Rambler's Top100Astronet    
  po tekstam   po klyuchevym slovam   v glossarii   po saitam   perevod   po katalogu 		 

Fundamental'nye chasticy

S. A. Slavatinskii

Moskovskii fiziko-tehnicheskii institut, Dolgoprudnyi Moskovskoi obl.

Kvarkovaya model' adronov

Kvarkovuyu model' adronov nachnem opisyvat' s risunka silovyh linii, ishodyashih iz istochnika - kvarka s cvetnym zaryadom i zakanchivayushihsya na antikvarke (ris. 2, b). Dlya sravneniya na ris. 2, a my pokazyvaem, chto v sluchae elektromagnitnogo vzaimodeistviya silovye linii rashodyatsya ot ih istochnika - elektricheskogo zaryada veerom, ibo virtual'nye fotony, ispushennye odnovremenno istochnikom, ne vzaimodeistvuyut drug s drugom. V rezul'tate poluchaem zakon Kulona.

V otlichie ot etoi kartiny glyuony sami obladayut cvetnymi zaryadami i sil'no vzaimodeistvuyut drug s drugom. V rezul'tate vmesto veera iz silovyh linii my imeem zhgut, pokazannyi na ris. 2, b. Zhgut protyanut mezhdu kvarkom i antikvarkom, no samoe udivitel'noe to, chto sami glyuony, imeya cvetnye zaryady, stanovyatsya istochnikami novyh glyuonov, chislo kotoryh narastaet po mere ih udaleniya ot kvarka. Takaya kartina vzaimodeistviya sootvetstvuet zavisimosti potencial'noi energii vzaimodeistviya mezhdu kvarkami ot rasstoyaniya mezhdu nimi, pokazannoi na ris. 3. A imenno: do rasstoyaniya R > 10-13 sm zavisimost' U(R ) imeet voronkoobraznyi harakter, prichem sila cvetnogo zaryada v etoi oblasti rasstoyanii otnositel'no nevelika, tak chto kvarki pri R > 10-15 cm v pervom priblizhenii mozhno rassmatrivat' kak svobodnye, nevzaimodeistvuyushie chasticy. Eto yavlenie imeet special'noe nazvanie asimptoticheskoi svobody kvarkov pri malyh R. Odnako pri R bol'she nekotorogo kriticheskogo $R_{kr} \approx 10^{-13}$ cm velichina potencial'noi energii vzaimodeistviya U(R ) stanovitsya pryamo proporcional'noi velichine R. Otsyuda pryamo sleduet, chto sila F = -dU/dR = const, to est' ne zavisit ot rasstoyaniya. Nikakie drugie vzaimodeistviya, kotorye fiziki ranee izuchili, ne obladali stol' neobychnym svoistvom [5].

Raschety pokazyvayut, chto sily, deistvuyushie mezhdu kvarkom i antikvarkom, deistvitel'no, nachinaya s $R_{kr} \approx 10_{-13}$ sm, perestayut zaviset' ot rasstoyaniya, ostavayas' na urovne ogromnoi velichiny, blizkoi 20 t. Na rasstoyanii R ~ 10-12 sm (ravnom radiusu srednih atomnyh yader) cvetnye sily bolee chem v 100 tys. raz bol'she elektromagnitnyh sil. Esli sravnit' cvetnuyu silu s yadernymi silami mezhdu protonom i neitronom vnutri atomnogo yadra, to okazyvaetsya, chto cvetnaya sila v tysyachi raz bol'she! Takim obrazom, pered fizikami otkrylas' novaya grandioznaya kartina cvetnyh sil v prirode, na mnogo poryadkov prevyshayushih nyne izvestnye yadernye sily. Konechno, srazu zhe voznikaet i vopros o tom, mozhno li takie sily zastavit' rabotat' kak istochnik energii. K sozhaleniyu, otvet na etot vopros otricatel'nyi.

Estestvenno, vstaet i drugoi vopros: do kakih rasstoyanii R mezhdu kvarkami potencial'naya energiya lineino rastet s rostom R? Otvet prostoi: pri bol'shih rasstoyaniyah zhgut silovyh linii rvetsya, tak kak energeticheski bolee vygodno obrazovat' razryv s rozhdeniem kvark-antikvarkovoi pary chastic. Eto proishodit, kogda potencial'naya energiya v meste razryva bol'she massy pokoya kvarka i antikvarka. Process razryva zhguta silovyh linii glyuonnogo polya pokazan na ris. 2, v.

