Элементарные частицы. Барионы и мезоны
Адроны обладают сохраняющимися в процессах сильного взаимодействия квантовыми числами : странностью , очарованием , красотой и др.
Адроны делятся на две основные группы в соответствии с их кварковым составом:
В последнее время были обнаружены так называемые экзотические адроны , которые также являются сильновзаимодействующими частицами, но которые не укладываются в рамки кварк-антикварковой или трёхкварковой классификации адронов. Некоторые адроны пока только подозреваются в экзотичности. Экзотические адроны делятся на:
- экзотические барионы, в частности пентакварки , минимальный кварковый состав которых - 4 кварка и 1 антикварк.
- экзотические мезоны - в частности адронные молекулы, глюболы и гибридные мезоны.
Барионы (фермионы)
См. более подробный список барионов .
Обычные барионы (фермионы) содержат каждый три валентных кварка или три валентных антикварка.
- Нуклоны - фермионные составляющие обычного атомного ядра:
- Гипероны , такие, как Λ-, Σ-, Ξ- и Ω-частицы, содержат один или больше s-кварков , быстро распадаются и тяжелее нуклонов. Хотя обычно в атомном ядре гиперонов нет (в нём содержится лишь примесь виртуальных гиперонов), существуют связанные системы одного или более гиперонов с нуклонами, называемые гиперядрами .
- Также были обнаружены очарованные и прелестные барионы.
- Пентакварки состоят из пяти валентных кварков (точнее, четырёх кварков и одного антикварка).
Недавно были найдены признаки существования экзотических барионов, содержащих пять валентных кварков; однако были сообщения и об отрицательных результатах. Вопрос их существования остаётся открытым.
См. также дибарионы.
Мезоны (бозоны)
См. более подробный список мезонов .
Обычные мезоны содержат валентный кварк и валентный антикварк. В их число входят пион , каон , J/ψ -мезон и многие другие типы мезонов. В моделях ядерных сил взаимодействие между нуклонами переносится мезонами.
Могут существовать также экзотические мезоны (их существование всё ещё под вопросом):
- Тетракварки состоят из двух валентных кварков и двух валентных антикварков.
Адро́ны (от др.-греч. ἁδρός «крупный», «массивный»; термин предложен советским физиком Л. Б. Окунем в 1962 году, при переходе от модели Сакаты сильно взаимодействующих частиц к кварковой теории) - класс элементарных частиц, подверженных сильному взаимодействию.
Адроны обладают сохраняющимися в процессах сильного взаимодействия квантовыми числами (странностью, очарованием, красотой и др.)
Процесс формирования адронов из цветных объектов - кварков и глюонов называется адронизация.
Адроны делятся на две основные группы в соответствии с их кварковым составом:
- Барионы - состоят из трёх кварков трёх цветов, образуя так называемую бесцветную комбинацию. Именно из барионов построена подавляющая часть наблюдаемого нами вещества - это нуклоны, составляющие ядро атома и представленные протоном и нейтроном. К барионам относятся также многочисленные гипероны - более тяжёлые и нестабильные частицы, получаемые на ускорителях элементарных частиц.
- Мезоны - состоят из одного кварка и одного антикварка. К мезонам относятся пионы (π-мезоны) и каоны (K-мезоны) и многие более тяжёлые мезоны.
В последнее время были обнаружены так называемые экзотические адроны , которые также являются сильновзаимодействующими частицами, но которые не укладываются в рамки кварк-антикварковой или трёхкварковой классификации адронов. Некоторые адроны пока только подозреваются в экзотичности. Экзотические адроны делятся на:
- экзотические барионы, в частности пентакварки, минимальный кварковый состав которых - 4 кварка и 1 антикварк.
- экзотические мезоны - в частности адронные молекулы, глюболы и гибридные мезоны.
- 1 Барионы (фермионы)
- 2 Мезоны (бозоны)
- 3 История
- 4 См. также
- 5 Примечания
- 6 Литература
- 7 Ссылки
Барионы (фермионы)
Комбинация трёх u, d или s-кварков с общим спином 3/2 формирует так называемый барионный декуплет. См. более подробный список барионов.Обычные барионы (фермионы) содержат каждый три валентных кварка или три валентных антикварка.
