Очарование физики - Глэшоу Ш.Л.
ISBN 5-93972-151-6
Скачать (прямая ссылка):
В 1962 году был открыт еще более строгий порядок: зарядовые мультиплеты были организованы в «супермультиплеты», раскрывавшие отношения между частицами, которые отличаются не только зарядом, но и другими свойствами. Супермультиплеты были предложены независимо Мюрреем Гелл-Манном из Калифорнийского технологического института и Ювалем Нееманом из университета Тель-Авива. Введение новой системы привело к появлению гипотезы кварков.
Группирование адронов в супермультиплеты включает восемь квантовых чисел и называется «восьмеричным путем». Его математической основой является раздел теории групп, изобретенный в девятнадцатом веке норвежским математиком Софусом Ли. Группа Ли, на которой основан восьмеричный путь, называется SU(3), что означает специальная унитарная группа матриц размера 3x3. Теория требует, чтобы все адроны принадлежали к семействам, соответствующим представлениям группы SU{3). Семейства могут включать одного члена, трех, шестерых, восьмерых, десятерых или еще больше членов. Если бы восьмеричный путь представлял собой точную теорию, то все члены любого семейства имели бы равную массу. Однако восьмеричный путь — не более чем аппроксимация, поэтому внутри семейств наблюдаются значительные отличия по массе.
Построение восьмеричного пути начинается с классификации адронов на обширные семейства, обладающие общим значением спинового момента. Каждое семейство частиц с идентичным спином затем описывается построением распределения еще двух квантовых чисел: изотопического спина и странности. 167 Кварки с цветом и ароматом
Изотопический спин не имеет ничего общего со спином частицы; он получил такое название, потому что обладает определенными алгебраическими свойствами, которые проявляет также и спиновое квантовое число. Это мера количества частиц в мультиплете, которая вычисляется по формуле, гласящей, что количество частиц в мультиплете на единицу больше удвоенного значения изотопического спина. Таким образом, нуклон (дублет) имеет изотопический спин, равный 1/2; а изотопический спин пионного триплета равен 1.
Странность — это квантовое число, введенное для описания некоторых адронов, которые впервые наблюдались в пятидесятых годах и были названы странными частицами из-за ненормально долгого времени их жизни. Обыкновенно они распадаются через период времени между IO-10 и IO-7 секунды. Хотя по обыденным нормам это очень короткий промежуток времени, он все же намного превышает время жизни многих других адронов, равное 10~23 секундам.
Как и изотопический спин, странность зависит от свойств мульти-плета, но измеряет не количество частиц, а распределение заряда между ними. Квантовое число странности равно удвоенному среднему заряду (сумма зарядов, поделенная на количество частиц в мультиплете) минус барионное число. Благодаря этой хитрости данное число равно нулю для всех адронов, кроме странных. Триплет пионов, например, имеет средний заряд, равный 0, и барионное число, равное 0; следовательно его странность также равна 0. Нуклонный дублет имеет средний заряд, равный +1/2, и барионное число +1, поэтому странность нуклонов также равна 0. С другой стороны, лямбда-частица — это нейтральный барион, образующий семейство из одного члена (синглет). Его средний заряд, равный 0, и барионное число, равное +1, дает странность, равную -1.
На графике зависимости странности от электрического заряда адроны образуют упорядоченные массивы. Мезоны со спиновым моментом, равным 0, образуют октет и синглет\ октет графически представлен в виде шестиугольника, в каждой вершине которого расположена одна частица, а в центре — две. Синглет представлен точкой в его начале. Мезоны с единичным спином образуют идентичное представление, равно как и барионы со спином, равным 1/2. Наконец, барионы со спином, равным 3/2, образуют декуплет (группу из 10), который графически можно представить как большой треугольник, образованный из сингле-та, дублета, триплета и квартета. Сначала восьмеричный путь встретили с некоторым скептицизмом, однако открытие в 1964 году отрицательно заряженной омега-частицы — синглета, предсказанного в барионном де-куплете, заставило нас всех изменить свое мнение.
Закономерность и экономичность супермультиплетов являются удовлетворительными с точки зрения эстетики, но в то же время они оста- 168
Кварки с цветом и ароматом
ются весьма загадочными. Все известные адроны, без исключения, действительно абсолютно точно соответствуют этим семействам. Мезоны появляются исключительно семействами, состоящими из одного и восьми, а барионы — семействами по одному, восьми и десяти. Однако син-глет, октет и декуплет — это лишь несколько возможных представлений группы SU(3). Семейства, состоящие из трех или шести частиц, полностью правдоподобны, но не наблюдаются. В действительности разнообразие возможных семейств, в принципе, бесконечно. Так почему же в природе появляются всего три представления? Очень быстро стало ясно, что несмотря на то, что восьмеричный путь, в некотором приближенном смысле, правилен, с самого начала все понимали, что история на нем не заканчивается.
