Что такое адроны в физике. Понятие об адроне

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

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.

Адронами называются элементарные частицы, которые могут участвовать и реально участвуют в сильном взаимодействии. Все они подвержены также электромагнитному, слабому и гравитационному взаимодействиям. Класс адронов самый многочисленный: он насчитывает более 300 частиц (если считать и античастицы). , согласно современным воззрениям, являются составными частицами. Первым косвенным указанием на это может служить хотя бы то, что их очень много - несколько сотен. Далее, большинство адронов являются резонансами - крайне нестабильными частицами. Но, главное, у адронов была обнаружена внутренняя структура. Уже из результатов опытов по упругому рассеянию электронов на нуклонах, проведенных в 50-60-е годы, следовало, что радиусы протона и нейтрона отличны от нуля. Конечно, непосредственно измерить эти радиусы не возможно, имеются в виду среднеквадратичные радиусы распределения электрического заряда и магнитного момента в этих частицах.

R N =0,8·10 -15 м.

При этом электрический заряд и магнитный момент распределены в них неравномерно: они спадают от центра к периферии по экспоненциальному закону (у нейтрона распределение электрического заряда отсутствует). Так, плотность электрического заряда протона хорошо описывается следующей экспериментально найденной формулой:

g(r) =e ·3,06exp(-4,25r) .

Более того, опыты по неупругому рассеянию электронов на нуклонах, проведённые в 60-70-е годы, выявили зернистую («партонную») структуру протона и нейтрона.

состоят из кварков . комбинируются таким образом, что их дробные заряды в сумме дают целый заряд адрона, т.е. адроны не имеют цветового заряда, хотя его имеют кварки. Все адроны, за исключением протона, - нестабильны, т.е. распадаются на другие частицы. Например, нейтрон распадается на протон, электрон и антинейтрино; K-мезон распадается на два пи-мезона, которые далее распадаются на мюон и нейтрино и т.д.

Различают стабильные (точнее, мета-стабильные) адроны со средними временами жизни T>10 -23 с и резонансы, времена жизни которых T~10 -24 -10 -23 с. Самой характерной особенностью резонансов является то, что они распадаются в результате сильного взаимодействия, тогда как распады «стабильных» адронов обусловлены гораздо менее интенсивными взаимодействиями, главным образом слабым, иногда электромагнитным. Данное свойство резонансов может служить наиболее адекватным их определением.

Адроны подразделяются на барионы и мезоны.

Адроны, имеющие полуцелые спины, называют барионами; адроны, обладающие целыми спинами, называют мезонами.

Мезоны (от греч. m esos - средний ) состоят из одного кварка и одного антикварка. Например, такой мезон, как пион (π + ), имеет структуру ud (т.е. состоит из одного u -кварка и одного d -антикварка). Аналогично антипион (p - ) имеет совсем другую структуру du (т.е. состоит из одного u -антикварка и одного d -кварка). Мезоны относятся к бозонам, т.е. к переносчикам взаимодействий (см. стандартная модель).

Поскольку мезон состоит из частицы и античастицы, то он очень нестабилен. Однако такой мезон, как каон (K ), имеет гораздо большую продолжительность жизни по сравнению с остальными мезонами, и потому входящий в него кварк назвали странным (strange).

Таким образом, бывают стабильные мезоны и стабильные барионы, а также мезонные резонансы и барионные резонансы. Для характеристики этого различия вводят физическую величину, аналогичную лептонному заряду - барионный заряд.

По определению, у всех барионов В = + 1, у всех антибарионов В= - 1, у всех прочих частиц (в том числе у мезонов) В = 0. Пока считается, что барионный заряд сохраняется во всех взаимодействиях. Этим обусловлена, в частности, стабильность протона - самого легкого бариона. Все мезоны и барионы подразделяются на «обычные», «странные», «очарованные» и «прелестные». Заметим, что «прелестные» барионы ещё не зарегистрированы, хотя нет никаких сомнений в том, что они существуют. Кроме того, предсказывается новый класс «истинных» частиц с весьма большими массами.