- Нуклоны - фермионные составляющие обычного атомного ядра:
- протоны;
- нейтроны.
- Гипероны, такие, как Λ-, Σ-, Ξ- и Ω-частицы, содержат один или больше s-кварков, быстро распадаются и тяжелее нуклонов. Хотя обычно в атомном ядре гиперонов нет (в нём содержится лишь примесь виртуальных гиперонов), существуют связанные системы одного или более гиперонов с нуклонами, называемые гиперядрами.
- Также были обнаружены очарованные и прелестные барионы.
- Пентакварки состоят из пяти валентных кварков (точнее, четырёх кварков и одного антикварка).
Недавно были найдены признаки существования экзотических барионов, содержащих пять валентных кварков; однако были сообщения и об отрицательных результатах. Вопрос их существования остаётся открытым.
См. также дибарионы.
Мезоны (бозоны)
Мезоны с нулевым спином формируют нонет. См. более подробный список мезонов.Обычные мезоны содержат валентный кварк и валентный антикварк. их число входят пион, каон, J/ψ-мезон и многие другие типы мезонов. моделях ядерных сил взаимодействие между нуклонами переносится мезонами.
Могут существовать также экзотические мезоны (их существование всё ещё под вопросом):
- Тетракварки состоят из двух валентных кварков и двух валентных антикварков.
- Глюболы - связанные состояния глюонов без валентных кварков.
- Гибриды состоят из одной или более кварк-антикварковых пар и одного или более реальных глюонов.
Мезоны с нулевым спином формируют нонет.
История
В начале русскоязычные физики называли класс «гадрон».
См. также
- Классификация элементарных частиц
- Большой адронный коллайдер
Примечания
- Okun, L. B. (1962). "The Theory of Weak Interaction". Proceedings of 1962 International Conference on High-Energy Physics at CERN, p. 845.
- 1 2 3 Классификация адронов. Элементы.ру. Проверено 2 июня 2014. Архивировано из первоисточника 3 марта 2014.
- Гипотеза кварковых звезд Д. Д. Иваненко, Д. Ф. Курдгелаидзе Физический факультет Московского университета 17 июля 1965 (Астрофизика 1965, 1, 479-482)
Литература
- Jean Letessier, Johann Rafelski, T. Ericson, P. Y. Landshoff. Hadrons and Quark-Gluon Plasma. - Cambridge University Press, 2002. - 415 p. - ISBN 9780511037276.
Ссылки
- Адроны в Физической энциклопедии
| Элементарные частицы |
|
|---|---|
| Бозоны | Калибровочные бозоны (γ · g · W± · Z0) Бозоны Хиггса (H0) |
| Гипотетические | |
| Другие | G · A0 · Дилатон · J · X · Y · W’ · Z’ · Стерильное нейтрино · Ду́хи · Хамелеон · Лептокварк · Преон · Планковская частица · Максимон |
частицы
элементарных и/или
составных частиц
классификации
частиц
адронен колайдер, адрони, адронная терапия, адронний колайдер, адронного коллайдера, адронный, адронный колайдер, адронный коллайдер, адроны, адроный колайдер
Адроны - общее название для частиц, участвующих в сильных взаимодействиях. Название происходит от греческого слова, означающего «сильный, крупный». Все адроны делятся на две большие группы - мезоны и барионы.
