Физика 20 века: ключевые эксперименты - Тригг Дж.
Скачать (прямая ссылка):
форме, которая позволила бы аналогичным образом получить количественные
результаты. Именно такой подход и использовали Гелл-Манн и Нееман.
Их схема была уже не первым примером удачного использования принципов
симметрии в применении к элементарным частицам. Действительно, эти ученые
в какой-то степени опирались на наиболее основательную (и старую) из
предшествующих схем такого рода, которая была предложена в 1936 г.
Бенедиктом Кассеном и Е. У. Кондоном. Кассен и Кондон отмечали, что
различия во взаимодействиях между парами нейтронов, протонов и нейтрона с
протоном (с одинаковыми спинами - как уже было известно, ядерные силы
зависят от спина) можно почти полностью объяснить электрическим зарядом
протона. По этой причине Кассен и Кондон приняли предположение, сделанное
в 1932 г. Вернером Гейзенбергом, согласно которому протон и нейтрон можно
рассматривать просто как _два зарядовых состояния одной тяжелой частицы.
(С тех пор эта частица получила название нуклон.) В таком случае расчеты
чисто ядерных эффектов в первом приближении должны быть независимы от
того, является ли данная частица протоном, нейтроном или линейной
комбинацией их обоих, - последний вариант, очевидно, нереален с
32а
точки зрения физики, но его легко выразить МатеМати* чески. Иными
словами, теория ядра должна была бы быть почти "нечувствительна" к
линейным преобразованиям (произвольным в определенных пределах) двух
элементов - протона и нейтрона.
Математический аппарат,, требуемый для описания такой
"нечувствительности" к заряду, полностью аналогичен аппарату,
использованному десятью годами раньше для описания спина электрона.
Вследствие этого переменная величина, которая отличает протон от
нейтрона, получила название "изотопический спин", "изобарический спин",
или, проще, "изоспин". Как в случае обычного спина математический
формализм допускает для спина не только значение 1/2, но и любое целое
или полуцелое число, так и в случае изотопического спина возможны не
только частицы с двумя зарядовыми состояниями, но и частицы с любым
количеством единиц заряда. Эти рассуждения оказались полезными при выводе
следствий из предположения Хидеки Юкава (сделанного в 1935 г.) о тбм, что
ядерные взаимодействия осуществляются посредством излучения и поглощения
мезонов нуклонами, ибо в соответствии с этой теорией требовался
одинаковый подход к положительным, отрицательным и нейтральным мезонам,
которые, таким образом, можно было также рассматривать как различные
состояния одной частицы. Дальнейшее развитие аналогии с теорией спина
позволило с помощью математического формализма изотопического спина
описать инвариантность по отношению к "поворотам" в трехмерном
абстрактном "пространстве". Вследствие эффектов, создаваемых
электрическим зарядом, нарушение этой симметрии приводит к появлению в
пространстве одного выделенного "направления".
В течение нескольких лет, до и после 1950 г., было обнаружено множество
новых частиц, которые впервые были зарегистрированы в космическом
излучении, а затем получены на больших ускорителях при взаимодействии
пучков частиц. Благодаря некоторым особенностям поведения многие из этих
частиц получили название "странные": они рождались столь обильно, что их
следовало отнести к адронам, тогда как их крайне медленный распад можно
было объяснить только слабыми взаимодействиями, как при p-распаде (см.
гл. 11).
329
Непонятно было, почему адрон не распадался посредством сильного
взаимодействия. Ответ на этот вопрос был дан независимо Гелл-Манном и
Кацухико Нишиджима; он заключался в том, что существует еще один вид
"приблизительной симметрии", который можно охарактеризовать новым
квантовым числом (названным, по понятным причинам, странностью). Эта
симметрия соблюдается, и квантовое число сохраняется при сильных
взаимодействиях, когда частицы рождаются группами - обычно парами, причем
полная странность их равна нулю. Однако при этом массы частиц таковы, что
распадаться с сохранением странности они не могут1 и распадаются только
при слабых взаимодействиях, для которых вновь открытый вид симметрии не
соблюдается. Вскоре было обнаружено, что странность S частицы, ее
барионный заряд В, проекция изотопического спина на упомянутое выше
"выделенное" направление /3 и заряд Q связаны соотношением
Q = /3 + y(S + S).
К концу 1960 г. были установлены восемь метастабильных2 барионных
состояний и семь метастабильных мезонных состояний; имелись также
экспериментальные факты и теоретические предсказания, указывающие на
существование нескольких дополнительных мезонных состояний (часть из
которых нестабильны). Все они представлены на рис. 15.2. По крайней мере
среди ба-рионов, по аналогии с мультиплетными уровнями в атомах, можно
выделить такие группы: несколько состояний, для которых ряд квантовых
чисел совпадает и которые различаются по энергии на величины, много
меньшие расстояния, отделяющего данную группу от других. Для мезонов
