Стандартная модель элементарных частиц. Проблема объединения фундаментальных взаимодействий. Кварки

Таблица 13.2

Закономерности, наблюдаемые в мире элементарных частиц, могут быть сформулированы в виде законов сохранения (табл.13.2). Некоторые из них оказываются не точными, а лишь приближенными. Так, например, закон сохранения гиперзаряда Y (или странности S) выполняется в случае сильных и электромагнитных взаимодействий и нарушается в слабых взаимодействиях (соблюдение закона в данном виде взаимодействия указано в табл. 13.2 знаком плюс, нарушение —знаком минус).

Каждый закон сохранения выражает определенную симметрию системы. Законы сохранения импульса р, момента импульса М и энергии Е отражают свойства симметрии пространства и времени: сохранение энергии есть следствие однородности времени, сохранение р обусловлено однородностью пространства, а сохранение М — его изотропностью. Закон сохранения четности связан с симметрией между правым и левым (Р -инвариантность). Симметрия относительно зарядового сопряжения (симметрия частиц и античастиц) приводит к сохранению зарядовой четности (С -инвариантность). Законы сохранения электрического, барионного и лептонного зарядов выражают особую симметрию волновой функции. Наконец, закон сохранения изотопического спина отражает изотропность изотопического (зарядового) пространства. Несоблюдение одного из законов сохранения означает нарушение в данном взаимодействии соответствующего вида симметрии. Например, электромагнитное взаимодействие нарушает симметрию изотопического пространства, вследствие чего изотопический спин Т не сохраняется в электромагнитных взаимодействиях.

Введение квантового числа Т (изотопического спина) позволило объединить частицы в зарядовые мультиплеты. Расширение схемы изотопического спина привело Гелл-Манна и независимо от него Ю.Неймана к созданию в 1961г. Теории унитарной симметрии элементарных частиц. В этой теории предполагается, что сильное взаимодействие относительно специальных преобразований инвариантно в некотором трехмерном комплексном векторном пространстве (пространстве унитарного спина), которые сохраняют неизменным изотопический спин Т и гиперзаряд Y. Таким способом удается сгруппировать зарядовые мультиплеты в супермультиплеты (или унитарные мультиплеты). Частицы, составляющие супермультиплет, должны иметь одинаковые спин и четность Р. Они могут отличаться по массе, электрическому заряду, гиперзаряду и изотопическому спину, однако эти величины должны быть связаны между собой определенными правилами.

Систему симметрии частиц, устанавливаемую унитарной теорией, называют также восьмеричным путем, поскольку в ней производятся действия над восемью квантовыми числами.

На рис13.7 изображен октет (супермультиплет, включающий 8 частиц), объединяющий нуклоны (n, р) и Λ-, -, Ξ-гипероны. Все они имеют спин 1/2 и положительную четность. Справа приведена масса частиц (в МэВ), внизу— электрический заряд Q, слева —значения гиперзаряда Y и изотопического спина Т.

Резонансы, обозначаемые Δ , образуют декаплет, приведенный на рис. 13.8.

Массы этих частиц отличаются на почти одинаковую величину (~145 МэВ).Частицы, входящие в декаплет, имеют спин ³/₂ и положительную четность. В момент создания теории Ξ*-гипероны и -гиперон еще не были известны. Резонансы Ξ*^- и S *⁰ были обнаружены в 1962 г. Оставалась незаполненной вершина пирамиды. Гелл-Манн предсказал, что отвечающая ей частица должна иметь спин, равный ³/₂, гиперзаряд Y = -2 и массу около 1676 МэВ (на 146 МэВ больше, чем масса Ξ*-частиц). В 1964 г. был зафиксирован процесс рождения и распада -гиперона. Его свойства, в частности масса, в точности совпали с предсказанными теорией. Таким образом, открытие -гиперона явилось триумфом теории унитарной симметрии.

Так называемых элементарных частиц стало так много (вместе с резонансами более ста), что возникли серьезные сомнения в их элементарности. Каждая из сильно взаимодействующих частиц характеризуется тремя независимыми аддитивными квантовыми числами:
зарядом Q, гиперзарядом Y и барионным зарядом В. В связи с этим появилась гипотеза о том, что все частицы построены из трех фундаментальных частиц — носителей этих зарядов, кварков. Первая модель подобного рода была предложена японским физиком С. Саката, который считал фундаментальными частицами протон р, нейтрон n и Λ°-гиперон. Однако схема Саката оказалась неприменимой в области сильных взаимодействий. Кваркам приписываются дробные квантовые числа, в частности электрический заряд, равный -1/3, -1/3 и + 2/3 соответственно для каждого из трех кварков. Были предприняты попытки обнаружить кварки, для чего искали частицы со значительно меньшей ионизирующей способностью, чем у обычных частиц (ионизирующая способность частицы с зарядом 1/3 должна быть в 9 раз меньше, чем у частицы с зарядом 1). Однако пока кварки не обнаружены, и их существование является проблематичным.

Положение, сложившееся в физике элементарных частиц, сильно напоминает положение, создавшееся в физике атома после открытия в 1869 г. Д. И. Менделеевым периодического закона. Точно так же физики научились систематизировать элементарные частицы, разработанная систематика в ряде случаев позволила предсказать существование новых частиц и предвосхитить свойства этих частиц. Однако, поиски систематики частиц находятся примерно в такой же стадии, как поиски периодической системы элементов, когда ими начинал заниматься Менделеев. Сейчас мы подходим к новому этапу познания фундаментальных законов строения природы, из которых как частный случай общего должны будут вытекать и квантовая теория, и теория относительности, и теория Ньютона.