И.И. КАРПОВ Ю.И.ЛИСНЕВСКИИ
КВАРКИ
ИЗДАТЕЛЬСТВО-НАУНА-
АКАДЕМИЯ НАУК СССР
Серия «Современные тенденции развития науки»
И. И. КАРПОВ, Ю. И. ЛИСНЕВСКИЙ
КВАРКИ

ИЗДАТЕЛЬСТВО «НАУКА»
Москва 1976
Книга посвящена одной из самых интересных гипотез современной физики элементарных частиц — гипотезе кварков. Эта гипотеза стала одним из важных направлений в развитии теории и интерпретации экспериментальных результатов физики частиц высоких энергий.
В книге в доступной форме излагаются основные положения этой гипотезы, попутно разбираются те физические понятия и идеи, без знания которых нельзя представить себе ее суть. Много места уделено описанию физических установок и экспериментов по поиску кварков. Описаны также новейшие эксперименты по выявлению структуры элементарных частиц.
Ответственный редактор доктор физико-математических наук Г. Б. ЖДАНОВ
20403-056
054(02)-76
Б 3-41-18-76
© Издательство «Наука», 1976
Формой развития естествознания, поскольку оно мыслит, является гипотеза.
Ф. Энгельс, и Диалектика природы»
Физика микромира переживает сейчас мучительный период накопления экспериментальных фактов и проверки различных гипотез, объясняющих удивительные закономерности, смутно проступающие сквозь мглу неизвестного. Описанию очень заманчивой, многообещающей гипотезы, выдвинутой наукой в самое последнее время, — гипотезы кварков и посвящена эта книга.
Гипотеза кварков была выдвинута в 1964 г. Пока у ученых нет достаточных оснований ни для того, чтобы принять, ни для того, чтобы отбросить ее.
Но эта гипотеза оказалась очень полезной для науки, она позволила получить много новых теоретических предсказаний, подтвердившихся в экспериментах.
Чтобы понять существо гипотезы кварков, уяснить ее значение и место в системе научного знания о строении вещества, нужно знать «язык» физики, получить представление о ряде необходимых понятий и категорий, выработанных физикой в настоящее время. Разъяснение этих понятий и категорий дается во вводной части книги.
ВВЕДЕНИЕ
Особенности микромира
Для объяснения явлений, происходящих в микромире, пришлось отказаться от привычных представлений. Были введены новые понятия и прослежены закономерности, не имеющие ничего общего с понятиями и закономерностями пространственных масштабов, времен и скоростей, с которыми человек имеет дело в повседневной жизни. Рассмотрим те наиболее общие свойства элементарных частиц, которые установлены в настоящее время в результате анализа огромного числа экспериментов, проведенных интернациональной армией ученых нескольких поколений.
Основное и наиболее впечатляющее свойство элементарных частиц — их корпускулярно-волновая природа.
Обычно частица представляется в виде тела малых размеров, которое движется по определенной траектории и в каждый момент времени имеет определенные координаты в пространстве. А волпа, знакомая читателю, например, из наблюдений за движением поверхности воды, переносит энергию по всем направлениям. Эта волна может быть зарегистрирована приборами, разбросанными во всем пространстве среды, в которой она распространяется. Иными словами, волна не сосредоточена в точке.
Главные признаки волновых процессов — дифракция и интерференция. Поскольку явлениям электромагнитного излучения свойственны эти характерные особенности волновых процессов, до начала экспериментов с элементарными частицами ученые были убеждены, что свет и другие формы электромагнитного излучения представляют собой просто волны.
Однако в начале XX в. были обнаружены явления, связанные с электромагнитным излучением, которые не удавалось объяснить на основе волновой теории (например, спектр излучения абсолютно черного тела). Было сделано
4
предположение, что в этих явлениях свет ведет себя, как поток отдельных частиц — квантов, переносящих определенные порции энергии. Впервые эту гипотезу высказал Макс Планк в 1900 г. Величина такой порции энергии определяется выражением E=hv, где v — частота излучения, h — коэффициент пропорциональности между энергией светового кванта и частотой световой волны. Постоянная h называется постоянной Планка, ее величина равна 6,625-10-27 эрг-сек.
Вскоре круг явлений, где проявлялись корпускулярные свойства света, расширился, и французский физик Луи де Бройль в 1924 г. выдвинул смелую гипотезу о том, что не только волны могут вести себя, как частицы, но и частицы, в свою очередь, также могут вести себя, как волны. Волновой процесс, сопоставляемый движущейся частице, он связал с ее импульсом соотношением \=hlp, где А — длина волны (волновое свойство частицы), р — импульс (корпускулярное свойство частицы), h — постоянная Планка.
Гипотеза де Бройля вскоре была блестяще подтверждена опытами по дифракции электронов на поверхности кристаллов. Эти опыты давали четкие дифракционные картины в полном соответствии с формулой, приведенной де Бройлем. Несоответствие в описании свойств микрочастиц, казавшееся сначала временным, нависло грозным противоречием. Для разрешения этого противоречия потребовалось взломать весь фундамент, па котором покоилось здание физики, называемой теперь классической.
Волновые свойства частиц придают необычный характер процессам измерения в микромире. Рассмотрим процесс исследования пространственной структуры с помощью пучка каких-нибудь микрочастиц, например, электронов.
При таком «освещении» изучаемого объекта электроны пучка могут частично передавать свои импульсы компонентам структуры объекта (это могут быть, скажем, атомы кристаллической решетки), и импульсы этих компонент после измерения становятся неопределенными. Чем мельче детали, которые мы стремимся различить, тем больше мы изменяем при измерении импульсы этих деталей. С другой зтороны, если уменьшать возможные изменения импульсов компонент изучаемой структуры, то пространственная картина получается более грубой. Эти выводы можно сформулировать количественно, задавая величины неопре
5
деленности в координатах Дя, Ду, Дг и импульсах ДР > ДР,, Ы>.:
ьх-ьр^п, ку.ьр^п, iz-sp^h. (1)
Полученные неравенства означают, что невозможно одновременно локализовать частицы в координатном и в импульсном пространстве. Это следствие корпускулярноволновой природы частиц. Неравенства (1) называются соотношениями неопределенности Гейзенберга и имеют принципиальное значение для исследования строения вещества.
Хорошо известно, что длина волны света — это предел, за которым принципиально нельзя различить более мелкие детали изучаемого объекта, как бы мы ни совершенствовали устройство микроскопа.
Волновые свойства требуют для увеличения точности пространственных измерений увеличивать импульс этих частиц. Если для обнаружения ядра в атоме (размером 10“8 см) было достаточно энергии а-частиц естественных радиоактивных веществ в несколько миллионов электронвольт (Мэв) г, то для исследования структуры нуклонов 2 (размером 10~13 см) требуется энергия в десятки тысяч Мэв. Иными словами, для исследования таких сверхмалых расстояний пужно располагать пучками частиц сверхвысоких энергий. Такие пучки получают на ускорителях.
Ускоритель — это гигантский «микроскоп», внешне совершенно потерявший сходство со своим «предком», но сохранивший все же подобие в принципах устройства и назначении отдельных частей. Пучку частиц в ускорителе соответствует световой поток в микроскопе; сложной электронной регистрирующей аппаратуре (детекторы, счетчики, логические и вычислительные устройства) — глаз, связанный с человеческим мозгом; системам формирования и управления пучком (магнитные линзы, коллима-
1	В ядерной физике и в физике элементарных частиц энергия обычно выражается в электрон-вольтах (эв). 1 электрон-вольт — это энергия, которую приобретает частица, имеющая электрический заряд, равный заряду электрона, при прохождении разности потенциалов в 1 вольт. Причем 1 эв— 1,6-10"12 эрг; 1 /Гэв==103 эв;
1 Мэв=106 эв; 1 Гэв=109 эв; 1 7эв=1012 эв. Поскольку энергия может переходить л . массу, величину массы часто измеряют в тех же единицах.
2	Общее название протонов и нейтронов.
6
торы, системы коррекции) — оптическая система линз в микроскопе.
Когда Г. Гейгер и Э. Марсден, сотрудники Э. Резерфорда, впервые, пользуясь естественным излучением урана и радия, облучали а-частицами различные материалы, «ускорительная» установка легко могла разместиться на лабораторном столе. Но постепенно развитие ядерной физики приводило к созданию все более сложных установок, сооружение которых требовало огромных средств. В итоге современные ускорители превратились в гигантские и дорогостоящие сооружения, оснащенные большим количеством уникальной физической аппаратуры, электроники, вычислительной техники, с многочисленным обслуживающим персоналом высокой квалификации. О масштабах и ювелирной точности сооружения таких установок могут свидетельствовать, например, некоторые параметры Серпуховского ускорителя протонов.
Так, радиус кольца ускорителя составляет 236 м (длина окружности 1483 м). Расположенные вдоль этого кольца магниты состоят из 120 отдельных блоков весом по 200 т каждый, причем, чтобы обеспечить устойчивое движение частиц, эти блоки не должны отклоняться от расчетного положения более чем на 0,1 мм, а магнитные поля в блоках не должны отклоняться по величине более чем на несколько сотых процента. Движение по полуторакилометровой окружности и ускорение пучка заряженных частиц происходит в вакуумной камере. Размеры эллиптического поперечного сечепия камеры всего 115x195 мм; цикл ускорения, в течение которого частицы совершают около 400 тысяч оборотов по кольцу и достигают предельной энергии 76 Гэв, продолжается 2,6 сек. Циклы ускорения можно повторить 8 раз в минуту. Интенсивность ускорителя — 2,6-1012 протонов за один цикл ускорения.
Пучок протонов в ускорителе рождается мощным ионным источником. В результате газового разряда в ионном источнике с атомов водорода «обдираются» электроны и образовавшиеся протоны поступают в так называемый форинжектор, где они ускоряются электрическим полем высоковольтного трансформатора до начальной энергии 760 Кэв, а затем высокочастотным полем в инжекторе (линейном ускорителе) до 100 Мэе. После этого протоны «впрыскиваются» в кольцевую камеру ускорителя, и начинается основной цикл ускорения. Магнитное поле за
7
ставляет протоны двигаться по окружности внутри камеры, «жестко» фокусируя их около равновесной орбиты. Вдоль кольца ускорителя равномерно расположены 54 ускоряющих резонатора, которые за один оборот увеличивают энергию частиц примерно на 190 кэв.
Поскольку энергия пучка ускоряемых частиц в процессе ускорения постоянно возрастает, должно возрастать и магнитное поле, удерживающее пучок на орбите ускорителя. Должна увеличиваться также и частота электрического поля в ускоряющих резонаторах. Естественно, что при этом необходимо четкое согласование всех узлов ускорителя, которое осуществляется системой электроники и автоматики, управляющей всей работой ускорителя 3.
Недавно в Батавии (штат Иллинойс, США) запущен еще более крупный ускоритель на энергию протопов до 500 Гэе. Длина его кольца составляет 6,3 км, интенсивность — 5-1013 частиц в импульсе, поперечный размер кольцевой вакуумной камеры — 50 см2.
В табл. 1 приведены основные параметры крупнейших в мире ускорителей, построенных в настоящее время.!
Создание таких ускорительных комплексов — очень сложная научно-техническая задача, которая под силу только высокоразвитым в научном и экономическом отношениях странам. Поэтому наблюдается тенденция к объединению усилий многих стран по сооружению и совместной эксплуатации таких комплексов (так делается, например,| в Объединенном институте ядерпых исследований (ОИЯИр в Дубне, в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН) в Женеве). Международное сотрудничество практикуется и при постановке на этих ускорителях наиболее интересных или дорогостоящих экспериментов. Примером могут служить сооружение и эксплуатация советскими и французскими учеными жидководородной камеры «Мирабель» на Серпуховском ускорителе, советско-американский эксперимент по исследованию протон-протонных взаимодействий с использованием газовой струйной мишени па ускорителе в Батавии (США) и др.
3 Более подробно об устройстве и работе Серпуховского ускори теля см.: А. М. Петросъянц, А. А. Логунов. Физика высоки! энергий и ускорители заряженных частиц. М., «Наука», 1973
8
Таблица 1
Крупнейшие действующие ускорители (с энергией > 1 Гав)
Ускоритель	Энергия ускоряемых частиц, Гзв	Число частиц в импульсе (ХЮВ * * 11)	Число импульсов в минуту	Год ввода в эксплуатацию
	Ускорители протонов			
Беркли (США)	6,2	1,5	12	1954
ОИЯИ (СССР)	10	0,12	7	1957
Сакле (Франция)	3	0,1	20	1958
ЦЕРН (Щвейцария)	28	0,75	30	1959
Брукхейвен (США)	33	3,0	24	1960
Москва (СССР)	И	0,5	15	1961
Принстон (США)	3	1,0	1100	1963
Резерфорд (Англия)	7	2,0	15	1963
Аргон (США)	12,7	0,5—1,0	30	1963
Серпухов (СССР)	76	2,6	8	1967
Батавия (США)	200-500	5,0	—	1973
Кольцевые ускорители электронов
Калтех (США)	1,5	0,05	90	1952
Фраскати (Италия)	1,1	0,4—1,0	1200	1959
Лунд (Швеция)	1,2	0,045	750	1960
Токио (Япония)	1,3	0,8	1350	1961
Кембридж (США)	6,3	9,0	3600	1962
Корнелл (США)	2,1	0,9	1800	1964
Гамбург (ФРГ)	7,5	5,6	3000	1964
Томск (СССР)	1,3	0,02	120	1965
Дарсбери (Англия)	;)	6,0	3180	1966
Бонн (ФРГ)	2,3	2,0	3000	1967
Ереван (СССР)	6,1	0,1	3000	1967
Корнелл (США)	10	1,2	3600	1967
Линейные ускорители электронов
Стэнфорд (США)	1,2	1000	6-1380	1952
Орсэ (Франция)	2,3	40—120	3000	1959
Харьков (СССР)	1,8	0,07	300	1965
Стэпфорд (США)	21,5	180	21600	1966
В последнее время обсуждается возможность создания еще более крупного ускорителя с энергией до 10 000 Гм (10 Тэв). Эта задача исключительно сложна в техническом отношении и требует огромных материальных затрат.
Поэтому один из возможных вариантов осуществления
этого проекта — совместное сотрудничество наиболее раз-
витых стран, прежде всего СССР и США. Уже сейчас
9
проводятся совещания советско-американской группы специалистов, и физики всего мира с нетерпением ждут результатов этой важной работы. В случае, если научно-технические, материальные и другие вопросы, связанные с осуществлением такого сверхпроекта, будут успешно разрешены, ученые получат уникальную установку, с помощью которой откроется путь к принципиально новым процессам в микромире.
Каков же главный итог создания ускорителей и многолетних исследований на них?
Прежде всего использование ускорителей позволило открыть новые неизвестные элементарные частицы. За исключением электрона, протона, нейтрона, ставших известными науке раньше, и некоторых частиц, обнаруженных в космических лучах (позитрон, первые мезоны, некоторые странные частицы), остальные из известных ныне элементарных частиц обнаружены на ускорителях.
Другим не менее важным результатом было открытие многообразия и необычности свойств элементарных частиц. Эти свойства во многом еще не ясны. В настоящее время проводятся интенсивные исследования поведения частиц при взаимодействии друг с другом, что позволяет установить границы и типы взаимодействий, а также изучить фундаментальные свойства частиц: их массу, заряд, спин, магнитный момент и др. Рассмотрим основные характеристики элементарных частиц.
СВОЙСТВА ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ
Масса и время жизни
Масса всякого материального тела пропорциональна силе тяжести, действующей на тело. Этим свойством обычно пользуются для сравнения масс разных тел. Кроме того, масса тела является мерой того сопротивления, которое тело оказывает всякой попытке изменить его равномерное прямолинейное движение или вывести его из состояния покоя. Это свойство тела называется инерцией.