Барионы (от греческого слова, означающего «тяжелый») - это адроны с полуцелым спином (см. Спин). Самые известные барионы - протон и нейтрон. К барионам принадлежит также ряд частиц с квантовым числом, названным когда‑то странностью. Единицей странности обладают барион лямбда (Λ 0) и семейство барионов сигма (Σ − , Σ + и Σ 0). Индексы +, −, 0 указывают на знак электрического заряда или нейтральность частицы. Двумя единицами странности обладают барионы кси (Ξ − и Ξ +). Барион Ω − имеет странность, равную трем. Массы перечисленных барионов примерно в полтора раза больше массы протона, а их характерное время жизни составляет около 10 −10 с. Напомним, что протон практически стабилен, а нейтрон живет более 15 мин. Казалось бы, более тяжелые барионы очень недолговечны, но по масштабам микромира это не так. Такая частица, даже двигаясь относительно медленно, со скоростью, скажем, равной 10% от световой, успевает пройти путь в несколько миллиметров и оставить свой след в детекторе элементарных частиц (см. Детекторы ядерных излучений). Одним из свойств барионов, отличающих их от других видов частиц, можно считать наличие у них сохраняющегося барионного заряда. Эта величина введена для описания опытного факта постоянства во всех известных процессах разности между числом барионов и антибарионов (см. Четность, Пептоны, Протон).
Мезоны - адроны с целым спином. Название произошло от греческого слова, означающего «средний», поскольку массы первых открытых мезонов имели промежуточные значения между массами протона и электрона. Барионный заряд мезонов равен нулю. Легчайшие из мезонов - пионы, или пи‑мезоны π − , π + и π 0 . Их массы примерно в 6–7 раз меньше массы протона. Более массивны странные мезоны - каоны K + , K − и K 0: их массы почти в два раза меньше массы протона. Характерное время жизни этих мезонов - 10 −8 с.
Почти все адроны имеют античастицы. Так, барион сигма - минус Σ − имеет античастицу антисигма - плюс Σ̃ + , которая отлична от Σ + . То же самое можно сказать и о других барионах. С мезонами дело обстоит несколько иначе: отрицательный пион - античастица положительного пиона, а нейтральный пион античастицы вообще не имеет, поскольку является античастицей сам себе. В то же время нейтральный каон K 0 имеет античастицу K̃ 0 . Эти факты получают объяснение в кварковой модели адронов (см. Кварки).
Мир адронов огромен - он включает более 350 частиц. Большинство их очень нестабильны: они распадаются на более легкие адроны за время порядка 10 −23 с. Это - характерное время сильных взаимодействий; за столь короткий интервал даже свет успевает пройти расстояние, равное всего лишь радиусу протона (10 −13 см). Ясно, что столь короткоживущие частицы не могут оставить следов в детекторах. Обычно их рождение обнаруживают по косвенным признакам. Например, изучают реакцию аннигиляции электронов и позитронов с последующим рождением адронов. Изменяя энергию столкновения электронов и позитронов, обнаруживают, что при каком‑то значении энергии выход адронов вдруг резко увеличивается. Данный факт можно объяснить тем, что в промежуточном состоянии родилась частица, масса которой равна соответствующей энергии (с точностью до множителя c 2). Эта частица мгновенно распадется на другие адроны, и единственным следом её появления останется пик на графике зависимости вероятности рождения адронов от энергии столкновения. Такие короткоживущие частицы называют резонансами. Большинство барионов и мезонов - резонансы. Они не оставляют «автографов» в камерах и на фотографиях, и все же физикам удается изучать их свойства: определять массу, время жизни, спин, четность, способы распада и т. п.
По современным представлениям адроны не являются истинно элементарными частицами. Они имеют конечные размеры и сложную структуру. Барионы состоят из трех кварков. Соответственно антибарион состоит из трех антикварков и всегда отличен от бариона. Мезоны построены из кварка и антикварка. Ясно, что мезоны, в состав которых входят пары из кварков и антикварков одного сорта, не будут иметь античастиц. Кварки удерживаются внутри адронов глюонным полем (см. Сильные взаимодействия). В принципе теория допускает существование других адронов, построенных из большего числа кварков или, наоборот, из одного глюонного поля. В последнее время появились некоторые экспериментальные данные о возможном существовании таких гипотетических частиц.
Динамическая теория кварков, описывающая их взаимодействия, стала развиваться относительно недавно. Первоначально кварковая модель была предложена для «наведения порядка» в слишком многочисленном семействе адронов. Эта модель включала кварки трех видов, или, как принято говорить, ароматов. С помощью кварков удалось навести порядок в многочисленном семействе адронов, распределив их в группы частиц, называемые мультиплетами. Частицы одного мультиплета имеют близкие массы, но не только это послужило основой их классификации; кроме опытных данных в этом случае использовали специальный математический аппарат теории групп.
