Деякі проблеми розвитку фізики елементарних частинок

ФІЗИКА

Частина 6 ФІЗИКА АТОМНОГО ЯДРА І ЕЛЕМЕНТАРНИХ ЧАСТИНОК

Розділ 18 ФІЗИКА ЕЛЕМЕНТАРНИХ ЧАСТИНОК

18.8. Деякі проблеми розвитку фізики елементарних частинок

На першому етапі прагнення якимось чином обмежити кількість елементарних складових матерії привело до обговорення теоретичних схем, в яких фундаментальними частинками вважалась лише частина відомих адронів, які розглядались як зв’язані стани, що складаються з фундаментальних адронів. Однак пізніше виявилося, що ці схеми неспроможні описати властивості всіх відомих

частинок. Зі збільшенням кількості відкритих адронів труднощі, з якими зіткнулись подібні схеми, ускладнювались і ставало все більш очевидним, що адрони не можуть бути елементарними утвореннями, що елементарні частинки, якщо вони існують, мають бути об’єктами якоїсь іншої природи.

Адрони з цілочисловим спіном називають мезонними, оскільки перші виявлені мезони (π, К) мали масу, проміжну між масою електрона і протона. Адрони з півцілим спіном унаслідок значної маси дістали назву баріонних адронів. До них належать нуклони, гіперони і деякі інші частинки.

Знання характеристик адронів дає змогу надійно

здійснити їхню класифікацію, тобто виділити групи з однаковими або близькими властивостями. Частину таких досить широких груп ми згадували. Виявляється, що можна виділити й інші групи адронів, близьких одна до одної за деякими ознаками.

Найпростішим прикладом таких груп адронів є так звані ізотопічні мультиплети. Ілюстрацією можуть бути такі групи: р, n; π+, π0, π-; К+, К°, К-; Σ+, Σ°, Σ-. Існування подібних груп адронів було приписане наявності у частинок, що входять до них, особливої характеристики – ізотопічного спіну І у формально подібного до звичайного спіну. Як і звичайний спін, I-спін може мати різні проекції Іz на виділену вісь (Iz – адитивне квантове число). Кожна група (мультиплет) включає в себе в загальному випадку 2I + 1 частинки. Наприклад, для груп із р і n I = 1/2, а для груп мезонів π+, π0, π- І = 1 і т. д.

Сучасні дослідження спрямовані на пошуки фундаментальних частинок, з яких можна створити всі сильновзаємодіючі частинки, тобто адрони. До цих фундаментальних частинок висувають такі вимоги: вони мають бути баріонами і антибаріонами – частинками з відповідно позитивним і негативним баріонним зарядами. їх комбінація сприятиме утворенню баріонного заряду будь-якого адрона. Баріонний заряд мезонів дорівнює нулю, тому їх одержують комбінацією баріона з антибаріоном. Фундаментальні частинки повинні мати мінімальне півціле значення звичайного спіну, щоб із них можна було побудувати частинки з будь-якими цілими і півцілими спінами. Серед них обов’язково має бути баріон з дивністю, яка дорівнює одиниці, для контролювання дивних частинок. Важливо також, щоб маса фундаментальних частинок не дуже відрізнялась, що може свідчити про однакові значення сильної взаємодії, яка існує між ними. Ще одна вимога пов’язана з ізотопічним спіном фундаментальних частинок. Щоб можна було дістати будь-які ізотопічні мультиплети, у нашому розпорядженні має бути хоча б ізотопічний синглет та ізотопічний дублет.

С. Саката, керуючись цими вимогами, за фундаментальні частинки взяв три баріони: протон, нейтрон і λ-гіперон (р, n, λ) та їхні античастинки (,,). Схема Сакати задовільно описує мезонні адрони, але виявляється непридатною для баріонних адронів. Для усунення недоліків схеми Сакати було застосовано октетний формалізм М. Гелл-Манна і Ю. Неймана. Автори октетного формалізму запропонували розширити схему Сакати, вибравши в ролі фундаментальних частинок вісім баріонів замість трьох.

