Сформулированные в § 239 основные положении кварковой модели позволяют качественно объяснить все важнейшие особенности адронных явлений. Применим эти положения к систематике адронов и посмотрим, какие типы сильно взаимодействующих частиц могут существовать согласно кварковым представлениям. Рассмотрим прежде всего «обычные частицы», и состав которых входят только
— и
-кварки.
Начнем с самых легких барионов — с протонов и нейтронов. Правильные значения квантовых чисел для этих частиц можно получить, если предположить, что их кварковая структура имеет вид
и
. Действительно, тогда барионные заряды этих частиц
, а их электрические заряды
и
. Протоны отличаются от нейтронов своими электрическими зарядами и значениями изотопических ароматов. Как уже говорилось и в этой и в предыдущей главах, протоны и нейтроны образуют изотопическое семейство нуклонов, т. с. частице очень близкими свойствами. Для объяснения этого сходства надо предположить, что сильные взаимодействия
— и
-кварков близки между собой и что кварковые системы, которые отличаются друг от друга только заменой
-кварков на
-кварки, очень сходны по своим основным характеристикам и образуют изотопическое семейство частиц. Отдельные члены такого изотопического семейства можно рассматривать как различные зарядовые состояния одной и той же частицы (в данном случае протон и нейтрон — различные состояния нуклона). Подтверждение такой картины можно получить, если рассматривать свойства мезонов, состоящих из
— и
-кварков и соответствующих антикварков. Здесь могут существовать системы с нулевым барионным зарядом
,
и
. Они обладают электрическими зарядами
;
и
. Самые легкие такие системы — это уже известные нам
-,
— и
-мезоны, которые также образуют изотопическое семейство
-мезонов. Интересно отметить, что
— и
-мезон — это частица и античастица (как видно из их кварковой структуры).
-мезон как истинно-нейтральная частица (т. е. частица, у которой все заряды равны нулю) тождественна своей античастице. Принадлежность частицы и античастицы к одному изотопическому семейству является общим свойством всех мезонов, состоящих из
— и
-кварков.
Отнюдь не любые системы, имеющие один и тот же кварковый состав, должны быть близки между собой по свойствам и входить в одно изотопическое семейство. Подобно тому как в атомах могут существовать основные и возбужденные состояния, так и в кварковых системах помимо основных состояний с наименьшими массами возможны и «возбужденные состояния», характеризующиеся большими значениями масс. Если эти «возбужденные состояния» лежат достаточно высоко и могут, излучая
-мезоны, переходить в более низкие состояния, то такие переходы осуществляются благодаря сильным взаимодействиям. При этом «возбужденные состояния» имеют времена жизни, характерные для сильных взаимодействий (
). Как уже говорилось раньше, обнаружено очень большое число таких «возбужденных» барионов и мезонов, которые также группируются в своп изотопические семейства. Для «возбужденных» частиц изотопические семейства могут носить и другую структуру — например, среди барионов встречаются группы из 4 частиц
; их называют
-изобарами, а среди мезонов — «семейства», состоящие только из одной частицы.
Рассмотрим теперь адроны, в которые, помимо
— и
-кварков, входят и кварки с другими ароматами — их называют странные частицы, очарованные частицы и т. д. Продемонстрируем основные особенности кваркового строения таких адронов на примере частиц со странными
-кварками, которые изучены гораздо более полно, чем очарованные и прелестные частицы.
Частицы с
-кварками имеют отличную от нуля странность. Если в состав странного бариона, или, как его еще называют, гиперона, входит всего один странный кварк, то странность гиперона
. Такой частицей является
-гиперон пли целое изотопическое семейство из трех
-гиперонов:
—
-гиперон (
), и
-
-гипероны, отличающиеся друг от друга зарядами и значениями изотопических ароматов. Гипероны с двумя странными кварками характеризуются странностью
и образуют изотопическое семейство из двух частиц, получивших название
-гиперонов. Их кварковая структура
и
, а отсюда легко можно получить значения их квантовых чисел. Существует и
-гиперон со странностью
, состоящий из одних
-кварков:
. Так как в
-гиперон не входят
— или
-кварки, то у него нет «близких родственников»: соответствующее изотопическое семейство состоит всего из одной.
Перейдем теперь к странным мезонам. Здесь должны существовать частицы типа
и
. Самые легкие из них («основные состояния») получили название
-мезонов и образуют изотопическое семейство из двух частиц:
и
. Их странность
. Как видно из кварковой структуры этих мезонов, их античастицы образуют другое изотопическое семейство из двух частиц с
— так называемые анти-
-мезоны:
и
.
Помимо самых легких странных барионов и
-мезонов, существует большое количество их «возбужденных состояний» — более тяжелых короткоживущих странных частиц. Здесь все обстоит так же, как и для «обычных» частиц из
— и
-кварков.
В последние годы были найдены и другие классы адронов с новыми квантовыми числами, похожими на странность — очарованные и прелестные барионы и мезоны. В состав этих частиц, помимо рассмотренных ранее
-,
— и
-кварков, входят очарованные
-кварки и прелестные
-кварки. Кварковая модель предсказывает очень большое разнообразие таких новых частиц, представляющих собой все возможные комбинации из трех кварков (барионы) или из кварка и антикварка (мезоны). Пока из всего этого многообразия было обнаружено только несколько очарованных и прелестных адронов. Данные об этих уже найденных частицах и об их кварковой структуре приведены в табл. 13.
Странные частицы, как правило, обладают несколько большими массами, чем «обычные частицы», очарованные частицы значительно более массивные, чем странные (их массы
), а прелестные частицы характеризуются еще большими массами (
). Такие различия в массах этих частиц связывают с различием масс составляющих кварков (см. табл. 14). В последнее время получены данные о том, что существует еще один класс адронов с очень большими массами
. В состав этих адронов, по-видимому, входят очень тяжелые
-кварки.
Мы видели раньше, что близость в свойствах
— и
-кварков привела к существованию изотопических семейств адронов, очень сходных между собой.
-кварк, хотя и отличается от
— и
-кварков, но не слишком сильно. Это позволяет объяснить, почему отдельные изотопические семейства адронов, в состав которых входят
-,
— и
-кварки, объединяются в некоторые родственные группы частиц, о которых говорилось в предыдущем параграфе. Более сложный анализ, основанный на кварковой модели, позволил установить состав и некоторые характеристики таких групп, которые прекрасно согласуются с опытом. Таким образом, кварковая модель позволяет хорошо объяснить основные черты систематики адронов.
Комментарии: (0)