В дальнейшем оказалось, что трех кварковых ароматов недостаточно для описания всех адронов. В 1974 г. были открыты так называемые пси‑мезоны, состоящие из кварка и антикварка нового вида (cc̃). Этот аромат был назван очарованием. Новый очарованный кварк с оказался гораздо тяжелее своих «собратьев»: легчайшая из пси‑частиц - мезон J/ψ - имеет массу 3097 МэВ, т. е. в 3 раза тяжелее протона. Время её жизни около 10 −20 с. Было открыто целое семейство пси‑мезонов с тем же кварковым составом сс, но находящихся в возбужденных состояниях и вследствие этого имеющих большие массы. Было очевидно, что должны существовать и связанные состояния c‑кварка с кварками других ароматов. В такого рода частицах «очарование» c‑кварка не будет компенсироваться «антиочарованием» c̃‑кварка, как это происходит в пси‑мезонах. Поэтому такие частицы получили название очарованных мезонов. Сейчас почти все они уже открыты. Упомянем для примера очарованный странный мезон F +20 с кварковым составом cs̃, имеющий массу 2021 МэВ. Теория предсказывает также существование около 20 очарованных барионов, некоторые из них уже найдены в опытах, например барион Λ c + с составом c̃ud и массой 2282 МэВ.
Существование очарованного кварка было предсказано теоретиками, поскольку выяснилось, что кварки должны встречаться парами, дублетами. Неожиданно оказалось, что природа не ограничилась двумя кварковыми дублетами. В 1977 г. были открыты ипсилон‑мезоны, состоящие из кварка и антикварка пятого вида b. Новый аромат получил название прелесть. Прелестные кварки еще более массивны, чем очарованные. Масса первой из ипсилон‑мезонов частицы Y составляет 9456 МэВ. Это самая легкая частица из семейства ипсилонов (сейчас известны четыре частицы этого семейства с кварковым составом bb̃), но и она в 10 раз (!) тяжелее протона. В самое последнее время стало известно об открытии прелестных мезонов, в которых b‑кварк соединен с антикварком другого аромата; например, B −20 ‑мезон имеет состав bũ. Масса прелестных мезонов порядка 5274 МэВ. Ожидается, что b‑кварк также образует кварковый дублет с еще более массивным t‑кварком, пока еще не обнаруженным экспериментально.
Исследования на больших ускорителях сильно расширили наши представления об элементарных частицах. Прежде всего это касается самого многочисленного семейства частиц - адронов, г. е. частиц, участвующих в сильных взаимодействиях. В настоящее время известно несколько сотен таких адронов - барионов (частиц с барионным зарядом ), антибарионов () и мезонов, у которых барионный заряд равен нулю. Большинство этих частиц распадается на другие адроны из-за сильных взаимодействий. Они имеют малые времена жизни, характерные для ядерных процессов (, см. § 234). Столь короткие временные интервалы не могут быть измерены непосредственно и определяются из косвенных данных. Однако есть адроны и с временами жизни . Распады этих долгоживущих (по ядерным масштабам) частиц обусловлены слабыми взаимодействиями.
Пока элементарных частиц было известно немного, они считались «кирпичиками» мироздания: из них строилось все многообразие атомов. Теперь же число элементарных частиц превышает число химических элементов, и само понятие «элементарная частица» для адронов явно утратило свое первоначальное значение.
В физике элементарных частиц нет сейчас законченной теории, которая позволила бы объяснить все основные явления, выявить главнейшие закономерности и достигнуть той же степени понимания, которая существует в классической механике или электродинамике, В подобной ситуации особое значение приобретают попытки феноменологического анализа и классификации физических явлений, основанные на определенных законах сохранения. Эти законы позволяют ориентироваться в том, какие процессы могут, а какие не могут происходить в природе.
