§ 239. Адроны и кварки

Исследования на больших ускорителях сильно расширили наши представления об элементарных частицах. Прежде всего это касается самого многочисленного семейства частиц — адронов, г. е. частиц, участвующих в сильных взаимодействиях. В настоящее время известно несколько сотен таких адронов — барионов (частиц с барионным зарядом ), антибарионов () и мезонов, у которых барионный заряд равен нулю. Большинство этих частиц распадается на другие адроны из-за сильных взаимодействий. Они имеют малые времена жизни, характерные для ядерных процессов (, см. § 234). Столь короткие временные интервалы не могут быть измерены непосредственно и определяются из косвенных данных. Однако есть адроны и с временами жизни . Распады этих долгоживущих (по ядерным масштабам) частиц обусловлены слабыми взаимодействиями.

Пока элементарных частиц было известно немного, они считались «кирпичиками» мироздания: из них строилось все многообразие атомов. Теперь же число элементарных частиц превышает число химических элементов, и само понятие «элементарная частица» для адронов явно утратило свое первоначальное значение.

В физике элементарных частиц нет сейчас законченной теории, которая позволила бы объяснить все основные явления, выявить главнейшие закономерности и достигнуть той же степени понимания, которая существует в классической механике или электродинамике, В подобной ситуации особое значение приобретают попытки феноменологического анализа и классификации физических явлений, основанные на определенных законах сохранения. Эти законы позволяют ориентироваться в том, какие процессы могут, а какие не могут происходить в природе.

Вспомним, например, закон сохранения барионного заряда, о котором говорилось в предыдущей главе. Согласно этому закону в любых процессах разность между числом барионов и антибарионов не изменяется. Для математического выражения этого закона мы приписали барионам значение барионного заряда , антибарионам — значение , а для всех других частиц положили барионный заряд равный нулю. Тогда сохранение числа барионов и означает сохранение барионного заряда.

Для суждения о возможности той или иной реакции необходимо прежде всего проверить, сохраняются ли в этой реакции электрический и барионный заряды. Рассмотрим, например, процесс

(239.1)

Исходные частицы имеют суммарный барионный заряд . Для частиц в конечном состоянии . Другими словами, барионный заряд в начальном и конечном состоянии один и тот же (), и реакция может идти. Легко проверить, что эта реакция разрешена и законом сохранения электрического заряда (электрический заряд протона +1, а антипротона -1). Однако реакция

, (239.2)

хотя в ней также сохраняется электрический заряд, оказывается запрещенной из-за несохранения барионного заряда (). О других законах сохранения мы будем говорить ниже.

Установление закономерностей внутреннего строения элементарных частиц является одной из важнейших проблем современной физики. Для решения этой проблемы имеет большое значение создание четкой систематики частиц, в известном смысле напоминающей периодическую таблицу.

Первый шаг в этом направлении был сделан, когда удалось выяснить, что адроны группируются в очень близкие по своим свойствам небольшие семейства частиц, отдельные члены которых различаются между собой в основном своими электромагнитными свойствами — зарядами, магнитными моментами. Примерами таких семейств являются уже известные нам нуклоны (протоны, нейтроны) или -мезоны (). Однако число изотопических семейств также очень велико — превышает сотню. Эти семейства в свою очередь объединяются в более обширные и сложные группы. Частицы, входящие в подобные группы, обнаруживают между собой заметное сходство, хотя и не являются столь «близкими родственниками», как члены одного изотопического семейства. В основе таких объединений лежит определенная близость или какая-то закономерная связь между основными параметрами, характеризующими частицы. Эти параметры называют обычно квантовыми числами элементарных частиц.

Квантовыми числами адронов прежде всего являются их массы, электрические заряды, спины, магнитные моменты, времена жизни, значения барионного заряда. Однако это далеко не все. Барионные и электрические заряды — это не единственные «заряды», характеризующие сильновзаимодействующие частицы. Было установлено экспериментально, что в ряде реакций некоторые адроны рождаются целыми группами — из двух или даже нескольких частиц. Здесь наблюдается определенное сходство с процессами образования барионов и антибарионов, которые, как мы видели выше, никогда не рождаются поодиночке. Закономерности, связанные с парным образованием барионов и антибарионов, вместе с данными по стабильности нуклонов как раз и показали, что барионы характеризуются сохраняющимся квантовым числом — барионны.м зарядом. Но рождение групп новых частиц уже нельзя объяснить, пользуясь только законами сохранения электрического и барионного зарядов. Опыты показали, что существуют процессы, при которых протон переходит в другой барион (так что барионный заряд сохраняется), но при этом обязательно образуются и новые типы мезонов. Все это заставило предположить, что у некоторых адронов существуют новые специфические квантовые числа, новые «заряды», которые до известной степени напоминают барионный заряд и могут иметь дискретные положительные, пулевые и отрицательные значения. Эти новые заряды получили общее название ароматов. Отдельные ароматы получили наименования странность, очарование, прелесть и т. д.

