В процессах сильного и электромагнитного взаимодействий четность сохраняется: в этом заключается закон сохранения четности.

Однако Ц. Ли и Ч. Янг (1956 г.) показали, что при слабых взаимодействиях этот закон не выполняется.

Изотопический спин. Все адроны распределяются по небольшим группам, называемым изотопическими мультиплетами (изомультиплетами). Это — группы элементарных частиц, одинаковым образом участвующие в сильном взаимодействии, имеющие близкие массы, одинаковые барионные заряды, одинаковые спины и различающиеся электрическими зарядами [например, протон и нейтрон; π⁺, π ^- и π⁰ (см. Приложение 1). Адронам присуща изотопическаяинвариантность, заключающаяся в том, что сильное взаимодействие для всех адронов, входящих в один и тот же изомультиплет, одинаково, т. е. не зависит от электрического заряда.

Эту по существу независимость от электрических зарядов называют изотопическо й (или зарядовой) независимостью сильных взаимодействий. Так, протон и нейтрон объединяют в изотопический дублет. Эти две частицы рассматриваются как различные квантовые состояния одной и той же частицы — нуклона. Изотопические триплеты — это, например, (π^-, π⁰, π ⁺) и (Σ^-, Σ⁰, Σ⁺). Существуют и одиночные частицы, не входящие в мультиплеты, их называют синглетами ( η-мезон, Λ- и Ω-гипероны).

По аналогии с обычным спином каждому зарядовому мультиплету приписывают определенное значение изотопического спина (короче изоспина ) I. Значение I выбирают так, чтобы 2 I + 1 было равно числу частиц в мультиплете n.

n = 2 I + 1

(17.9)

Отдельным частицам мультиплета приписывают различные значения I _z — проекции изоспина на ось Z в воображаемом изотопическом пространстве. Причем частице с большим электрическим зарядом — большее значение I _z. Например, для нуклонов I = 1/2, у протона I _z = +1/2, у нейтрона I _z = -1/2; для π-мезонов I = 1, тогда для π ⁺, π⁰, π^-соответственно I_z равно +1, 0, -1.

С изоспином связан закон сохранения: при сильных взаимодействиях сохраняется как изоспин I, так и его проекция. При электромагнитных — только I _z, сам же изоспин I не сохраняется. Слабые взаимодействия протекают как правило с изменением изоспина I.

Выполнение законов сохранения в сильном, электромагнитном и слабом взаимодействиях указано в таблице 17.3 знаком (+), невыполнение законов – знаком (-).

Таблица 17.3

Закон сохранения	Взаимодействие
сильное	электромагнитное	слабое
энергии	+	+	+
импульса	+	+	+
момента импульса	+	+	+
электрического заряда	+	+	+
лептонного заряда	+	+	+
барионного заряда	+	+	+
изотопического спина	+	+	-
странности	+	+	-
чётности	+	+	-

Кварки

Обилие открытых и вновь открываемых адронов навела Гелл-Мана и Цвейга (1964 г.) на мысль, что все они построены из каких-то других более фундаментальных частиц. Ими была выдвинута гипотеза, подтвержденная последующими исследованиями, что все тяжелые фундаментальные частицы – адроны – построены из более фундаментальных частиц, названных кварками. На основе кварковой гипотезы не только была понята структура уже известных адронов, но и предсказано существование новых.

В настоящее время практически доказано, что все адроны (мезоны, барионы, резонансы) состоят из кварков — фундаментальных частиц, у которых имеются и античастицы — антикварки. Существуют шесть типов (или ароматов ) кварков: и, d, s, с, b, t (данные об открытии кварка t пока требуют дальнейшего уточнения). Кварки обладают необычными свойствами, прежде всего дробным электрическим зарядом (зарядыантикварков имеют обратный знак). Все кварки имеют спин 1/2 и барионный заряд В = 1/3. Согласно модели Гелл-Мана—Цвейга, все известные в то время адроны можно было построить, постулировав существование кварков и соответствующих им антикварков, если им приписать характеристики, указанные в табл. 17.4.

