Большая Советская Энциклопедия (ЭЛ)
Шрифт:
Важной характеристикой адронов является также внутренняя чётность Р, связанная с операцией пространств, инверсии: Р принимает значения ±1.
Для всех Э. ч. с ненулевыми значениями хотя бы одного из зарядов О, L, В, Y (S ) и очарования Ch существуют античастицы с теми же значениями массы т, времени жизни t, спина J и для адронов изотопического спина 1, но с противоположными знаками всех зарядов и для барионов с противоположным знаком внутренней чётности Р. Частицы, не имеющие античастиц, называются абсолютно (истинно) нейтральными. Абсолютно нейтральные адроны обладают специальным квантовым числом — зарядовой чётностью (т. е. чётностью по отношению к операции зарядового сопряжения ) С со значениями ±1; примерами таких частиц могут служить фотон и p.
Квантовые числа Э. ч. разделяются на точные (т. е. такие, которые связаны с физическими величинами, сохраняющимися во всех процессах) и неточные (для которых соответствующие физические величины в части процессов не сохраняются). Спин J связан со строгим законом сохранения момента количества движения и потому является точным квантовым числом. Другие точные квантовые числа: Q,L, В; по современным данным, они сохраняются при всех превращениях Э. ч. Стабильность протона есть непосредственное выражение сохранения В (нет, например, распада р ® е+ + g). Однако большинство квантовых чисел адронов неточные. Изотопический спин, сохраняясь в сильных взаимодействиях, не сохраняется в электромагнитных и слабых взаимодействиях. Странность и очарование сохраняются в сильных и электромагнитных взаимодействиях, но не сохраняются в слабых взаимодействиях. Слабые взаимодействия изменяют также внутреннюю и зарядовую чётности. С гораздо большей степенью точности сохраняется комбинированная чётность СР, однако и она нарушается в некоторых процессах, обусловленных слабыми взаимодействиями. Причины, вызывающие несохранение многих квантовых чисел адронов, неясны и, по-видимому, связаны как с природой этих квантовых чисел, так и с глубинной структурой электромагнитных и слабых взаимодействий. Сохранение или несохранение тех или иных квантовых чисел — одно из существенных проявлений различий классов взаимодействий Э. ч.
Табл. 1. — Основные элементарные частицы и их характеристики
| Частица | Античастица | Масса, Мэв | J P | I , Y , Ch | Время жизни, сек , ширина, Мэв (*) | ||||||||
| Фотон | |||||||||||||
| g | 0 | 1– | — | стабилен | |||||||||
| Лептоны | |||||||||||||
| e– | e+ | 0,511003(1) | ½ | — | стабильны | ||||||||
| n | ne | 0(<3 x10– 5 ) | ½ | — | стабильны | ||||||||
| m– | m+ | 105,6595(3) | ½ | — | 2,19713(7)x10– 6 | ||||||||
| n | nm | 0(<0,4) | ½ | — |
| ||||||||
| t– | t+ | 1900(100) | ½ | — | ? | ||||||||
| n | nt | <600 | ½ | — | ? | ||||||||
| Мезоны (В=0) | |||||||||||||
| p+ | p– | – | "o | 1,0,0 | 2,603(2)x10– 8 | ||||||||
| p | 0,83(6)x10– 16 | ||||||||||||
| * | r+ | r | r– | 773(3) | 1– | 152(3) | |||||||
| * | B+ | B | B– | 1230(10) | 1+ | 125(10) | |||||||
| * | 1310(5) | 2+ | 'y | 102(5) | |||||||||