Вспомним, например, закон сохранения барионного заряда, о котором говорилось в предыдущей главе. Согласно этому закону в любых процессах разность между числом барионов и антибарионов не изменяется. Для математического выражения этого закона мы приписали барионам значение барионного заряда , антибарионам - значение , а для всех других частиц положили барионный заряд равный нулю. Тогда сохранение числа барионов и означает сохранение барионного заряда.
Для суждения о возможности той или иной реакции необходимо прежде всего проверить, сохраняются ли в этой реакции электрический и барионный заряды. Рассмотрим, например, процесс
Исходные
частицы имеют суммарный барионный заряд 
. Для частиц в конечном состоянии 
. Другими словами, барионный заряд в начальном и
конечном состоянии один и тот же (
), и реакция может идти. Легко проверить, что эта реакция
разрешена и законом сохранения электрического заряда (электрический заряд
протона +1, а антипротона -1). Однако реакция
, (239.2)
хотя в
ней также сохраняется электрический заряд, оказывается запрещенной из-за
несохранения барионного заряда (
). О других законах сохранения мы будем говорить ниже.
Установление закономерностей внутреннего строения элементарных частиц является одной из важнейших проблем современной физики. Для решения этой проблемы имеет большое значение создание четкой систематики частиц, в известном смысле напоминающей периодическую таблицу.
Первый шаг в этом направлении был сделан, когда удалось выяснить, что адроны группируются в очень близкие по своим свойствам небольшие семейства частиц, отдельные члены которых различаются между собой в основном своими электромагнитными свойствами - зарядами, магнитными моментами. Примерами таких семейств являются уже известные нам нуклоны (протоны, нейтроны) или -мезоны (). Однако число изотопических семейств также очень велико - превышает сотню. Эти семейства в свою очередь объединяются в более обширные и сложные группы. Частицы, входящие в подобные группы, обнаруживают между собой заметное сходство, хотя и не являются столь «близкими родственниками», как члены одного изотопического семейства. В основе таких объединений лежит определенная близость или какая-то закономерная связь между основными параметрами, характеризующими частицы. Эти параметры называют обычно квантовыми числами элементарных частиц.
Квантовыми числами адронов прежде всего являются их массы, электрические заряды, спины, магнитные моменты, времена жизни, значения барионного заряда. Однако это далеко не все. Барионные и электрические заряды - это не единственные «заряды», характеризующие сильновзаимодействующие частицы. Было установлено экспериментально, что в ряде реакций некоторые адроны рождаются целыми группами - из двух или даже нескольких частиц. Здесь наблюдается определенное сходство с процессами образования барионов и антибарионов, которые, как мы видели выше, никогда не рождаются поодиночке. Закономерности, связанные с парным образованием барионов и антибарионов, вместе с данными по стабильности нуклонов как раз и показали, что барионы характеризуются сохраняющимся квантовым числом - барионны.м зарядом. Но рождение групп новых частиц уже нельзя объяснить, пользуясь только законами сохранения электрического и барионного зарядов. Опыты показали, что существуют процессы, при которых протон переходит в другой барион (так что барионный заряд сохраняется), но при этом обязательно образуются и новые типы мезонов. Все это заставило предположить, что у некоторых адронов существуют новые специфические квантовые числа, новые «заряды», которые до известной степени напоминают барионный заряд и могут иметь дискретные положительные, пулевые и отрицательные значения. Эти новые заряды получили общее название ароматов. Отдельные ароматы получили наименования странность, очарование, прелесть и т. д.
Некоторые такие названия носят исторический характер. Так, в 50-х годах, когда были открыты первые необычные частицы, их свойства казались очень загадочными в свете существовавших тогда представлений. Отсюда возникло название странные частицы. Когда же загадки были объяснены введением нового квантового числа, то этот новый «заряд» и получил название странность. В целом же обилие экзотических наименований в физике элементарных частиц (кварк, аромат, странность, очарование и т. д.) отражает пристрастие физиков, работающих в этой области, к ярким, запоминающимся и образным выражениям, которые звучат загадочно и красиво на всех языках и вместе с тем напоминают нам о том, что природа соответствующих объектов еще не понята до конца и, возможно, таит в себе много неожиданного.
