Очарование физики - Глэшоу Ш.Л.
ISBN 5-93972-151-6
Скачать (прямая ссылка):
В 1963 году появилось некоторое объяснение: его независимо друг от друга предложили Гелл-Манн и Джордж Цвейг, который также работал в Калифорнийском технологическом институте. Они поняли, что неожиданные закономерности можно было бы объяснить, если бы все адроны состояли из гораздо более элементарных частиц, которые Гелл-Манн назвал кварками. Кварки должны были принадлежать к простейшему, нетривиальному семейству восьмеричного пути: семейству из трех. (Также есть и другое семейство, состоящее из трех антикварков.)
Кварки должны обладать достаточно специфическими свойствами, главным из которых является их электрический заряд. Все без исключения наблюдаемые частицы переносят целые значения, кратные заряду электрона; однако кварки должные иметь заряды, равные долям зарядам электрона. Гелл-Манн обозначил три кварка за и, d и s: от произвольных названий «up», «down» и «sideways»1.
Механика первоначальной модели кварка полностью определяется тремя простыми правилами. Мезоны неизменно состоят из одного кварка и одного антикварка. Барионы неизменно образованы тремя кварками, а антибарионы — тремя антикварками. Никакая другая комбинация кварков не может существовать в виде адрона. Комбинаций трех кварков при таких правилах было достаточно, чтобы объяснить все наблюдавшиеся или предсказанные в то время адроны. Более того, каждая разрешенная комбинация кварков дает известную частицу.
Многие необходимые свойства кварков можно вывести из этих правил. Например, каждому кварку необходимо приписать барионное число, равное +1/3, а каждому антикварку — барионное число, равное -1/3. Таким образом, любая совокупность трех кварков имеет общее барионное число, равное +1, а потому определяет барион; три антикварка дают
'Вверх, вниз, в сторону (англ.) — Прим. пер. 169 Кварки с цветом и ароматом
частицу с барионным числом, равным -1, — антибарион. Для мезонов барионные числа кварков (+1/3 и -1/3) взаимоуничтожаются, так что мезон, как и требуется, имеет барионное число, равное 0.
Аналогичным образом, угловой момент адронов описывается с помощью придания кваркам полуцелых единиц спина. Частица, состоящая из нечетного количества кварков, типа бариона, вследствие этого должна иметь полуцелый спин, подчиняющийся известным характеристикам барионов. Частица, образованная четным количеством кварков, например, мезон, должна иметь целый спин.
U-кварк и s-кварк образуют изотопический дублет: они имеют примерно одинаковую массу и весьма похожи по всем другим свойствам, за исключением электрического заряда, [/-кварку отводится заряд, равный +2/3, a d-кварку — заряд, равный -1/3. Таким образом, средний заряд дублета равен +1/6 и, соответственно, удвоенный средний заряд — + 1/3; поскольку барионное число всех кварков равно +1/3, то, по определению, и- и d-кварки имеют нулевую странность. S1-KBapK весит больше, чем и или d, и образует изотопический синглет. Его электрический заряд равен -1/3, следовательно, его странность равна -1. Антикварки, которые на письме обозначаются чертой над символом кварка, имеют противоположные свойства. U имеет заряд, равный -2/3, a d — +1/3; странность у обоих нулевая. Заряд s-антикварка равен +1/3, а странность — +1.
Всего двух кварков, und, достаточно, чтобы объяснить структуру всех адронов, которые встречаются в обыкновенной материи. Протон, к примеру, можно описать как совокупность двух и-кварков и одного d-кварка; его состав записывается как uud. Быстрый анализ покажет, что все свойства протона, определенные его кварковым составом, согласуются с измеренными величинами. Его заряд равен 2/3 + 2/3 — 1/3, или +1. Аналогичным образом можно показать, что его барионное число равно +1, а его спин — 1/2._Положительный пион состоит из и-кварка и d-антикварка (пишется ud). Его заряд равен 2/3 + 1/3, или +1; его спин и барионное число равны нулю.
Третий кварк, s, необходим исключительно для создания странных частиц и действительно дает явное определение странности: странная частица — это частица, содержащая, по крайней мере, один s-кварк, или s-антикварк. Например, исходя из распределения заряда мульти-плета лямбда-бариона, можно показать, что его странность равна -1; этот результат подтверждается его кварковым составом: uds. Точно также нейтральный K-мезон, странная частица, имеет странность +1, что и подтверждает ее состав ds.
До совсем недавнего времени трех видов кварков казалось достаточно для описания всех известных адронов. Однако эксперименты показывают, что некоторые адроны невозможно объяснить через три исходных 170
Кварки с цветом и ароматом
кварка. Эксперименты говорят о существовании четвертого вида кварка, называемого очарованным кварком и обозначаемого с.
Утверждение о том, что и-, d- и s-кварков достаточно, чтобы создать все наблюдаемые адроны, можно уточнить с помощью математического формализма восьмеричного пути. Поскольку мезон состоит из одного кварка и одного антикварка и поскольку существует три вида, или три аромата, кварков, значит, возможны девять комбинаций кварков и анти-кварков, которые могут образовать мезон. Можно показать, что одна из этих комбинаций представляет синглет, а оставшиеся восемь образуют октет. Аналогично, поскольку барион образован тремя кварками, возможны 27 комбинаций кварков, в результате которых образуется барион. Их можно разбить на синглет, два октета и декуплет. Эти группировки в точности соответствуют наблюдаемым семействам адронов. Таким образом, кварковая теория объясняет, почему лишь несколько возможных представлений SU {3) реализуется в природе в виде супермультиплетов адронов.
