Очарование физики - Глэшоу Ш.Л.
ISBN 5-93972-151-6
Скачать (прямая ссылка):
Частицы, состоящие из кварков, образуют класс, называемый адронами. Только эти частицы проявляют «сильное» взаимодействие. Сюда же входят протоны и нейтроны, и, в действительности, именно сильное взаимодействие связывает протоны и нейтроны, вследствие чего они образуют атомное ядро. Сильным взаимодействием обусловлен и быстрый распад многих адронов.
Другим классом частиц, определенным в противоположность адронам, являются лептоны. Их всего четыре: электрон и электронное нейтрино, а также мюон и мюонное нейтрино (и их четыре античастицы). Лептоны не подвержены сильному взаимодействию. Поскольку электрон и мюон переносят электрический заряд, они «чувствуют» электромагнитное взаимодействие, которое примерно в 100 раз слабее сильного взаимодействия. Две разновидности нейтрино, не обладающие электрическим зарядом, не чувствуют ни сильного, ни электромагнитного взаимодействий, но, тем не менее, между ними существует третья разновидность взаимодействия, называемого слабым и меньшего на несколько порядков. Считается, что сильное, электромагнитное и слабое взаимодействие, наряду с гравитацией, — это все возможные взаимодействия материи.
Лептоны проявляют все признаки элементарных частиц. Электрон, к примеру, ведет себя как точечный заряд, и даже когда его зондируют при энергиях больших ускорителей частиц, он не выказывает никакой внутренней структуры. Адроны же, напротив, кажутся составными. Они обладают измеримым размером: около IO-13 сантиметра. Более того, существуют сотни адронов. И наконец, все адроны, за важным исключением протона и антипротона, по одиночке являются нестабильными. Они распадаются на стабильные частицы типа протонов, электронов, нейтрино или фотонов. (Фотон, переносчик электромагнитного взаимодействия, — это вообще отдельная категория; он не является ни лептоном, ни адроном.)
Адроны подразделяются на три семейства: барионы, антибарионы и мезоны. Барионы включают протон и нейтрон; мезоны содержат ча- 165 Кварки с цветом и ароматом
стицы типа пиона. Барионы не могут ни создаваться, ни разрушаться, за исключением тех случаев, когда они существуют в парах барион-антибарион. Этот принцип определяет закон сохранения, и наиболее удобно работать с ним по системе бухгалтерского учета, согласно которой сохраненным свойствам приписываются простые численные значения, называемые квантовыми числами. В данном случае квантовое число называется барионным числом. Для барионов оно равно +1, для антибарионов — —1, а для мезонов — 0. Таким образом, сохранение барионного числа сводится к правилу, что при любом взаимодействии сумма барионных чисел не меняется.
Благодаря барионному числу барионы можно отличить от мезонов, однако это искусственное средство, которое ничего не говорит нам о свойствах двух видов частицы. Более выразительное отличие можно установить, исследуя другое квантовое число: спиновый момент.
Согласно правилам квантовой механики частица, или система частиц, может находиться только в строго определенных состояниях вращения, а потому она может иметь только дискретные значения углового момента. Угловой момент измеряется в единицах h/2ir, где h — это постоянная Планка, равная примерно 6,6 х IO-27 эрг-секунд. Барионы — это частицы со спиновым моментом, измеренным в полуцелых единицах, то есть со значениями половины нечетного целого числа, например, 1/2 или 3/2. Мезоны имеют целые значения спинового момента, например, 0 или 1.
Разница в спиновых моментах имеет важные следствия для поведения двух видов адронов. Говорят, что частицы с целым спином подчиняются статистике Бозе-Эйнштейна (и потому называются бозонами). Частицы же, обладающие полуцелым спином, подчиняются статистике Ферми-Дирака (и называются фермионами). В данном контексте слово «статистика» относится к поведению популяции идентичных частиц. Частицы, которые подчиняются статистике Бозе-Эйнштейна, можно привести в одно состояние без каких-либо ограничений; например, неограниченное количество пионов может находиться в одном и том же состоянии. Статистика Ферми-Дирака, напротив, утверждает, что никакие две частицы в пределах данной системы не обладают одинаковой энергией и не являются идентичными по всем своим квантовым числам. Это утверждение эквивалентно принципу запрета, который в 1925 году сформулировал Вольфганг Паули. Он применял свой принцип, в частности, к электронам, спин которых равен 1/2, вследствие чего они являются фермионами. Принцип запрета требует, чтобы на каждом энергетическом уровне атома находилось только два электрона, а их спины имели противоположное направление. 166
Кварки с цветом и ароматом
Один из ключей к сложной природе адронов состоит в их большом количестве. Большая часть стремления понять их состояла в поиске некоторого упорядочивающего принципа, который объяснил бы столь большое их количество.
Впервые адроны были распределены на небольшие семейства частиц, называемые зарядовыми или изотопическими мультиплетами. Каждый мультиплет состоит из частиц, имеющих приблизительно одинаковую массу и идентичных по всем трем оставшимся свойствам, кроме электрического заряда. Мультиплеты могут состоять из одного, двух, трех или четырех членов. Протон и нейтрон образуют двойной мультиплет (дублет); обе эти частицы считаются проявлениями одного состояния материи, нуклона, со средней массой, эквивалентной энергии в 0,939 ГэВ (миллиард электрон-вольт). Пион — это триплет, имеющий среднюю массу, эквивалентную энергии в 0,137 ГэВ, и три состояния заряда: + 1, 0 и -1. При сильных взаимодействиях все члены мультиплета эквивалентны, поскольку в такого рода взаимодействиях электрический заряд не играет никакой роли.
