Адроны
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 (Λ0) и семейство барионов сигма (Σ−, Σ+ и Σ0). 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).
Наиболее известные адроны.
Восьмерка барионов со спином 1/2.
Девятка мезонов со спином 0.
Четыре ипсилон-мезона.
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 π0. Их массы примерно в 6–7 раз меньше массы протона. Более массивны странные мезоны — каоны K+, K− и K0: 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 K0 имеет античастицу K̃0. Эти факты получают объяснение в кварковой модели адронов (см. Кварки).
<addc>l</addc>
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 c2). 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 Λc+ 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.
