Элементарные частицы

системы, во втором случае увеличение массы происходит без изменения JP.

Например, мезоны с JP = 2+ являются первым орбитальным возбуждением (l = 1)

мезонов с JP = 1-. Соответствие 2+ мезонов и 1-мезонов одинаковых кварковых

структур хорошо прослеживается на примере многих пар частиц:

Мезоны r' и y' - примеры радиальных возбуждений r- и y-мезонов

соответственно (см.

Орбитальные и радиальные возбуждения порождают последовательности

резонансов, отвечающие одной и той же исходной кварковой структуре.

Отсутствие надёжных сведений о взаимодействии кварков не позволяет пока

производить количественные расчеты спектров возбуждений и делать какие-либо

заключения о возможном числе таких возбуждённых состояний.При формулировке

кварковой модели кварки рассматривались как гипотетические структурные

элементы, открывающие возможность очень удобного описания адронов. В

дальнейшем были проведены эксперименты, которые позволяют говорить о

кварках как о реальных материальных образованиях внутри адронов. Первыми

были эксперименты по рассеянию электронов нуклонами на очень большие углы.

Эти эксперименты (1968), напоминающие классические опыты Резерфорда по

рассеянию a-частиц на атомах, выявили наличие внутри нуклона точечных

заряженных образований. Сравнение данных этих экспериментов с аналогичными

данными по рассеянию нейтрино на нуклонах (1973-75) позволило сделать

заключение о средней величине квадрата электрического заряда этих точечных

образований. Результат оказался удивительно близким к величине 1/2[(2/3

e)2+(1/3e)2]. Изучение процесса рождения адронов при аннигиляции электрона

и позитрона, который предположительно идёт через последовательность

процессов: ® адроны, указало на наличие двух групп адронов, генетически

связанных с каждым из образующихся кварков, и позволило определить спин

кварков. Он оказался равным 1/2. Общее число рожденных в этом процессе

адронов свидетельствует также о том, что в промежуточном состоянии

возникают кварки трёх разновидностей, т. е. кварки трёхцветны.

Т. о., квантовые числа кварков, введённые на основании теоретических

соображений, получили подтверждение в ряде экспериментов. Кварки постепенно

приобретают статус новых Э. ч. Если дальнейшие исследования подтвердят это

заключение, то кварки являются серьёзными претендентами на роль истинно Э.

ч. для адронной формы материи. До длин ~ 10-15 см кварки выступают как

точечные бесструктурные образования. Число известных видов кварков

невелико. В дальнейшем оно может, конечно, измениться: нельзя поручиться за

то, что при более высоких энергиях не будут обнаружены адроны с новыми

квантовыми числами, обязанные своим существованием новым типам кварков.

Обнаружение Y -мезонов подтверждает эту точку зрения. Но вполне возможно,

что увеличение числа кварков будет небольшим, что общие принципы

накладывают ограничения на полное число кварков, хотя эти ограничения пока

неизвестны. Бесструктурность кварков также, возможно, отражает лишь

достигнутый уровень исследования этих материальных образований. Однако ряд

специфических особенностей кварков даёт некоторые основания предполагать,

что кварки являются частицами, замыкающими цепь структурных составляющих

материи.

От всех других Э. ч. кварки отличаются тем, что в свободном состоянии они

пока не наблюдались, хотя имеются свидетельства их существования в

связанном состоянии. Одной из причин ненаблюдения кварков может быть их

очень большая масса, что препятствует их рождению при энергиях современных

ускорителей. Не исключено, однако, что кварки принципиально, в силу

специфики их взаимодействия, не могут находиться в свободном состоянии.

Существуют доводы теоретического и экспериментального характера в пользу

того, что силы, действующие между кварками, не ослабляются с расстоянием.

Это означает, что для отделения кварков друг от друга требуется бесконечно

большая энергия, или, иначе, возникновение кварков в свободном состоянии

невозможно. Невозможность выделить кварки в свободном состоянии делает их

совершенно новым типом структурных единиц вещества. Неясно, например, можно

ли ставить вопрос о составных частях кварков, если сами кварки нельзя

наблюдать в свободном состоянии. Возможно, что в этих условиях части

кварков физически вообще не проявляются и поэтому кварки выступают как

последняя ступень дробления адронной материи.

Элементарные частицы и квантовая теория поля.