Помимо пространственно-временных симметрий в мире частиц действуют симметрии иной природы, называемые внутренними или динамическими симметриями. Они позволяют, например, классифицировать всё многообразие адронов.

Пояснить, что такое внутренняя симметрия, лучше всего на конкретном примере. Рассмотрим два легчайших бариона - протон и нейтрон. Массы частиц очень близки: m p = 938,2 МэВ , m n = 939,5 МэВ . Заряд протона Q = +1 , заряд нейтрона Q = 0 . Как показывают эксперименты, в реакциях сильного взаимодействия обе частицы ведут себя одинаково. Если не учитывать электромагнитный заряд, то во всём остальном они неразличимы. В ядерном мире протон и нейтрон выступают как единая частица - нуклон, который может находиться в двух разных состояниях, протонном и нейтронном.

«Взаимозаменяемость» протона и нейтрона в реакциях сильных взаимодействий можно математически описать как симметрию по отношению к вращениям в некотором гипотетическом (не имеющем ничего общего с обычным) трёхмерном пространстве, получившем название изотопического пространства. Как электрон со спином ½ способен находиться в двух состояниях с проекциями спина на избранное направление (ось квантования) ½ или -½, так и протон с нейтроном могут считаться состояниями одной частицы (нуклона N), наделённой новым квантовым числом - изотопическим спином T= ½ , но с разными проекциями: Tз = ½ и Tз = -½ (понятие изотопического спина ввёл в 1940 г. В. Гейзенберг). Неразличимость протона и нейтрона теперь выражается как инвариантность уравнений теории сильных взаимодействий относительно «вращений» в изотопическом пространстве. Или, другими словами, тождественность протона и нейтрона по отношению к сильному взаимодействию находит свое конкретное выражение в свойстве зарядовой независимости ядерных сил: они одинаковы для систем р - р, п - п, р - п .

Все адроны распределяются по небольшим семействам - изомультиплетам. Сильное взаимодействие отдельных их членов одинаково, а различаются они только своим отношением к электромагнитному и слабому взаимодействиям. Если бы два последних взаимодействия удалось бы не учитывать, то члены одного изомультиплета стали бы тождественными, неразличимыми частицами. Характерный внешний признак принадлежности частиц к одному изомультиплету - приближенное равенство их масс при разных значениях электрического заряда. Считается, что небольшие различия в массах возникают как раз вследствие электромагнитного взаимодействия. Самый известный пример изомультиплета дает нуклонный изодублет N , содержащий протон р и нейтрон п , на примере которого мы и провели первоначальное пояснение.

Математический аппарат, с помощью которого описываются разные изомультиплеты и отдельные их члены, почти идентичен аппарату, созданному для описания обычного спина и разных спиновых состояний данной частицы. Изомультиплету в целом приписывается изоспин T , который определяет число его членов по формуле:

N=2T+1 . ()

У частицы с обычным спином J имеется 2J + 1 спиновых состояний, различающихся проекциями спина J 3 . По аналогии с этим вводится проекция изоспина T з , значениями которой различаются отдельные члены изомультиплета (хотя здесь никакие наглядные геометрические образы непригодны). Величина T з пробегает значения от -T до T через единицу в порядке возрастания электрического заряда. Приведем два простых примера. Для нуклона N = 2 (р, п) , а поэтому T=½ , у нейтрона T з =-½ протона T з =+ ½ . Для пиона N = 3 (л + , л 0 , л -) , и поэтому Т= 1 ; у л - -мезона T з = - 1 , у л 0 -мезона T з = 0 , у л + -мезона Т з =+1 .

В сильном взаимодействии изоспин сохраняется. Заметим только, что свойство зарядовой независимости ядерных сил является частным следствием закона сохранения изоспина. Электромагнитное взаимодействие делает члены данного изомультиплета уже различными, и поэтому в процессах, им обусловленных, изоспин не сохраняется. Не сохраняется он и в слабом взаимодействии.

Прежде всего следует напомнить, что адроны, в состав которых входят того или иного аромата, становятся обладателями соответствующего квантового числа, другими словами, в составе рассматриваемых ниже странных частиц содержится странный кварк.