| * | r’+ | r’ | r’– | 1600 | 1– | ~400 | |||||||
| * | g+ | g | g– | 1690(20) | 3– | 180(30) | |||||||
| * | S+ | S | S– | 1940 | 4+ | o | 54 | ||||||
| h | 548,8(6) | – | "o | 0,0,0 | 7(1)x10– 19 | ||||||||
| * | w | 782,7(3) | 1– | 10,0(4) | |||||||||
| * | h’ | 957,6(3) | – | <1 | |||||||||
| * | j | 1019,7(3) | 1– | 4,1(2) | |||||||||
| * | f | 1270(5) | 2+ | 180(20) | |||||||||
| * | f’ | 1516(3) | 2+ | 40(10) | |||||||||
| * | w’ | 1667(10) | 3– | 140(10) | |||||||||
| * | h | 2020(25) | 4+ | 'y | 180(50) | ||||||||
| * | hc | 2820(20) | – ? | ? | |||||||||
| * | y | 3095(4) | 1– | 0,069(15) | |||||||||
| * | y’ | 3684(5) | 1– | 0,228(56) | |||||||||
| * | y’’ | 3772(6) | 1– | 28(5) | |||||||||
| * | y’’’ | 4414(7) | 1– | 33(10) | |||||||||
| * | ! | 9410(10) | 1– ? | ? | |||||||||
| * | !’ | 10060(30) | 1– ? | o | ? | ||||||||
| 493,71(4) | 0 | "o | ½,1,0 | 1,237(3)x10– 8 | |||||||||
| 497,7(1) | |||||||||||||
| * | 892,2(5) | 1 | 'y | 50(1) | |||||||||
| * | 1242(10) | 1 | 127(25) | ||||||||||
| * | 1421(3) | 2 | 100(10) | ||||||||||
| * | 1765(10) | ? | o | 140(50) | |||||||||
| * | 1868,4(9) | – | "o | ½,- 1/3 ,1 | ? | ||||||||
| 1863,3(9) | – | 'y | ? | ||||||||||
| * | 2009(1) | 1– | ? | ||||||||||
| * | 2006(1,5) | 1– | o | ? | |||||||||
| Барионы ("iВ:=1) | |||||||||||||
| p | p | ½+ | "o | ½,1,0 | стабильны | ||||||||
| n | n | 918(14) | |||||||||||
| * | 1470 | ½+ | ~200 | ||||||||||
| * | 1520 | 3 /2– | 'y | ~125 | |||||||||
| * | 1688 | 5 /2+ | ~140 | ||||||||||
| * | 2190 | 7 /2– | ~250 | ||||||||||
| * | 2220 | 9 /2+ | o | ~300 | |||||||||
| * | 1232 | 3 /2+ | "o | 3 /2 ,1,0 | ~110 | ||||||||
| * | 1650 | ½– | 'y | ~140 | |||||||||
| * | 1890 | 5 /2+ | ~250 | ||||||||||
| * | 1950 | 7 /2+ | o | ~220 | |||||||||
| * | L | L | 1115,60(5) | ½+ | 0,0,0 | 2,58(2)x10– 10 | |||||||
| * | L1 | L1 | 1405(5) | ½– | 40(10) | ||||||||
| * | L2 | L2 | 1518(2) | 3 /2– | 16(2) | ||||||||
| * | L3 | L3 | 1820(5) | 5 /2+ | 85 | ||||||||
| * | L4 | L4 | 2100 | 7 /2– | 250 | ||||||||
| S+ | S+ | "o | 1,0,0 | 0,800(6)x10– 10 | |||||||||
| S | S | ½+ | <1x10– 14 | ||||||||||
| S– | S– | 1,482(17) 10– 10 | |||||||||||
| * | S*+ | S* | S*– | S*+ | S* | S*– | 1383(1) | 3 /2+ | 'y | 35(2) | |||
| * | 1670(10) | 3 /2– | ~50 | ||||||||||
| * | 1765(5) | 5 /2– | ~120 | ||||||||||
| * | 2030 | 7 /2+ | o | ~180 | |||||||||
| X | X | "o | ½,—1,0 | 2,96(12) 10– 10 | |||||||||
| X– | X– | ½+ | 1,65(2) 10– 10 | ||||||||||
| * | X* | X*– | X* | X*– | 1531,8(3) | 3 /2+ | 'y | 9,1(5) | |||||
| * | 1820 | ? | o | ~60 | |||||||||
| W– | W– | 1672,2(4) | 3 /2+ | 0,—2,0 | 1,3(2) 10– 10 | ||||||||
| 2260(10) | ½? | 0,—2 /3 ,1 | <75? | ||||||||||
| 2450 | ½? | 1,—2 /3 ,1 | ? | ||||||||||
Как следует из табл. 1, лептоны представлены сравнительно небольшим числом частиц: электроном, мюоном, t-лептоном и соответствующими им нейтрино. Массы ve и vm очень малы, но равны ли они в точности нулю, предстоит решить будущим экспериментам; информация о массе vt пока ограничена.