Takie kachestvennye predstavleniya o rozhdenii kvarka-antikvarka pozvolyayut ponyat', pochemu odinochnye kvarki voobshe ne nablyudayutsya i ne mogut nablyudat'sya v prirode. Kvarki navechno zaklyucheny vnutri adronov. Eto yavlenie nevyleta kvarkov nazyvaetsya konfainmentom [5]. Pri vysokih energiyah zhgutu mozhet byt' vygodnee razorvat'sya srazu vo mnogih mestah, obrazovav mnozhestvo $q \tilde q$-par. Takim putem my podoshli k probleme mnozhestvennogo rozhdeniya kvark-antikvarkovyh par i obrazovaniyu zhestkih kvarkovyh strui.

Rassmotrim snachala stroenie legkih adronov, to est' mezonov. Oni sostoyat, kak my uzhe govorili, iz odnogo kvarka i odnogo antikvarka.

Chrezvychaino vazhno, chto oba partnera pary imeyut pri etom odinakovyi cvetnoi zaryad i takoi zhe antizaryad (naprimer, kvark sinii i antikvark antisinii), tak chto ih para nezavisimo ot aromatov kvarkov ne imeet cveta (a tol'ko bescvetnye chasticy my i nablyudaem).

Vse kvarki i antikvarki imeyut spin (v dolyah ot h), ravnyi 1/2. Poetomu summarnyi spin sochetaniya kvarka s antikvarkom raven libo 0, kogda spiny antiparallel'ny, libo 1, kogda spiny parallel'ny drug drugu. No spin chasticy mozhet byt' i bol'she 1, esli sami kvarki vrashayutsya po kakim-libo orbitam vnutri chasticy.

V tabl. 3 privedeny nekotorye parnye i bolee slozhnye kombinacii kvarkov s ukazaniem, kakim izvestnym ranee adronam dannoe sochetanie kvarkov sootvetstvuet.

Kvarki Mezony   Kvarki Bariony
J=0 J=1 J=1/2 J=3/2
chasticy rezonansy chasticy rezonansy
$u \tilde d$ $\pi^+$
(pion+)		 $\rho^+$
(ro+)		 uuu   $\Delta^{++}$
(del'ta++)
$\tilde u d$ $\pi^-$
(pion-)		 $\rho^-$
(ro-)		 uud p
(proton)		 $\Delta^+$
(del'ta+)
$u \tilde u - d \tilde d$ $\pi^0$
(pion0)		 $\rho^0$
(ro0)		 udd n
(neitron)		 \Delta^0
(del'ta0)
$u \tilde u + d \tilde d$ $\eta$
(eta)		 $\omega$
(omega)		 ddd   $\Delta^-$
(del'ta-)
$d \tilde s$ $k^0$
(kaon0)		 $k^0*$
(kaon0*)		 uus $\Sigma^+$
(sigma+)		 $\Sigma^+*$
(sigma+*)
$u \tilde s$ $k^+$
(kaon+)		 $k^+*$
(kaon+*)		 uds $\Lambda^0$
(lyambda0)		 $\Sigma^0*$
(sigma0*)
$\tilde u s$ $k^-$
(kaon-)		 $k^-*$
(kaon-*)		 dds $\Sigma^-$
(sigma-)		 $\Sigma^-*$
(sigma-*)
$c \tilde d$ $D^+$
(de+)		 $D^+*$
(de+*)		 uss $\Xi^0$
(ksi0)		 $\Xi^0*$
(ksi0*)
$c \tilde s$ $D^+_s$
(de-es+)		 $D^+_s*$
(de-es+*)		 dss $\Xi^-$
(ksi-)		 $\Xi^-*$
(ksi-*)
$c \tilde c$ Charmonii $J/\psi$
(dzhei-psi)		 sss $\Omega^-$
(omega-)		  
$b \tilde b$ Bottonii Ipsilon udc $\Lambda^+_c$
(lyambda-ce+)		  
$c \tilde u$ $D^0$
(de0)		 $D^0*$
(de0*)		 uuc $\Sigma^{++}_c$
(sigma-ce++)		  
$b \tilde u$ $B^-$
(be-)		 $B*$
(be*)		 udb $\Lambda_b$
(lyambda-be)		  

Iz naibolee izuchennyh v nastoyashee vremya mezonov i mezonnyh rezonansov naibol'shuyu gruppu sostavlyayut legkie nearomatnye chasticy, u kotoryh kvantovye chisla S = C = B = 0. V etu gruppu vhodyat okolo 40 chastic. Tablica 3 nachinaetsya s pionov $\pi$±,0, otkrytyh angliiskim fizikom S.F. Pauellom v 1949 godu. Zaryazhennye piony zhivut okolo 10-8 s, raspadayas' na leptony po sleduyushim shemam:

$\pi^+ \to \mu + \nu_{\mu}$ i $\pi^- \to \mu^- + \tilde \nu_{\mu}$.

Ih "rodstvenniki" v tabl. 3 - rezonansy $\rho$±,0 (ro-mezony) imeyut v otlichie ot pionov spin J = 1, oni nestabil'ny i zhivut vsego okolo 10-23 s. Prichina raspada $\rho$±,0 - sil'noe vzaimodeistvie.

