Экспериментальная ядерная физика - Мухин К.Н.
ISBN 5-283-04076-3
Скачать (прямая ссылка):
326 Глава XXII. Кварки и глюоны. Квантовая хромодинамика
Правильность постулированных для кварков дробных значений электрического заряда вытекает из сравнения сечений рассеяния электрона и нейтрино на легком ядре (соответственно электромагнитный и слабый процессы с известными константами), которое дает для экспериментальной величины z2+z| значение, близкое к теоретическому (2/3)2+ (1/3)2 = 5/9.
Дробность электрического заряда подтверждается также совпадением расчетных и экспериментальных значений радиационных ширин распада для некоторых адронов.
В 70-е годы кварковая модель получила еще одно новое убедительное экспериментальное подтверждение. При изучении процесса (?+?~)-аннигиляции в адроны при высоких энергиях наблюдались струи вторичных частиц, направления которых естественно связать с направлением движения первичных кварков, образовавшихся из виртуального фотона (рис. 467).
Любопытно отметить, что угловое распределение струй подчиняется закону (1+cos2 9), который соответствует спину кварка 1/2. Появление струй в этом процессе трудно объяснить каким-либо другим способом (подробнее о струях см. в § 127).
В процессе развития модели кварков рассматривались самые разнообразные ее варианты. В простейшей модели со слабой связью кварки внутри адронов считаются свободными, невзаимодействующими. В этом случае масса нук-лонных кварков должна быть мала по сравнению с массой нуклона:
а масса А.-кварка mq =тЧр+0,\5тр (0,15тр—из эквидистантности расщепления барионного декуплета).
В случае сильной связи кварков внутри адрона масса кварка должна быть много больше массы протона (mq » тр).
Привлекательность модели со слабой связью состоит в том, что именно с ее помощью можно проводить некоторые количественные расчеты. При этом относительно свойств кварков делаются наипростейшие предположения. Считают, что кварки — это элементарные точечные фермионы, которые внутри адрона (например, нуклона) ведут себя как свободные частицы. В этих и некоторых других предположениях можно получить, например, соотношение между полными сечениями для нуклон-нуклонного, антинуклон-нуклонного и пион-нук-лонного взаимодействий
§ 124. Трехкварковая модель
327
(oNN+Cf,N)lanN = 3, (124.4)
которое хорошо подтверждается экспериментально (см. рис. 442)*, Было также вычислено отношение магнитных моментов нуклонов:
ц„/ир=-2/3, (цв/цр)э«„= -0,68*-2/3. (125.5)
Удалось получить отношение сечений рождения адронов и мюонных пар в процессе аннигиляции (е+ — е~)-пар, описать процессы рассеяния электрона и нейтрино на нуклоне и др.
Вместе с тем простейшая кварковая модель страдает серьезными недостатками. Одним из возражений против нее является нарушение принципа Паули при составлении барионов (например, А++-и Д~-резонанса или Q~-гиперона) из кварков. Действительно, согласно табл. 45 эти частицы состоят из трех тождественных фермионов, находящихся в одном и том же пространственном и спиновом состоянии (А+* =qpqpqp, b~=qnqnqn, С1~=Ял4лЯл)- Для устранения этой трудности в более совершенной модели кваркам был приписан специфический заряд—«цвет»**. По аналогии с обычными частицами, которые характеризуются электрическим зарядом (плюс, минус, нуль), кварки также имеют три цветовых заряда: «красный», «синий», «желтый» (иногда вместо «желтого» используют «зеленый»). Эти цвета являются «основными», т. е. при их сложении в барионе (который в соответствии с принципом Паули должен состоять из трех «разноцветных» кварков) получается «белый» цвет. Так, например, Q- -гиперон состоит из q\, q% и (у*, А~-резонанс—из q$, q% и q* и т. п. Аналогично все мезоны состоят из кварка и антикварка, имеющих «дополнительные» цвета, т. е. они тоже белые. Таким образом, во всех адронах цветовые заряды взаимно скомпенсированы и не проявляются. Тем не менее с их помощью устраняется нарушение принципа Паули. В дальнейшем мы увидим, что цветовой заряд кварков несет очень важную смысловую нагрузку в теории взаимодействия кварков — квантовой хро-модинамике.
* Выражение (124.4) получается следующим образом. Согласно кварковой
модели o-„j» = 3o-„+3o-„- (см. рис.462). Аналогично <У„я = 9от, a <sNl}=9a4q.
а„„+а„я 9ctm+9o-w Отсюда имеем -=--—^=3, или с учетом теоремы Померанчука
(см. § 96) ctw/ct„w = 3/2.
** Понятие «цвет» было введено в 1965 г. в СССР Н. Н. Боголюбовым, Б. В. Струминским и А. Н. Тавхелидзе и независимо за рубежом М. Ханом и И. Намбу.
328
Глава XXII. Кварки и глюоны. Квантовая хромодинамика
2. НЕНАБЛЮДАЕМОСТЬ КВАРКОВ
Второе серьезное возражение против кварковой модели (со слабой связью)—ненаблюдаемость кварков в свободном состоянии. Казалось бы, если кварки слабо связаны в адронах, то почему бы им не вылетать из них в процессе соударений адронов между собой? Естественно поэтому, что в связи с большими успехами модели со слабой связью было предпринято много попыток обнаружить кварки в природе или получить их искусственно на ускорителе. Идея эксперимента опирается на своеобразие свойств кварков.
Из-за дробности электрического и барионного зарядов кваркам не на что распадаться (по крайней мере тому, который имеет минимальную массу). Поэтому они должны быть стабильны. Следовательно, кварки, образовавшиеся под действием космического излучения, могут накапливаться в земной коре или в воде океана, а также на космических телах (Луне, метеоритах). Оценки показывают, что если кварки и существуют, то их должно быть очень мало. Согласно этим оценкам в воде (даже после специального процесса концентрации) кварков не может быть больше одного на 1019 протонов, в метеоритах (в которых кварки концентрируются в поверхностном слое)—1 на 10 протонов. Поэтому очень важно уметь выделять кварки на фоне огромного числа других частиц. Здесь опять-таки помогает дробность заряда. Поскольку ионизующая Способность заряженной частицы пропорциональна квадрату ее заряда, минимальная ионизация, создаваемая кварками, должна составлять 4/9 (для qp) или 1/9 (для q„ и qA) минимальной ионизации, создаваемой однозарядной частицей.