Первоначально из адронов были известны только частицы N и л. Электрические заряды этих «обычных» частиц могут быть вычислены по формуле q = T 3 +½B, (1) .

Но для «странных» частиц, открытых в 50-е годы, данная формула уже не справедлива. Так, у K + -мезона q= +1 , в то время, как Тз= +½, B=0 . Всем этим частицам приписывается новое квантовое число - странность S. Оно вводится так, чтобы для странных частиц выполнялось соотношение Гелл-Манна-Нишиджимы q = T 3 +½(B+S), (2) , обобщающее предыдущую формулу. По сути дела, соотношение рассматривается в настоящее время просто как определение странности, позволяющее находить её значения для конкретных частиц. Так, у «обычных» частиц S = 0 , а из последнего примера сразу ясно, что K + -мезону следует приписать странность S= + 1 .

Считается, что странность сохраняется в сильном (и электромагнитном) взаимодействии, но не сохраняется в слабом взаимодействии. В более строгом смысле в физике элементарных частиц существуют т.н. правила отбора , одно из них применительно к свойству странности формулируется так: суммы странностей частиц в начале и конце реакции сильного взаимодействия одинаковы.

Этим сразу объясняется весьма необычное свойство странных частиц, из-за которого они главным образом и получили свое название: рождаются эти частицы всегда парами, причем быстро - за время т~10 -23 с, а распадаются поодиночке и медленно - за время т~ 10 -10 -т~ 10 -8 с. Дело в том, что в космическом излучении «странные» частицы генерируются при соударении «обычных» адронов N и л с S=0 и в результате сильного взаимодействия (отсюда малые времена). Так как в начальном состоянии S = 0 , то и в конечном состоянии полная странность равна нулю. А это значит, что если образовалась какая-то одна частица с S не равной О , то обязана образоваться и другая частица с противоположным значением S . Распадаться же «странные» частицы за счёт сильного взаимодействия не могут, так как в конечном итоге они превращаются в «обычные» частицы. Их распады обусловлены слабым взаимодействием, не сохраняющим странность, откуда относительно большие времена жизни.

В 70-е годы были открыты очарованные частицы, для которых оказалось несправедливым и соотношение (2) . Им приписали новое квантовое число - очарование С , введение которого обобщает соотношение Гелл-Манна-Нишиджимы q = T 3 +½(B+S+C), (3) .

Очарование подчиняется таким же законам сохранения, что и странность. После открытия прелестных частиц возникла необходимость во введении прелести Ь . q = T 3 +½(B+S+C-b), (4) . (знак минус введен по причинам достаточно случайного характера).

Для «истинных» частиц, если их откроют, необходимо ввести ещё одно квантовое число - истинность (?) .

Итак, мы видим, что для описания всего многообразия адронов приходится использовать большое количество весьма необычных физических величин (причём мы перечислили не все из них). Их глубокий смысл в том, что все эти величины подчиняются определенным законам сохранения, позволяющим устанавливать правила отбора, которые запрещают или разрешают протекание тех или иных превращений частиц. Из сказанного ясно, что фундаментальные взаимодействия различаются, наряду с прочими характеристиками, также свойственными им законами сохранения.

Адронами называют частицы, участвующие в сильном взаимодействии. Все адроны - составные частицы, они состоят из кварков или антикварков. Мезоны - это адроны, состоящие из кварк-антикварковой пары, барионы - это адроны, состоящие из трех кварков (соответственно, антибарионы состоят их трех антикварков).

И уже в этом определении, таком простом и коротком, скрыто несколько тонкостей, про которые можно говорить очень долго. Мы пускаться в эти разговоры не будем, а упомянем только три самых важных момента.

Составные кипричики

Обычно, когда говорят, что какой-то предмет состоит из частей, то предполагают, что эти части можно, по крайней мере в принципе, отделить друг от друга и предъявить каждую из них по отдельности. Для кварков это предположение не работает. Да, это не очень интуитивное свойство, его трудно совместить с повседневным опытом, но дела в кварковом мире обстоят именно так.

