§ 275. Классификация элементарных частиц. Кварки

В многообразии элементарных частиц, из­вестных к настоящему времени, обнару­живается более или менее стройная систе­ма классификации. Для ее пояснения в табл. 8 представлены рассмотренные вы­ше элементарные частицы, для которых приводятся основные характеристики. Ха­рактеристики для античастиц не приво­дятся, поскольку, как указывалось в § 273, модули зарядов и странности, массы, спи­ны, изотопические спины и время жизни частиц и их античастиц одинаковы, они различаются лишь знаками зарядов и странности, а также знаками других величин, характеризующих их электриче­ские (а следовательно, и магнитные) свой­ства. В таблице нет также античастиц фотона и.p⁰ - и h⁰ -мезонов, так как антифо­тон и антипи-ноль- и антиэта-ноль-мезоны тождественны с фотоном и p⁰ - и h⁰-мезо­нами.

В табл.8 элементарные частицы объединены в три группы (см. §272): фо­тоны, лептоны и адроны. Элементарные частицы, отнесенные к каждой из этих групп, обладают общими свойствами и ха­рактеристиками, которые отличают их от частиц другой группы.

К группе фотонов относится един­ственная частица — фотон, который пере­носит электромагнитное взаимодействие. В электромагнитном взаимодействии участвуют в той или иной степени все частицы, как заряженные, так и нейтраль­ные (кроме нейтрино).

К группе лептонов относятся электрон, мюон, таон, соответствующие им нейтри­но, а также их античастицы. Все лептоны имеют спин, равный 1/2, и, следовательно, являются фермионами (см. §226), подчи­няясь статистике Ферми — Дирака (см. §235). Поскольку лептоны в сильных взаимодействиях не участвуют, изотопиче-

 

445

ский спин им не приписывается. Стран­ность лептонов равна нулю.

Элементарным частицам, относящимся к группе лептонов, приписывают так на­зываемое лептонное число (лептонный за­ряд) L. Обычно принимают, что L=+1 для лептонов (e^-, m^-, t^-, v_е, v_m, v_t), L= — 1 для антилептонов (e⁺, m⁺ , t⁺, v^_e, v^m, v^_t) и L=0 для всех остальных эле­ментарных частиц. Введение L позволяет сформулировать закон сохранения лептонного числа: в замкнутой системе при всех без исключения процессах взаимопревращаемости элементарных частиц лептонное число сохраняется.

Теперь понятно,  почему при  распаде

(258.1) нейтральная частица названа антинейтрино, а при распаде (263.1) — нейтрино. Так как у электрона и нейтрино L= + l, а у позитрона и антинейтрино L=-1, то закон сохранения лептонного числа выполняется лишь при условии, что антинейтрино возникает вместе с элек­троном, а нейтрино — с позитроном.

Основную часть элементарных частиц составляют адроны. К группе адронов от­носятся пионы, каоны, h-мезон, нуклоны, гипероны, а также их античастицы (в табл.8 приведены не все адроны).

Адронам приписывают барионное чис­ло (барионный заряд) В. Адроны с В=0 образуют подгруппу мезонов (пионы,

 

 

446

каоны, h-мезон), а адроны с В=+1 об­разуют подгруппу барионов (от греч. «барис» — тяжелый; сюда относятся нуклоны и гипероны). Для лептонов и фотона В=0. Если принять для барионов В=+1, для антибарионов (антинуклоны, антигипероны) В=-1, а для всех остальных частиц B=0, то можно сформулировать закон сохранения барионного числа: в замкнутой системе при всех процессах взаимопревращаемости элементарных частиц барионное число сохраняется.

Из закона сохранения барионного числа следует, что при распаде бари­она наряду с другими частицами обяза­тельно образуется барион. Примерами сохранения барионного числа являются реакции (273.1) — (273.5). Барионы имеют спин, равный 1/2 (только спин W^--гиперона равен 3/2), т. е. барионы, как и лепто­ны, являются фермионами.

Странность 5 для различных частиц подгруппы барионов имеет разные значе­ния (см. табл. 8).

Мезоны имеют спин, равный нулю, и, следовательно, являются бозонами (см. § 226), подчиняясь статистике Бозе — Эйнштейна (см. §235). Для мезонов лептонные и барионные числа равны нулю. Из подгруппы мезонов только каоны обла­дают S= + l, а пионы и h-мезон имеют нулевую странность.

Подчеркнем еще раз, что для процес­сов взаимопревращаемости элементарных частиц, обусловленных сильными взаимо­действиями, выполняются все законы со­хранения (энергии, импульса, момента им­пульса, зарядов (электрического, лептонного и барионного), изоспина, странности и четности). В процессах, обусловленных слабыми взаимодействиями, не сохраня­ются только изоспин, странность и чет­ность.

