Квантовая физика. Водный курс - Гольдин Л.Л.
Скачать (прямая ссылка):
другие лептоны (за исключением электронов и позитронов), непосредственно
не генерируются и возникают только как продукты распада тех или иных
адронов (прямая генерация происходит, но крайне редко).
Познакомимся с еще одним типом частиц, состоящих из кварков первого
поколения. Речь идет о А-барионах. Таких барионов четыре:
А++, А+, А0 и А-.
Спин этих частиц равен 3/2. Первый из них несет двойной электрический
заряд и состоит из трех и-кварков (3x2/3), второй несет одинарный
положительный заряд и состоит из двух и-кварков и одного (i-кварка (2 х
2/3 - 1/3), третий состоит из одного и-кварка и двух ^-кварков (2/3 + 2 х
(-1/3)) и четвертый - из трех d-кварков (3 х (-1/3)). Представление о
кварках и здесь является решающим. Оно позволяет понять, почему дельта -
барионов четыре, и объяснить их зарядовые состояния.
У внимательного читателя должен был возникнуть вопрос: как могут три
кварка - три фермиона - находиться в одном и том же квантовом состоянии?
Мы имеем в виду А++ и А--частицы. Возникает естественное предположение,
что у кварков есть еще одно квантовое число, и три фермиона в А-частицах
могут различаться по этому квантовому
430
Глава 16
числу. Такое квантовое число, действительно, есть. Оно носит название
цвета, хотя никакого отношения к цвету в оптическом понимании не имеет. В
качестве "цветов" обычно выбирают желтый, синий и красный. Чтобы
продолжить аналогию с нашими чувствами, принято говорить, что кварки
разных типов отличаются друг от друга ароматом. Цвета кварков являются
источником сил сильного взаимодействия - источником глюонов.
Выше мы попутно подготовили ответ еще на один вопрос, который не мог не
возникнуть у читателя: почему барионы состоят именно из трех кварков, а
мезоны из кварка и антикварка? Ответ на этот вопрос заключается в
следующем: в природе могут существовать в свободном состоянии только
бесцветные комбинации кварков. Набор из трех цветов у кварков,
содержащихся в барионах, составляет бесцветную комбинацию, аналогично
тому, как белый цвет является комбинацией нескольких цветовых компонент.
А в состав мезонов, которые также должны быть бесцветными, входит кварк,
окрашенный в некоторый цвет и антикварк, окрашенный в соответствующий
"антицвет", или, как принято говорить, в дополнительный цвет.
Несколько исторических замечаний. Первые "нестандартные" частицы были
обнаружены при исследовании бета-распада ядер. При этих исследованиях был
обнаружен позитрон, а вслед за ним появилась гипотеза о существовании
нейтрино. Следующий шаг был сделан при исследовании космических лучей. В
космических лучах был обнаружен мюон, который сначала получил название
/i-мезона (в дальнейшем название мезонов, как вы уже знаете, получили
частицы, состоящие из кварка и антикварка, к числу которых мюон не
относится). Мюон был обнаружен благодаря своему большому времени жизни
(целых две микросекунды!). Из-за такого большого времени жизни мюоны,
рожденные в верхних слоях атмосферы, успевают долетать до поверхности
Земли, где они и были обнаружены. Космические частицы (в основном протоны
больших энергий), взаимодействуя с верхними слоями атмосферы, вызывают
ядерные реакции, в которых рождается множество быстро распадающихся
частиц, в том числе 7г-мезонов, а мюоны рождаются при их распаде.
Обнаружение мюонов в космических лучах вызвало поток исследовательских
работ по поиску других новых частиц. В космических лучах были обнаружены
7г- и if-мезоны. Однако, поток этих частиц слишком мал для серьезных
исследований, и эти работы сейчас оставлены. Новые частицы, в том числе
7г- и if-мезоны, сейчас генерируют на ускорителях, с устройством которых
мы познакомимся в §88.
В гл. 14 уже шла речь об изотопической инвариантности. Там отмечалось,
что массы и ядерные свойства протона и нейтрона так мало
§82. Некоторые результаты теории относительности
431
отличаются друг от друга, что естественно рассматривать эти частицы как
два состояния - заряженное и незаряженное - одной и той же частицы -
нуклона. В рамках этой концепции протон и нейтрон отличаются друг от
друга проекцией некоторой величины, которая получила название
изотопического спина. У протона эта проекция равна +1/2, а у нейтрона -
1/2. Никакого отношения к обыкновенному спину изотопический спин не
имеет. Название "спин" используется в этом случае потому, что, как и у
обыкновенного спина, его проекция квантуется и для спина 1/2 может
принимать два значения: +1/2 и -1/2.
Изотопическая инвариантность ядерных сил является следствием
изотопической инвариантности кварков, а именно и- и d-кварков. Как уже
ясно из сказанного ранее, изотопический спин кварков равен 1/2. Его
проекция может принимать два значения: +1/2 у и-кварка (и у d) и -1/2 у
d-кварка (и у и). Изотопический спин является аддитивным квантовым
числом, так что изотопический спин системы равен алгебраической сумме
спинов составляющих частиц. Так, изотопический спин барионов, состоящих
