которое свет проходит расстояние между соседними нуклонами в ядре). Поэтому распад (9-1) представляет собой слабый процесс, вероятно, связанный с р-распадом. В рамках сильной связи нет фундаментального взаимодействия вида

(Если бы он существовал, то распад (9-1) происходил бы очень быстро.)

Но каким же образом рождаются -частицы? Космические лучи состоят из быстрых протонов, которые в атмосфере сталкиваются с ядрами, состоящими из протонов и нейтронов, а также виртуальных пионов, возникающих благодаря сильному взаимодействию (6-4). На опыте -частицы рождаются так часто, что процесс должен идти через сильную связь. Она не может иметь вид , потому что, как мы видели, это не сильное взаимодействие. Не может быть также что-то вроде , так как отсюда вытекала бы возможность сильного распада , и поскольку сильный процесс в соответствии с (7-4), то распад (9-1) также был бы сильным.

Невозможна также реакция

(9-2)

поскольку, хотя (9-1) — это слабый процесс, он все же существует и тогда существовала бы возможность для трех нейтронов в ядре превращаться в один посредством виртуального перехода

При этом выделялась бы большая энергия, равная массе покоя двух нейтронов, и ни одно из ядер, кроме водорода, не было бы стабильным. Обычное вещество вроде куска угля является поразительно стабильным: весьма тонкие опыты по обнаружению распада не принесли успеха, и мы теперь знаем, что так называемые стабильные ядра имеют время жизни не менее лет.

Это рассуждение приводит нас к новому принципу, который должно использовать при выборе взаимодействий. Не может существовать никакой комбинации сильных или слабых взаимодействий, приводящих к исчезновению или распаду нуклонов на более легкие частицы. Поэтому, поскольку один нуклон рождается при распаде , в точности один нуклон должен быть израсходован при рождении .

Простейший способ проследить за этим — приписать каждой частице некоторое число нуклонов, «спрятанных» в ней, или более точно — полное число нуклонов, содержащихся в конечных продуктах распада (аптипуклоны входят со знаком минус). Это число все еще не имеет общепринятого названия; для него был предложен термин — нуклонный заряд. Таким образом, нуклонный заряд равен , так же как для и . Электроны и пионы обладают нуклонным зарядом 0, антипротоны и антинейтроны — зарядом минус 1. Не было обнаружено фундаментальных частиц с нуклонным зарядом, большим 1.

Итак, мы пришли к принципу: все взаимодействия должны удовлетворять правилу — нуклонный заряд всегда сохраняется.

Совместное рождение. К-мезоны.

Из аргументов подобного типа становится ясным, что в сильных процессах одновременно должно рождаться несколько странных частиц (например, ).

И в самом деле, в космических лучах были обнаружены другие новые частицы, в частности, нейтральная частица, известная сейчас как -мезон, или нейтральный каон, распадающийся на два пиона

с временем жизни порядка сек. Она имеет массу и, очевидно, нуклонный заряд 0. Здесь мы снова имеем медленный распад, приводящий к той же самой трудности, связанной с механизмом образования, что и в предыдущем случае.

Рис. 9-1.

Пайс и Гелл-Манн предположили, что эти две частицы рождаются совместно и что истинная реакция рождения является результатом сильного взаимодействия

Эта гипотеза была затем подтверждена на опыте.

Однако сильное взаимодействие для нейтрона, подобное (9-4), должно влиять на ядерные силы (рис. 9-1). Баланс сил между и требует существования аналогичного взаимодействия для протона. Поскольку не было обнаружено какой-либо заряженной частицы, подобной (т. е. примерно с той же массой) , то нам остается предположить существование взаимодействия

Такой заряженный аналог -мезона действительно был обнаружен в космических лучах; масса . Если записать реакцию (9-5) на изотопическом языке соотношений типа (8-1), (8-2), то нуклон в левой части имеет изоспин . Из сохранения изотопического спина теперь следует, что полный изоспин правой части также равен . Поскольку есть синглет, изотопический спиц которого равен 0, то К должен иметь изоспин и представлять собой дублет с двумя возможными состояниями.