Нову схему виявилось можливим поширити на баріонні адрони. На основі запропонованої схеми Гелл-Манн передбачив існування невідомого в той час Ω–гіперона. При цьому за допомогою октетної схеми визначили не лише всі квантові числа передбаченого гіперона, а і його масу. Передбачене значення маси збіглося з експериментальним значенням, коли Ω–гіперон було відкрито у Брукхейвені в двометровій водневій бульбашковій камері, опроміненій K-мезонами.

Проте виявилось, що не всі факти можна пояснити на основі схеми октетної симетрії. Для подолання труднощів октетного формалізму М. Гелл-Манн і Дж. Цвейг 1964 р. запропонували кваркову модель, згідно з якою всі елементарні частинки побудовані з трьох кварків. Незвичним в цій моделі було те, що кваркам приписувалися дробові квантові числа (електричний і баріонний заряди). Зокрема, електричний заряд у них мав бути кратним одній третій елементарного електричного заряду.

У першій формі цієї моделі було запропоновано три типи кварків, позначених літерами u, d, s, які походять від англійських слів up (вгору), down (вниз), strange (дивний). Носієм дивності був кварк s, тому до складу всіх дивних частинок входив щонайменше один s-кварк, або s-антикварк. У кварковій моделі розподіл мас між адронами відображає розподіл мас між кварками. Отже, оскільки s-кварк значно масивніший від інших кварків, маса дивних адронів значно більша від маси недивних адронів.

Пізніше систему кварків розширили, було додатково введено кварки: “зачарований” (с), “привабливий” (b) і “правдивий” (t). Властивості, які приписуються кваркам, наведено в табл. 18.3. Підставою збільшення кількості кварків було те, що зв’язані стани з трьох кварків на зразок uuu (Δ++), ddd (Δ–), sss (Ω-) суперечать принципу Паулі. Із табл. 18.3 видно, що всі квантові числа кварків у цих утвореннях однакові. Оскільки кварки мають півцілі спіни і, отже, мають описуватись статистикою Фермі, то в одній системі не може бути не лише трьох, а й навіть двох кварків з однаковим набором квантових чисел.

Таблиця 18.3

Тип (“аромат”) кварка	Електричний заряд q	Баріонний заряд В	Спін s	“Дивність” S	“Зачарованість” С	“Колір”
И	+2/3	+1/3	1/2	0	0	Червоний
D	-1/3	+1/3	1/2	0	0	Зелений Синій Те саме
S	-1/3	+1/3	1/2	-1	0	_”_
С	+2/3	+1/3	1/2	0	+1	_”_
B	-1/3	+1/3	1/2	0	0	_”_
T	+2/3	+1/3	1/2	0	0	_”_
	-2/3	-1/3	1/2	0	0	Античервоний
	+1/3	-1/3	1/2	0	0	Антизелений Антисиній Те саме _”_
	+1/3	-1/3	1/2	+1	0	_”_
	-2/3	-1/3	1/2	0	-1	_”_
	+1/3	-1/3	1/2	0	0	_”_
	-2/3	-1/3	1/2	0	0	_”_

Таблиця 18.4

Частинка	Склад	Електричний заряд q	Баріонний заряд В	Дивність S	Взаємна орієнтація спінів кварків	Спін частинки s	Взаємна орієнтація ізотонічних спінів кварків	Ізотонічний спін частинки І
π+	U	+1	0	0		0		1
π-	D	-1	0	0	0	1
К+	U	+1	0	+1	0	1/2
Р	Uud	+1	+1	0	1/2	1/2
N	Udd	0	+1	0	1/2	1/2
Σ+	Uus	+1	+1	-1	1/2	1
λ	Uds	0	+1	-1	1/2	0
Δ++	Uuu	+2	+1	0	3/2	3/2
Δ-	Ddd	-1	+1	0	3/2	3/2
Ω-	Sss	-1	+1	-3	3/2	0

Згідно з кварковою моделлю всі адрони є складними структурами, утвореними з найпростіших складових – кварків. Так, баріони складаються з трьох кварків, мезони – з кварка і антикварка. В табл. 18.4 наведено деякі з цих структурних утворень.