Элементарные частицы, как и все материальные тела, имеют массу. Массы частиц отличаются друг от друга, и до сих пор неясно, почему они принимают именно такие конкретные значения. Эксперименты показывают, что сила, с которой тяготение действует на материальное тело, равна силе инерции этого тела. Чтобы проверить справедливость этого факта для частиц микромира, были проведены остроумные опыты, в которых наблюдали падение элементарных частиц в поле тяжести Земли.
Известно, что свободное падение тела можно описать уравнением
где т — масса падающего тела, М — масса Земли, R — расстояние между центрами этих масс, g — ускорение свободного падения, G — гравитационная постоянная. Из этой формулы следует, что ускорение свободного наделения g не зависит от массы тела, если инерционная и гравитационная массы равны между собой. У поверхности Земли ускорение свободного падения равно примерно 980 см/сек2. Это ускорение и измерялось в экспериментах по изучению свободного падения частиц.
Такой эксперимент был проведен в Окриджской лаборатории в 1960 г. Для этого был использован пучок нейтронов, направленный параллельно поверхности Земли.
11
Под действием гравитационного поля нейтроны отклоняются от горизонтали совершенно так же, как и брошенный горизонтально камень, и движутся по параболе, причем величина отклонения от горизонтального направления Д/г определяется ускорением свободного падения g:
Lh — gt2j2.
Схема эксперимента приведена на рис. 1. Источником нейтронов S служил реактор, рядом с которым была установлена защитная стена с тонкой горизонтальной щелью — коллиматором К, «вырезающим» пучок нейтронов в виде широкой ленты. Из реактора вылетают нейтроны с разными скоростями. Нейтроны с большими скоростями пролетают расстояние L до детектора D за более короткое время и поэтому успевают отклониться па меньшее расстояние, чем медленные нейтроны. Детектор, регистрирующий нейтроны, был закрыт блоком поликристаллического бериллия — вещества, которое пропускает только те нейтроны, энергия которых выше определенной величины, соответствующей длине волны 4-10“8 см. Расстояние L было подобрано таким образом, чтобы нейтроны с этой энергией отклонились на 10—20 см. Тогда, при перемещении детектора вниз от оси пучка, начиная с некоторого значения Д/г, детектор перестает регистрировать нейтроны. Зная энергию нейтрона и расстояние L, можно определить время пролета t и по измеренному значению Д/г найти ускорение g.
В результате было установлено, что ускорение свободного падения нейтронов совпадает с ускорением свободного падения обычных тел макромира, а это означает, что инерционная и гравитационная массы нейтрона одинаковы.
По современным представлениям масса тела — это мера содержащейся в нем энергии. Зависимость между массой М и энергией Е выражается соотношением
Е — Мс2,
где с — скорость света. Такая связь означает, что передача телу дополнительной энергии Д£ (например, электрической, тепловой или механической) должна приводить к увеличению массы на величину Д£7с2.
12
Легко провести расчеты величины ожидаемого изменения массы. Эти расчеты наглядно показывают, почему эффекты увеличения массы, практически не заметные в мире обычных температур, масс и скоростей, становятся существенными в микромире. Возьмем, например, железный шар массы 1 кг при комнатной температуре. Если раскалить его до 600° С, то масса увеличится на ЗЛО-9 г, т. е. только на ЗЛО-12 часть своей первоначальной величины. Если этому же шару сообщить заряд в 1 к, то его
Рис. 1. Схема эксперимента по определению ускорения свободного падения нейтрона
масса увеличится на 1,6Л0_® часть первоначальной величины. Наконец, если этому железному шару сообщить скорость 800 м/сек, то относительное увеличение его массы составит ЗЛО-12. Такие изменения массы совершенно незаметны в обычных условиях. В то же время масса протона на Серпуховском ускорителе увеличивается по сравнению с массой покоя в 80 раз, а электроны, ускоренные до 20 Гэв в ускорителе электронов в Стэнфорде (США), увеличивают свою массу в 40 000 раз!
При различных превращениях в мире элементарных частиц эпергия может проявляться в форме так называемой энергии связи. Представим себе две частицы, например, протон и электрон, связанные в одну систему — атом водорода. Эта система устойчива, и чтобы ее разрушить, т. е. развести протон и электрон па достаточно большое расстояние (ионизировать атом), необходимо затратить некоторое количество энергии ДЕ (для водорода ДЕ= = 13,6 эв). Это означает, что суммарная масса протона и
13
электрона, взятых в отдельности, больше массы атома водорода на величину ЬЕ1с2:
т(р)-\-т (е) = т (Н) +	•
Энергия &Е, необходимая, чтобы разделить систему на составляющие ее части, называется энергией связи этих частей. При образовании атома водорода из протона и электрона энергия, эквивалентная энергии связи, наоборот, высвобождается в виде световых квантов.
Связь протонов и нейтронов, составляющих атомные ядра, гораздо сильнее связи электрона и протона в атоме водорода. Например, энергия связи ядра гелия 2Не4, состоящего из двух протонов и двух нейтронов, равна примерно 28 Мэв, т. е. на разрушение ядер необходимо затратить энергию, в миллионы раз большую, чем на разрушение атомов. Такая же энергия выделяется при образовании ядер.
Переходы систем из одного состояния в другое с выделением или поглощением энергии — основной процесс в микромире: молекулы диссоциируют на атомы, атомы переходят из одних возбужденных состояний в другие, испуская при этом фотоны, атомные ядра могут распадаться с испусканием ядер гелия (а-распад) или электронов ((3-распад) или даже разваливаться на части (деление). Эти переходы с выделением энергии являются случайными процессами, которые подчиняются закону радиоактивного распада,
dN = \Ndt.
Этот закон показывает, что число переходов dN пропорционально общему числу возбужденных систем N, времени dt и постоянной распада X. Величина, обратная X, называется средним временем жизни.
Элементарные частицы также могут быть нестабильными. Среднее время жизни — одна из важнейших характеристик нестабильных частиц. Известно девять стабильных частиц: фотон, электрон, позитрон, протон, антипротон и четыре разновидности нейтрино. Остальные частицы нестабильны. Средние времена их жизни сильно различаются: от примерно 1000 сек для нейтрона до 10~1в сек для п°-мезона. Еще меньшие времена жизни имеют так 14
называемые резонансы — порядка 10~23 сек. Среднее время жизни элементарных частиц может изменяться в огромном диапазоне — на 26 порядков!
Заряд частицы
Еще из школьных опытов известно, что тела, имеющие заряды разных знаков, притягиваются, а тела с зарядами одинаковых знаков отталкиваются. Сила взаимодействия электрических зарядов определяется законом Кулона;
F = k^-,
где (?i и (?2 — заряды тел, а 7? — расстояние между ними.
Этому закону подчиняются и заряженные элементарные частицы. По, рассматривая внимательнее свойства зарядов микромира, мы наталкиваемся на некоторые непривычные особенности. Величина заряда частиц может приг нимать только целочисленные значения, по абсолютной величине равные либо заряду электрона, либо нулю, т. е. в единицах заряда электрона заряд частиц всегда равен+1, —1 или 0.
Это свойство было установлено не сразу и лишь после долгих дискуссий.
В 1909 г. американский физик Р. Милликен впервые получил правильную оценку заряда электрона и показал, что «электрон» 4 * не есть «статистическое среднее, а все электрические заряды на ионах либо равны заряду электрона, либо представляют собой небольшие целые кратные величины этого заряда».
Однако в 1910 г. австрийский физик Ф. Эренгафт, проводя аналогичные опыты, получил значительно меньшую величину заряда электрона и не обнаружил кратности величин зарядов. А в 1914—1915 гг. он вместе с сотрудниками опубликовал результаты новых опытов, как будто бы подтверждавших существование зарядов, меньших заряда^электрона,—так называемых субэлектропов. Эту точку зрения он продолжал отстаивать вплоть до 30-х годов.
4 Первоначальный смысл слова «электрон» — «молекула электри-
чества» (Дж. Максвелл, 1873 г.) пли «единица электричества» (Г. Стоней — автор термина «электрон», 1891 г.).
15
«Открытие» субэлектрона вызвало широкую дискуссию вокруг этой проблемы, тщательный анализ старых и новых экспериментов. В результате исследований (проведенных в осповпом Р. Милликеном) была доказана ошибочность экспериментальных результатов Эренгафта. «Всякое догматическое утверждение относительно существования или несуществования субэлектрона, — писал Р. Милликен в 1934 г., — противоречит духу и методам современной пауки; однако с полной уверенностью можно утверждать, что в опытах Эренгафта нет ни малейшего указания на существование зарядов, меньших, чем электрон. . . Вплоть до настоящего времени не найдено никаких указаний на существование субэлектрона».
Нет экспериментальных фактов, которые указывали бы на существование зарядов, меныпих заряда электрона, и в наше время.
Момент количества движения и магнитный момент
Вращающийся волчок обладает свойством, называемым моментом количества движения. Это свойство характеризует интенсивность вращения любого вращающегося тела. Наша планета Земля — тоже гигантский волчок: все, что находится на поверхности Земли, вращается вокруг ее оси. В то же время Земля вращается по орбите вокруг Солнца, и это вращение также характеризуется некоторым моментом количества движения. Пример Земли — это качественная и очень условная иллюстрация к понятию момента количества движения элементарных частиц. Чтобы представить себе условность аналогии, попробуем сжать Землю в точку и лишить ее массы, сохранив при этом вращение. Моменту количества движения такого вращения соответствует собственный момент количества движения элементарной частицы. Это свойство ученые впервые обнаружили, изучая электрон. Момент количества движения электрона назван спином 5.
Спин — как бы врожденное свойство электрона: его нельзя изменить, не разрушив самой частицы. Таким же свойством обладают и другие частицы, причем самое удивительное, что величина спина разных частиц может прини- 6
6 Spin — верчение, кружение (англ.).
16
мать только значения, кратные спину электрона. Эта неделимая величина спина (спин электрона) равна h/2 (где h=h/2r, h — постоянная Планка, л=3,14. . .) или, в единицах h, просто 1/2.
Спин протона в тех же единицах равен 1/2, спин фотона равен 1, спин л-мезона — 0 и т. д. Со спином связывают еще одно свойство частиц — заселение энергетических уровней в какой-либо системе. Частицы, обладающие полуцелым спином, располагаются на отдельных энергетических уровнях парами: спины частиц такой пары направлены всегда в разные стороны. Эти частицы называют фермионами по имени известного итальянского физика Э. Ферми, предсказавшего их особенности. Частицы, имеющие целый спин, таким свойством пе обладают. Любое количество частиц с целым спином может находиться в одном и том же энергетическом состоянии. Такие частицы впервые рассматривал индийский физик Ч. Бозе, поэтому их называют бозонами.
Две частицы могут иметь и относительный момент количества движения. Например, можно считать, что электрон в атоме вращается вокруг атомного ядра по некоторой орбите — аналогия Земли, вращающейся вокруг Солнца. Этому движению соответствует момент, который называют орбитальным. Орбитальный момент количества движения также проявляет дискретные свойства: его проекция на любое заданное направление в пространстве может принимать только целые значения в единицах h—0, 1,2,...
Рассмотрим еще одно свойство элементарных частиц, связанное с моментом количества движения. Частицы, имеющие полуцелый спин, ведут себя подобно крошечному магниту, поворачиваясь в пространстве так, чтобы спин был направлен вдоль силовых линий. При этом, как выяснилось из. экспериментов, сила, с которой действует внешнее магнитное поле на разные частицы, различна. Этот факт позволил сделать заключение, что со спином частицы связан магнитный момент, который различен даже для частиц, имеющих одинаковый спин. Магнитный момент частицы определяет интенсивность магнитного поля, создаваемого самой частицей. Из квантовой механики известно, что единица магнитного момента — магнетон Бора — вычисляется из соотношения eh ti = -7-----•
г krone 2
2 И. И. Карпов, Ю. И. Лиспевский
17
Например, значение магнитного момента электрона
и, = 0,9273 • 1О~20 эрг!гс.
Протон и нейтрон также имеют магнитные моменты, но поскольку их масса болыпе массы электрона примерно в 2000 раз, то магнитный момент приблизительно во столько же раз меньше. Непосредственное измерение таких малых магнитных моментов представляет собой очень трудную экспериментальную задачу. Наиболее точные измерения магнитного момента нейтрона были выполнены методом, предложенным американским физиком Раби. Схема эксперимента приведена на рис. 2. Метод использует зависимость взаимодействия частицы с магнитным моментом р. и неоднородного магнитного поля Н от ориентации магнитного момента. Установка, на которой было проведено измерение магнитного момента нейтрона, включает два магнита Мг и М2, каждый из которых создает сильно неоднородное магнитное поле. Между ними расположена система магнитов, создающих сильное однородное поле Н и высокочастотное поле //вч. В сильном однородном магнитном поле под действием высокочастотного поля спин частицы переворачивается, т. е. направление спина меняется на противоположное. Это происходит при определенной частоте
где J — полный момент количества движения, равный векторной сумме орбитального момента и спина. Вылетая из источника S, частица пролетает по кривой траектории и при отсутствии высокочастотного поля /7В, попадает в детектор D. Если включить II п и постепенно увеличивать его частоту, то при частоте <о0 произойдет переворот магнитного момента частицы. Сила взаимодействия магнитного момента и неоднородного поля во втором магните изменит направление момента и траектория частицы искривится. Частица пролетит мимо детектора. В этом случае интенсивность счета частиц детектором резко падает. Поскольку переворот спина в системе М' происходит только при определенной частоте ш0, то, изменяя частоту поля Нт, мы находим то значение, при котором детектор отмечает меньше всего частиц. (График зависимости интец-
18
Рис. 2. Схема эксперимента по определению магнитного момента нейтрона dH/dZ — противоположно направленные градиенты поля в магнитах Мх и М2 при одинаковом направлении Ях и Нг\ Нвч — высокочастотное магнитное поле, опрокидывающее спин;
1 — траектория нейтрона без опрокидывания спина;
2 — с опрокидыванием спина
сивности счета частиц детектором от частоты поля #вч имеет резкий провал при частоте %.) Измерение этой частоты позволяет определить величину магнитного мо
мента.
Такие эксперименты позволили определить магнитные моменты нейтрона (ця=—1,91) и протона (ур=2,789) в единицах ядерного магнетона <ая = т с = 5 • 10-21 эрг/гс.
С магнитным моментом частиц связан эффект так назы
ваемого пространственного квантования. Этот эффект заключается в том, что если частица, обладающая магнит-
ным моментом, находится в магнитном поле, то величина угла между вектором момента и вектором магнитного поля может принимать только определенные дискретные значения. Величина угла должна быть такова, чтобы составляющие магнитного момента частицы вдоль поля принимали значения, кратные h. Такое непривычное поведение частицы магнита было предсказано теорией, а затем обнаружено в эксперименте О. Штерна и В. Герлаха в.
8 Подробнее см.: Дж. Тригг. Решающие эксперименты в современной фпзпке. М., «Мир», 1974.
2*
19
Неоднородное магнитное поле Н действует на магнитный момент р. с силой, пропорциональной углу между векторами циП. Если пропустить пучок частиц, обладающих магнитным моментом, через неоднородное магнитное поле, то при хаотической ориентации магнитных моментов частиц пучок после прохождения поля распределяется в непрерывную полосу. Если же направления магнитных моментов квантованы, то вместо одной расплывчатой полосы мы должны наблюдать несколько более четких полос, каждая из которых соответствует определенному направлению магнитного момента. В эксперименте Штерна и Герлаха исследовалось отклонение в неоднородном магнитном поле пучка атомов серебра. Результат их эксперимента приведен на рис. 12. Вместо одной сплошной вертикальной линии (в отсутствие магнитного поля) экспериментаторы впервые получили четкое расщепление на две линии, что доказывало пространственное квантование момента.