Некоторые такие названия носят исторический характер. Так, в 50-х годах, когда были открыты первые необычные частицы, их свойства казались очень загадочными в свете существовавших тогда представлений. Отсюда возникло название странные частицы. Когда же загадки были объяснены введением нового квантового числа, то этот новый «заряд» и получил название странность. В целом же обилие экзотических наименований в физике элементарных частиц (кварк, аромат, странность, очарование и т. д.) отражает пристрастие физиков, работающих в этой области, к ярким, запоминающимся и образным выражениям, которые звучат загадочно и красиво на всех языках и вместе с тем напоминают нам о том, что природа соответствующих объектов еще не понята до конца и, возможно, таит в себе много неожиданного.

Общие характеристики некоторых сильновзаимодействующих частиц приведены в табл. 13, которая в дальнейшем будет обсуждаться более подробно. В этой таблице, однако, содержится очень малая часть всех известных адронов — только сравнительно долгоживущие частицы, распадающиеся благодаря слабым взаимодействиям (или под действием электромагнитных сил). Большинство адронов, как уже говорилось выше, распадаются из-за сильных взаимодействий, и их времена жизни лежат в области с. Важно подчеркнуть, что эти короткоживущие адроны принципиально ничем не отличаются от долгоживущих частиц.

Мы ограничились в табл. 13 одними долгоживущими частицами, так как, если попытаться включить в нее все известные адроны, то таблица превратится в целую брошюру.

Огромное число обнаруженных адронов я определенная их группировка по разным классам и семействам более или менее близких но свойствам объектов заставляет усомниться в элементарном характере этих частиц. Наиболее естественное объяснение группирования адронов в семейства, представления о природе и структуре этих семейств, а также объяснения многих других свойств адронной материи были получены в кварковой модели строения адронов.

Таблица 13. Некоторые адроны

Примечание. Электрические заряды частиц приводятся в единицах элементарного заряда. Пока открыто только несколько очарованных и прелестных частиц, хотя теория предсказывает существование очень большого числа таких адронов, как долгоживущих, таки короткоживущих.

Основные положения этой модели могут быть сформулированы следующим образом.

1. Адроны нельзя рассматривать как элементарные частицы в подлинном смысле этого слова. Они имеют сложную внутреннюю структуру и, наподобие атомных ядер, являются связанными системами из истинно-элементарных или фундаментальных частиц. Фундаментальные структурные элементы, входящие в состав адронов, получили название кварков.

2. Систематика адронов (т. е, изучение состава и свойств «родственных семейств», в которые группируются адроны) позволила установить, что все известные барионы состоят из трех кварков (), антибарионы — из трех антикварков (а все мезоны — из кварка и антикварка (). Оказалось, что кварки должны обладать очень необычными свойствами. Так как барионпый заряд у барионов (у антибарионов ), то из кварковой структуры барионов следует, что барионный заряд кварков дробный: . Электрический заряд кварков тоже должен быть дробным (если за единицу принять элементарный заряд): или ( или ). Только в этих предположениях можно объяснить квантовые числа и свойства всех адронов.

3. Существуют не менее 6 типов кварков, каждый из которых является носителем определенного нового квантового числа — адронного аромата. Эти кварки получили следующие названия:

-кварк (странный кварк) носитель аромата странности

-кварк (очарованный кварк) носитель аромата очарования

-кварк (прелестный кварк) носитель аромата прелести

-кварк (истинный кварк) носитель аромата истинности

Подчеркнем, что каждый кварк песет только один аромат. Все остальные ароматы у него отсутствуют, г. е. соответствующие квантовые числа равны нулю. Антикварки отличаются от кварков противоположными значениями всех зарядов. Так, например, -кварк характеризуется электрическим зарядом , барионным зарядом , значением странности , остальные ароматы у него отсутствуют, т. е. . Для антикварка ; ; . Значения квантовых чисел кварков приведены в табл. 14.

4. Сильные и электромагнитные взаимодействия не могут изменить индивидуальность кварков, т. е. они не меняют значения кварковых ароматов. Другими словами, в этих взаимодействиях имеют место законы сохранения ароматов (аналогичные закону сохранения барионного заряда). В процессах, обусловленных сильными и электромагнитными взаимодействиями, может происходить либо просто перегруппировка кварков, либо образование (уничтожение) кварк-антикварковых пар с определенными ароматами, либо и то и другое вместе.

5. Слабые взаимодействия играют в природе уникальную роль — они меняют индивидуальность кварков и могут переводить кварк с одним ароматом в кварк с другим ароматом. Таким образом, хотя ароматы несколько напоминают барионный заряд, между ними все же существует очень важное различие. Барионный заряд сохраняется во всех пока нам известных процессах, в то время как ароматы обладают гораздо меньшей «устойчивостью» и сохраняются только в сильных и электромагнитных взаимодействиях.