Для описания свойств и взаимодействий Э. ч. в современной теории

существенное значение имеет понятие физ. поля, которое ставится в

соответствие каждой частице. Поле есть специфическая форма материи; оно

описывается функцией, задаваемой во всех точках (х)пространства-времени и

обладающей определёнными трансформационными свойствами по отношению к

преобразованиям группы Лоренца (скаляр, спинор, вектор и т. д.) и групп

"внутренних" симметрий (изотопический скаляр, изотопический спинор и т.

д.). Электромагнитное поле, обладающее свойствами четырёхмерного вектора

Аm(х) (m = 1, 2, 3, 4), - исторически первый пример физического поля. Поля,

сопоставляемые с Э. ч., имеют квантовую природу, т. е. их энергия и импульс

слагаются из множества отд. порций - квантов, причём энергия Ek и импульс

pk кванта связаны соотношением специальной теории относительности: Ek2 =

pk2c2 + m2c2. Каждый такой квант и есть Э. ч. с заданной энергией Ek,

импульсом pk и массой т. Квантами электромагнитного поля являются фотоны,

кванты других полей соответствуют всем остальным известным Э. ч. Поле, т.

о., есть физическое отражение существования бесконечной совокупности частиц

- квантов. Специальный математический аппарат квантовой теории поля

позволяет описать рождение и уничтожение частицы в каждой точке х.

Трансформационные свойства поля определяют все квантовые числа Э. ч.

Трансформационные свойства по отношению к преобразованиям пространства-

времени (группе Лоренца) задают спин частиц. Так, скаляру соответствует

спин 0, спинору - спин 1/2, вектору - спин 1 и т. д. Существование таких

квантовых чисел, как L, В, 1, Y, Ch и для кварков и глюонов "цвет", следует

из трансформационных свойств полей по отношению к преобразованиям

"внутренних пространств" ("зарядового пространства", "изотопического

пространства", "унитарного пространства" и т. д.). Существование "цвета" у

кварков, в частности, связывается с особым "цветным" унитарным

пространством. Введение "внутренних пространств" в аппарате теории - пока

чисто формальный приём, который, однако, может служить указанием на то, что

размерность физического пространства-времени, отражающаяся в свойствах Э.

ч., реально больше четырёх - размерности пространства-времени, характерной

для всех макроскопических физических процессов. Масса Э. ч. не связана

непосредственно с трансформационными свойствами полей; это дополнительная

их характеристика.

Для описания процессов, происходящих с Э. ч., необходимо знать, как

различные физические поля связаны друг с другом, т. е. знать динамику

полей. В современном аппарате квантовой теории поля сведения о динамике

полей заключены в особой величине, выражающейся через поля - лагранжиане

(точнее, плотности лагранжиана) L. Знание L позволяет в принципе

рассчитывать вероятности переходов от одной совокупности частиц к другой

под влиянием различных взаимодействий. Эти вероятности даются т. н.

матрицей рассеяния (В. Гейзенберг, 1943), выражающейся через L. Лагранжиан

L состоит из лагранжиана Lвз, описывающего поведение свободных полей, и

лагранжиана взаимодействия Lвз, построенного из полей разных частиц и

отражающего возможность их взаимопревращений. Знание Lвз является

определяющим для описания процессов с Э. ч.

Вид Lвз однозначно определяется трансформационными свойствами полей

относительной группы Лоренца и требованием инвариантности относительно этой

группы (релятивистская инвариантность). В течение длительного времени не

были, однако, известны критерии для нахождения Lвз (за исключением

электромагнитных взаимодействий), а сведения о взаимодействиях Э. ч.,

полученные из эксперимента, в большинстве случаев не позволяли осуществить

надёжный выбор между различными возможностями. В этих условиях широкое

распространение получил феноменологический подход к описанию

взаимодействий, основанный либо на выборе простейших форм Lвз, ведущих к

наблюдаемым процессам, либо на прямом изучении характерных свойств

элементов матрицы рассеяния. На этом пути был достигнут значительный успех

в описании процессов с Э. ч. для различных выделенных областей энергий.

Однако многие параметры теории заимствовались из эксперимента, а сам подход

не мог претендовать на универсальность.

В период 50-70-х гг. был достигнут значительный прогресс в понимании

структуры Lвз, который позволил существенно уточнить его форму для сильных

и слабых взаимодействий. Решающую роль в этом продвижении сыграло выяснение

тесной связи между свойствами симметрии взаимодействий Э. ч. и формой Lвз.