Орбитальный момент и спин частицы определяют полный момент, который получается векторным сложением спина и орбитального момента. Как и другие характеристики частицы, полный момент J проявляет дискретные свойства. Его проекция на любое определенное направление в пространстве может принимать строго определенные значения, количество этих значений равно 2J+1.
Взаимодействия элементарных частиц
Разнообразие свойств элементарных частиц проявляется при их взаимодействии друг с другом. Сейчас установлено четыре вида взаимодействий, различающихся по интенсивности, хотя делаются попытки ввести в теорию или найти экспериментально и другие виды. Рассмотрим эти взаимодействия.
Гравитационное взаимодействие — наиболее слабое из известных взаимодействий. Оно пропорционально массам взаимодействующих тел и для больших масс макромира становится главным. Это хорошо знакомое нам тяготение, которое удерживает все предметы (в том числе и атмосферу) на поверхности Земли, управляет движением планет солнечной системы и собирает звезды в гигантские галактики. Возможно, что гравита
20
ция — источник невообразимо большой энергии в явлениях, открытых астрофизиками в последние годы (активность ядер галактик, квазары и т. и.). Но при малых расстояниях и малых массах, характерных для элементарных частиц, опо но величине значительно уступает другим видам взаимодействий.
Следующее в шкале взаимодействий слабое взаимодействие. Впервые оно было обнаружено в процессах испускания электронов атомными ядрами (В-распад).
В ранних исследованиях p-распада ядер были выявлены некоторые существенные особенности этого взаимодействия. Было обнаружено, что электроны, вылетающие из ядра, имеют разную энергию — от пуля до некоторого максимального значения. Поскольку при этом ядро, образующееся в результате распада, всегда одно и то же, разность энергий начального и конечного ядер должна быть каждый раз одинаковой и равной максимальной энергии вылетающего электрона. Часть энергии электрона необъяснимо исчезала в процессе В-распада.
В 1930 г. В. Паули предположил, что, кроме электрона, в этом процессе рождается еще одна частица — нейтрино, не имеющая ни массы, пи электрического заряда. Единственный ее признак — это спин. Спин нейтрино всегда направлен вдоль импульса, а спин его античастицы — антинейтрино — против импульса. Эта малоизученная частица подобна невесомому штопору, ввинчивающемуся в пространство. Она незаметно покидает ядро в [3-распаде, и, чтобы «поймать» ее, потребовалось 25 лет поисков.
Дальнейшее изучение [3-распада привело к выводу, что этот распад управляется новым типом взаимодействия, проявляющим себя в очень малой области пространства. Теоретически это взаимодействие сосредоточено в точке, поэтому сама теория называется локальной. До сих пор в экспериментах не установлены размеры области этого взаимодействия — области отклонений от локальности.
Еще одна характерная особенность — большое время процесса слабого взаимодействия. Пейтроп, например, превращается в протоп, электрон и антинейтрино (п ->р+ + +е" -)-v) примерно за 1000 сек.
Это означает, что в крошечных областях объема нейтрона слабое взаимодействие пытается создать новые частицы, что происходит только раз в 1000 сек. Поэтому такое взаимодействие образно было названо слабым.
21
Интересно рассмотреть обратный процесс: захват антинейтрино протоном с образованием нейтрона и позитрона
v	р* —» п е+.
Этот процесс управляется тем же слабым взаимодействием и имеет те же особенности. Попробуем оценить характеристики приборов, регистрирующих эту реакцию. Для того, чтобы произошла реакция, необходимо, чтобы антинейтрино находилось в объеме протона около 1000 сек. Но так как антинейтрино не имеет мдссы, оно движется со скоростью света и пролетает протон за 10-23 сек. Это значит, что на пути частицы должно быть поставлено 1026 протонов. Такое количество протонов обеспечивает, например, стена из железа толщиной 10ао см, что больше среднего расстояния между звездами. Поэтому для осуществления такой реакции экспериментаторы используют пучки антинейтрино очень высокой интенсивности, так что толщина вещества, в котором регистрируются реакции с антинейтрино, может быть уменьшена до нескольких метров.
В первых экспериментах, обнаруживших нейтрино (Ф. Райне и К. Коуэн, США, 1956 г.), объем детектора составлял около 10 м3 и был помещен в поток антинейтрино от реактора, в котором образовывалось не менее 1018 частиц в секунду.
Современные установки, в которых ученые наблюдают взаимодействие нейтрино с веществом, превосходят по масштабам все известные детекторы частиц.
Следующее по силе взаимодействие — электромагнитное — в отличие от слабого взаимодействия изучено достаточно хорошо. Мы уже упоминали об одной форме электромагнитного взаимодействия: это хорошо известный закон Кулона, определяющий силу, с которой действуют друг на друга два покоящихся заряда. Другая форма электромагнитного взаимодействия — влияние магнитного поля на движение проводника с током или на движущуюся заряженную частицу. В магнитном поле напряженности Н на частицу с зарядом е, движущуюся перпендикулярно силовым линиям поля со скоростью v, действует сила F, определяемая векторным произведением
F^ylvXH],
22
где с — скорость света. На этом свойстве основаны конструкции многих магнитных систем, применяемых в физике. По современным представлениям электромагнитные силы — проявление единой материальной субстанции — электромагнитного поля. Всякой передаче энергии с помощью электромагнитного поля соответствует волновой процесс. Этот процесс используется в устройствах, всем хорошо знакомых: в телефонах, радио- и телевизионных устройствах, радиолокаторах и т. д. В микромире электромагнитной волне соответствует частица — фотон.
Именно электромагнитное взаимодействие определяет структуру атомов — систем, состоящих из положительно заряженного массивного ядра и отрицательно заряженной электронной оболочки. Структура атомов определяет все физические и химические свойства окружающих нас макроскопических тел, всех объектов живой и неживой природы.
Сильное взаимодействие было впервые обнаружено при рассеянии а-частиц легкими ядрами. Исследование процесса рассеяния показало, что в непосредственной близости от ядра вместо того, чтобы отталкиваться по закону Кулона, а-частица притягивалась к ядру, причем сила притяжепия возрастала с уменьшением расстояния от частицы до ядра значительно быстрее, чем кулоновская сила отталкивания. Эта сила притяжения была названа ядерной силой, а взаимодействие — ядерным, или сильным.
Сильное взаимодействие связывает нуклоны в ядрах. Оно проявляется в ядерных реакциях, служит источником энергии в звездах, а на Земле — в ядерных взрывах и на атомных электростанциях. Многочисленные превращения при столкновениях элементарных частиц также происходят под влиянием сильного взаимодействия. Примерами подобных превращений может служить реакция образования нейтрального ^-мезона и нейтрона при столкновении отрицательно заряженного ir-мезона и положительно заряженного протона
71	—> 77^ —П
пли реакция образования новой положительно заряженной частицы — дельта-плюс-бариопа и отрицательно заряженного тг-мезона с последующим распадом дельта
23
плюс-бариона на протон и нейтральный я-мезон
л -|-	-> Д+ -> р+ П° Л .
К числу сильновзаимодействующих частиц относится многочисленная группа резонансов, обнаруженная на ускорителях в 60-е годы. Это — неустойчивые образования, имеющие очень короткое время жизни, порядка 10-23 сек. За столь короткий промежуток времени резонансы невозможно непосредственно зарегистрировать в современных детекторах, поэтому для их обнаружения применяют косвенные методы. Впервые такую частицу обнаружили в опытах по рассеянию л-мезонов на протонах в 50-х годах. Было замечено, что при увеличении энергии ^-мезона, начиная с некоторой величины, вероятность взаимодействия ir-мезопа с протоном резко возрастала, проходила через максимум, а при дальнейшем повышении энергии уменьшалась. График зависимости этой вероятности от энергии имеет вид, очень похожий на кривую резонанса, известную из классической физики (механический резонанс, резонанс в радиотехнике).
Это явление можно объяснить тем, что при столкновении образуется возбужденное состояние протона, которое очень быстро распадается. Вероятность его образования велика при определенной энергии, и физическая сущность явления та же, что и в классическом резонансе: по мере приближения энергии тг-мезона к определенному значению система все более охотно преобразует кинетическую энергию налетающей частицы в энергию возбужденного состояния. При дальнейшем изучении элементарных частиц выяснилось, что подобным образом ведут себя многие процессы.
Возбужденные состояния, при которых повышается вероятность взаимодействия сталкивающихся частиц, можно рассматривать как системы из нескольких частиц, связанных па очень короткое время сильным взаимодействием. Позднее были обнаружены резопапсы, «склеенные» различными способами из разных частиц. В настоящее время известно более 200 резонансов, возникающих в результате сильного взаимодействия; для них определены массы, средние времена жизни, наиболее типичные схемы распада и другие характеристики. Всем частицам, которые могут участвовать в сильном взаимодействии, было дано общее
24
название адроны, а тем частицам, которые не участвуют в сильном’взаимодействии, — лептоны 7.
Интересно'сравнить силы рассмотренных типов взаимодействий. Это можно сделать на примере распада мезонов. Распад положительно заряженного гс-мезона па положительно заряженный р-мезон и нейтрино (гс+ -> p++v', вызван слабым взаимодействием, которое «справляется» с этой работой в среднем за 10-8 сек. Распад нейтрального к-мезона на два у-кванта (гс° -> уу) осуществляется с помощью электромагнитного взаимодействия; на это затрачивается в среднем 10-16 сек. Электромагнитное взаимодействие намного сильнее слабого. Сильное взаимодействие настолько мощное, что успевает провести подобную реакцию, например, реакцию распада р-мезона па два гс-ме-зона (р-> кл) за 10-23 сек. Интенсивность гравитационного взаимодействия настолько мала, что в микромире не найдено примера проявления гравитационных сил.
Рассмотренные типы взаимодействий (слабое, электромагнитное и сильное) определяют все известные на сегодняшний день превращения элементарных частиц. При этом разные частицы могут участвовать в разных взаимодействиях. Так, гс-мезон может участвовать во взаимодействиях всех трех типов, р-мезон и электрон — в электромагнитном и слабом. Нейтрино же подвластно только слабому взаимодействию.
Квантовая теория каждому взаимодействию ставит в соответствие поле определенных квантов — частиц, переносящих энергию между взаимодействующими объектами. Чем больше радиус взаимодействия, тем меньше масса покоя кванта поля этого взаимодействия. Для электромагнитного взаимодействия, обладающего бесконечным радиусом, масса соответствующего кванта — фотона — равна нулю. В сильном взаимодействии, которое удерживает нуклоны внутри ядра, радиус очень мал ~10-13 см. Квант сильного поля — гс-мезон — имеет массу ~ 140 Мэв. Радиус слабого взаимодействия пока точно не известен, известно только, что он меньше 10~17 см. Предполагается, что масса кванта поля слабого взаимодействия — гипотетического 1Р-мезона — порядка сотни Гэв.
7 pafyov — сильный, крупный, массивный (греч.), Хетиоа — легкий (греч.).
25
Другие квантовые числа
Ранее мы рассмотрели ряд физических величин, характеризующих различные элементарные частицы: массу, среднее время жизни, электрический заряд, спин, орбитальный и магнитный моменты. Введем теперь еще несколько новых характеристик. При обобщении экспериментальных данных по взаимному превращению элементарных частиц было установлено, что в этих реакциях строго соблюдается не только закон сохранения электрического заряда (суммарные электрические заряды до и после взаимодействия равны между собой), а также и законы сохранения барионного и лептонного зарядов. Что же это за заряды?
Барионный заряд был введен для объяснения стабильности протона. Никто никогда не наблюдал распада протона на более легкие частицы. Стали считать, что протону свойствен-некоторый элементарный заряд, названный барионным. Протону приписали барионный заряд, равный -|-1, антипротону — заряд, равный —1. Тогда все нестабильные частицы, распадающиеся по цепочке, в конце которой стоит протон или антипротон, имеют барионный заряд. Например, в распадах нейтрального кси-гиперона на лямбда-гиперон и нейтральный ir-мезон (S° -> Л°+ л°), лямбда-гиперона на нейтрон и нейтральный ir-мезон (Л° -> п+ л°), нейтрона на протон, электрон и электронное антинейтрино (п -> p+e’+v,) частицы 3°, Л°, п, р имеют барионный заряд -f-1.
При любом взаимодействии барионное число — сумма барионных зарядов всех частиц — сохраняется. Частицы с отличным от нуля барионным зарядом называются барионами. Они участвуют в сильных взаимодействиях и потому относятся к адронам. Но есть адроны, у которых барионный заряд равен нулю. Они называются мезонами.
Может быть, все-таки распад протона существует (например, на позитрон и у-квант: р -> е+ + у), только он происходит чрезвычайно редко? Были поставлены эксперименты с целью «подстеречь» распад протона. Зарегистрировать этот распад легко, так как масса протона велика по сравнению с массами других частиц, на которые он мог бы распадаться. Значит энергия, заключенная в массе протона, при распаде должна переходить в основном в кинетическую энергию продуктов распада. Аппаратура таких экспериментов «ждала» появления легких частиц
26
с большой кинетической энергией из образцов, содержащих около 1030 протонов. Но зарегистрировать появление таких частиц не удалось. Это означает, что среднее время жизни протона превышает 1022 лет.
В отличие от электрического барионный заряд ничем не проявляет себя. Его нельзя почувствовать, как, например, электрический заряд при отклонении частицы в электромагнитном поле. Но закон сохранения барионного заряда выполняется во всех случаях без исключений.
Частицам, не участвующим в сильном взаимодействии, — лептонам — также приписали особый заряд — лептонный. Однако полной ясности в классификации частиц по лептонному заряду пока еще нет, и мы не будем касаться этого вопроса более подробно.
Еще одна важная характеристика элементарных частиц — изотопический спин. При обработке экспериментальных данных выяснилось, что частицы легко объединяются в группы по одинаковым свойствам (при этом частицы одной группы обычно имеют равные или очень близкие величины масс и различаются знаками электрических зарядов). Например, семейство ir-мезонов включает три члена: к+-, к0-, к_-мезоны; семейство нуклонов — два члена: р+, п и т. д. Иными словами, внутри каждой группы частицы имеют различные зарядовые состояния. По аналогии с состояниями, имеющими различные значения спина, зарядовые состояния также можно описывать переменной, принимающей различные дискретные значения в зависимости от величины и знака заряда. Эту переменную называют изотопическим спином I, а область значений, которые может принимать изотопический спин, называется изотопическим пространством. Например, изотопический спип нуклона равен 1/2. Значение его проекции 13 на любое выделенное направление в изотопическом пространстве для протона равно -р/г, а для нейтрона —1/2. Для к-ме-зопов величина изотопического спина равна 1, а его проекции 13 для к+-, л0-, к~-мезонов равны соответственно +1, О, —1. Таким образом, можно классифицировать частицы по изотопическому спину.
К концу 40-х годов «зоопарк» элементарных частиц включал лишь несколько экземпляров, которые можно было объединять в различные семейства по какому-либо признаку (например, по массе, изотопическому спину). Однако примерно в это время появились сообщения, что
27
в космических лучах обнаружены частицы, проявляющие новые необычные свойства.
