СИЛЬНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ.

Адроны и кварки.

Адроны, в отличие от лептонов, можно назвать элемен­тарными частицами только с известными оговорками. Любой из многочисленных адронов действительно элемен­тарен в том смысле, что его нельзя разбить на составные части. И вместе с тем твердо установлено, что адроны имеют внутреннюю структуру: они состоят из кварков. Кварки, подобно лептонам, на современном уровне знания выглядят как бесструктурные, истинно элементарные ча­стицы. Иногда поэтому лептоны и кварки называют, в отличие от адронов, фундаментальными частицами.

Парадоксальные свойства кварков не имеют прецедента в богатой парадоксами истории физики. Экспериментаторы, используя пучки энергичных частиц, уверенно видят их внутри адронов, измерили их спин, массы и электрические заряды. И вместе с тем никому не удалось, а если правильны современные теоретические представления, то и не удастся в будущем выбить кварк из адрона. Кварки в адронах нахо­дятся в пожизненном заключении. Это пленение называют английским словом «конфайнмент». Теоретические пред­ставления о механизме конфайнмента мы обсудим через некоторое время. А пока ближе познакомимся с различными сортами кварков.

Удобно начать обсуждение свойств кварков с нереляти­вистской кварковой модели, имеющей дело с так называ­емыми конституентными, или блоковыми, кварками, и которых, как из блоков, построены адроны. Конституентный кварк представляет собой сложный объект, имеющий тот же электрический заряд и тот же спин, что и одноимен­ный «голый» кварк, входящий в лагранжиан (такие лаг-ранжевы кварки называют обычно токовыми). Сложная структура блокового кварка возникает на базе токового кварка за счет облака виртуальных частиц, образованного сильным взаимодействием. В результате масса блокового кварка примерно на 300 МэВ превышает массу токового кварка. В дальнейшем, говоря о массе кварков, мы будем иметь в виду именно массы токовых кварков.

Протоны и нейтроны состоят из самых легких кварков и (от английского up) и d (от down). Их спин, так же как и всех других кварков, равен V2- Заряд -кварка равен +2/3. заряд d-кварка равен —1/3. Масса u-кварка равна примерно 5 МэВ, а масса d-кварка 7 МэВ. Протон состоит из двух u-кварков и одного d-кварка: p=uud. Нейтрон состоит из двух d-кварков и одного u-кварка: n=ddu.

Согласно нерелятивистской кварковой модели орбиталь­ные угловые моменты кварков в нуклонах равны нулю. Суммарный спин двух u-кварков в протоне равен единице. Эта единица, геометрически складываясь со спином d-квар-ка, дает спин протона, равный 1/2. Аналогично, с заменой , устроен нейтрон.

Из тех же кварков, как из кубиков, может быть построе­на целая серия других адронов. Так, например, если спины трех кварков параллельны, то они образуют квартет -барионов со спином 3/2:

Подчеркнем, что, согласно нерелятивистской кварко­вой модели, орбитальный угловой момент кварков равен нулю не только в нуклонах, но и в-барионах. Последнее утверждение очевид­ным образом противоречит принципу Паули: действительно, два и даже три кварка одного типа находятся в одном и том же квантовом состоянии. В дальнейшем мы увидим, однако, что принцип Паули здесь не нарушается, по­скольку кварки одного типа отличаются друг от друга значениями квантового числа. Это квантовое число — цвет.

-барионы — самые легкие из барионных резонансов. За время порядка 10 с они распадаются на нуклоны и -мезоны:. Известно большое число более тяжелых барионных резонансов, также состоящих из и- и d-кварков. В них кварки находятся в состояниях, имеющих орбиталь­ные и/или радиальные возбуждения. В этом отношении резонансы похожи на возбужденные состояния атомов.

Итак, барионы состоят из трех кварков. Другой тип адронов — мезоны состоят из кварка и антикварка. Так, например, самые легкие из мезонов, -мезоны, имеют следующую структуру:

.

Кварк и антикварк в я-мезоне находятся в состоянии с нулевым орбитальным моментом и с противоположно направленными спинами,

Рис. 1 так что суммарный спин я-мезона равен нулю.

Если спины кварка и антикварка параллельны, то они, находясь все в том же состоянии с нулевым орбитальным моментом, образуют мезоны со спином,

Рис 2 равным единице: . Эти мезоны являются резонансами и за время порядка 10 с распадаются на два -мезона:. -мезоны являются самыми легкими из мезонных резонансов. Известно большое число более тяжелых мезонных резонансов, в которых пара кварк — антикварк находится в возбужденном состоянии.

Распад - и -резонансов можно проиллюстрировать следующими кварковыми диаграммами. На рис. 7 и 8 стрелка, направленная вспять по времени, изображает антикварк.

Следует иметь в виду различия между обычными фейнмановскими графиками и кварковыми диаграммами. Ведь на бесконечность уходят не свободные, а плененные в адронах кварки. Кроме того, сильные взаимодействия между кварками на кварковых диаграммах обычно не изображают. В частности, не указывают взаимодействие, приводящее к рождению пары кварк + антикварк, изображаемой на кварковых диаграммах в виде «заколки для волос».

Рис. 8 содержит одну из двух кварковых диаграмм, отвечающих распаду -мезона.

Странные частицы.