Общие характеристики некоторых сильновзаимодействующих частиц приведены в табл. 13, которая в дальнейшем будет обсуждаться более подробно. В этой таблице, однако, содержится очень малая часть всех известных адронов - только сравнительно долгоживущие частицы, распадающиеся благодаря слабым взаимодействиям (или под действием электромагнитных сил). Большинство адронов, как уже говорилось выше, распадаются из-за сильных взаимодействий, и их времена жизни лежат в области с. Важно подчеркнуть, что эти короткоживущие адроны принципиально ничем не отличаются от долгоживущих частиц.
Мы ограничились в табл. 13 одними долгоживущими частицами, так как, если попытаться включить в нее все известные адроны, то таблица превратится в целую брошюру.
Огромное число обнаруженных адронов я определенная их группировка по разным классам и семействам более или менее близких но свойствам объектов заставляет усомниться в элементарном характере этих частиц. Наиболее естественное объяснение группирования адронов в семейства, представления о природе и структуре этих семейств, а также объяснения многих других свойств адронной материи были получены в кварковой модели строения адронов.
Таблица 13. Некоторые адроны
Примечание. Электрические заряды частиц приводятся в единицах элементарного заряда. Пока открыто только несколько очарованных и прелестных частиц, хотя теория предсказывает существование очень большого числа таких адронов, как долгоживущих, таки короткоживущих.
Основные положения этой модели могут быть сформулированы следующим образом.
1. Адроны нельзя рассматривать как элементарные частицы в подлинном смысле этого слова. Они имеют сложную внутреннюю структуру и, наподобие атомных ядер, являются связанными системами из истинно-элементарных или фундаментальных частиц. Фундаментальные структурные элементы, входящие в состав адронов, получили название кварков.
2.
Систематика
адронов (т. е, изучение состава и свойств «родственных семейств», в которые
группируются адроны) позволила установить, что все известные барионы состоят из
трех кварков (), антибарионы - из трех антикварков (а все мезоны - из кварка и антикварка
(). Оказалось, что кварки должны обладать очень необычными
свойствами. Так как барионпый заряд у барионов (у антибарионов ), то из кварковой структуры барионов следует, что барионный
заряд кварков дробный: 
. Электрический заряд кварков тоже должен быть дробным (если
за единицу принять элементарный заряд): или ( или ). Только в этих предположениях можно объяснить квантовые
числа и свойства всех адронов.
3. Существуют не менее 6 типов кварков, каждый из которых является носителем определенного нового квантового числа - адронного аромата. Эти кварки получили следующие названия:
Кварк (странный кварк) носитель аромата странности
Кварк (очарованный кварк) носитель аромата очарования
Кварк (прелестный кварк) носитель аромата прелести
Кварк (истинный кварк) носитель аромата истинности
Подчеркнем, что каждый кварк песет только один аромат. Все остальные ароматы у него отсутствуют, г. е. соответствующие квантовые числа равны нулю. Антикварки отличаются от кварков противоположными значениями всех зарядов. Так, например, -кварк характеризуется электрическим зарядом , барионным зарядом , значением странности , остальные ароматы у него отсутствуют, т. е. . Для антикварка ; ; . Значения квантовых чисел кварков приведены в табл. 14.
4. Сильные и электромагнитные взаимодействия не могут изменить индивидуальность кварков, т. е. они не меняют значения кварковых ароматов. Другими словами, в этих взаимодействиях имеют место законы сохранения ароматов (аналогичные закону сохранения барионного заряда). В процессах, обусловленных сильными и электромагнитными взаимодействиями, может происходить либо просто перегруппировка кварков, либо образование (уничтожение) кварк-антикварковых пар с определенными ароматами, либо и то и другое вместе.