Прежде всего было отмечено, что эти частицы (их сначала называли 7-частицами) рождаются в процессах с сильным взаимодействием, распадаясь, в свою очередь, на сильно взаимодействующие частицы. По время жизни этих промежуточных частиц по ядерным масштабам чрезвычайно велико (около 10-10 сек). Например, довольно часто обнаруживали распад частицы (названной позже К°-мезоном), возникавшей при столкновении тг-мезона с протоном:
л-р+^К04-Л°
I—»
Эта частица за время своего существования успевала пролететь расстояние в несколько сантиметров. Такое поведение частиц было непонятным. В самом деле, если в рождении и распаде принимают участие только сильно взаимодействующие частицы, то вся цепочка превращений должна осуществляться за время, характерное для этих взаимодействий (~10-23 сек).
Кроме того, были отмечены случаи, когда частицы с таким странным поведением рождались парами. Вскоре была выдвинута гипотеза, что такие частицы всегда рождаются парами, т. е. существует какое-то новое свойство (что-то вроде заряда), которым они обладают, причем одна частица из пары имеет, так сказать, положительный знак этого свойства, а другая — отрицательный. Те случаи, когда наблюдалось рождение только одной частицы, при более внимательном рассмотрении объяснялись тем, что прибор, регистрирующий события, «пе видел» вторую частицу. Когда образование подобных частиц стали изучать на ускорителях, эта гипотеза полностью подтвердилась. Новые частицы пополнили как семейство барионов (их назвали гиперонами: Л, Е, S. . .), так и семейство мезонов (К-ме-зоны). Эти частицы назвали странными, а новое свойство— странностью. Время жизни странных частиц (10~10 сек) оказалось значительно больше времени сильного взаимодействия (10-23 сек).
После тщательного анализа американский физик М. Гелл-Манн выдвинул гипотезу, что странность, как и заряд, может принимать только целые значения, причем
28
в сильных взаимодействиях странность сохраняется, а слабые взаимодействия могут нарушать новый закон сохранения, изменяя это свойство. Эта гипотеза объясняла ряд явлений, казавшихся ранее не связанными, и в дальнейшем получила широкое развитие.
Как же с помощью закона сохранения странности объясняется, например, парное рождение странных частиц в столкновениях л-мезонов с нуклонами?
Пусть при рождении пары (К0, Л°) в реакции образования нейтрального К-мезона и Л-гиперона в столкновении отрицательного л-мезона с протоном
к- + р+->К0 + Л0
мы припишем мезону К0 странность S =+l, тогда для Л° нужно принять странность S=—1, так как л-мезоны и нуклоны имеют странность, равную нулю. В этом случае в приведенной реакции странность в начальном состоянии равна странности в конечном состоянии. Если исходить из закона сохранения странности, этот процеесс возможен только при сильном взаимодействии. Аналогично можно предсказать возможность и других процессов. В качестве примера можно привести реакцию образования положительного К-мезона и отрицательного S-гиперона в столкновении отрицательного л-мезона с протоном (л~-|-р+ -> ->К++ S-), процесс образования положительного К-мезона и положительного S-гиперона в столкновении положительного л-мезона с протоном (л+-|-р+ -> К+4~Е+)или образование нейтрального К-мезона и нейтрального S-гиперона в столкновении отрицательного к-мезона с протоном (л--1-р+ -> К°+ S0).
Закон сохранения странности при сильных взаимодействиях позволяет объяснить резкое различие в образовании К+- и К_-мезонов, которое поражало вначале исследователей, проводивших эксперименты на первых больших ускорителях. Дело в том, что положительных К-ме-зонов, рождающихся в столкновениях отрицательных л-мезонов с ядрами, было зарегистрировано значительно больше, чем отрицательных К-мезонов. Такое различие обусловлено тем, что странность К_-мезона равна —1, а странность К+-мезона равна +1 и, кроме того, гипероны Л, S имеют странность —1, поэтому реакции к_-}-р -> К~+ S+ и я"-|-п -> К- + S° невозможны
29
в силу закона сохранения странности. Рождение К~-ме-зонов происходит более сложным способом, и их интенсивность поэтому значительно ниже интенсивности К*-ме-зонов.
При распаде странных частиц закон сохранения странности нарутпается. Например, нейтральный К-мезон со странностью +1 распадается на положительный и отрицательный я-мезоны с нулевой странностью (К0 -» я+-|-я~); Л-гиперон имеет странность —1 и распадается на протон и отрицательный я-мезон, не имеющие странности (А® -» -> р++ я-); положительный К-мезон со странностью +1 распадается на положительный я-мезон и нейтральный я-мезон — частицы, не обладающие странностью (К* -» —> я+-|- я0).
Значит, такие процессы могут протекать только при участии слабого взаимодействия. Этим и объясняется большое время жизни странных частиц.
Новые характеристики элементарных частиц — изотопический спин/, странность 5 и барионный заряд В связаны с электрическим зарядом Q простой формулой
Q = Is + ^±A,
где /3 — проекция изотопического спина.
Из хаоса противоречивых и не связанных друг с другом фактов стала определяться некоторая закономерность в свойствах элементарных частиц.
Частицы с одинаковым изотопическим спином образуют семейства частиц, которые, в свою очередь, объединяются в более крупные группы, называемые супермультиплетами. Например, барионы образуют мультиплет, называемый октетом по числу входящих в него частиц.
Общие свойства элементов этого октета — одинаковый барионный заряд (+1) и спин (Ч2). Кроме того, массы всех членов октета барионов довольно близки: минимальная масса — у протона, 938,26 Мэв, максимальная — у отрицательного кси-гиперона (S~), 1321,25 Мэв.
Р+(/3 = +1/2)	п°(/3 = -1/2)	1 = ^2, S = 0;
Г(/,=+1) 2®(/3=0) 2+(/3=-1) /=1.	s=— 1;
Л°(/3 = 0)	7 = 0, S = —1;
з°(Л=+1/2) s-(z3=-i/8)	/=уа, s=-2.
30
Рис. 3. Супермультиплсты в пространстве квантовых чисел (проекции изо-топспина и странности):
а — октет барионов; б — октет мезонов; в — декуплет барионов
Мезоны образовали аналогичный мультиплет, все члены которого имеют барионный заряд и спин, равные нулю. Массы членов октета мезонов с нулевым спином также одного порядка — несколько сот Мэв (от 134,98 Мэв у нейтрального тт-мезона до 497,76 Мэв у нейтрального К-мезона).
к+(А=+1/2)	к»(/з=-1/2)
НА.=4-1) Н4=0) "-(/з=-1) №=0)
К’(/з = +1/а)	=
1 = Ч2, S = 4-l;
7 = 1, S = 0;
7 = 0, S = 0;
7 = i/2, S = —1.
В отвлеченном пространстве, по одной из осей которого откладывают значения проекции изотопического спина, а по другой — значения странности, мультиплеты принимают вид, очень напоминающий орнамент (рис. 3). Такое объединение послужило основой для построения модели кварков, которая привела к классификации адронов. Эта модель будет рассмотрена в следующей главе. В заключение приведем таблицу основных свойств элементарных частиц (табл. 2).
31
Таблица 2
Элементарные частицы и их основные характеристини
	Группа	Фотон		Лептоны		
	Название	Фотон (7-квант)	Электрон, позитрон	Электронное нейтрино	Мюон	МЮО1 ное нейтрино
сб Д’ S	Обозначение	7	е“		Р--	V
о сб tr	Структура в модели кварков					
сб Д’ S о	Обозначение	7	е+		Р-+	’р.
К Д	Структура в модели кварков					
Масса, Мае* Электрический заряд (Q) Спин (5) Изотопический спин (Г8) Барионный заряд (В) Странность (5) Среднее время жизни, сек Основные виды ** распада и их относительные вероятности (в %)		0 0 0 1 0 0 со	8	| о	0 0 V. 0 0 0 со	105,66 + 1 ’/в 0 0 0 2,2-10-’ evv и др.	1	8 ооо^оо |
* Массы частиц выражены в мегаэлектронвольтах (Мэе) — так принято J удобства расчетов в ядерпой физике и физике элементарных частиц. Для перев!
массы (Мэе) в граммы следует воспользоваться соотношением т (г) =
= т (Мае)	• 10~— = 1,78 . 1Q-” щ (Мае). Например, масса пром
938,26 Мае после такого перевода будет равна 1,67  IO-** а.
32
Адроны
Мезоны
Пионы		Каоны		Эта-мезон
Заряженный ПИОН	Нейтральный пион	Заряженный каоп	Нейтральный каоп	
тс4"		Л+	к°	
PN	*/. (!’₽- -NN)	РЛ	NX	F (РР, NN, ЛЛ)
71“		к~	К°	
PN	1/а (РР--NN)	РЛ	NA	F (РР, NN, ЛЛ)
139,58 ±1 0 ±1 0 0 2,6-10-8 (XV (~100) и др.	134,97 0 0 0 0 0 0,84- IO'1’ 77 (99), ~(е+е~ (1) и др.	493,84 ±1 0 ±Х/Я 0 ±1 1,2-10-8 (64), (21), (6), ето°у (5) И др.	497,79 0 0 ±‘/в 0 ± 1 Xs:0,86- 10-10 Ль: 5,17-IO'8 Ks:TC+it-(69), А0 (31); Ль:леч (39), itp.v (27) и др.	548,8 0 0 0 0 0 2,4-10“19 77 (38)2 А¥ (30), it+it it0 (24) и др.
** Распад элементарных частиц может происходить по различным «каналам», г. е. могут осуществляться различные реакции, не запрещенные законами сохранения. В таблице приведены лишь конечные продукты распада с ука-йнием доли данного распада в общем числе зарегистрированных распадов.
3 И, И. Карпов, Ю, И. Лисневский
33
Группа		Адроны			
		Барионы			
		Нуклоны		Гипероны	
Название		Протон	Нейтрон	Лямбда-гиперон	Сигма-плюс-гиперон
Частица	Обозначение	Р*	п»	А	2+
	Структура в модели кварков	PPN	PNN	PNA	РРА
Античастица	Обозначение	Р~	й°	А	2+
	Структура в модели кварков	PPN	₽NN	PNA	РРА
Масса, Мэв* Электрический заряд (Q) Спин (S) Изотопический спин (Г8) Барионный заряд (В) Странность (5) Среднее время жизни, сек Основные виды •• распада и их относительные вероятности (в %)		938,26 ±1 ±v. ±1 0 со	939,55 0 J/» +1/» ±1 0 935 p+e~v (100)	1115,59 0 г/» 0 ±1 4-1 2,5-IO"10 р+л~ (64), п*я° (35) и др.	1189,42 ±1 V. ±1 ±1 + 1 0,8-10-11 р+л° (51)1 n°it+ (48) и др.
Адроны
Барионы
Гипероны		Каскадные гипероны		
Сигма-нуль-гиперон	Сигма-минус-гиперон	Кси-нуль-гиперон	Кси-минус-гиперон	Омега-мииус-гиперон
2°	s-	go	s-	а-
PNA	NNA	РАЛ	NAA	АЛЛ
2°	S-	Ё°	Ё-	Q-
pnA	nna	FAA	NAA	ААА
1192,48 0 ‘/а 0 ±1 +1 < 1 • 10~и Л if (100) и др.	1197,34 + 1 Ча + 1 + 1 + 1 1,5-1О~10 п°л~(100), nop._v (0,4 • 10“s) и др.	1314,70 0 */а +Ча ±1 4-2 3 • 1О“10 Лга° (100) и др.	1321,30 + 1 Л +1 4-2 1,7-10_*° Ате" (100) и др.	1672,5 4-1 8/а 0 + 1 4-3 1,3-10-10 АК-
3*
МОДЕЛЬ КВАРКОВ
В 1964 г. М. Гелл-Манн выдвинул гипотезу, которая уже более десяти лет занимает умы физиков. Эта гипотеза зародилась на базе развития прикладных вопросов теории групп, исследующей свойства симметрии физических объектов и находящей широкое применение в различных областях физики.
Изучение адронов показало, что сгруппированные в мультиплеты частицы имеют много общих свойств. Общность свойств членов мультиплета означает независимость этих свойств от замены одной частицы другой. Такая «взаимозаменяемость» отражает симметрию мультиплета в пространстве квантовых чисел — странности и изотопического спина. Преобразования в этом пространстве, сохраняющие симметрию мультиплетов, образуют группу — объект из области математики, для которого развит вычислительный аппарат. Теория групп позволяет строить разнообразные мультиплеты: семейства, обладающие нужной симметрией.
Для случая мультиплетов элементарных частиц эта группа носит специальное название Эи(3)-группы8.
Существуют мультиплеты, обладающие двумя очень важными свойствами. Они имеют минимальное число членов; любое семейство с числом членов, меньшим этого минимального, теряет свойство симметрии, на котором основана структура группы. Кроме того, из этих «минимальных» мультиплетов, как из кирпичиков, могут быть сконструированы все другие семейства, которые можно построить для данной группы. Так родилось предположение о том, что адроны могут быть построены из стандартных сильно связанных «кирпичиков», подобно тому как перио-
8 Более подробное описание 8и(3)-симметрии см.: К. И. Щ!лкин. Физика микромира. М., Атомиздат, 1968, с. 211—236.
36
дическая система элементов построена из трех частиц___
электрона, нейтрона и протона.
Сама идея «построения» всех элементарных частиц из нескольких «основных» была высказана в конце 40-х годов. Изучая свойства тг-мезонов, Э. Ферми и С. Янг выдвинули гипотезу, что гс-мезон представляет собой связанное состояние нуклона и антинуклона с энергией связи, равной примерно их суммарной массе. В дальнейшем эта идея развивалась и другими учеными. В качестве «основных» выбирались разные частицы, но построить на их основе общую теорию не удавалось.
SU(3)-rpynna в качестве «кирпичиков», из которых строятся все адроны, предлагает три необычные по свойствам частицы, никогда не наблюдавшиеся в природе. Основная их особенность — дробный заряд, а ведь все известные элементарные частицы имеют только целые заряды. Эти новые частицы получили название «кварков».
Название было заимствовано Гелл-Манном из романа известного ирландского писателя Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану» ®. Это психологическое, в целом мрачное, фантастическое произведение модернистского направления. Его сюжет — сон одного из персонажей с характерными для сна непоследовательностью и фантастическими превращениями. Одна из особенностей романа в том, что автор, часто экспериментируя с языком, соединяет вместе отдельные слова, не заканчивает их, «создает» новые. Видимо не случайно при выборе названия необычных для физической теории гипотетических частиц Гелл-Манн обратился к такому произведению. Название взято из песни, которая начинается словами «three quarks», что в переводе означает «три карканья», «три кваканья», «три пустяка». Не следует искать в названии какое-либо осмысленное значение, разве что автор хотел подчеркнуть крайнюю необычность, фантастичность предположения о существовании подобных частиц.
Три кварка, из которых могут быть «сконструированы» все адроны, получили название Р-кварк, N-кварк и Л-кварк. Квантовые числа кварков и антикварков приведены в табл. 3.
Согласно гипотезе кварков на базе математического аппарата теории групп все мезоны строятся из различных
• J. Joice. Finnegan's wake. New York, The Viking Press, 1939.
37
Таблица 3
Кварии и их характеристики
Тип кварка	Заряд	Изотопический спин	Странность	Бариоииый заряд	Спин
Р	+*/,	»/,	о	4-1/, N	-V.	*/,	0	+Ча А	->/.	0	-1	+*/, Р	-*/,	Ча	0	-»/, N	+1/,	V.	0	-Vs Л	+Чз	0	+1	-1/,					%
комбинаций кварка и антикварка, барионы — из трех кварков. Античастицы адронов получаются простой заменой кварков соответствующими антикварками и наоборот (см. табл. 2).
Из модели кварков естественно получаются выявленные ранее мультиплеты по изотопическому спину и странности (см. стр. 31").