Виходячи з деяких міркувань, зокрема для усунення суперечності з принципом Паулі, було введено поняття “колір” кварка. Виникла думка, що кожний кварк може існувати в трьох “забарвлених” формах: червоній, зеленій, синій (зазначимо, що суміш цих кольорів дає “нульовий” білий колір). Тоді можна стверджувати, що s-кварки, що утворюють, наприклад Ω–гіперон, мають різне забарвлення, тому принцип Паулі не порушується.

Поєднання “кольорів” кварків у випадку адронів мають бути таким, щоб у цілому “колір” адрона був нульовим (тобто адрон має бути “безбарвним”). Так, до складу протона входять кварки u (червоний), u (зелений) і d (синій). У результаті дістають нульовий (білий) “колір”.

Антикварки вважаються забарвленими в додаткові “кольори” (“антикольори”), що дають разом з “кольором” нульовий “колір”. Тому мезони, які складаються з кварка і антикварка, також мають нульовий “колір”.

У 1974 р. було відкрито практично одночасно у двох лабораторіях США (в Стенфорді – Б. Ріхтером, в Брукейвені – С. Тінгом) частинку з великою масою, яка дорівнювала 3,10 ГеВ (понад три маси нуклона). В одній із лабораторій новій частинці дали позначення J, У другій – Ψ, у зв’язку з чим цю частинку називають J/Ψ-частинкою (джей-псі-частинкою). Після цього було виявлено інші Ψ-частинки з масами 3,69; 3,77 і 4,04 ГеВ, а також група χ-частинок з масами 3,45; 3,51 і 3,55 ГеВ.

Відкриття Ψ – і χ-частинок було підтвердженням запропонованої раніше моделі частинок із чотирьох кварків. Крім u-, d-, s-кварків у цій моделі введено четвертий “чарівний” кварк с (від англ. charming – чарівний). Він відрізняється від інших кварків тим, що квантове число С, яке дістало назву “зачарованість” (його називають також “шарм” або “чарм”), у нього дорівнює одиниці, тоді як для інших кварків воно дорівнює нулю (див. табл. 18.3). До складу “незачарованих” частинок (мезонів і баріонів) с-кварк не входить.

Частинки груп Ψ i χ є різними рівнями (станами) систем С (“зачаровані” кварк – антикварк). За аналогією з системою електрон – позитрон, яка називається позитронієм, система дістала назву чармоній.

Оскільки “зачарованість” кварка С і його антикварка дорівнює відповідно +1 і -1, квантове число С системи С дорівнює нулю. Стверджують, що для Ψ – і χ-частинок властива захована “зачарованість”. У 1976 р. було відкрито теоретично передбачені частинки з явною “зачарованістю”. Їхні властивості наведено в табл. 18.5.

Таблиця 18.5

Частинка	Маса, ГеВ	Склад	Електричний заряд q	Баріонний заряд В	“Зачарованість” С
D0-мезон	1,663	С	0	0	+1
D+-мезон	1,863	C	+1	0	+1
F+-мезон	2,04	С	+1	0	+1
Λс-баріон	2,27	Cdu	+1	+1	+1

Щоб пояснити властивості відкритої 1976 р. Y-частинки (іпсилон-частинки), ввели п’ятий кварк, який позначили b (bottom – нижній або beauty – привабливий) (див. табл. 18.3). Частинки Y (9,46 ГеВ), Y’ (10,02 ГеВ), Y” (10,40 ГеВ), Y”‘ (10,55 ГеВ) є різними рівнями b. Теоретики передбачили існування шостого кварка, який позначають літерою t (top – верхній або truthful – правдивий). Поки що немає експериментальних даних, для тлумачення яких потрібний був би цей кварк. Проте вчені впевнені, що відповідні частинки будуть відкриті.