Prichina raspada zaryazhennyh pionov obuslovlena slabym vzaimodeistviem, a imenno tem, chto sostavlyayushie chasticu kvarki sposobny ispuskat' i pogloshat' v rezul'tate slabogo vzaimodeistviya na korotkoe vremya t v sootvetstvii s sootnosheniem (4) virtual'nye kalibrovochnye bozony: $u \to d + W^+$ ili $d \to u + W^-$, prichem v otlichie ot leptonov osushestvlyayutsya i perehody kvarka odnogo pokoleniya v kvark drugogo pokoleniya, naprimer $u \to b + W^+$ ili $u \to s + W^+$ i t.d., hotya takie perehody sushestvenno bolee redkie, chem perehody v ramkah odnogo pokoleniya. Vmeste s tem pri vseh podobnyh prevrasheniyah elektricheskii zaryad v reakcii sohranyaetsya.

Izuchenie mezonov, vklyuchayushih s- i c-kvarki, privelo k otkrytiyu neskol'kih desyatkov strannyh i charmirovannyh chastic. Ih issledovanie provoditsya seichas vo mnogih nauchnyh centrah mira.

Izuchenie mezonov, vklyuchayushih b- i t-kvarki, intensivno nachalos' na uskoritelyah, i my poka ne budem govorit' o nih bolee podrobno.

Pereidem k rassmotreniyu tyazhelyh adronov, to est' barionov. Vse oni sostavleny iz treh kvarkov, no takih, u kotoryh imeyutsya vse tri raznovidnosti cveta, poskol'ku, tak zhe kak i mezony, vse bariony bescvetny. Kvarki vnutri barionov mogut imet' orbital'noe dvizhenie. V etom sluchae summarnyi spin chasticy budet prevyshat' summarnyi spin kvarkov, ravnyi 1/2 ili 3/2 (esli spiny vseh treh kvarkov parallel'ny drug drugu).

Barionom s minimal'noi massoi yavlyaetsya proton p (sm. tabl. 3). Imenno iz protonov i neitronov sostoyat vse atomnye yadra himicheskih elementov. Chislo protonov v yadre opredelyaet ego summarnyi elektricheskii zaryad Z.

Drugoi osnovnoi chasticei atomnyh yader yavlyaetsya neitron n. Neitron nemnogo tyazhelee protona, on neustoichiv i v svobodnom sostoyanii so vremenem zhizni okolo 900 s raspadaetsya na proton, elektron i neitrino. V tabl. 3 pokazano kvarkovoe sostoyanie protona uud i neitrona udd. No pri spine etoi kombinacii kvarkov J = 3/2 obrazuyutsya rezonansy $\Delta^+$ i $D^0$ sootvetstvenno. Vse drugie bariony, sostoyashie iz bolee tyazhelyh kvarkov s, b, t, imeyut i sushestvenno bol'shuyu massu. Sredi nih osobyi interes vyzyval W--giperon, sostoyashii iz treh strannyh kvarkov. On byl otkryt snachala na bumage, to est' raschetnym obrazom, s ispol'zovaniem idei kvarkovogo stroeniya barionov. Byli predskazany vse osnovnye svoistva etoi chasticy, podtverzhdennye zatem eksperimentami.

Mnogie eksperimental'no nablyudennye fakty ubeditel'no govoryat seichas o sushestvovanii kvarkov. V chastnosti, rech' idet i ob otkrytii novogo processa v reakcii soudareniya elektronov i pozitronov, privodyashei k obrazovaniyu kvark-antikvarkovyh strui. Shema etogo processa pokazana na ris. 4. Eksperiment vypolnen na kollaiderah v Germanii i SShA. Na risunke pokazany strelkami napravleniya puchkov e+ i e-, a iz tochki ih stolknoveniya vylet kvarka q i antikvarka $\tilde q$ pod zenitnym uglom $\Theta$ k napravleniyu poleta e+ i e-. Takoe rozhdenie $q+\tilde q$ pary proishodit v reakcii

$e^+ + e^- \to \gamma_{virt} \to q + \tilde q$

Kak my uzhe govorili, zhgut silovyh linii (chashe govoryat struna) pri dostatochno bol'shom rastyazhenii rvetsya na sostavlyayushie. Pri bol'shoi energii kvarka i antikvarka, kak govorilos' ranee, struna rvetsya vo mnogih mestah, v rezul'tate chego v oboih napravleniyah vdol' linii poleta kvarka q i antikvarka obrazuyutsya dva uzkih puchka vtorichnyh bescvetnyh chastic, kak eto pokazano na ris. 4. Takie puchki chastic nazvany struyami. Dostatochno chasto na opyte nablyudaetsya obrazovanie treh, chetyreh i bolee strui chastic odnovremenno.