Октет барионов (со спином 1/а):
p+(PPN), n°(PNN),
2*(РРЛ), S°(PNA), A(PNA), S’(NNA),
E°(PAA), S’(NAA).
Октет мезонов (со спином 0):
/Г (РА), №(NA),
«+(PN), Я°[1(РР —NS)], 7](РР, NN), n’(NF), ^o(NA), AT" (FA).
Резонансные частицы образуют декуплет барионов:
д++(РРР), A+(PPN), A°(PNN), A-(NNN),
2*+(РРЛ),	2*°(PNA), S*-(NNA),
E*°(PAA),	E*-(NAA),
S’ (AAA).
Звездочкой отмечены резонансы, которые имеют аналоги среди стабильных частиц. В этом случае стабильные ча
38
стицы обозначаются той же буквой. Многие резонансы были уже известны, но последний член декуплета — омега-минус-гиперон — еще не наблюдался в эксперименте. Позже эта частица была открыта.
Приведенная структура элементарных частиц в модели кварков показывает, что нужные значения электрического заряда, барионного заряда, странности частиц получаются простым суммированием соответствующих величин кварков и антикварков, составляющих частицу, а правильные значения спинов (и изотопических спинов) достигаются соответствующим подбором их направлений. Сопоставление свойств известных частиц, входящих в мультиплет (в частности, массы), показало, что масса 2~-гипе-рона должна быть около 1680 Мэв. Другие его свойства (заряд, странность, спин) также предсказывались моделью кварков.
В конце 1964 г. в Брукхейвенской лаборатории (США) был поставлен эксперимент с целью поиска этой частицы. Предполагалось, что она должна образоваться в реакции взаимодействия К-мезона с протоном К_4-р+-> й_+ 4-К+4-К°. В эксперименте использовалась жидководородная пузырьковая камера.
Первая пузырьковая камера была построена в начале 50-х годов для изучения рождений и распадов частиц па ускорителях больших энергий. Работа пузырьковой камеры основана на том, что пролетающая частица в столкновениях с молекулами перегретой жидкости (например, жидкого водорода) выделяет энергию. Жидкость вдоль траектории пролетающей частицы вскипает, и образовавшиеся пузырьки «отмечают» след частицы в прозрачной среде жидкого водорода. Этот видимый след называют треком частицы. Обычно трек фотографируют сразу несколькими фотокамерами для получения объемной картины происходящих событий.
Чтобы получить перегретое состояние жидкости, расширяют объем, в котором жидкость находится при температуре кипения^ но не кипит. Давление сразу падает, температура кипения понижается. Затем в этот объем по магнитооптическому каналу вводят исследуемые частицы и фотографируют происходящие события. Чтобы повторить весь цикл сначала, камеру снова переводят в исходное состояние, уменьшая объем. Фотография современной пузырьковой камеры приведена на рис. 15.
39
Пузырьковую камеру помещают на пути пучка изучаемых частиц. Например, в эксперименте по поиску Q“-гиперона такими частицами были К~-мезоны. Поскольку их рождается примерно в 100 раз меньше, чем л-мезонов, пучок вторичных частиц должен быть очищен от л-мезонов, создающих дополнительный фон в камере, мешающий наблюдениям. Процесс очистки пучка от примесей посторонних частиц называют сепарацией, а устройства, производящие такую очистку, — сепараторами.
Работа камеры определяется механическими устройствами (механизм расширения объема, система фотографирования). Поэтому скорость ее действия мала и рабочий цикл продолжается довольно долго, несколько секунд. Поскольку камера регистрирует все частицы, попадающие в нее за время рабочего цикла, то к пучку частиц предъявляются следующие требования: короткое время ввода в камеру и малая интенсивность пучка. Иначе на фотографиях получается слишком большое количество треков, и в них можно просто запутаться. Обычно за один цикл видны треки нескольких частиц.
Чтобы можно было определять импульсы частиц, пузырьковую камеру помещают в магнитное поле, искривляющее траекторию частиц.
Фотографии, полученные при экспериментах с пузырьковой камерой, обрабатывают: по ним измеряют углы разлета частиц, по величине кривизны траекторий заряженных частиц определяют их импульсы.
Число событий за один цикл невелико, поэтому для изучения какого-либо процесса или для поиска очень редкого события приходится делать огромное количество снимков (в современных экспериментах число снимков доходит до двух миллионов). Обработка такой большой информации требует автоматизации, иначе время, необходимое для получения результата, невероятно затянется. В автоматический процесс обработки включается просмотр и измерение параметров треков на фотографиях с помощью просмотровых автоматов (или полуавтоматов) и анализ полученных результатов измерений на быстродействующих ЭВМ.
В эксперименте по поиску й_-гиперона было получено около 100 тыс. снимков событий в пузырьковой камере. На рис. 16 приведена одна из наиболее известных фотографий в истории физики высоких энергий. Именно на этой
40
фотографии, полученной в 1964 г. при эксперименте с двухметровой пузырьковой камерой в Брукхейвене (США), был впервые найден трек й~-гиперона, существование которого предсказывалось теорией SU (З)-группы. Справа на рисунке приведена расшифровка реакции образования этой частицы. Измерение углов и импульсов всех участвовавших в этой реакции частиц позволило оценить величину массы Q “-гиперона — 1672 Мэв.
В настоящее время зарегистрировано более тридцати случаев рождения £2~-гиперона, так что его существование считается надежно доказанным.
Q “-гиперон, подобно S0- и ^“-гиперонам, последовательно распадается с постепенным уменьшением странности 10
2"	5 = 3,
k>S° + n“	5 = 2,
La’+«’	5 = 1,
I—> р+ -|-	5 = 0.
Открытие ^“-гиперона — наиболее впечатляющий результат, полученный на основе гипотезы кварков в ранний период ее развития.
В это время групповые схемы классификации частиц породили многочисленные варианты и обобщения модели кварков. Правда, успех в объяснении экспериментальных данных был достигнут только для адронов. Лептоны пока не удалось включить в какую-либо единую-систему.
10 «Каскадность» процесса распада объясняется тем, что странность в одной реакции не может изменяться больше чем на единицу. Поэтому все получающиеся в таком процессе гипероны были названы каскадными.
СВОЙСТВА АДРОНОВ В МОДЕЛИ КВАРКОВ
Масса
Поскольку в описанной модели адрон представляет собой систему, состоящую из связанных друг с другом кварков, можно получить массу адрона, суммируя массы кварков и энергии их попарной связи. Например, для протона при условии, что энергии связи одинаковых пар кварков равны между собой, можно написать соотношение
m(^) = 2zn(P) + 7n(N)-2-^—Affi.
Такая простая модель поразительно точно определяет некоторые соотношения масс известных частиц.
Рассмотрим элементарный вывод одного из таких соотношений. Для этого выразим массы членов октета барионов так же, как было сделано для массы протона:
т(д’) = 2т(N) + т(Р) - 2-^-1*^-, ш (£*) -- 2т (Р) + т (А) - 2	,
т (S’) = 2т (N) + т (А) - 2^--^, т (Е°) = 2т (А) + т (Р) - 2	,
т(Е-) = 2т(А) + т(N) - 2^-^..
При том единственном предположении, что энергия связи двух каких-либо кварков (например, Р и N) одинакова в любом адроне, где бы они ни встретились, можно связать массы адронов соотношением
т (р+) — т (п°) 4* т (Е°) ~ т (3~) + т (2“) — т (2+) = 0.
42
Подставив экспериментально найденные значения масс адронов (см. табл. 2) в левую часть уравнения, увидим, что полученное соотношение выполняется с той точностью, с которой были измерены массы указанных элементарных частиц (до сотых долей процента).
Аналогично можно вывести соотношения масс для декуплета барионов. Они будут иметь вид
т (S*-) — т (У) = у [т (2') — т (Д )], т (S‘°) — т (У+) = j [пг (2~) — т (Д++) |, т (Д°) — т (Д+) = у [т (Д’) — m (Д++)].
Интересно, что для мезонного октета такой способ не дает массовых формул. Однако более строгая теория при некоторых дополнительных предположениях дает множество соотношений подобного типа и для мезонов.
Спин и магнитный момент
Согласно модели кварк (как и антикварк) имеет спин, равный 1/2. Суммарный спин системы, состоящей из нескольких кварков, должен быть равен векторной сумме спинов составляющих ее кварков. Можно взять комбинации кварков, из которых состоят адроны, и попытаться выяснить, какие предсказания для спинов адронов дает кварковая модель.
Рассмотрим кварковую модель протона: PPN. Спины кварков ориентированы друг относительно друга следующим образом: PfP|Nf. Значит ориентация спина одного из составляющих протон кварков противоположна по отношению к двум другим. Так как в этом случае спин системы равен сумме спинов отдельных кварков (с учетом знака), получается правильное значение спина протона (1/2). Аналогично ориентированы спины кварков, составляющих другие адроны барионного октета, поскольку в результате значение спина должно быть равно 1/2.
А могут ли все кварки, составляющие адрон, иметь одинаковую ориентацию спина?
43
Спин адрона, состоящего из трех кварков с одинаково направленными спинами, равен ®/2. Барионы с таким значением спина обнаружены экспериментально. Они образуют декуплет:
(PPP),	(PPN),	(PNN),	(NNN),
(ЛРР),	(APN),	(ANN),
(ЛАР), (AAN),
(АЛЛ).
Частицы этого семейства, как правило, нестабильны и имеют очень короткое время жизни (~10-23 сек). Единственный долгоживущий член этого мультиплета — Q “-гиперон (АЛЛ) со средним временем жизни 1,3-10—10 сек.
Системы, состоящие из пары кварк—антикварк (мезоны), должны согласно кварковой модели иметь целое значение спина. Если спины кварков, составляющих мезоны, направлены в противоположные стороны, то суммарный спин частицы равен нулю, если же они направлены в одну сторону, то суммарный спин равен единице. Частицы с такими значениями спина образуют два семейства. Первое имеет нулевой спин. Об этом семействе мы уже упоминали: это октет мезонов. Второе семейство мезонов со спином, равным единице, состоит из нестабильных частиц, время их жизни примерно 10-22 сек.
Кварки, составляющие адроны, могут совершать вращательные движения друг относительно друга. В этом случае построенные из них системы могут иметь еще и орбитальный момент, а суммарный спин системы может принимать значения больше ®/2 для барионов и больше 1 для мезонов. Орбитальный момент принимает целые значения 1, 2, 3 и т. д., а потому кварковая модель предсказывает существование барионов со спинами 5/2, ’/2, ®/2 и т. д. и мезонов со спинами 2, 3, 4 и т. д. Многие из этих частиц были обнаружены в экспериментах.
Сейчас известны резонансные барионы со спинами до п/2 и мезоны со спином 4.
Но на этом удивительные подтверждения предсказаний кварковой модели не кончаются.
Посмотрим, как можно при помощи модели кварков получить значения магнитных моментов частиц. Если предположить, что каждый кварк имеет собственный маг-
44
нитный момент связанный с его спином, то магнитный момент адрона (системы, состоящей из кварков) может быть выражен через магнитные моменты кварков, составляющих адрон. Расчеты, проведенные для протона, предсказывают значение магнитного момента fxp, равное магнитному моменту одного кварка fx? (в предположении, что магнитные моменты всех кварков равны между собой). Для нейтрона же fx„=—2/3 fx?. Магнитный момент кварка неизвестен, но отношение	не зависит от значе-
ния fxa:
l1» __	2
—	3 *
Экспериментально измеренное значение этого отношения равно —0,68504+0,00003, что удивительно хорошо согласуется со значением, предсказанным по кварковой модели (—0,67). Можно только еще раз удивиться такому совпадению экспериментальных результатов с предсказаниями столь простой модели.
На основании модели кварков были предложены схемы расчета абсолютных значений магнитных моментов различных адронов. Для проверки правильности расчетов необходимо было сравнить полученные результаты с экспериментально измеренными значениями магнитных моментов различных частиц.
Измерять магнитные моменты нестабильных частиц очень сложно. Обычно метод измерения заключается в определении скорости прецессии (поворота вектора) момента в магнитном поле заданной напряженности. Прецессия наблюдается, если частицы поляризованы (т. е. существует преимущественное направление спинов частиц) и эту поляризацию можно измерить. Обычно Л- и 2-гипероны рождаются поляризованными, а угловое распределение продуктов их распада зависит от поляризации исходных гиперонов. Поэтому, измеряя угловое распределение продуктов распада гиперонов, можно определить поляризацию, т. е. направление спина.
Однако эти долгоживущие по масштабам микромира частицы в нашем обычном мире живут очень короткое время — около 10~10 сек. За это время нужно повернуть направление спина (т. е. связанного с ним магнитного момента) на угол, достаточно большой для того, чтобы можно было заметить различие в угловых распределениях
45
продуктов распада. Для этого необходимо создать хотя бы на короткое время очень сильные магнитные поля (порядка 105 ас). Поэтому проведение экспериментов по измерению магнитных моментов нестабильных частиц технически очень трудно.
В настоящее время измерены магнитные моменты четырех адронов. Их значения, полученные экспериментально, и значения, предсказанные моделью кварков, приведены в табл. 4.
Таблица 4
Магнитные иоиенты барионов
Барион	Р-		Барион		
	модель кварков	эксперимент		модель кварков	эксперимент
Р+	2,79	2,793	। 2+	2,79	2,6+0,5
п°	—1,86	—1,913	1 л	-0,93	—0,73+0,16
Сечения взаимодействия адронов
Частица, двигаясь среди случайно распределенных в пространстве атомов вещества, сталкивается с ними. Если скорость частицы достаточно велика, то легкие электроны, составляющие внешнюю оболочку атома, не могут служить заметным препятствием на пути частицы. В этом случае можно считать, что столкновения происходят только с ядрами атомов, а столкновениями с электронами можно пренебречь.
Поскольку столкновение частицы с ядрами — случайное явление, существует определенная вероятность Р (х), что частица пройдет без столкновения слой вещества толщиной х. Это означает, что если через слой вещества толщиной х пропустить No частиц, то в среднем частиц пройдут без столкновений, причем величина (х) определяется вероятностью Р (х):
N1(x) = N0P(x),
а Д7У(ж) частиц будет испытывать соударения:
Д/V (ж) = N0-N1 (ж) = No (1 - Р (ж)).
46
Если разделить слой вещества на участки толщиной Ах, легко определить количество частиц, проходящих эти участки без столкновений:
ДГ2 = ДГ1Р(Дх2),
ДГ3 = ЛГ2Р(Дх2).
При Дхх = Дх2 =... и Р (bxj = Р (Дх2) =... имеем _л^_
2VX N2 Nt
т. е. числа No, Nt, N\ . . . образуют геометрическую прогрессию. А это значит, что зависимость числа частиц, проходящих слой вещества толщиной х без столкновений, от величины х выражается экспоненциальным законом с некоторой постоянной а:
N(x) = Noe~a*.
Значит для каждой частицы вероятность пройти без столкновения слой вещества толщиной х равна
Р(х) = ё~в*.
Если толщина слоя мала (обозначим ее dx), то
Р (dx) = e~adx ж 1 — adx.
Выясним физический смысл постоянной а в показателе экспоненты. Ее размерность, очевидно, обратна размерности длины, так как произведение ах должно быть безразмерным. Вычислим среднюю длину пути, проходимого в веществе без столкновений (эту длину называют длиной свободного пробега и обозначают X):
X = j хР (х) dx = . о
Таким образом, а=1/Х и формула для вероятности Р (х) принимает вид Р (х)=е~л’/Х.