Симметрия взаимодействий Э. ч. находит своё отражение в существовании

законов сохранения определённых физических величин и, следовательно, в

сохранении связанных с ними квантовых чисел Э. ч. (см. Сохранения законы).

Точная симметрия, имеющая место для всех классов взаимодействий, отвечает

наличию у Э. ч. точных квантовых чисел; приближённая симметрия, характерная

лишь для некоторых классов взаимодействий (сильных, электромагнитных),

приводит к неточным квантовым числам. Отмечавшееся выше различие классов

взаимодействий в отношении сохранения квантовых чисел Э. ч. отражает

различия в свойствах их симметрии.

Известная форма Lвзэл. м. для электромагнитных взаимодействий есть

следствие существования очевидной симметрии лагранжиана L относительно

умножения комплексных полей j заряженных частиц, входящих в него в

комбинациях типа j*j (здесь * означает комплексное сопряжение), на

множитель eia, где a - произвольное действительное число. Эта симметрия, с

одной стороны, порождает закон сохранения электрического заряда, с другой

стороны, если требовать выполнения симметрии при условии, что a произвольно

зависит от точки х пространства-времени, однозначно приводит к лагранжиану

взаимодействия:

                     Lвзэл. м. = jmэл. м. (x) Am (x) (1)

где jmэл. м. - четырёхмерный электромагнитный ток (см. Электромагнитные

взаимодействия). Как выяснилось, этот результат имеет общее значение. Во

всех случаях, когда взаимодействия проявляют "внутреннюю" симметрию, т. е.

лагранжиан инвариантен относительно преобразований "внутреннего

пространства", а у Э. ч. возникают соответствующие квантовые числа, следует

требовать, чтобы инвариантность имела место при любой зависимости

параметров преобразования от точки х (т. н. локальная калибровочная

инвариантность; Ян Чжэнь-нин, американский физик Р. Миллс, 1954). Физически

это требование связано с тем, что взаимодействие не может мгновенно

передаваться от точки к точке. Указанное условие удовлетворяется, когда

среди полей, входящих в лагранжиан, присутствуют векторные поля (аналоги Am

(x)), изменяющиеся при преобразованиях "внутренней" симметрии и

взаимодействующие с полями частиц вполне определённым образом, а именно:

                      Lвз = еr=1n jmr (x) Vmr (x), (2)

где jmr (x) - токи, составленные из полей частиц, Vmr (x) - векторные поля,

называются часто калибровочными полями. Т. о., требование локальности

"внутренней" симметрии фиксирует форму Lвз и выделяет векторные поля как

универсальные переносчики взаимодействий. Свойства векторных полей и их

число "n" определяются свойствами группы "внутренней" симметрии. Если

симметрия точная, то масса кванта поля Vmr равна 0. Для приближенной

симметрии масса кванта векторного поля отлична от нуля. Вид тока jmr

определяется полями частиц с ненулевыми квантовыми числами, связанными с

группой "внутренней" симметрии.

На основании изложенных принципов оказалось возможным подойти к вопросу о

взаимодействии кварков в нуклоне. Эксперименты по рассеянию нейтрино и

антинейтрино на нуклоне показали, что импульс нуклона лишь частично

(примерно на 50%) переносится кварками, а остальная его часть переносится

другим видом материи, которая не взаимодействует с нейтрино.

Предположительно эта часть материи состоит из частиц, которыми обмениваются

кварки и за счёт которых они удерживаются в нуклоне. Эти частицы получили

название "глюонов" (от английского glue - клей). С изложенной выше точки

зрения на взаимодействия эти частицы естественно считать векторными. В

современной теории их существование связывается с симметрией,

обусловливающей появление "цвета" у кварков. Если эта симметрия точная

(цветная SU (3)-симметрия), то глюоны - безмассовые частицы и их число

равно восьми (американский физик И. Намбу, 1966). Взаимодействие кварков с

глюонами даётся Lвз со структурой (2), где ток jmr составлен из полей

кварков. Имеется и основание предполагать, что взаимодействие кварков,

обусловленное обменом безмассовыми глюонами, приводит к силам между

кварками, не убывающим с расстоянием, но строго это не доказано.

Принципиально знание взаимодействия между кварками могло бы явиться основой

для описания взаимодействия всех адронов между собой, т. е. всех сильных

взаимодействий. Это направление в физике адронов быстро развивается.

Использование принципа определяющей роли симметрии (в т. ч. приближённой) в

формировании структуры взаимодействия позволило также продвинуться в