Різні типи кварків називають “ароматами”, крім того, кварки мають додаткову ознаку, яку називають “кольором” (і аромат, і колір є просто умовними позначеннями, які не мають нічого спільного зі смаковими, зоровими чи іншими відчуттями). Кожний “аромат” кварка існує в трьох “кольорах”: червоному, зеленому і синьому. Кольорова ознака створює основну відмінність між лептонами і кварками. Шість “ароматів” кварків відповідають шести різновидам лептонів, але аналога кваркового “кольору” в лептонів немає. Ця відмінність наглядно проявляється на експерименті. Сильна взаємодія відбувається між “кольорами”, і, оскільки лептони не мають “кольору”, вони не чутливі до сильної взаємодії.

В основному “колір” кварка (подібно до електричного заряду) передає відмінність у властивості, яка визначає притягання і відштовхування кварків. За аналогією з квантами полів різних взаємодій (фотонами в електромагнітній взаємодії, π-мезонами в сильній взаємодії і т. д.) було введено частинки-переносники взаємодії між кварками. Ці частинки назвали глюонами (від англ. glue – клей). Вони переносять “колір” від одного кварка до іншого, в результаті чого кварки утримуються разом.

Ще одна характерна ознака кварків – це їхній електричний заряд. Кварки d, s, b мають заряд -1/3, тоді як заряд кварків u, с, t дорівнює +2/3. Антикварки , , і т. д. мають протилежні за знаком електричні заряди, отже, електричний заряд антикварка дорівнює +1/3, антикварка й дорівнює -2/3 і т. д. Антикварки характеризуються також протилежними кольорами: античервоним, антизеленим і антисинім. При утворенні адронів кварки можуть комбінуватися двома шляхами: або об’єднуються три кварки при одному кварку кожного “кольору”, або кварк певного “кольору” приєднує до себе антикварк з відповідним “антикварком”. Ці комбінації називають “безкольоровими”, і вони, крім цього, мають ще одну важливу особливість. В усіх можливих комбінаціях дробові електричні заряди кварків складаються так, що дають цілочисловий сумарний заряд; ніякі інші комбінації (крім утворених складанням уже дозволених комбінацій) не мають такої властивості. Кварковий склад протона uudy що дає повний електричний заряд 2/3 + 2/3-1/3 або +1. Нейтрон складається з кварків uud із зарядом 2/3 – 1/3 -1/3, що в результаті дає нуль. Позитивний піон містить кварк и і антикварк , заряди їх +2/3 і +1/3 дають в сумі +1.

Лептони і кварки прийнято розбивати на три покоління. Кожне покоління складається із зарядженого лептона, відповідного йому нейтрино і двох кварків, один з яких має заряд -1/3, а другий +2/3. Перше покоління складається з електрона, електронного нейтрино, кварків d i u. Оскільки кварки існують у трьох “кольорах”, це покоління містить вісім частинок, представники інших поколінь спостерігаються практично тільки в лабораторних експериментах з прискореними частинками. В єдиній теорії ці три покоління описуються незалежно, але аналогічним чином.

На рис. 18.2 зображено три покоління лептонів і кварків: заряди в лептонів цілі, у кварків – дробові. Лептони існують у вільному вигляді, а кварки є лише складовими більш складних частинок – адронів. У звичайній речовині містяться частинки лише з першого покоління.

Рис. 18.2

Розвиток фізики елементарних частинок допускає складну структуру кварків і лептонів, тобто вони, в свою чергу, складаються із субкварків. Гіпотеза субкварків обговорюється багатьма вченими, хоча нікому ще не вдалося обійти труднощі, які трапляються на цьому шляху, очевидно, тому, що вони мають принциповий характер.

Нині “внутрішність” частинок вивчена до розмірів порядку 10-18 м, але субкварків не виявлено. Досить вірогідно, що фундаментальні фізичні закони, відомі нині, перестають діяти на відстанях, менших ніж 10-18 м, а відкриття субкварків, якщо воно відбудеться, приведе до зміни основних уявлень про закони природи.

Ми розглянули деякі проблеми фізики елементарних частинок, яка вивчає властивості речовини. Важко передбачити хід розвитку цього розділу фізики. Проте експериментальні результати у сфері фізики елементарних частинок є надійною основою її розвитку в майбутньому.