Физики видят в многочисленных экспериментах, что протоны, нейтроны и другие адроны действительно состоят из отдельных «комочков материи», которые, хоть и движутся друг относительно друга, но навеки скреплены глюонными силами. Разделить протон на отдельные кварки, отделить один кварк от других не получится. Как только вы попытаетесь это сделать, приложите достаточную силу для вытягивания одного кварка из протона, так сразу же глюонное поле породит новую кварк-антикварковую пару. Вместо вытягивания кварка вы извлечете из протона мезон, а протон так и останется протоном (рис. 1). Этот процесс называется адронизация - «превращение в адроны».

Такое поведение кварков называют конфайнментом - «пленением» кварков внутри адронов. Получается так вовсе не из-за самих кварков, а из-за сил, которые между ними действуют. Связывающее их силовое поле не просто сильное, оно очень особенное, непохожее на электромагнитные силы. Это силовое поле способно чувствовать само себя, способно взаимодействовать с собой и от этого усиливаться. В результате получается, что если этому силовому полю предоставить всё пространство, то его энергия будет неограниченно возрастать. Это очень невыгодно с точки зрения энергии; гораздо выгоднее для этого поля будет породить много кварк-антикварковых пар, которые замкнут на себя это поле. И вот тогда оно будет спрятано в отдельных кварковых или антикварковых комбинациях, а на всё пространство распространяться не будет.

На жаргоне физиков то свойство, которое позволяет кваркам чувствовать глюонное поле, называется цвет (он, конечно, не имеет никакого отношение к оптическим цветам, это просто приятное название для новой величины). Цветов у кварков три, и еще три противоположных цвета у антикварков. А адронами являются не произвольные, а именно такие комбинации, в которых все цвета «сокращаются», или, как говорят физики, бесцветные комбинации (то есть три кварка с тремя разными цветами или кварк и антикварк с противоположным цветом).

Конечно, это всё - очень упрощенное описание; реальное положение дел гораздо сложнее. Более того, явление конфайнмента до сих пор не понято на достаточном уровне математической строгости. Математический институт Клэя даже назначил премию в миллион долларов за решение этой задачи. Однако на описательном уровне явление конфайнмента считается установленным.

Наивная кварковая модель

Описанная выше схема, по которой кварки группируются по двое и по трое и становятся бесцветными адронами, называется наивной кварковой моделью . Эта модель не объясняет, почему все адроны объединяются только по двое и по трое. Можно построить и другие бесцветные комбинации кварков и антикварков, создать многокварковые адроны, но они почему-то на опыте не встречаются.

А точнее, они не встречались до недавнего момента. Начиная с середины 2000-х годов стали появляться надежные экспериментальные данные, что некоторые адроны не вписываются в простую схему наивной кварковой модели. Такие адроны называются экзотическими . Правда, количество известных на сегодня экзотических адронов очень невелико, всего несколько штук против нескольких сотен обычных адронов - и причем все они мезоны; подтвержденных данных по пентакваркам и другим экзотическим барионам пока нет.

Получается, что природа всё же выходит за рамки простейшей схемы, но очень уж неохотно. Почему так происходит и что вообще представляют из себя экзотические адроны, пока что остается предметом активных исследований.

Состав - понятие относительное!

Даже в слове «состоит » скрыто немало тонкостей. Дело в том, что утверждение «протон состоит из трех кварков » хорошо работает только для неподвижного или медленно движущегося протона. Если же протон летит со скоростью, близкой к скорости света, то его состав кардинально меняется: в нем словно «нарождаются» многочисленные кварки, антикварки и глюоны (они совокупно называются партоны ), которые летят вперед одним компактным облаком и, собственно, представляют собой протон. В столкновении таких быстролетящих протонов реально сталкивается не вся толпа этих отдельных частиц, а лишь по одному партону (изредка - больше); см. рис. 2.