5. Слабые взаимодействия играют в природе уникальную роль - они меняют индивидуальность кварков и могут переводить кварк с одним ароматом в кварк с другим ароматом. Таким образом, хотя ароматы несколько напоминают барионный заряд, между ними все же существует очень важное различие. Барионный заряд сохраняется во всех пока нам известных процессах, в то время как ароматы обладают гораздо меньшей «устойчивостью» и сохраняются только в сильных и электромагнитных взаимодействиях.
Поиски кварков с такими яркими и необычными свойствами в свободном состоянии проводились в большом количестве экспериментов и отличались значительным разнообразием и изобретательностью. В частности, один из самых чувствительных экспериментов такого типа был проведен на Серпуховском ускорителе вскоре после его запуска. Другой очень красивый опыт, в котором искались частицы с дробными зарядами в окружающем нас веществе, представлял собой значительно усовершенствованный вариант опыта Милликена по определению элементарного заряда (§ 197) и был выполнен физиками МГУ. Однако ни в одном из этих и других многочисленных экспериментов кварки найти не удалось.
Вместе с тем исследования свойств адронов все более и более убедительно показывали, что адроны действительно имеют сложную структуру и состоят из кварков. Об этом свидетельствовали опыты, в которых изучалось пространственное распределение электрического заряда и магнитного момента и было обнаружено внутреннее движение кварков в адронах. Удалось даже косвенным образом измерить электрические заряды кварков в адронах и убедиться, что они действительно являются дробными и соответствуют сделанным выше предположениям. Целый ряд соотношений между вероятностями образования или распада сильновзаимодействующих частиц и многие другие данные также свидетельствуют о справедливости кварковой модели. С помощью этой модели было предсказано существование ряда новых частиц с вполне определенными свойствами, и такие предсказания блестяще подтвердились на опыте. Весь этот богатый экспериментальный материал убедил ученых в том, что кварки действительно являются физической реальностью.
Как же можно объяснить, что они проявляются внутри адронов и не наблюдаются в свободном виде? Однозначного ответа на этот вопрос пока нет. Установлено, однако, что кварки связываются между собой особыми силами, которые обусловлены обменом частицами-глюонами, также не наблюдаемыми в свободном состоянии. Эти силы «склеивают» кварки в адронах и носят, по-видимому, такой удивительный характер, что ни при каких соударениях не позволяют кваркам вылететь из адронов.
Таблица 14. Истинно-элементарные частицы
|
Название семейства |
I поколение фундаментальных частиц |
II поколение фундаментальных частиц |
III поколение фундаментальных частиц |
Электрический заряд |
Примечание |
|
|
|
|
У всех кварков барионный заряд , лептонные заряды равны нулю. Кварки имеют спин . У каждого типа кварков имеется соответствующий антикварк. Отличающийся знаками всех зарядов и ароматов. Кварки удерживаются внутри адронов и в свободном виде не наблюдаются. |
||
|
|
|
|
|||
|
Электронные лептоны
|
мюонные лепоны
|
тау-лептоны
|
У всех лептонов барионный заряд и кварковые ароматы равны нулю. Лептоны не участвуют в сильных взаимодействиях. Их спины . У каждого типа лептона есть антилептон. Отличающийся от лептона знаком всех зарядов. Вопрос о массе нейтрино пока еще не выяснен, и сейчас можно только указать полученные экспериментально верхние границы для этих масс |
||
|
Электроны
|
|
Лептонны
|
|||
|
Электронные нейтрино |
Мюонный нейтрино
|
Тау-нейтрино Глюоны; их спин 1 и -спин для любых частиц может быть либо целым, либо полуцелым - в этом его замечательная особенность. Адроны могут «развалиться» с образованием многих других адронов, т. е. в процессе соударения может родиться много кварк-антикварковых пар, которые связываются затем в составные частицы. Однако свободные кварки из начального адрона никогда не вылетают. Ситуация здесь несколько напоминает опыты с постоянными магнитами: растягивая их, мы разламываем магниты, и при этом образуются новые магнитные диполи, а не одиночные магнитные полюсы. Проблема невылетания кварков и глюонов из адронов, которая получила специальное название конфайнмент (т. е. тюремное заключение), является одной из самых фундаментальных проблем физики элементарных частиц, и она еще ждет своего окончательного решения. |
АДРОНЫ (от греческого αδρ?ς - большой, сильный), частицы, участвующие в сильных взаимодействиях. К адронам относятся мезоны и барионы (в том числе протон и нейтрон). Адроны следует отличать от атомных ядер, которые состоят из двух и большего числа нуклонов.
