Очарование физики - Глэшоу Ш.Л.
ISBN 5-93972-151-6
Скачать (прямая ссылка):
С 1964 года появилось несколько других доводов в пользу существования очарования. Для меня самым неоспоримым из них была необходимость объяснения подавления некоторых взаимодействий, называемых нейтральными токами, изменяющими странность. Объяснение этого явления, основанное на свойствах очарованного кварка, в 1967 году дали Джон Илиопулос, Лучано Майани и я.
Нейтральные токи, изменяющие странность, — это слабые взаимодействия, в которых суммарный электрический заряд адронов не меняется, но меняется их странность; обычно s-кварк превращается в d-кварк и испускаются два лептона. Примером является распад нейтрального K-мезона (странной частицы) на два противоположно заряженных мюона. Эксперимент показывает, что такие процессы чрезвычайно редки. Трехкварковая теория не способна объяснить их подавление, а объединенная теория слабых и электромагнитных взаимодействий вообще предсказывает нормы, которые в миллион раз превышают наблюдаемые.
Добавление четвертого аромата кварка, обладающего тем же электрическим зарядом, что и и-кварк, точно объясняет подавление, хотя механизм его действия может показаться странным. При наличии двух пар кварков возможны два пути взаимодействий, изменяющих странность, а не один, который существует в случае присутствия всего лишь трех кварков. В макроскопическом мире добавление второго пути, или канала, всегда влекло бы за собой увеличение скорости реакции. Однако в мире, где властвует квантовая механика, можно не только складывать, но и вычитать. Происходит следующее: знак в уравнении, определяющем одну из реакций, отрицателен, и два взаимодействия уничтожают друг друга.
Очевидно, что добавление четвертого кваркового аромата должно увеличить количество адронов. Для объединения вновь предсказанных частиц в супермультиплеты восьмеричный путь необходимо расширить. 177 Кварки с цветом и ароматом
В частности, к графам, представляющим семейства, нужно добавить еще одно измерение, чтобы плоские фигуры ранней симметрии стали плато-новыми или архимедовыми пространственными телами.
К мезонному октету добавляются шесть очарованных частиц и одна неочарованная, в результате чего образуется новое семейство из 15 частиц. Оно представлено кубооктаэдром, одна грань которого содержит шестиугольник исходного октета неочарованных мезонов. Барионные октеты и декуплет должны образовать два семейства по 20 членов в каждом. Они представлены в виде четырехгранника, усеченного в каждой вершине, и правильного четырехгранника. Кроме того, есть еще правильный четырехгранник меньшего размера, состоящий всего из четырех барионов. И опять, каждая фигура содержит одну плоскость из неочарованных частиц (смотри рисунок 1).
Теперь кажется, что первой из новых частиц предстояло открыть мезон, который сам по себе очарованной частицей не является. Этот вывод основан на допущении, что предсказанный мезон — это то же самое, что и частица J или ф. Об открытии этой частицы одновременно объявили Сэмюэл Тинг и его коллеги из Брукхейвенской национальной лаборатории и Бертон Рихтер младший с группой других физиков, работавших в Стэнфордском центре линейного ускорения частиц (SLAC). В Брукхейвене эту частицу назвали J, а в Стэнфорде — ф. Я буду называть ее J. Однако для двух возбужденных состояний этой частицы будут использоваться названия ф' и ф", поскольку эти состояния наблюдались только во время экспериментов в SLAC.
J-частица была обнаружена как резонанс — рост при данной энергии вероятности взаимодействия между другими частицами. В Брукхейвене резонанс был обнаружен во многих электрон-позитронных парах, созданных при столкновениях протонов с атомными ядрами. В SLAC он наблюдался в продуктах взаимного уничтожения электронов и позитронов. Энергия, при которой наблюдались резонансы, — то есть энергия массы J-частицы — составляет порядка 3,1 ГэВ.
J-частица распадается примерно через Ю~20 секунд; это, безусловно, краткий промежуток времени, но, тем не менее, он в 1 ООО раз превышает ожидаемое время жизни частицы с такой массой, какую имеет J. Изрядная доля волнения, которое породило открытие J-частицы, была вызвана, главным образом, столь долгим временем ее жизни.
Предлагались многочисленные варианты объяснения этой частицы; например, некоторые предполагали, что это Z-частица. Я считаю, что есть хорошая причина считать J мезоном, состоящим из очарованного кварка и очарованного антикварка, то есть мезоном с кварковым составом сс. Томас Аппелквист и Дэвид Политцер из Гарварда назвали этот 178
Кварки с цветом и ароматом
мезон «чармонием» по аналогии с позитронием — связанным состоянием электрона и позитрона. Чармоний очарованием не обладает, потому что очарованные квантовые числа его кварков (+1 и -1) при сложении дают нуль.
Гипотеза о чармонии может объяснить аномальное время жизни J-частицы, если рассмотреть самую отдаленную судьбу кварков распадающейся частицы. Возможны три варианта: они могут расщепиться на составляющие двух дочерних адронов, они могут стать частью одной дочерней частицы или уничтожить друг друга. Эмпирическое правило, которое впервые заметил Цвейг, утверждает, что распады первого рода разрешены, а все остальные подавляются. Чтобы J-частица распалась единственным разрешенным способом, она должна создать две очарованные частицы, то есть два адрона, один из которых содержит очарованный кварк, а другой — очарованный антикварк. Такой распад возможен только в том случае, если масса J больше суммы масс очарованных дочерних частиц. Существует причина полагать, что масса самой легкой очарованной частицы больше половины массы J, а потому J, видимо, не может распадаться разрешенным образом. J также не может распадаться и по второму способу (оставляя оба своих кварка в одной частице), так как J — это состояние с минимальной массой, содержащее очарованный кварк и очарованный антикварк. Следовательно, J должна распадаться по пути взаимного уничтожения ее кварков, но такой распад подавляется правилом Цвейга. Это подавление дает частичное объяснение столь долгого времени жизни J-частицы.