Таблица 17.4

Кварк	Символ кварка (антикварка)	Электрический заряд, Q [ e ]	Барионное число, B	Спин [ ħ ]	Странность, S
Верхний (up)
Нижний (down)
Странный (strange)					-1 (+1)
Очарованный (charm)					-1 (+1)
Прелестный (beauty)
Истинный (truth)

Согласно кварковой модели, все барионы (В = 1) состоят из трех кварков, а мезоны (B = 0) — из пары кварк — антикварк. Примеры образования некоторых мезонов и барионов из кварков представлены в табл. 17.5.

 

 

Таблица 17.5.

Мезоны	Барионы
Частица	Состав	Частица	Состав
π^+		p	uud
π^-
K ^+		n	udd
K ^-
K ^0		Σ ^+	uus
		Σ ^-	dds

 

В теории вводятся новые квантовые числа: шарм (очарование) С и красота (прелесть) b. Эти квантовые числа являются аналогами квантового числа странности S. Кварк s является носителем странности, с — шарма (очарования), b — красоты. Квантовые числа С и b сохраняются только в сильных и электромагнитных взаимодействиях. Поскольку квантовые числа С и b присущи немногим, причем экзотическим, частицам (D- и F-мезоны, Λ_C-, Λ _b -барионы), мы этим и ограничимся.

Соответствующие антикварки отличаются от кварков знаками зарядов Q, В, S, С и b.

Модель кварков удачно описала все многообразие адронов, в том числе и некую группировку их по свойствам. В модели кварков предполагается наличие у кварков ранее неведомого заряда. Этот заряд должен был иметь три различных значения, в отличие от элементарного электрического заряда, принимающего два значения ±1. Новый заряд назвали цветом, а его значения — условно красным, синим и желтым. Наблюдаемые адроны цветового заряда не имеют, т. е. они «бесцветны». Отсюда следуют свойства цветового заряда: 1) любой цвет компенсируется антицветом (чтобы объяснить бесцветность мезонов, состоящих из кварка и антикварка) и 2) смесь всех трех цветов дает бесцветное («белое») состояние — это нужно для объяснения бесцветности адронов, состоящих из трех кварков. Т. е. протон, например, состоит из красного кварка и, синего кварка и и желтого кварка d, так что в целом он нейтрален по отношению к цветовому заряду («бесцветен»). Пи-плюс-мезон π⁺ состоит, скажем, из красного кварка и и антикрасного антикварка и тоже «бесцветен».

Следует подчеркнуть, что цветовой заряд кварков ничего общего, кроме аналогии, не имеет с обычным цветом, где любые оттенки могут быть получены смешиванием трех базовых цветов. В 1976г. М. Гелл-Манн построил квантовую теорию цветовых взаимодействий. Согласно этой теории (ее назвали квантовой хромодинамикой ) цветовой заряд порождает особое поле, подобно тому, как заряд электрический порождает электрическое поле. Кванты этого поля называются глюонами (от англ. glue— клей), так как они «склеивают» кварки в адронах. Роль глюонов сводится к «перекрашиванию» кварка. Глюон несет пару цветов (например, синий и антикрасный). Такой глюон, при поглощении красным кварком, компенсирует красный цвет и окрашивает кварк в синий, в результате чего кварки удерживаются вместе. Поэтому при испускании и поглощении глюонов цвет кварков изменяется, но их аромат при этом сохраняется. Например, u -кварк не превращается в s -кварк. Согласно модели цветных кварков, последние, не нарушая бесцветности адронов, беспрестанно изменяют в них свою окраску.

Таким образом, в квантовой хромодинамике взаимодействие между кварками осуществляется путем обмена безмассовыми частицами - глюонами. Наблюдаемые адроны (мезоны и барионы) составлены из «бесцветных» комбинаций кварков, а наблюдаемые сильные взаимодействия между ними — это «остаток» цветового взаимодействия кварков, входящих в их состав.

