Физика 20 века: ключевые эксперименты - Тригг Дж.
Скачать (прямая ссылка):
многого.
Теория, которая дала простую картину связи между адронами, была
предложена в 1961 г. теоретиком из Калифорнийского технологического
института Мюррэем Гелл-Манном и независимо - Ювалом Нееманом, который
тогда, будучи офицером израильской армии, служил военным атташе в Лондоне
и одновременно работал в Империал колледже. В то время не было известно
никаких экспериментальных данных, которые противоречили бы этой теории.
Однако в дальнейшем, с
1 Одним из следствий работ, описанных в этой главе, явилось то, что
рассматриваемые частицы лишились названия "элементарные". - Прим ред.
325
появлением новых результатов, настал решающий момент для проверки теории:
было предсказано существование ранее не известной частицы, масса которой,
а также некоторые другие свойства были приблизительно рассчитаны.
Экспериментальные поиски ее увенчались успехом в 1964 г.: эту частицу
обнаружила группа исследователей из Брукхейвенской национальной
лаборатории; они сообщили о своем открытии в журнале Physical Review
Letters. Очевидная плодотворность созданной теории послужила основанием
для присуждения Гелл-Манну в 1969 г. Нобелевской премии по физике. В этой
главе мы расскажем, каким образом было предсказано существование этой
частицы и как был выполнен соответствующий эксперимент.
К проблеме систематизации элементарных частиц возможны по меньшей мере
два подхода. Один основан на аналогии с атомной физикой. Как известно,
для каждого атома существует ряд энергетических состояний, различающихся
по энергии на величину порядка нескольких электрон-вольт, переходы между
которыми возможны путем излучения или поглощения света. Эта величина
определяется энергией электромагнитного взаимодействия, которое
ответственно за внутриатомные связи. Подобным образом для каждого ядра
существует ряд возбужденных состояний, различающихся по энергии на
величину порядка нескольких тысяч электрон-вольт, которая в свою очередь
определяется энергией взаимодействия между нуклонами.
Не исключено, что и последовательность элементарных частиц в
действительности представляет собой ряд возбужденных состояний, других,
много меньших объектов и разность энергий этих состояний, порядка
миллионов электрон-вольт, определяется энергией взаимодействия пока еще
не известной природы4. Эта точка зрения усиленно поддерживается
некоторыми физиками (особенно Виктором Вайскопфом), и, как будет видно в
конце главы, некоторые факты указывают на сущест-
1 Группа симметрии, обсуждаемая в данной главе, допускает представление
наблюдаемых элементарных частиц в виде связанных группировок
гипотетических частиц трех типов, называемых "кварками". Если такое
представление сответствует действительности, то взаимодействие между
кварками должно быть много сильнее взаимодействия между нуклонами.
326
вование такой структуры. Однако в настоящее время, чтобы дать
окончательный ответ на этот вопрос, доказательств явно недостаточно.
Принципы, на которых основывается второй подход к данной проблеме, также
можно пояснить на примере
Рис 15.1. Некоторые энергетические уровни атома натрия.
В верхней части рисунка буквами обозначен орбитальный момент L (согласно
систематике, данной в примечании на стр. 128 гл. 7), индексы
соответствуют величине полного момента J. По оси ординат отложены так
называемые термы, значения которых пропорциональны энергии связи (lO3 см-
1 соответствует 0,124 эВ)*
из атомной физики. Рассмотрим несколько нижних энергетических уровней
атома натрия, показанных на рис. 15.1. Видно, что, за исключением
состояний, представленных в первом столбце, уровни энергии расположены
попарно, причем у каждой пары значения L совпадают, а значения J
различны. Подобные диаграммы можно построить также и для других атомов,
многие из которых обнаруживают не только дуплетные, но и мультиплетные
состояния. Объяснение этому хорошо известно: расщепление уровней
вызывается взаимодействием собственного магнитного момента электрона с
327
током, обусловленным "орбитальным движением" электрона; при этом
происходит некоторое нарушение симметрии, иначе говоря, возникает
"приблизительная симметрия". Если бы у электрона отсутствовал магнитный
момент, связаный с его спином, то энергия электрона не зависела бы от
ориентации спина и вместо мультиплет-ной структуры наблюдались бы
синглетные состояния. Наличие магнитного момента понижает эту симметрию и
приводит к зависимости энергии электрона от относительной ориентации
векторов L (полный орбитальный момент импульса) и S (полярный спин).
Математически эта дополнительная энергия выражается как f(r) (LXSX + LySy
+ LZSZ); отсюда можно количественно оценить некоторые величины, такие,
как относительное расположение уровней в мультиплете (за исключением
дуплетов) и вероятности переходов между мультипле-тами. Применительно к
элементарным частицам суть данного метода состоит в том, чтобы найти
среди них подобного рода группировки и описать их в такой математической
