Очарование физики - Глэшоу Ш.Л.
ISBN 5-93972-151-6
Скачать (прямая ссылка):
Кварковые правила позволяют дать замечательно краткое объяснение образования наблюдаемых семейств адронов. Но какие принципы могут объяснить сами кварковые правила, которые выглядят достаточно произвольными? Почему объединяются три кварка, а не два или четыре? Почему мы не можем создать отдельный кварк? Линия рассуждений, приводящая к ответам на эти вопросы, поначалу казалась недостатком кварковой теории.
Как мы уже видели, кварки должны иметь полуцелые значения спинового момента; в противном случае, известные спины барионов и мезонов были бы предсказаны неверно. Частицы с полуцелым спином должны подчиняться статистике Ферми - Дирака, а следовательно, они подвержены действию принципа запрета Паули: никакие две частицы в пределах конкретной системы не могут иметь точно одинаковых квантовых чисел. При создании бариона зачастую необходимо, чтобы два идентичных кварка находились в одном и том же состоянии. Омега-частица, например, состоит из трех s-кварков, причем все эти кварки должны находиться в одном и том же состоянии. Это возможно только для частиц, которые подчиняются статистике Бозе - Эйнштейна. Мы оказались в тупике: кварки должны иметь полуцелый спин, но при этом они должны удовлетворять статистике, которой подчиняются частицы, имеющие целый спин.
Связь спина со статистикой являет собой непоколебимый принцип релятивистской квантовой механики. Его можно вывести непосредственно из теории, и его нарушений никогда не наблюдалось. Поскольку он справедлив для всех других известных частиц, кварки невозможно разумным образом исключить из области его господства. 171 Кварки с цветом и ароматом
Концепция, оказавшаяся необходимой для решения проблем кварко-вой статистики, была предложена в 1964 году Оскаром В. Гринбергом из университета Мэриленда. Он предположил, что каждый аромат кварка имеет три разновидности, равные по массе, спину, электрическому заряду и всем прочим измеримым величинам, но различные по дополнительному свойству, которое стало известно под названием цвета. Тогда можно было удовлетворить принципу исключения, и кварки могли оставаться фермионами, потому что в таком случае не все кварки в барионе занимали бы одно и то же состояние. Кварки могут отличаться по цвету, даже если все остальные их свойства абсолютно одинаковы.
Гипотеза о цвете требует введения двух дополнительных кварковых правил. Первое просто-напросто вновь формулирует условие, для удовлетворения которого был введен кварк: барионы должны состоять из трех кварков, обладающих разными цветами. Второе правило описывает применение цвета к мезонам: мезоны состоят из кварка и антикварка одного цвета, но с равным представлением каждого из трех цветов. Действие этих правил состоит в том, что ни один адрон не может выказать общий цвет. Барион неизменно содержит кварки каждого из трех цветов, скажем, красный, желтый и синий. В мезоне можно представить кварк и антикварк как имеющие один цвет в любой данный момент времени, но постоянно и одновременно изменяющие свой цвет, так что за любой измеримый промежуток времени они оба проведут равные отрезки времени в виде красных, синих и желтых кварков.
Ценой гипотезы о цвете стало увеличение количества кварков втрое; вместо трех их стало девять (при этом нельзя забывать об очаровании). На первый взгляд может показаться, что мы намного увеличили количество адронов, но это всего лишь иллюзия. При наличии цвета кажется, будто мезонов стало в девять раз больше, а барионов — в 27 раз больше, но правила создания адронов из цветных кварков гарантируют, что не наблюдается ни одна дополнительная частица.
Хотя кварковые правила утверждают, что мы никогда не увидим цветную частицу, гипотеза о цвете не является простым формальным построением, не обладающим какой-либо предсказательной ценностью. Увеличение количества кварков, которого она требует, можно обнаружить, как минимум, двумя способами. Один из способов — через действие цвета на время жизни нейтрального пиона, который почти всегда распадается на два фотона. Стивен Л.Адлер из Института перспективных исследований показал, что скорость его распада зависит от квадрата числа цветов кварка. При допущении существования трех цветов получается наблюдаемое время его жизни.
Другое действие цвета можно обнаружить при экспериментах, в ходе которых электроны и их античастицы, позитроны, аннигилируют при 172
Кварки с цветом и ароматом
высоких энергиях. В результате такого события иногда появляется группа адронов, а иногда мюон и антимюон. При достаточно высокой энергии отношение количества адронов к количеству мюон-антимюонных пар должно приближаться к постоянному значению, равному сумме квадратов зарядов кварков. При тройном увеличении числа кварков втрое увеличивается и ожидаемое значение этого отношения. Экспериментальный результат при энергиях от 2 ГэВ до 3 ГэВ разумным образом согласуется с гипотезой о цвете (которая предсказывает значение 2) и практически несовместим с исходной теорией, в которой кварки не обладают цветом.
Введение цветового квантового числа решает проблему кварковой статистики, но опять-таки требует существования набора правил, которые кажутся произвольными. Однако эти правила можно объяснить, устанавливая другую гипотетическую группу симметрии, аналогичную группе SU(3), предложенной Гелл-Манном и Нееманом. Первая группа SU(3) касается исключительно комбинаций трех ароматов кварков; новая же группа связана только с тремя цветами кварков. Более того, в отличие от ранней теории, которая достаточно приблизительна, ?Е/(3)-цвет считается точной симметрией, так что кварки одного аромата, но различного цвета будут иметь одинаковые массы.