Поиски кварков с такими яркими и необычными свойствами в свободном состоянии проводились в большом количестве экспериментов и отличались значительным разнообразием и изобретательностью. В частности, один из самых чувствительных экспериментов такого типа был проведен на Серпуховском ускорителе вскоре после его запуска. Другой очень красивый опыт, в котором искались частицы с дробными зарядами в окружающем нас веществе, представлял собой значительно усовершенствованный вариант опыта Милликена по определению элементарного заряда (§ 197) и был выполнен физиками МГУ. Однако ни в одном из этих и других многочисленных экспериментов кварки найти не удалось.

Вместе с тем исследования свойств адронов все более и более убедительно показывали, что адроны действительно имеют сложную структуру и состоят из кварков. Об этом свидетельствовали опыты, в которых изучалось пространственное распределение электрического заряда и магнитного момента и было обнаружено внутреннее движение кварков в адронах. Удалось даже косвенным образом измерить электрические заряды кварков в адронах и убедиться, что они действительно являются дробными и соответствуют сделанным выше предположениям. Целый ряд соотношений между вероятностями образования или распада сильновзаимодействующих частиц и многие другие данные также свидетельствуют о справедливости кварковой модели. С помощью этой модели было предсказано существование ряда новых частиц с вполне определенными свойствами, и такие предсказания блестяще подтвердились на опыте. Весь этот богатый экспериментальный материал убедил ученых в том, что кварки действительно являются физической реальностью.

Как же можно объяснить, что они проявляются внутри адронов и не наблюдаются в свободном виде? Однозначного ответа на этот вопрос пока нет. Установлено, однако, что кварки связываются между собой особыми силами, которые обусловлены обменом частицами-глюонами, также не наблюдаемыми в свободном состоянии. Эти силы «склеивают» кварки в адронах и носят, по-видимому, такой удивительный характер, что ни при каких соударениях не позволяют кваркам вылететь из адронов.

Таблица 14. Истинно-элементарные частицы

Название семейства	I поколение фундаментальных частиц	II поколение фундаментальных частиц	III поколение фундаментальных частиц	Электрический заряд	Примечание
Кварки	-кварк	-кварк	-кварк		У всех кварков барионный заряд , лептонные заряды равны нулю. Кварки имеют спин . У каждого типа кварков имеется соответствующий антикварк. Отличающийся знаками всех зарядов и ароматов. Кварки удерживаются внутри адронов и в свободном виде не наблюдаются.
Кварки	-кварк	-кварк	-кварк
Лептоны	Электронные лептоны	мюонные лепоны	тау-лептоны		У всех лептонов барионный заряд и кварковые ароматы равны нулю. Лептоны не участвуют в сильных взаимодействиях. Их спины . У каждого типа лептона есть антилептон. Отличающийся от лептона знаком всех зарядов. Вопрос о массе нейтрино пока еще не выяснен, и сейчас можно только указать полученные экспериментально верхние границы для этих масс
	Электроны	Мюоны	-лептонны
	Электронные нейтрино	Мюонный нейтрино	Тау-нейтрино
Фотоны	Масса покоя фотонов равна нулю; их спин 1				Кванты поля электромагнитных сил
Глюоны	Масса покоя глюонов равна нулю; их спин 1 Глюоны существуют внутри адронов и не наблюдаются в свободном состоянии				Кванты поля сильного взаимодействия, удерживающего кварки внутри адронов
Промежу- точные	-бозоны; ; их спин 1				Кванты поля слабых сил
Промежу- точные	-бозоны; ; их спин 1				Кванты поля слабых сил

Примечание.

У каждого кварка указано значение аромата, носителем которого он является (все остальные ароматы имеют нулевые значения). Ароматы и для - и -кварков называются их изотопическими ароматами. Именно эти ароматы обусловливают группировку частиц в изотопические семейства с очень близкими свойствами. Названия кварков: -кварк— верхний кварк; -кварк—нижний кварк; -кварк — странный кварк; -кварк — очарованный кварк; -кварк —прелестный кварк; -кварк—истинный кварк (это название не общепринятое).

Так как кварки могут находиться лишь внутри адронов, то их массы имеют лишь приближенный смысл, так как говорить о массе составляющего элемента какой-то системы можно, только если дефект масс системы мал. Большая масса и -кварков определяет большие массы очарованных, прелестных и -частиц.

Существование частиц с -кварками окончательно еще не подтверждено; -нейтрино прямым образом на опыте не наблюдалось; его существование установлено из косвенных данных.

Выраженный в специальных квантовых единицах -спин для любых частиц может быть либо целым, либо полуцелым — в этом его замечательная особенность.

Адроны могут «развалиться» с образованием многих других адронов, т. е. в процессе соударения может родиться много кварк-антикварковых пар, которые связываются затем в составные частицы. Однако свободные кварки из начального адрона никогда не вылетают. Ситуация здесь несколько напоминает опыты с постоянными магнитами: растягивая их, мы разламываем магниты, и при этом образуются новые магнитные диполи, а не одиночные магнитные полюсы.

Проблема невылетания кварков и глюонов из адронов, которая получила специальное название конфайнмент (т. е. тюремное заключение), является одной из самых фундаментальных проблем физики элементарных частиц, и она еще ждет своего окончательного решения.