Ряд экспериментальных данных указывает с несомненностью на реальное существование кварков. К их числу относятся результаты изучения рассеяния быстрых электронов нуклонами и другими адронами. Анализ полученных результатов привел к заключению, что внутри адронов электроны рассеиваются на точечных частицах с электрическими зарядами +2/3 и -1/3, причем эти частицы (кварки) ведут себя как бесструктурные точечные элементы.

Вместе с тем все попытки наблюдать кварки в свободном состоянии оказались безуспешными. Это привело к выводу, что кварки могут существовать только внутри адронов и в принципе не могут наблюдаться в свободном состоянии. Появился даже применительно к кваркам термин конфайнмент (от английского confinement, что означает тюремное заключение). Причиной конфайнмента является необычное поведение сил взаимодействия кварков друг с другом. При малых расстояниях эти силы крайне малы, так что кварки оказываются практически свободными (это состояние называется асимптотической свободой). Однако с увеличением расстояний между кварками силы взаимодействия очень быстро растут, не позволяя кваркам вылететь из адрона.

В настоящее время лептоны и кварки считают фундаментальными частицами. Всего к настоящему времени обнаружено уже три пары лептонов и, в составе адронов, три пары кварков. Эти пары частиц называют поколениями. Каждой паре кварков в поколении должна соответствовать пара лептонов. Число пар лептонов и кварков должно совпадать, иначе окажется противоречивой другая теория, объединяющая электромагнитные и слабые взаимодействия. Таким образом, современная таблица (табл. 17.6) для свойств фундаментальных частиц имеет простой вид.

Таблица 17.6

Поколения				Электрический заряд
Кварки	u	c	t	2/3
	d	s	b	-1/3
Лептоны	ν е	ν μ	ν τ
	е	μ	τ	-1

Стандартная теория

Электрослабые взаимодействия. Вайнберг, Глэшоу и Салам (70-ые годы XX столетия) создали единую теорию электрослабых(т. е. электромагнитных и слабых) взаимодействий. Из этой теории вытекает, что переносчиком слабых взаимодействий является группа частиц, получивших название промежуточных векторных бозонов. В эту группу входят две заряженные частицы (W⁺ и W^-) и одна нейтральная (Z⁰) (W — первая буква английского слова weak — слабый). Таким образом, слабые взаимодействия подобны электромагнитным, переносчиками которых также являются векторные бозоны — фотоны. Векторными называются частицы со спином, равным единице (и отрицательной четностью). Вотличие от фотона, эти частицы весьма массивны, что объясняет проявление слабых взаимодействий на очень коротких расстояниях (см. табл. 17.1), в отличие от дальнодействующих электромагнитных.

Промежуточные бозоны, обнаруженные в 1982— 1983 гг, — нестабильные частицы. Характерные схемы распада промежуточных бозонов имеют вид

(17.10)

Бета-распад происходит за счет слабого взаимодействия. Следовательно, в нем должен участвовать промежуточный бозон. В соответствии с этим, например, распад нейтрона

,

(17.11)

в действительности представляет собой двухступенчатый процесс:

затем

(17.12)

Стандартная модель. Теория взаимодействия фундаментальных частиц (шести кварков и шести лептонов плюс такое же число их античастиц), обменивающихся глюонами (сильные взаимодействия), фотоном и тройкой бозонов (электрослабые взаимодействия) известна как Стандартная теория, или Стандартная модель. Она синтезирует современные представления обо всех элементарных частицах и трех фундаментальных взаимодействиях — сильном, электромагнитном и слабом. Гравитационное взаимодействие модель не рассматривает, поскольку его влияние в процессах физики частиц при достигнутых энергиях пренебрежимо мало. Стандартная теория основана на совокупности экспериментальных данных и на их интерпретации, даваемой теорией электрослабого взаимодействия и квантовой хромодинамикой.