Адроны не элементарны, они состоят из кварков. Наиболее хорошо изученные барионы состоят из трёх кварков, а мезоны - из кварка и антикварка, «склеенных» глюонами. Все известные адроны состоят из шести типов (или, как часто говорят, ароматов) кварков, обозначаемых буквами u, d, s, с, b, t. Нуклоны состоят из самых лёгких кварков: u и d (так, протон р и нейтрон n представляются в виде р = uud, n = ddu). Барионы, содержащие более тяжёлые кварки (s, с, b), называют гиперонами. Взаимодействие глюонов с кварками и глюонов с глюонами обусловлено наличием у кварков, антикварков и глюонов специфических зарядов, называемых цветными зарядами (или цветом). Теория, описывающая эти взаимодействия, называется квантовой хромодинамикой (КХД).
Кварк каждого аромата существует в виде трёх цветовых разновидностей (красный, жёлтый, синий). Цвета антикварков дополнительны (оранжевый, зелёный, фиолетовый). Каждый из восьми глюонов несёт двойной цветовой заряд, например, красно-оранжевый, жёлто-синий и так далее. Названия цветов условны, но приведённый выше выбор в соответствии с принятой в оптике терминологией удобен тем, что при этом адроны (не обладающие цветовыми зарядами) естественно называть бесцветными или белыми частицами. Цветные частицы кварки, антикварки, глюоны - как бы заключены внутри белых адронов. Это явление называют конфайнментом. Последовательная теория конфайнмента в рамках КХД пока не построена. Следствием конфайнмента является то, что в столкновениях адронов высоких энергий друг с другом или с другими частицами - фотонами или лептонами - рождаются адроны, но не свободные кварки и глюоны.
На ускорителях частиц высоких энергий ведутся поиски так называемых экзотических адронов, структура которых более сложна, чем три кварка в случае барионов и кварк-антикварк в случае мезонов. Экзотические мезоны, состоящие только из глюонов, называются глюболами.
Адроны, содержащие в дополнение к минимальному числу кварков ещё и глюон, называются гибридами. Так как электрический заряд глюонов равен нулю, и они не обладают ароматом, глюболы должны быть электрически нейтральны, а гибриды должны иметь тот же аромат, что и соответствующий адрон, не содержащий дополнительного глюона. Вместо дополнительного глюона экзотический адрон может содержать пару кварк-антикварк (например, uu или ds, где чёрточка над символом кварка означает антикварк). В первом случае аромат экзотического адрона совпадает с ароматом основного, во втором отличается от него.
Исторически первыми изученными адронами были нуклоны (протон и нейтрон) и самые лёгкие из мезонов - пи-мезоны, открытые в 1947 году. В 1950-х годах открыты странные частицы. Их изучение и систематизация привели в 1964 году к созданию кварковой модели адронов, а s-кварк, входящий в состав странных частиц, получил название странного кварка. В 1974 году открыт первый мезон, содержащий очарованные кварк с и антикварк с (смотри Очарованные частицы). Такие мезоны названы мезонами со скрытым очарованием (чармом). Вслед за этим открыты мезоны с явным очарованием, типа eu или cd. В 1976 году открыты первые мезоны типа bb, а затем мезоны типа bu, bd, bs и др. В 1984 году на протон-антипротонном коллайдере рождены пары самых тяжёлых кварков t и t. Масса t-кварка около 175 ГэВ, его время жизни настолько мало (порядка 10 -24 с), что он не успевает образовать соответствующие адроны ни с t-кварком, ни с более лёгкими кварками, сопровождающими его рождение.
Лит.: Окунь Л. Б. Физика элементарных частиц. 2-е изд. М., 1988.