Хотя его сильное взаимодействие (9-5) подобно взаимодействию (9-4) для и распад

аналогичный (9-3), имеет место, время жизни -мезона сек — много больше, чем у -мезона, что напоминает нам об отсутствии изотопической симметрии у слабых взаимодействий.

В космических лучах были также открыты и другие частицы, рождающиеся в подозрительном изобилии. Весь этот экспериментальный материал удалось привести в порядок с помощью нового принципа, вследствие которого в сильных взаимодействиях такие частицы всегда входят парами.

Странность.

Допустим, что частица обладает некоторым новым видом заряда, отсутствующим у нуклонов и пионов, и предположим, что этот заряд не может рождаться и исчезать (т. е. сохраняется) в сильных взаимодействиях. Тогда отдельный -мезон не может быть рожден в сильном взаимодействии, но если допустить, что несет отрицательную единицу этого заряда, то образование совместно с К допустимо. Этот заряд был назван «странностью». Мезоны и имеют странность 1, — странность минус 1, нуклоны и мезоны — странность 0. Полная странность в сильных взаимодействиях должна сохраняться. Странность может меняться только в слабых взаимодействиях [как это следует из существования распада ].

Следуя этой идее, Гелл-Манн и Нишиджима, независимо друг от друга, предложили схему для упорядочивания наших знаний о странных частицах и предсказания различных соотношений между ними. С помощью этой схемы, напоминающей периодическую таблицу химических элементов, мы опишем сильно взаимодействующие частицы, известные в настоящее время.

Барионы.

Рассмотрим сперва частицы с нуклонным зарядом 1. Вся группа таких частиц получила название барионов. Они приведены в таблице 9-1. Данной схемой было предсказано существование частицы . Было также предсказано, что эта частица будет распадаться с очень коротким временем жизни на и -квант.

Эта частица и ее -распад действительно были обнаружены. Дублет частиц со странностью имеет массу около 2584. Частица , или каскадная частица, уже была известна из опытов с космическими лучами (и была также недавно получена в лаборатории в опытах на ускорителе).

Таблица 9-1

Она распадается довольно медленно ( сек) на и . Это свойство получает естественное объяснение, только если ее странность равна . Было также наблюдено, что одновременно с рождаются два К. То, что частица должна быть дублетом, вытекает из связи между странностью и изотопическим спином, предложенной Гелл-Манном и Ни-шиджимой: Странность S равна удвоенному среднему электрическому заряду q каждого мультиплета минус его нуклонный заряд N. Для барионов , и поэтому . Поскольку для странность , то средний электрический заряд равен и должен составлять дублет. Предсказанная этим путем частица недавно была найдена.

Антибарионы.

Каждому из этих гиперонов должна соответствовать античастица с нуклонным зарядом . Поэтому перечень аитибарионов имеет в точности тот же вид и состоит из частиц той же самой массы, но с противоположными по знаку значениями электрического заряда и странности.

Из этих частиц антинейтрон , антипротон и, совсем недавно, антилямбда были искусственно получены в лабораторных условиях.

Мезоны.

Далее идут сильно взаимодействующие частицы с нуклонным зарядом 0 (общее название — мезоны).

Таблица 9-2

Они приведены в таблице 9-2. Заряженные пионы и являются взаимными античастицами, а совпадает со своей античастицей. Но, поскольку каоны и обладают странностью , их античастицы должны иметь странность и, в частности, должны существовать два нейтральных каона со странностями и соответственно.

Мы перечислили все частицы, существование которых общепризнано в настоящее время. Имеется, однако, небольшое число событий, наблюдаемых в космических лучах, интерпретация которых остается загадочной и которые могут сигнализировать о существовании других частиц. Существование почти всех антибарионов было установлено на опыте.

Таблица 9-3

Задача 9-1. Было произведено наблюдение -захватов на дейтерии: . Получены данные, приведенные в таблице 9-3. Нет способа отличать -частицы от .

Можете ли вы проверить принцип сохранения изотопического спина?

Сделайте любые предсказания, какие можете, в частности, и по отдельности.