V eksperimentah, kotorye provodilis' pri sverhuskoritel'nyh energiyah v kosmicheskih luchah, v kotoryh prinimal uchastie i avtor etoi stat'i, polucheny kak by fotografii processa obrazovaniya mnogih strui. Delo v tom, chto zhgut ili struna odnomerny i poetomu centry obrazovaniya treh, chetyreh i bolee strui takzhe raspolagayutsya vdol' pryamoi linii [6].

Teoriya, opisyvayushaya sil'nye vzaimodeistviya, nazyvaetsya kvantovoi hromodinamikoi ili sokrashenno KHD. Ona gorazdo slozhnee teorii elektroslabyh vzaimodeistvii. Osobenno uspeshno KHD opisyvaet tak nazyvaemye zhestkie processy, to est' processy vzaimodeistviya chastic s bol'shoi peredachei impul'sa mezhdu chasticami. Hotya sozdanie teorii eshe ne zaversheno, mnogie fiziki-teoretiki uzhe seichas zanyaty sozdaniem "velikogo ob'edineniya" - ob'edineniya kvantovoi hromodinamiki i teorii elektroslabogo vzaimodeistviya v edinuyu teoriyu.

V zaklyuchenie kratko ostanovimsya na tom, ischerpyvayut li shest' leptonov i 18 raznocvetnyh kvarkov (i ih antichasticy), a takzhe kvanty fundamental'nyh polei - foton, W±-, Z0-bozony, vosem' glyuonov i, nakonec, kvanty gravitacionnogo polya - gravitony ves' arsenal istinno elementarnyh, tochnee, fundamental'nyh chastic. Po-vidimomu, net. Skoree vsego, opisannye kartiny chastic i polei sut' otrazhenie lish' nashih znanii v nastoyashee vremya. Nedarom uzhe seichas est' mnogo teoreticheskih idei, v kotorye vvodyatsya bol'shaya gruppa eshe na nablyudennyh tak nazyvaemyh supersimmetrichnyh chastic, oktet sverhtyazhelyh kvarkov i mnogoe drugoe.

Ochevidno, sovremennaya fizika eshe daleka ot postroeniya zavershennoi teorii chastic. Vozmozhno, byl prav velikii fizik Al'bert Einshtein, polagaya, chto lish' uchet gravitacii, nesmotrya na ee seichas kazhushuyusya maluyu rol' v mikromire, pozvolit postroit' stroguyu teoriyu chastic. No vse eto uzhe v XXI veke ili eshe pozzhe.

Literatura

1. Okun' L.B. Fizika elementarnyh chastic. M.: Nauka, 1988.

2. Kobzarev I.Yu. Laureaty Nobelevskoi premii 1979 g.: S. Vainberg, Sh. Gleshou, A. Salam // Priroda. 1980. N 1. S. 84.

3. Zel'dovich Ya.B. Klassifikaciya elementarnyh chastic i kvarki v izlozhenii dlya peshehodov // Uspehi fiz. nauk. 1965. T. 8. S. 303.

4. Krainov V.P. Sootnoshenie neopredelennosti dlya energii i vremeni // Sorosovskii Obrazovatel'nyi Zhurnal. 1998. N 5. S. 77-82.

5. Nambu I. Pochemu net svobodnyh kvarkov // Uspehi fiz. nauk. 1978. T. 124. S. 146.

6. Zhdanov G.B., Maksimenko V.M., Slavatinskii S.A. Eksperiment "Pamir" // Priroda. 1984. N 11. S. 24

Recenzent stat'i L.I. Sarycheva

Nazad | K soderzhaniyu

Publikacii s klyuchevymi slovami: yadernye reakcii - atomnoe yadro - elementarnye chasticy - fizika vysokih energii - leptony - kvarki - kvark-glyuonnaya plazma
Publikacii so slovami: yadernye reakcii - atomnoe yadro - elementarnye chasticy - fizika vysokih energii - leptony - kvarki - kvark-glyuonnaya plazma
Sm. takzhe:
Vse publikacii na tu zhe temu >>

Obsudit' etu publikaciyu
Ocenka: 2.1 [golosov: 33]
 
O reitinge
Versiya dlya pechati Raspechatat'

Astrometriya - Astronomicheskie instrumenty - Astronomicheskoe obrazovanie - Astrofizika - Istoriya astronomii - Kosmonavtika, issledovanie kosmosa - Lyubitel'skaya astronomiya - Planety i Solnechnaya sistema - Solnce

Astronet | Nauchnaya set' | GAISh MGU | Poisk po MGU | O proekte | Avtoram

Kommentarii, voprosy? Pishite: info@astronet.ru ili syuda

Rambler's Top100 Yandeks citirovaniya