В последние годы увеличение числа элементарных частиц происходит в основ­ном за счет расширения группы адронов.

Поэтому развитие работ по их класси­фикации все время сопровождалось по­исками новых, более фундаментальных частиц, которые могли бы служить бази­сом для построения всех адронов. Гипоте­за о существовании таких частиц, названных кварками, была высказана независи­мо друг от друга (1964) австрийским физиком Дж. Цвейгом (р. 1937) и Гелл-Манном. Название «кварк» заимствовано из романа ирландского писателя Дж. Джойса «Поминки по Финнегану» (герою снится сон, в котором чайки кричат: «Три кварка для мастера Марка»).

Согласно модели Гелл-Манна — Цвей­га, все известные в то время адроны мож­но было построить, постулировав сущест­вование трех типов кварков (и, d, s) и со­ответствующих антикварков (и^, d^, s^), если им приписать характеристики, указанные в табл. 9 (в том числе дробные! электриче­ские и барионные заряды). Самое удиви­тельное (почти невероятное) свойство кварков связано с их электрическим за­рядом, поскольку еще никто не находил частицы с дробным значением элементар­ного электрического заряда. Спин кварка равен 1/2, поскольку только из фермионов можно «сконструировать» как фермионы (нечетное число фермионов), так и бозоны (четное число фермионов).

Адроны строятся из кварков следую­щим образом: мезоны состоят из пары кварк — антикварк, барионы — их трех кварков (антибарион — из трех антиквар­ков). Так, например, пион p⁺ имеет кварковую структуру ud^, пион p^-—u^d, каон K⁺— ds^, протон — uud, нейтрон — udd, S⁺-гиперон — uus, S⁰-гиперон — uds и т. д.

Во избежание трудностей со статисти­кой (некоторые барионы, например W^--гиперон, состоят из трех одинаковых кварков (sss), что запрещено принципом

 

 

447

Паули; см.§227) на данном этапе пред­полагают, что каждый кварк (антикварк) обладает специфической квантовой ха­рактеристикой — цветом: «желтым», «си­ним» и «красным». Тогда, если кварки имеют неодинаковую «окраску», принцип Паули не нарушается.

Углубленное изучение модели Гелл-Манна — Цвейга, а также открытие в 1974 г. истинно нейтрального джей-пси-мезона (J/y) массой около 6000 m_e, вре­менем жизни примерно 10^-20 с и спином, равным единице, привело к введению но­вого кварка — так называемого c-кварка и новой сохраняющейся величины — «оча­рования» (от англ. charm). Подобно странности и четности, очарование сохра­няется в сильных и электромагнитных вза­имодействиях, но не сохраняется в слабых. Закон сохранения очарования объясняет относительно долгое время жизни J/y-мезона. Основные характеристики c-кварка приведены в табл. 9.

Частице J/y приписывается кварковая структура cc. Структура cc^ называется чармонием — атомоподобная система, на­поминающая позитроний (связанная водородоподобная система, состоящая из электрона и позитрона, движущихся во­круг общего центра масс).

Кварковая модель оказалась весьма плодотворной, она позволила определить почти все основные квантовые числа адронов. Например, из этой модели, поскольку спин кварков равен 1/2, следует целочис­ленный (нулевой) спин для мезонов и по­луцелый — для барионов в полном соответствии с экспериментом. Кроме того, эта модель позволила предсказать также и но­вые частицы, например W^--гиперон. Одна­ко при использовании этой модели воз­никают и трудности. Кварковая модель не позволяет, например, определить массу адронов, поскольку для этого необходимо знание динамики взаимодействия кварков и их масс, которые пока неизвестны.

В настоящее время существует точка зрения, что между лептонами и кварками существует симметрия: число лептонов до­лжно быть равно числу типов кварков. В 1977 г. был открыт сверхтяжелый мезон массой около 20 000m_e, который представ­ляет собой структуру из кварка и антик­варка нового типа —b-кварка (является носителем сохраняющейся в сильных вза­имодействиях величины, названной «пре­лестью» (от англ, beauty)). Заряд b-кварка равен — 1/3. Предполагается, что су­ществует и шестой кварк t с зарядом +2/3, который уже решено назвать истин­ным (от англ. truth — истина), подобно тому как v-кварк называют очарованным, b-кварк — прелестным. В физике элемен­тарных частиц введен «аромат» — харак­теристика типа кварка (и, d, s, с, b, t?), объединяющая совокупность квантовых чисел (странность, очарование, прелесть и др.), отличающих один тип кварка от другого, кроме цвета. Аромат сохраняется в сильных и электромагнитных взаимодей­ствиях. Является ли схема из шести лепто­нов и шести кварков окончательной или же число лептонов (кварков) будет расти, покажут дальнейшие исследования.