Далее представим себе, что каждый атом вещества представляет собой для движущейся частицы мишень
47
площадью а. Эта площадь называется эффективным сечением взаимодействия и измеряется в барнах (1 &=10‘24сл<г) или в миллибарнах (1 пг6=10-27 с.м2). Если в 1 см3 вещества содержится п атомов, то в слое вещества толщиной dx см и поперечным сечением 1 см2 содержится ndx атомов. Тогда средняя сумма площадей всех атомов-мишеней, которые встречаются на пути частицы, пролетающей этот слой вещества, равна nadx см2.
Вероятность прохождения частицей слоя вещества без соударений равна вероятности попадания в площадь, не занятую мишенями-атомами. Эта площадь S = (1 — n~dx) см2, а вероятность попадания частицы в эту площадь равна отношению
5 см2 . j ----= 1 — паах.
1 см3
Сравнивая это отношение с формулой вероятности прохождения частицей без столкновения слоя dx, находим, что в данном случае а—по, т. е. постоянная а представляет собой сумму эффективных сечений в единице объема вещества.
Возьмем параллельный пучок частиц одинаковой скорости, проходящей через слой рассеивающего вещества толщины L (рис. 4). Будем регистрировать число частиц No, падающих на слой вещества, и число частиц Nt, проходящих слой без соударений и потому не отклонившихся от первоначальной траектории. Как мы уже показали, N1=Noe~n°L. Зная плотность вещества п и толщину его слоя L, можно определить эффективное сечение а:
Частицы, испытавшие соударение, могут отклониться от первоначального направления или, вызвав ядерную реакцию, превратиться в другие частицы. Нас не интересует, каким именно образом частицы выбывают из пучка, поэтому полученную величину а называют полным сечением. Полное сечение — наиболее общая характеристика частиц. Оно определяет расстояние, на котором частицы вступают во взаимодействие.
48
Чтобы рассмотреть техническую сторону проблемы, возьмем, например, эксперимент по измерению полного сечения взаимодействия л*, К1, р+, р~ с водородом при высоких энергиях. В этом опыте пучок вторичных заряженных частиц формируется и транспортируется к мишени магнитооптическим каналом длиной обычно в несколько десятков метров. Канал состоит из отклоняющих магнитов и магнитных квадрупольных линз, изменяющих поперечные размеры пучка.
Рис. 4. К определению полного сечения взаимодействия
Принцип работы магнитных линз очень прост. Полюса магнита располагают таким образом, чтобы они создавали магнитное поле, как показано на рис. 5. Тогда заряженная частица (например, л+-мезон), пролетая вдоль полюсов магнита, в вертикальной плоскости, проходящей через ось линзы, отклоняется магнитным полем от оси линзы (дефокусируется), а в горизонтальной плоскости, наоборот, отклоняется по направлению к оси линзы (фокусируется).
Если поместить одну за другой две линзы, у которых полюса магнита расположены по-разному (где у первой линзы северный полюс, там у второй — южный и наоборот), можно, изменяя токи в обмотках, так подобрать величины магнитных полей в линзах, что частица будет фокусироваться этой системой в обеих плоскостях совершенно так же, как луч света фокусируется оптической линзой (рис. 6). Такую пару линз называют дублетом магнитооптической системы. Понятно, что от величин токов в обмотках линз дублета зависят фокусные расстоя-
4 И. И. Карпов, Ю. И. Лисневский	49
ния магнитных линз. Подбирая определенные величины токов, пучок частиц на выходе можно сделать параллельным или расходящимся. Однако величина тока в обмотке линзы может изменяться лишь в определенных пределах, а потому с одним дублетом нельзя получить все необходимые конфигурации пучка. Выбор конфигурации определяется размерами мишени, на которой получаются вторичные пучки исследуемых частиц, размерами отверстий в линзах (аппертурой линз), расположением трассы канала в экспериментальном зале и т. д. Для получения нужной конфигурации пучка в магнитооптическом канале применяют систему из нескольких последовательно расположенных магнитных квадрупольных линз и отклоняющих магнитов. По этой системе частица, как корабль по водному каналу, доставляется в нужное место с требуемым направлением движения.
Пройдя по магнитооптическому каналу, частица попадает в дифференциальный черепковский счетчик, в котором она идентифицируется. Дело в том, что среди многочисленных и разнообразных вторичных частиц, вылетающих из внутренней мишени после «обстрела» ее первичным ускоренным пучком протонов, разные частицы (например, тг, К”, р . . .) могут иметь одинаковые импульсы, т. е. транспортироваться по магнитооптическому каналу совершенно идентично. Но массы их различны, поэтому и их скорости тоже будут различаться, правда, на очень малую величину, примерно на 0,001%. В дифференциальном черепковском счетчике это различие используется для определения сорта частицы, пролетевшей по каналу. Этот прибор использует свойство излучения заряженных частиц, летящих в прозрачной среде со скоростью, большей скорости света в этой среде. При таких условиях излучение заряженной частицы испускается под строго определенным углом 0, величина которого зависит от скорости частицы в среде v и показателя преломления среды п
g___С __ 1
ОП Р» ’
где Р=р/с.
Счетчик представляет собой металлический цилиндр, заполненный подходящим газом при определенном давле-
50
Рис. S. Структура магнитного поля в квадруполыюй линзе
пии и температуре (эти параметры определяют показатель преломления п). Счетчик располагают так, чтобы ось пучка совпала с осью цилиндра. Частицы, пролетая через счетчик, испускают свет, который фокусируется оптикой счетчика на щель кольцевой диафрагмы. За этой щелью расположен фотоумножитель — прибор, реагирующий на
мл,	млг
вертикальная . плоскость
Рис. в. Фокусировка пучка заряженных частиц дублетом квадрупольных Л1шз МЛ, и МЛ,.
Отклонения частиц показаны отдельно для вертикальной и горизонтальной плоскостей, проходящих через ось пучка
4*
51
вспышку света электрическим импульсом. Сигналы с фотоумножителя подаются на электронные схемы, которые производят отбор и регистрацию событий. Малое различие скоростей частиц дает малое различие углов излучаемого света. Выделить свет, излучаемый под строго определенным углом, можно только при очень высоких технических данных детектора. Это сложная задача, для решения которой требуется тщательный отбор регистрирующих устройств, высокая стабильность всех параметров черепковского счетчика, сложный комплекс электронных схем.
Пройдя через счетчик, частица направляется на жидководородную мишень. В мишени и происходит взаимодействие частиц с ядрами атомов водорода — протонами. Это устройство представляет собой цилиндрический сосуд длиной 2—3 м, окруженный вакуумной полостью и охлаждающими «рубашками». По принципу действия — это большой термос, в который налита очень холодная жидкость — жидкий водород.
Частица, пролетевшая через жидководородную мишень, регистрируется системой детекторов, измеряющих направление ее полета. Если частица не изменила направление полета, считается, что она не взаимодействовала с ядрами мишени. Зная число падающих на мишень частиц (7V0), число частиц, прошедших без взаимодействия (Л\), а также характеристики рассеивающего вещества (водорода), можно по формуле (2) вычислить полное сечение взаимодействия. Эксперименты по измерению полных сечений взаимодействия при высоких энергиях были осуществлены для разных частиц во многих лабораториях как в СССР, так и за рубежом.
Результаты всех проведенных в настоящее время экспериментов по измерению полных сечений взаимодействия приведены на рис. 7.
Вернемся теперь к модели кварков. Частица, состоящая из кварков, пролетает через вещество, которое (если пренебречь электронами) состоит из нуклонов. Так как нуклоны, в свою очередь, состоят из кварков, то процесс прохождения частицы через вещество можно представить себе как процесс прохождения двух (мезоны) или трех (барионы) связанных кварков через случайно расположенные в пространстве сгустки кварков. Если эффективное сечение взаимодействия кварка с кварком обозначить ° (ЧЧ), то можно выразить сечения взаимодействия раэ-
52
Рис. 7. Результаты экспериментов по измерению полных сечений взаимодействия частиц с протонами в заввсимости от энергии падающих частиц при
высоких энергиях
личных частиц друг с другом через это сечение. Предположим, что кварки взаимодействуют независимо друг от друга, и сечение a (qq) не зависит от вида кварков. В этих предположениях выведем значения некоторых сечений.
Рассмотрим л_-мезон, движущийся с большой скоростью в водороде. В модели кварков этот процесс можно представить связанной парой кварк—антикварк, летящей через сгустки Р- и N-кварков встречных протонов.
Так как мы предположили, что кварки взаимодействуют независимо друг от друга, то сечение взаимодействия л_-мезона_с протоном а (к_р) равно сумме сечений взаимодействия Р- и N-кварков, составляющих л~-мезон, с каждым из Р-, Р- и N-кварков, составляющих протон:
a(0)==3(PP) + a(PP) + a(PN) + o(NP)-[--|-a(NP)4-a(NN). .
Из предположения о том, что сечения взаимодействия всех пар кварков одинаковы и не зависят от вида кварков,
53
следует, что о (л_р) = 6а (qq). Если через водород летит протон, то точно такое же рассуждение приводит к выводу, что а (рр)=9а (qq).
Экспериментально невозможно проверить по отдельности эти соотношения, так как в нашем распоряжении нет кварковых пучков и нет вещества, состоящего из отдельных кварков. Но, измеряя полные сечения а (л_р) и а (рр), можно определить их соотношение. Модель; кварков предсказывает, что
о (л~р)_6з (qq) _2
о (РР) ~9з (qq) ~~ 3 *
Результаты эксперимента, приведенные на рис. 7, показывают, что при достаточно больших импульсах налетающих частиц это предсказание выполняется удивительно точно.
Пользуясь таким простым методом, можно из кварковой модели вывести очень много соотношений между полными сечениями различных частей. Например, можно сравнить предсказания модели кварков для соотношения сечений взаимодействия К-мезонов с сечениями взаимодействия к-мезонов
° (ЯР) — ° (пЬР)= [° (К“р) — з (К~п)] — [о (К+п) — ° (К+Р)].
Другим примером предсказания кварковой модели может служить соотношение между сечениями взаимо-действия К-мезонов и нуклонов
° (рр) — ° (Рга)= ° (К+р) — з (К+п),
° (РР) — °(Рга) = ° (К’Р) — ° (К“п).
Эти соотношения, как и многие другие, были подтвер-i ждены экспериментально. К такого рода эксперимента^ относятся и эксперименты на гиперонных пучках, вы-* полненные в ЦЕРНе.
Среди вторичных частиц, образующихся при столкновениях ускоренных протонов с ядрами атомов мишени, небольшую долю составляют Л-, S- и 3-гипероны. Время жизни (~10~10 сек) этих тяжелых частиц невелико по сравнению со временем пролета частицей всей установка (т. е. интервала времени, необходимого для регистрация нужного нам процесса). Частицы распадаются, пролете!
54
небольшое расстояние от мишени. Чтобы наблюдать реакции с гиперонами (изучить рассеяние их на разных частицах, измерить полные сечения и т. д.), необходимо помещать установки очень близко к мишени, в которой образуются частицы. А потому для формирования гиперон-ных пучков (S*, Е~) необходима такая магнитооптическая система, которая имела бы минимальную длину и хорошие магнитные параметры (достаточно сильные и однородные поля нужной конфигурации).
Такую систему можно создать на основе сверхпроводящих магнитов, т. е. магнитов, у которых электрический ток, создающий магнитное поле, протекает в обмотке из сверхпроводящего материала. Сверхпроводящие магниты имеют малые размеры и небольшой вес, но вместе с тем могут давать сильные магнитные поля. Из этих магнитов можно сконструировать нужную магнитооптическую систему, достаточно короткую, чтобы значительное число гиперонов успело пройти по этой системе, не распавшись.
В одном из первых экспериментов гиперонный пучок проходил через два обычных магнита и две сверхпроводящие линзы. Длина магнитной установки составляла всего 3,7 м. На выходе канала был помещен дифференциальный черепковский счетчик, регистрирующий прохождение гиперонов. В этом эксперименте были измерены полные сечения рассеяния S- и Л-гиперонов на водороде и дейтерии, а также изучены распады S"->
Е- —> Л°-|-е_-Н«
Схема эксперимента в принципе не отличается от постановки эксперимента по измерению полных сечений взаимодействия частиц л4, К+, р+, р~ с протонами. Различие заключается лишь в методах регистрации гиперонов. Поскольку гипероны нестабильны и распадаются с образованием нуклона и пиона (л-мезона), то детекторы построены так, чтобы регистрировать продукты распада гиперона. Измеряя затем параметры этих продуктов (углы разлета, импульсы), можно восстановить параметры гиперона (направление движения, импульс, массу, заряд).
Такими детекторами служат магнитные спектрометры на основе проволочных или пропорциональных камер и стримерные камеры. Устройство магнитных спектрометров будет описано ниже. Рассмотрим сначала работу стримерной камеры.
55
В этом приборе заряженная частица пролетает в большом объеме газа между двумя проводящими пластинами и «отмечает» свой путь треком из ионизированного газа. Если к проводящим пластинам приложить электрическое поле большой напряженности, электроны ионизированного газа будут ускоряться под действием этого электрического поля. Попутно они сами ионизируют газ, создавая новые электроны. Возникает лавинообразный процесс, который при достаточно продолжительном времени действия электрического поля развивается в искру — разряд. Однако если через короткий промежуток времени снять высокое напряжение, лавина, образованная начальным электроном, затухает, не успев развиться. При этом энергия передается атомам газа, которые переходят затем в обычное состояние, испуская световые кванты. Такие небольшие лавины (их называют стримерами) 11 возникают по всему треку, делая его видимым. Теперь трек можно сфотографировать. По полученным фотографиям проводят измерения углов вылета и энергии продуктов распада и восстанавливают исходные параметры гиперона. На рис. 13 приведены фотографии, полученные в стримерной камере.
В другом эксперименте по измерению полных сечений гиперонов установка состояла из коллиматора К, железной защиты S и двух мишеней из углерода С и полиэтилена СН2 (рис. 8). За мишенями помещался детектор, регистрирующий около 1000 распадов за цикл ускорителя.
Сущность метода заключалась в том, чтобы регистрировать взаимодействия на углероде и полиэтилене и затем, вычитая число взаимодействий с ядрами углерода из числа взаимодействий с полиэтиленом, получить число взаимодействий гиперонов с ядрами водорода. Потоки гиперонов, прошедших через углерод и полиэтилен:
Nc = Noe-nc’cLe,
7VCh2 = Noe^"c3°+nH<)LcH2t
где No — начальный поток гиперонов, пс — концентрация ядер углерода в углеродной мишени, п'с — концентрация ядер углерода в полиэтиленовой мишени, пн — кон-
11 Stream — поток, струя (англ.).
56
Рис. 8. Схема эксперимента по измерению полных сечений на гиперонном пучке
8 — защита из железа для уменьшения фона вторичных частиц; К — коллиматор; С и СН2 — мишени из углерода и полиэтилена; М — мишень из вольфрама, на которой образуются гипероны
Рис. 9. Результаты эксперимента по измерению полных сечений взаимодействия Д.-гипероиа с нуклонами
центрация ядер водорода в полиэтиленовой мишени, Lc и LCH — длина углеродной и полиэтиленовой мишени соответственно, °с и ан — полное сечение взаимодействия гиперонов с углеродом и водородом соответственно. Если подобрать Lc и LCH таким образом, чтобы ncLc=n'cLcil (т. е. чтобы число ядер углерода на пути гиперона в углеродной и в полиэтиленовой мишенях было одинаковым), то полное сечение взаимодействия с протонами (ядрами водорода) можно определить из соотношения
он = —In Я/пн^сн,,
Nc гДе н = -----•
;vch2
Результаты эксперимента приведены на рис. 9, где штриховые линии обозначают границы сечения, предсказанные кварковой моделью. Сравнение экспериментальных и теоретических результатов показывает, что предсказание теории выполняется очень хорошо.