Кварки и их свойства

Сейчас известно шесть сортов (на физическом жаргоне - ароматов ) кварков. Они обозначаются буквами u, d, s, c, b, t и попарно объединяются в три поколения кварков (рис. 3). Из них только первые пять участвуют в образовании адронов. Топ-кварк t настолько тяжел, что распадается исключительно быстро и попросту не успевает образовать адроны. Известно также, что других кварков не существует; по крайней мере, не существует других легких кварков, которые могли бы образовывать настоящие адроны.

Пройдемся кратко по всем пяти «адронообразующим» кваркам.

• Легкие кварки u (up, верхний) и d (down, нижний). Легкие кварки - самые распространенные в природе. Именно из них состоят протоны (uud), нейтроны (udd), переносчики ядерных сил, пи-мезоны. Обычно пишут, что массы u- и d-кварков составляют несколько МэВ, но это число для адронной физики почти бесполезно. Дело в том, что массы адронов получаются не только из масс кварков, но еще и из-за конфайнмента, который дает вклад в общую массу адрона от 100 до нескольких сотен МэВ.
• Странный кварк s. Название «странный» возникло исторически, когда содержащие его частицы (странные адроны) только-только стали появляться в экспериментальных данных и вели себя «как-то не так» по сравнению с известными адронами. Странные адроны уже давно не считаются чем-то необычным, это вполне «рутинные» частицы в современных экспериментах.
• Очарованный кварк c. Такое симпатичное название - просто причуда физического жаргона, отчасти скрашивающая сухие тексты по адронной физике. Содержащие этот кварк частицы (очарованные адроны) тяжелее своих легких собратьев (к их массе добавляется примерно 1,5 ГэВ на каждый c-кварк) и живут недолго, порядка одной пикосекунды (в системе покоя частицы). Тем не менее это позволяет им отлететь от точки рождения на расстояния порядка миллиметра, что надежно регистрируется детекторами . Такое разделение событий рождения и распада позволяет хорошо идентифицировать такие адроны.
• Прелестный кварк b еще тяжелее, его масса около 5 ГэВ, однако время жизни его даже больше, чем у c-кварка, - около 1,5 пс. Из-за того что масса b-кварка намного больше адронного масштаба масс (несколько сотен МэВ), становится очень удобно описывать прелестные адроны как связанную систему тяжелого и легкого кварка; многие успехи в теоретическом описании прелестных адронов связаны именно с этим простым фактом.

Классификация адронов

Общепринятые обозначения

Адроны могут содержать любые комбинации этих пяти кварков, которые, к тому же, могут еще и по-разному двигаться друг вокруг друга наподобие того, как электроны могут по-разному двигаться вокруг ядра. Поэтому даже из небольшого числа кварков можно, в принципе, составить неограниченное количество адронов. Конечно, как открыть их эксприментально - это отдельный вопрос.

Мезоны и барионы с разным кварковым составом обозначаются разными прописными буквами; при этом мезоны обычно обозначаются латинскими буквами (K-мезоны, D-мезоны, B-мезоны), а барионы - греческими (Λ, Σ, Ξ, Ω). Исключение составляют исторически сложившиеся названия: π-мезоны, ρ-мезоны, p, n и т. п. Внутри одного семейства частицы обозначаются одинаковой буквой, но к ней либо приписываются индексы, либо в скобках добавляется масса. Например, «обычный» B-мезон c кварковым составом (d-анти-b) так и обозначается: B, но мезон с составом s-анти-b обозначается B s и называется странным прелестным мезоном. Обычный Λ-барион с кварковым составом uds обозначается просто Λ, а возбужденное состояние тех же кварков с общей массой 1519,5 МэВ обозначается Λ(1520).

Особый класс составляют мезоны с кварком и антикварком одинакового аромата, в особенности c-анти-c и b-анти-b. Такие состояния называются кваркониями (и конкретно - «чармонием» в случае c-анти-c и «боттомонием» в случае b-анти-b), по аналогии с позитронием, который состоит из электрона и его античастицы, позитрона. В семействе кваркониев есть много состояний со слегка отличающимися массами, которые могут переходить друг в друга с излучением фотонов, по аналогии с переходами электронов между уровнями энергии в возбужденных атомах.

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.