§ 240. Кварковая структура андронов

Сформулированные в § 239 основные положении кварковой модели позволяют качественно объяснить все важнейшие особенности адронных явлений. Применим эти положения к систематике адронов и посмотрим, какие типы сильно взаимодействующих частиц могут существовать согласно кварковым представлениям. Рассмотрим  прежде всего «обычные частицы», и состав которых входят только - и -кварки.

Начнем с самых легких барионов — с протонов и нейтронов. Правильные значения квантовых чисел для этих частиц можно получить, если предположить, что их кварковая структура имеет вид  и . Действительно, тогда барионные заряды этих частиц , а их  электрические заряды  и . Протоны отличаются от нейтронов своими электрическими зарядами и значениями изотопических ароматов. Как уже говорилось и в этой и в предыдущей главах, протоны и нейтроны образуют изотопическое семейство нуклонов, т. с. частице очень близкими свойствами. Для объяснения этого сходства надо предположить, что сильные взаимодействия - и -кварков близки между собой и что кварковые системы, которые отличаются друг от друга только заменой -кварков на -кварки, очень сходны по своим основным характеристикам и образуют изотопическое семейство частиц. Отдельные члены такого изотопического семейства можно рассматривать как различные зарядовые состояния одной и той же частицы (в данном случае протон и нейтрон — различные состояния нуклона). Подтверждение такой картины можно получить, если рассматривать свойства мезонов, состоящих из - и -кварков и соответствующих антикварков. Здесь могут существовать системы с нулевым барионным зарядом ,  и . Они обладают электрическими зарядами ; и . Самые легкие такие системы — это уже известные нам -, - и -мезоны, которые также образуют изотопическое семейство -мезонов. Интересно отметить, что - и -мезон — это частица и античастица (как видно из их кварковой структуры). -мезон как истинно-нейтральная частица (т. е. частица, у которой все заряды равны нулю) тождественна своей античастице. Принадлежность частицы и античастицы к одному изотопическому семейству является общим свойством всех мезонов, состоящих из - и -кварков.

Отнюдь не любые системы, имеющие один и тот же кварковый состав, должны быть близки между собой по свойствам и входить в одно изотопическое семейство. Подобно тому как в атомах могут существовать основные и возбужденные состояния, так и в кварковых системах помимо основных состояний с наименьшими массами возможны и «возбужденные состояния», характеризующиеся большими значениями масс. Если эти «возбужденные состояния» лежат достаточно высоко и могут, излучая -мезоны, переходить в более низкие состояния, то такие переходы осуществляются благодаря сильным взаимодействиям. При этом «возбужденные состояния» имеют времена жизни, характерные для сильных взаимодействий (). Как уже говорилось раньше, обнаружено очень большое число таких «возбужденных» барионов и мезонов, которые также группируются в своп изотопические семейства. Для «возбужденных» частиц изотопические семейства могут носить и другую структуру — например, среди барионов встречаются группы из 4 частиц ; их называют -изобарами, а среди мезонов — «семейства», состоящие только из одной частицы.

Рассмотрим теперь адроны, в которые, помимо - и -кварков, входят и кварки с другими ароматами — их называют странные частицы, очарованные частицы и т. д. Продемонстрируем основные особенности кваркового строения таких адронов на примере частиц со странными -кварками, которые изучены гораздо более полно, чем очарованные и прелестные частицы.

Частицы с -кварками имеют отличную от нуля странность. Если в состав странного бариона, или, как его еще называют, гиперона, входит всего один странный кварк, то странность гиперона . Такой частицей является -гиперон пли целое изотопическое семейство из трех -гиперонов:  — -гиперон (), и  - -гипероны, отличающиеся друг от друга зарядами и значениями изотопических ароматов. Гипероны с двумя странными кварками характеризуются странностью  и образуют изотопическое семейство из двух частиц, получивших название -гиперонов. Их кварковая структура  и , а отсюда легко можно получить значения их квантовых чисел. Существует и -гиперон со странностью , состоящий из одних -кварков: . Так как в -гиперон не входят - или -кварки, то у него нет «близких родственников»: соответствующее изотопическое семейство состоит всего из одной.

Перейдем теперь к странным мезонам. Здесь должны существовать частицы типа  и . Самые легкие из них («основные состояния») получили название -мезонов и образуют изотопическое семейство из двух частиц: и . Их странность . Как видно из кварковой структуры этих мезонов, их античастицы образуют другое изотопическое семейство из двух частиц с  — так называемые анти--мезоны:  и .

Помимо самых легких странных барионов и -мезонов, существует большое количество их «возбужденных состояний» — более тяжелых короткоживущих странных частиц. Здесь все обстоит так же, как и для «обычных» частиц из - и -кварков.

В последние годы были найдены и другие классы адронов с новыми квантовыми числами, похожими на странность — очарованные и прелестные барионы и мезоны. В состав этих частиц, помимо рассмотренных ранее -, - и -кварков, входят очарованные -кварки и прелестные -кварки. Кварковая модель предсказывает очень большое разнообразие таких новых частиц, представляющих собой все возможные комбинации из трех кварков (барионы) или из кварка и антикварка (мезоны). Пока из всего этого многообразия было обнаружено только несколько очарованных и прелестных адронов. Данные об этих уже найденных частицах и об их кварковой структуре приведены в табл. 13.

Странные частицы, как правило, обладают несколько большими массами, чем «обычные частицы», очарованные частицы значительно более массивные, чем странные (их массы ), а прелестные частицы характеризуются еще большими массами (). Такие различия в массах этих частиц связывают с различием масс составляющих кварков (см. табл. 14). В последнее время получены данные о том, что существует еще один класс адронов с очень большими массами . В состав этих адронов, по-видимому, входят очень тяжелые -кварки.

Мы видели раньше, что близость в свойствах - и -кварков привела к существованию изотопических семейств адронов, очень сходных между собой. -кварк, хотя и отличается от - и -кварков, но не слишком сильно. Это позволяет объяснить, почему отдельные изотопические семейства адронов, в состав которых входят -, - и -кварки, объединяются в некоторые родственные группы частиц, о которых говорилось в предыдущем параграфе. Более сложный анализ, основанный на кварковой модели, позволил установить состав и некоторые характеристики таких групп, которые прекрасно согласуются с опытом. Таким образом, кварковая модель позволяет хорошо объяснить основные черты систематики адронов.