Распады адронов
Все адроны, кроме протона и антипротона, в свободном состоянии распадаются. Среднее время жизни свободного нейтрона 935 сек (около 15 мин). Из всех известных адронов 15 имеют времена жизни от 10-8 до 10-10 сек, остальные живут ~10-23 сек (резонансы) 1а.
Распад долгоживущих адронов (их иногда называют стабильными, так как в масштабе времени ядерных взаимодействий они живут «вечно») происходит в результате слабого взаимодействия. Существуют различные виды распада адронов. Адроны могут распадаться на лептоны (лептонный распад):
•n+-*^ + v
или на адроны и лептоны (полулептонный распад): п -> р -|- е~ -|- 4t,
12 Недавно были открыты адроны, время жизни которых 10~20 сек.
68
2 -ч-п4-р'4Л’
К-1’ -^п+ + л* 4-р.- -р^;
возможен также переход адронов только в адроны (нелептонный распад):
л -> р+п~,
K°s->7?-4-n-.
При изучении распадов адронов прежде всего измеряют относительные вероятности этих распадов (количество адронов, распавшихся определенным образом, по отношению к общему числу распавшихся адронов).
По мере того как возрастало число зарегистрированных событий, обнаруживались удивительные закономерности в процессах распада адронов. Прежде всего оказалось, что распады заряженных К-мезонов на ти+и л°-мезоны:
К±_^я*4-яо
происходят значительно реже (примерно в 100 раз), чем распады нейтральных К-мезонов на два л°-мезона:
К0^. 7Т04-7Г°.
Причины, объясняющие этот факт, не были найдены, однако было установлено, что в распадах, происходящих реже (т. е. имеющих малую процентную долю от общего числа возможных распадов), изотопический спин меняется на величину, отличную от 1/2, в то время как в распадах, происходящих чаще, изотопический спин меняется на 1/2. Поэтому предположили, что в нелептонных распадах адронов выполняется правило
Д/з=±7».	(3)
Это правило приводит к соотношению, которое легко вывести из формулы
q=i,+ °+£-,
определяющей заряд частицы.
Так как барионный заряд адрона сохраняется, то
59
При полулептонном распаде адрона его заряд изменяется на 1, поэтому Д/8= + 1/2 означает, что Д5=4-Д^, а Д/8= + 3/2 означает, что Д5=—&Q. Из правила (3) получаем искомое соотношение
Д5 = Д(?.
Отсюда следует, что распады, при которых Д5=—Д@, должны происходить значительно реже, чем распады, в которых Д5=Д(?. Этот вывод подтверждается экспериментом. Например, вероятность распадов S+-> n+fi+4-v, где Д5=—1, а Д@=-4-1, в 30 раз меньше, чем вероятность распадов S" —> n-f-fi--)-v, где Д5=—1 и Д@=—1.
Вернемся к модели кварков. Эта модель описывает закономерности довольно большого числа распадов. Рассмотрим для примера полулептонные распады частиц. Этот процесс можно считать переходом кварка иэ одного состояния в другое с испусканием лептонной пары (аналогично тому, как электрон в атоме переходит из одного состояния в другое, испуская фотон).
Обычно определяются два типа перехода:
1.	N-кварк переходит в Р-кварк с испусканием лептонов: электрона и электронного антинейтрино (рис. 10, Т).
2.	А-кварк переходит в Р-кварк также с испусканием пары лептонов: р-мезона (или электрона) и мюонного (или электронного) антинейтрино (рис. 10, 2).
Тогда полулептонные распады нестабильных членов барионного октета происходят по схемам, показанным на рис. 10, 3—8.
3.	Нейтрон (PNN) распадается на протон (PPN) электрон и электронное антинейтрино. N-кварк нейтрона переходит в Р-кварк с испусканием лептонной пары (переход типа I). Получившийся Р-кварк вместе с оставшимися Р- и N-кварками образует протон.
4.	Положительный S-гиперон (РАД) распадается на протон, электрон и антинейтрино. Этот распад в экспериментах не обнаружен.
5.	Нейтральный S-гиперон (РА А) распадается на положительный S-гиперон (РРА), электрон и электронное антинейтрино.
6.	Отрицательный S-гиперон (NNA) распадается на нейтрон, [i-мезон и мюонное антинейтрино. Здесь осуществляется переход типа 2.
60
р -—л
Рве. 10. Схемы распадов адронов в модели кварков
7.	Нейтральный Е-гиперон (РАЛ) распадается на протон, электрон и антинейтрино. Этот распад в экспериментах не обнаружен.
8.	Отрицательный Е-гиперон (NAA) распадается на Л-гипероп (PNA), электрон и электронное антинейтрино.
Эти схемы показывают, что в приведенных распадах странных частиц выполняются соотношения
Д5 = 5(Р) — 5(Л) = + 1,
Д<2 = <2(Р)-<2(Л) = + 1.
Д73 = 73(Р)-73(Л) = + 1/2.
Но могут быть переходы, в которых А73 больше г/2 или AS=£AQ. Схема таких переходов отличается от схем типа 1 и типа 2. В этом случае возможны переходы Р -> N, Л -> N или одновременный переход двух кварков. Схемы распадов с переходами Р -> N и Л -> N показаны на рис. 10, 4 и 10, 7.
Рассмотрим относительную вероятность переходов 1 и 2. Эксперимент показывает, что распады, идущие через переход 2, в котором изменяется странность, происходят примерно в 20 раз реже, чем распады, идущие через переход 1 (в этом переходе странность не меняется). Различие вероятностей можно выразить математически, вводя параметр 0 (его называют углом Кабиббо) и представив вероятность распада адрона в виде суммы вероятностей процессов, идущих через переход 1 и переход 2: Р = Р (2)-|-Р(1 ) = sin2 0cos2 0 = 1.
Поскольку Р (1): Р (2)=cos2 0 : sin2 0=20, то tg 0=0,2. Введение этого условного угла 0 позволило связать ве
61
роятности многих процессов, управляемых слабым взаимодействием. Следствия, предсказанные такой теоретической схемой, подтвердились экспериментально.
В переходах 1 и 2 суммарный электрический заряд испускаемых лептонов не равен нулю. Все слабые процессы с участием лептонов, известных до 1973 г., обладали этим свойством, которое называли «заряженным лептонным током». Например, в экспериментах по изучению столкновений нейтрино с ядрами нейтрино (или антинейтрино) всегда превращалось в заряженный мюон. Такие события регистрировались в пузырьковых камерах, где наряду с нейтринными взаимодействиями происходили взаимодействия других частиц (нейтронов, ^-квантов), которые очень трудно отличать от нейтринных событий. В этом фоне терялись процессы, суммарный заряд лептонов в которых равен нулю. Эти процессы, названные «нейтральным лептонным током», считали запрещенными.
Распады некоторых адронов, не обнаруженные экспериментально, объясняли невозможностью нейтрального лептонного тока. Например, долго не могли обнаружить распад нейтрального К-мезона на два р-мезона (К0 -> р+-|-р_). Оказалось, что этот распад происходит в 1000 раз реже, чем ожидалось. Это объясняли тем, что такой распад вызывался слабым взаимодействием, и для него необходим нейтральный лептонный ток.
В 1973 г. в нейтринных экспериментах в ЦЕРНе удалось выделить нейтринные события, в которых отсутствовал р-мезон. При столкновении нейтрино с нуклоном образовывались новые адроны и нейтрино. Суммарный заряд лептонов в этой реакции был равен нулю. Значит, нейтральный лептонный ток все-таки существует. Теперь столь малая вероятность распада К0 -> р+-|-р_ казалась необъяснимой. Как и в случае со странностью, необходимо было придумать механизм, затрудняющий такой процесс. Чтобы выйти из затруднительного положения, ввели новое свойство — «шарм» 13. Это свойство исключало процессы, в которых участвуют нейтральные лептонные токи и одновременно изменяется странность.
Последствия, к которым привело развитие этой схемы, мы рассмотрим в последней главе.
u Charm — очарование (англ.).
КВАРКИ И КОСМОЛОГИЯ
Солнечная система — это часть скопления огромного количества звезд — Галактики, а наша Галактика — это одна из множества звездных систем (других галактик), подобных ей и разбросанных во Вселенной на разных расстояниях друг от друга. Наблюдения за окружающими нас галактиками показали, что они в основном удаляются друг от друга, причем скорость удаления тем больше, чем больше расстояние между галактиками. Этот факт согласуется с теорией нестационарной Вселенной, согласно которой вещество, заполняющее весь объем Вселенной, разлетается в разные стороны. Такое представление о Вселенной сразу же поставило вопрос: как и когда началось подобное расширение?
Если предположить, что скорость расширения не меняется со временем, то можно вычислить время, за которое галактики могли разлететься на расстояние, наблюдаемое между ними сегодня. Это время было вычислено: по современным оценкам оно составляет примерно 10 млрд. лет. Так возникла гипотеза, по которой 10 млрд, лет назад Вселенная представляла собой сгусток вещества с невообразимо большой плотностью и очень высокой температурой. Расширяясь с огромной скоростью, этот сгусток (его называют «огненным шаром») охлаждался, изменялось состояние входящего в него вещества. Процесс быстрого расширения напоминает взрыв, и эту гипотезу называют гипотезой «большого взрыва». Некоторые экспериментальные факты подтверждают выводы этой гипотезы, но на сегодня ее еще нельзя считать доказанной.
Предпринимались многочисленные попытки, исходя из этой гипотезы, проследить историю Вселенной. Рассмотрим кратко современную трактовку начальной стадии «большого взрыва».
63
История Вселенной поддается изучению лишь начиная с некоторого момента. Этот момент определяется временем Т^лЛО-44 сек от начала расширения и плотностью 1094 г/сл»3. До этого времени во Вселенной царил настоящий хаос, когда квантовые флуктуации перемешивали пространственные и временнйе интервалы, и невозможно расположить события в привычной для нас временной последовательности. С границ, определяемых временем То, начинается так называемая «адронная эра».
Такое название выбрано потому, что в условиях необычайно большой плотности и высокой температуры «огненный шар» содержал огромное число пар тяжелых частиц и античастиц — адронов. Непрерывные процессы рождения и уничтожения этих частиц подобны процессу фантастического кипения гигантской массы вещества. Средняя энергия частиц была велика (~20 Гэе), и в этом «аду» возникали и исчезали кварки и антикварки. По мере расширения и остывания системы происходило постепенное «вымирание» тяжелых адронов. Быстрое расширение переводило «огненный шар» в другие стадии; концентрация тяжелых частиц и античастиц становилась недостаточной для того, чтобы они успели найти друг друга и аннигилировать. Поэтому число тяжелых частиц, сохранившихся на этой стадии, при дальнейшей эволюции Вселенной оставалось неизменным (конечно, если они стабильны в свободном состоянии).
В какой-то момент концентрация стабильных кварков, содержащихся в «огненном шаре», также достигла определенного значения, соответствующего равновесной концентрации, и как бы «заморозилась» в системе. Дальнейшее уменьшение температуры и плотности приводит к тому, что нестабильные адроны «вымирают», и единственными «жителями» остаются стабильные частицы. Последние мгновения «адронной эры» определяются распадом тг-мезонов, после чего начинается новый период истории Вселенной, называемой «лептонной эрой».
Значения времени, плотности и температуры «адронной эры» по некоторым приближенным оценкам лежат в следующих интервалах:
ICT44 сек<^. £^10-4 сек,
1094 г/см3 р 1014 г/с№,
10ззоК>7’>101аоК.
64
Рис. 11. Фотография сложного взаимодействия, вызванного столкновением в пузыяомяйой камере нейтрино с энергией 10 вэГ
Рис. 12. Расщепление пучка атомов серебра неоднородным магнитным полем Изображение шкалы перевернуто, как в статье О. Штерна и В. Герлаха 1922 г.
Рис. 13. Фотография взаимодействия, полученного в стримерной камере Хорошо видно множественное рождение к-мезонов в результате столкновения электрона большой энергии с веществом
Рис. 14. Фотография, полученная на метровой жидководородной камере Стэнфордского линейного ускорителя «-мезоны пучка взаимодействуют с протонами
Рис. 15. Фотография двухметровой жидководородном пузырьковой камеры
Слева в центре — окно для входа пучка исследуемых частим, справа хорошо видны отверстия для четырех фотокамер и устройства для освещения объема камеры. Сверху над камерой расположена система обеспечения высокого ва куума и система охлаждения
Pue. 16. Одна на самых знаменитых фотографии в истории физики высоких энергий (справа приведена ее расшифровка)
Именно на этой фотографии, полученной на двухметровой пузырьковой камере в Брукхейвене в 1964 г., был обнаружен трек ^--гиперона, существование которого предсказывалось теорией унитарной симметрии
Рис. 17. Фотография участка накопительных колец в ЦЕРНе, на котором ставился эксперимент по поиску кварков. Хорошо видны элементы регистрирующей аппаратуры
Рис. 18. Фотография участка накопительных колец
Справа видна экспериментальная установка для регистрации 7-квантов и электронов получающихся при распаде частиц в месте пересечения колец
Рис. J9. Магнитный спектрометр в Брукхейвенскоп лаборатории (США)
На нем были открыты новые долгоживущие частицы смассой 3,1 Газ
Рис. 20. Регистрирующая аппаратура эксперимента на накопительных кольцах в Стэнфорде, с помощью которого были открыты новые частицы 3 1 Гав
Рис. 21. Фотографии событий с установок во Фраскати (а) и в Гамбурге (6)
Ясно видны продукты распада частиц с массой 3,1 Гэе
Рис. 22. Детектор нейтринных реакций в Батавии (Национальная лаборатория ускорителей им. Э. Ферми (США)), на котором были открыты реакции с обра вованием двух р-мезонов
С этой стадией эволюции Вселенной физика элемента ртот частиц связывает наиболее значительные проблемы космологии.
Обратимся теперь к стабильным кваркам, оставшимся в свободном состоянии. Если справедлива гипотеза «большого взрыва», то они должны были дожить до наших дней. Концентрацию таких кварков (их называют реликтовыми) оценить довольно трудно, поскольку нам неизвестны законы динамики кварков в «огненном шаре». Если для оценок пользоваться моделью горячего газового шара, который, расширяясь, меняет свое состояние по законам термодинамики, то концентрация реликтовых кварков получается настолько высокой (10-10—10-13 кварков на каждый нуклон), что в современных экспериментах кварки уже были бы обнаружены.
Гипотеза горячей Вселенной приводит, однако, к интересному следствию, которое в последнее время получило новую интерпретацию. Дело в том, что поведение плотности энергии как функции температуры в «огненном шаре» зависит от спектра масс частиц. При аннигиляции массивных частиц тепловая энергия может пополняться за счет их массы покоя, так что на ранних стадиях температура Вселенной могла уменьшаться медленнее и позднее достигнуть значения, при котором устанавливается равновесная концентрация кварков. Такой процесс мог бы значительно уменьшить концентрацию реликтовых кварков.
5 И. И. Карпов, Ю. И. Лисневский
ПОИСКИ КВАРКОВ
В космических лучах
В результате многочисленных экспериментов с космическими лучами было обнаружено, что при более или менее равномерном потоке интенсивность частиц космического излучения резко зависит от их’энергии,
N О Е) = l,iE~(Ьв®-»-!»7) м2 • сек • стер'1,
где N (^>Е) — число частиц с энергией, большей чем Е 14. Поэтому в телесном угле 1 стерадиан на 1 см2 поверхности . Земли в год падает примерно одна частица с энергией ' в несколько тысяч Гэв. Так как среди космических частиц  могут встретиться кварки, то возникла идея построить j аппаратуру, которая из всего потока частиц отбирала бы , только кварки. Кроме того, кварки могут рождаться при ; столкновении протонов высокой энергии с ядрами атомов ! атмосферных газов. Эти кварки также можно зарегистри-  ровать у поверхности Земли.