Основную часть Э. ч. составляют адроны. Увеличение числа Э. ч. в 60—70-х гг. происходило исключительно за счёт расширения данной группы. Адроны в своём большинстве представлены резонансами; наблюдается тенденция к росту спина по мере роста массы резонансов, которая хорошо прослеживается на различных группах мезонов и барионов с заданными J и Y и Ch. Следует также отметить, что странные частицы (особенно квазистабильные) несколько тяжелее обычных (нестранных) частиц, а очарованные частицы тяжелее странных.
Классификация элементарных частиц.
Унитарная симметрия. Классификация лептонов пока не представляет проблем, большое же число адронов, известных уже в начале 50-х гг., явилось основанием для поиска закономерностей в распределении масс и квантовых чисел барионов и мезонов, которые могли бы составить основу их классификации. Выделение изотопических мультиплетов адронов было первым шагом на этом пути. С математической точки зрения группировка адронов в изотопические мультиплеты отражает наличие у них симметрии, связанной с группой вращения (см. Группа ), более формально, с группой SU (2) — группой унитарных преобразований в комплексном двумерном пространстве. Предполагается, что эти преобразования действуют в некотором специфическом внутреннем пространстве — «изотопическом пространстве», отличном от обычного. Существование изотопического пространства проявляется только в наблюдаемых свойствах симметрии. На математическом языке изотопические мультиплеты суть неприводимые представления группы симметрии SU (2).
Концепция симметрии как фактора, определяющего существование различных групп и семейств Э. ч., в современной теории является доминирующей при классификации адронов и других Э. ч. Предполагается, что внутренние квантовые числа Э. ч., позволяющие выделять те или иные группы частиц, связаны со специальными типами симметрий, возникающими за счёт свободы преобразований в особых «внутренних» пространствах. Отсюда и происходит название «внутренние квантовые числа».
Внимательное рассмотрение показывает, что странные и обычные адроны в совокупности образуют более широкие объединения частиц с близкими свойствами, чем изотопические мультиплеты. Они называются супермультиплетами. Число частиц, входящих в наблюдаемые супермультиплеты, равно 8 и 10. С точки зрения симметрий возникновение супермультиплетов истолковывается как проявление существования у адронов группы симметрии более широкой, чем группа SU (2), а именно: SU (3) — группы унитарных преобразований в трёхмерном комплексном пространстве (М. Гелл-Ман и независимо Ю. Нееман, 1961). Соответствующая симметрия получила назв. унитарной симметрии. Группа SU (3) имеет, в частности, неприводимые представления с числом компонент 8 и 10, отвечающие наблюдаемым супермультиплетам: октету и декуплету. Примерами могут служить следующие группы частиц с одинаковыми значениями J P :
Общими для всех частиц в супермультиплете являются значения двух величин, которые по математической природе близки к изотопическому спину и поэтому часто называются унитарным спином. Для октета значения связанных с этими величинами квантовых чисел равны (1, 1), для декуплета — (3, 0).
Унитарная симметрия менее точная, чем изотопическая симметрия. В соответствии с этим различие в массах частиц, входящих в октеты и декуплеты, довольно значительно. По этой же причине разбиение адронов на супермультиплеты сравнительно просто осуществляется для Э. ч. не очень высоких масс. При больших массах, когда имеется много различных частиц с близкими массами, это разбиение осуществляется менее надёжно. Однако в свойствах Э. ч. имеется много разнообразных проявлений унитарной симметрии.
Включение в систематику Э. ч. очарованных адронов позволяет говорить о сверхсупермультиплетах и о существовании ещё более широкой симметрии, связанной с унитарной группой SU (4). Примеры до конца заполненных сверхсупермультиплетов пока отсутствуют. SU (4)-симметрия нарушена ещё сильнее, чем SU (3)-симметрия, и её проявления выражены слабее.
Обнаружение у адронов свойств симметрии, связанных с унитарными группами, и закономерностей разбиения на мультиплеты, отвечающих строго определённым представлениям указанных групп, явилось основой для вывода о существовании у адронов особых структурных элементов — кварков.
Кварковая модель адронов. Развитие работ по классификации адронов с первых своих шагов сопровождалось попытками выделить среди них частицы более фундаментальные, чем остальные, которые могли бы стать основой для построения всех адронов. Начало этой линии исследования было положено Э. Ферми и Ян Чжэнь-нином (1949), которые предположили, что такими фундаментальными частицами являются нуклон (N) и антинуклон (