Космология ранней Вселенной - Долгов А.Д.
ISBN 5-211-00108-7
Скачать (прямая ссылка):
мезонов можно рассматривать как разные состояния одного и того же л-
мезонного поля. Аналогично протон и нейт-
2. КВАРКИ. СТРОЕНИЕ АДРОНОВ
55
рон можно рассматривать как одно нуклонное поле, в точности так же, как
состояние электрона со спином вверх и вниз мы рассматриваем как одну и ту
же частицу в разных состояниях.
По аналогии с обычным спином разные состояния нуклон-ного и я-мезонного
полей стали характеризовать так называемым изотопическим спином. Протон
отвечает состоянию с изотопическим спином "вверх", а нейтрон - "вниз", р
и п являются компонентами изотопического спинора со спином 1/2. я-мезоны
представляют собой состояние с изотопическим спином 1, т. е.
изотопический вектор. Аналогично тому как физические законы не зависят от
поворота системы координат, оказалось, что ядерные силы не зависят от
вращений в этом внутреннем изотопическом пространстве. Это свойство
получило название изотопической инвариантности. Изотопические вращения
переводят р+-+п и я+-<->-я0-"-*-я_. Разные электрические заряды приводят
к разным электромагнитным взаимодействиям этих частиц, но на фоне ядерных
сил этот эффект незначителен.
В заключение отметим, что я-мезонное поле является не скалярным, а
псевдоскалярным. Его волновая функция изменяет знак при пространственном
отражении.
§ 2. КВАРКИ. СТРОЕНИЕ АДРОНОВ
Позднее стало ясно, что теория ядерных сил, основанная на эт-мезонном
обмене и изотопической инвариантности, применима лишь в ограниченном
круге явлений, что я-мезонное поле является не фундаментальным, а
составным, и о скалярном поле как о фундаментальном объекте теории забыли
*. Его место уверенно заняли векторные поля. Опыт показал, что и ба-рионы
(протон, нейтрон и т. д.), и мезоны являются составными частицами,
построенными из более элементарных составляющих, названных кварками.
Последние являются фермиона-ми и имеют спин 1/2. Для описания нуклонов и
я-мезонов достаточно двух сортов кварков, так называемых и- и rf-кварков.
Электрический заряд кварков меньше заряда электрона (-е), а именно
qu - 2/3e, qd=- 1/Зе.
Из кварков построен большой класс частиц, называемых адронами. К ним
принадлежат я-мезоны, нуклоны и множество других. Лептоны, т. е.
электрон, мюон, нейтрино, не состоят из кварков. Кварковый состав адронов
определяется тем, чтобы суммарный электрический заряд адрона был
целочисленным: д= (uud) (т. е. протон состоит из двух п-кварков и одного
г?-кварка). n = (udd), я+=(ud), я~=(йД)> n°=(uu-dd)/~\!2.
* Ниже мы увидим, как скалярные поли в другом обличии появились в физике
элементарных частиц, а вскоре и в космологин.
56
4. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ
Кварки обладают еще одним весьма важным квантовым числом, называемым
цветом. Чтобы пояснить, как пришли к этому, отвлечемся немного в сторону.
При изучении реакций рассеяния л-мезонов на нуклонах был открыт так
называемый Д-резонанс (изобара):
р + л+->-А++->-р+л+
(были открыты и изотопические партнеры Д++ : Д+, Д° и Д~). Резонанс при
взаимодействии элементарных частиц во многом аналогичен резонансной линии
поглощения света в веществе. Когда свет проходит через вещество, а атомы
имеют переход между уровнями с частотой, равной частоте света,
происходит" интенсивное поглощение квантов света атомами. Атомы
возбуждаются. Возбужденное состояние в атоме нестабильно, и атом
возвращается в стабильное состояние, либо испуская несколько фотонов с
меньшей энергией, либо один фотон с первоначальной энергией. В обоих
случаях образуется промежуточное состояние - возбужденный атом. Такой
возбужденный атом аналогичен Д++ - возбужденному состоянию из кварков.
По энергии рил+ была определена масса Д++, которая оказалась равной 1240
МэВ, что больше массы протона. Заряд Д++ оказался равен удвоенному заряду
протона, а спин 3/2. * Но Д++ состоит из трех и-кварков (d и й, входящие
в состав пир, аннигилируют) и значит их спины должны быть параллельными,
чтобы сформировать спин 3/2. Как известно, согласно знаменитому принципу
Паули фермионы не могут сущест- 5 вовать в одинаковых квантовых
состояниях. Поэтому кварки должны как-то различаться. Простейшая
возможность, состоящая в том, что кварки различаются орбитальным
моментом, приводит к антисимметричной по координатам кварков волновой
функции Д-изобары. С такой волновой функцией не удается описать
низкоэнергетические параметры этой частицы. Гораздо менее тривиальным и,
как выяснилось, весьма плодотворным выходом явилось предположение, что
кварки нетождественны. Иными словами, существует не один сорт и- или с?-
кварков, а три, и каждый сорт стали именовать цветом. Сейчас различают
кварки ur, dp, иъ, dp, иу, dy (индексы - первые ! буквы английских слов
red - красный, blue - голубой, yellow - желтый). В силу этого, например,
Д++ можно представить как связанное состояние трех кварков разного цвета
ит, иь, иу, но в одном и том же низшем энергетическом состоянии.
§ 3. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ КВАРКОВ. КВАНТОВАЯ ХРОМОДИНАМИКА
Введение цвета как внутренней характеристики кварков бы-| ло первым