Для наблюдения таких событий необходима аппаратура, которая смогла бы «увидеть» кварк на фоне огромного числа других частиц. Опишем несколько экспериментов по поиску кварков в космических лучах. Первые поиски проводились в середине 60-х годов. Типичная установка представляет собой «слоеный пирог» из сцинтилляционных счетчиков и искровых камер. Схема ее показана на рис. 23. Заряженная частица при движении в веществе отрывает электроны от атомов, вызывая ионизацию. В каждом акте ионизации частица теряет энергию; пройдя через слой вещества Ех, она теряет в среднем, скажем, энергию ЕЕ. Величина потери энергии на единице длины ЕЕ/Ех зависит от вида вещества (от количества электронов в его атомах), от заряда частицы и от ее энер
14 Этот закон справедлив с хорошей степенью точности для энергий от 10 до 10е Гэв.
66
частица.
Рис. 23. Схема установки по поиску кварков в космических лучах ,'SV запущенной в последние годы
Сцинтилляционные счетчияи
энергии . пролетающей
гии. Зависимость от заряда частицы очень сильная — потери энергии пропорциональны квадрату заряда. Поэтому частица с зарядом 1 теряет в 9 раз больше энергии, чем частица с зарядом 1/3. Зависимость потерь на ионизацию от энергии частицы при высоких энергиях слабая, так что если на пути пучка частиц с большим импульсом поставить тонкий слой вещества, потери энергии разных частиц будут определяться в основном их зарядами.
Сцинтилляционный счетчик, предназначенный для измерения этих потерь, использует свойство некоторых веществ (сцинтилляторов) испускать световые кванты, сопровождающие процесс ионизации. Сила возникшей микровспышки света пропорциональна величине потери
частицей. Собирая свет на фотоумножитель (прибор, превращающий световой поток в электрический ток), можно регистрировать электрические сигналы, каждый из которых соответствует прохождению частицы через слой сцинтиллятора. Можно выбрать режим работы фотоумножителя таким образом, чтобы амплитуда электрического сигнала была пропорциональна потере энергии частицы, пролетевшей через сцинтиллятор.
Электронные схемы установки отбирают события, в которых сигналы от каждого сцинтилляционного счетчика значительно меньше, чем для обычной частицы, так как заряд кварка меньше единицы. Такие сигналы служат командой для запуска искровых камер. С их помощью и определяется траектория такой частицы, а также наличие других частиц в момент регистрации. Чувствительность установок подобного рода к регистрируемым частицам определяют как поток (количество) частиц, пролетающих через 1 см2 поверхности детектора в телесном угле 1 стерадиан за одну секунду. Суммарный поток ча
67
стиц зависит от продолжительности измерений и геометрического фактора системы 1В.
Детекторы космических частиц работают непрерывно в течение нескольких месяцев, их светосила около 10s см2-стер. В этих работах был определен тот максимальный поток кварков (10-10 частиц/еле2-сек-стер), при котором установки могли бы регистрировать кварки на уровне 90% достоверности. Это означает, что девять из десяти экспериментов зарегистрируют хотя бы один кварк. Такая величина потока называется его верхним пределом, поскольку при меньших величинах потока детекторы не регистрируют кварки.
В табл. 5 приведены результаты последних экспериментов по поиску кварков в космических лучах.
Таблица 5
Результаты поиска кварков в космических лучах
Место исследований	Высота над уров-нем моря, м	Поток частиц XtO“‘”, частиц/сл»’ • сек  стер	
		9 = '/»	«=’/•
Аризона (США)	2750	0,83	0,96
Осака (Япония)	2770	0,57	—
Аахен (ФРГ)	0	1,0	1,0
Брукхейвен (США;	0	—	1,2
Кейз (США)	0	—	2,2
Токио (Япопия)	0	0,5	7,5
Осака (Япония)	0	1,3	—
Дархэм (Англия)	0	1,15	0,8
Дархэм (Англия)	Под землей	—	1,4
Из этих данных следует, что поток кварков не превышает 5-10—11 частиц/сл42-сек-стер.
Кроме прямой попытки зарегистрировать кварки, были предложены еще два метода поиска кварков в потоке космических частиц.
В первом методе использовалось предположение о том, что кварк имеет большую массу. Если тяжелый кварк рождается вместе с другими частицами при столкновении протона сверхвысокой энергии из первичного потока кос-
15 Геометрический фактор, называемый светосилой установки, определяют как произведение площади поверхности S установки на телесный угол 2 (см2 - стер).
68
мических лучби, то все остальные легкие частицы в об* разующемся мощном ядерном ливне движутся со скоростью, близкой к скорости света. Они опережают кварк, который в результате приходит на поверхность Земли с опозданием. В этом случае заряд частицы не играет никакой роли. Поэтому детектором может служить ионизационный калориметр — прибор, измеряющий полную энергию попавших в него частиц. Сигналы этого детектора, соответствующие прохождению через него ливня частиц и кварка, должны быть разделены по времени: сначала выделяется энергия ливня легких частиц, и лишь через определенное время происходит выделение энергии тяжелого кварка. Отдельное событие в таком детекторе несет мало информации из-за сложного характера процессов, сопровождающих развитие ливня в атмосфере. Однако набор подобных событий позволяет получить оценки вероятности образования кварков. Этот метод менее чувствителен, чем детектирование отдельных частиц, зато оба метода хорошо дополняют друг друга.
Еще один метод позволяет искать кварки в том случае, если они имеют небольшую массу. Кварки приходят на поверхность Земли вместе с широким атмосферным ливнем. В этом случае используют камеры Вильсона. Камера Вильсона по принципу действия противоположна пузырьковой камере: если в пузырьковой камере частица проходит через перегретую жидкость, то в камере Вильсона частица проходит через пересыщенный пар, который конденсируется вдоль трека в мельчайшие капли. Этот процесс похож на образование тумана или облаков, поэтому в зарубежной литературе камеру Вильсона называют еще «cloud chamber» («облачная камера»). Освещая объем камеры, можно увидеть или сфотографировать трек частицы. В экспериментах по поиску кварков устанавливают несколько камер Вильсона, запускаемых в момент прохождения ливня. Обычно камеры запускают с помощью сцинтилляционных счетчиков, где проходящий ливень образует электрический сигнал, от которого срабатывает система запуска камер Вильсона.
В этих экспериментах можно довольно точно измерить ионизацию вдоль трека частицы и таким образом достаточно надежно определить ее заряд. Основная трудность — запустить камеру именно в тот момент, когда через нее проходит нужная частица. С помощью таких
69
систем было получено несколько сот тысяч фотографий различных событий. После этих экспериментов появились сообщения о том, что кварки зарегистрированы. Однако детальный анализ наиболее интересных событий показал, что следы со слабой ионизацией, принятые за треки кварков, вызваны либо флуктуациями в потерях энергии частицей, либо недостаточно точным режимом работы камеры.
В настоящее время нет ни одного события, которое выдержало бы проверку по всем критериям отбора и позволяло бы заключить, что кварки найдены.
В веществе '
Кварки, образованные космическими лучами, и реликтовые кварки проникают в глубь поверхности Земли. Можно оценить концентрацию кварков на поверхности нашей планеты. Пусть из космоса на поверхность Земли каждую секунду падает No частиц/сл4а-стер, время существования Земли равно Т (Т’лЛО10 лет -1017 сек) и падающие частицы перемешиваются в слое толщиной Н г!см\ Тогда число кварков в 1 г вещества Земли равно
Если принять 7Z=108 г 1см2 (поверхностный слой толщиной 1 км), 2V0^10-11 частиц/сл4а-стер-сек, то в одном грамме вещества, взятого с поверхности Земли, должно содержаться около 100 кварков (или 10-аа кварков на каждый нуклон).
Для обнаружения таких кварков было проведено большое число экспериментов. Все они используют то, что кварк, связанный в атоме вещества, должен сделать этот атом дробнозаряженным. Поэтому, измеряя заряд небольших количеств различных веществ (например, пылинок), можно было'^бы обнаружить присутствие кварка.
Еще Р. Милликен исследовал таким способом атомистическую природу заряда и определил заряд электрона. В его методе микроскопические заряженные капли масла распылялись в электрическом поле конденсатора, и их движение изучалось с помощью микроскопа. На рис. 24 показаны силы, действующие на каплю в опыте
70
Милликена: Ft =Ее — сила электрического поля; Ft — = &tiRvi\ — сила вязкости в воздухе (сила Стокса), где R — радиус капли, v — скорость капли, т] — коэффициент вязкости; mg — сила тяжести. Понятно, что можно подобрать такую напряженность электрического поля, при которой данная капля в течение длительного времени остается неподвижной или движется с небольшой постоянной скоростью. Зная величину электрического поля и
Рис. 24• Схема эксперимента Милликена по нзмерепию заряда электрона
Пластины
измеряя скорость падения (или подъема) капли, можно определить ее заряд.
Чтобы обнаружить кварки в веществе Земли, были проведены аналогичные эксперименты. Наиболее впечатляющи эксперименты с магнитным подвесом. Пылинка диамагнитного вещества (графит) подвешивается в так называемой «магнитной долине» — в таком магнитном поле, которое имеет по краям величину, значительно большую, чем в середине. Такую конфигурацию поля можно получить с помощью магнитных полюсов особой формы (как показано на рис. 25). Пылинка, находящаяся на «дне долины», под действием прикладываемого электрического поля смещается в новое положение. Величина смещения пропорциональна величине заряда частицы, что и позволяет определить заряд пылинки.
Эксперимент подобного типа был проведен в СССР группой В. Г. Брагинского (МГУ). Поиски кварков в веществе проводились и другими методами в различных зарубежных лабораториях. Результаты этих опытов с оценкой верхнего предела присутствия кварков в веществе приведены в табл. 6.
Верхним пределом в этом случае считают такую концентрацию кварков в веществе, при которой аппаратура может еще обнаружить их присутствие. При мень-
71
Рис. 25. Схема эксперимента по измерению заряда частиц методом магнитного подвеса
шей концентрации кварки не могут быть надежно зарегистрированы.
Следует отметить, что в большинстве опытов, использовавших спектроскопические методы, экспериментаторы пытались предварительно увеличить концентрацию кварков в образце (например, испарением воды и пропусканием пара через сильное электрическое поле). Однако методы концентрации кварков могут оказаться совсем не такими, как методы концентрации атомов.
Таблица 6
Результаты поиска кварков в веществе
Место исследований	Метод поиска	Число кварков на нуклон (верхний предел)
Аргонн (США)	Масс-спектрометр	Ю-1’4-10-2’
Мичиган (США)	Оптический спектрометр	Ю-18
Мичиган (США)	Масляная капля	Ю-20
Генуя (Италия)	Магнитный под-	5 -10-19
	вес	
Мичиган (США)	То же	1,1 IO”1»
Стэнфорд (США)	» »	2,4 10-20
Москва (СССР)	» )>	Ю-20
72
В спектрах звезд и квазаров
Еще один возможный метод поиска кварков — изучения спектров звезд.
Структура энергетических уровней в атоме (спектр) определяется зарядом ядра, зарядом электрона и взаимодействием заряженных частиц (законом Кулона). Уровни энергии электрона в атоме водорода приближенно можно вычислить по формуле
п __2it2m, (eZ)2
24»~ Л2п2 ’
где е — заряд электрона, Z — заряд ядра, т, — масса электрона, h — постоянная, п — целое число. Величина энергии каждого уровня зависит от массы и электрического заряда частицы, находящейся в оболочке атома. Обычно там находится электрон. Но если вместо электрона в атомную оболочку попадает другая частица, значения энергетических уровней становятся другими. Поэтому новый атом излучает или поглощает фотоны с новыми значениями частот. Такое явление наблюдалось в целом ряде экспериментов, где вместо электрона в атомную оболочку вводили, например, р-мезон.
Теперь представим себе, что в некоторых астрономических объектах (звездах, квазарах и т. п.) существуют атомы, в оболочке которых вместо электронов — кварки. Такие атомы должны иметь совершенно отличную от других, привычных нам атомов структуру энергетических уровней, так как заряд кварка дробный и масса отличается от массы других частиц. Значит, своеобразен и спектр поглощения таких атомов. Изучая спектры различных астрономических объектов, можно попытаться найти объекты со спектрами, соответствующими спектрам кварковых атомов. Разумеется, для этого должны существовать объекты с большим числом кварковых атомов.
Однако эта задача оказалась невероятно сложной. Во-первых, необходимо точно знать спектры поглощения всех элементов в различных состояниях. Например, спектр ионизированного углерода несколько отличается от спектра обычного углерода. К тому же число элементов, встречающихся в звездах, довольно велико, а спектр каждого элемента имеет сложную структуру. Поэтому необходимо тщательное изучение и сопоставление боль
73
шого количества спектров в лабораторных условиях. Во-вторых, мы недостаточно точно знаем химический состав звезд. Это порождает неопределенность в идентификации слабых спектральных линий и, следовательно, ошибки в определении спектрального распределения.
К этим причинам добавляются многие другие, еще усложняющие картину. Трудности привели к тому, что при поисках кварков в спектрах звезд основной упор делается на анализ спектров с помощью вычислительных машин. Такой анализ требует задания всех известных спектров элементов, правил вариации химического состава и других параметров астрономического объекта. Попытки такого анализа уже предпринимались в ряде стран, но конкретные результаты пока еще не получены.
На протонном синхротроне ИФВЭ
Интенсивные поиски кварков проводились также и на ускорителях заряженных частиц. В 1967 г. в Серпухове был запущен ускоритель протонов на 76 Гэв. Он открыл новые возможности поиска кварков среди частиц, рождающихся в столкновениях протонов высокой энергии с ядрами.
Часть энергии сталкивающихся частиц может пойти на образование новых частиц. Учитывая закон сохранения импульса, определяют максимально возможную массу покоя новых частиц. Вычислять значения этой массы удобно в системе отсчета, связанной с центром тяжести частиц (в системе центра масс). В этой системе суммарный импульс сталкивающихся частиц до столкновения, а, значит, по закону сохранения импульса, и после столкновения равен нулю, а суммарная энергия равна сумме кинетической и собственной энергии каждой частицы
Ео = Т1 -|- тхс2 -|- Т2 -|- тп2с2.
Энергия Ей может полностью перейти в массу покоя новых частиц, поэтому их максимально возможная масса покоя равна
М = 1/с2(7’1 + m1C2 + Т2 + m2(F).
74
При столкновении протона с энергией 70 Гэв с нуклоном мишени полная энергия в системе центра масс равна 11,5 Гэв. Эта энергия может вся перейти в массу покоя, образовав несколько слипшихся частиц с суммарной массой 11;5 Гэв. Если же суммарная масса меньше 11,5 Гэв, то оставшаяся энергия переходит в кинетическую энергию частиц, и они разлетаются в разные стороны. Их суммарный импульс в системе центра масс остается равным нулю. Какой же способ предпочитает природа: создавать частицы с максимально возможной массой или использовать часть энергии на то, чтобы сообщить им скорость?
Пока еще не существует описания динамики таких процессов, поэтому для оценки характеристик ожидаемых продуктов столкновения используют методы расчета в каких-либо предположениях. Один из таких методов — метод фазового объема. Рассмотрим для примера образование трех частиц с суммарным импульсом Ро и энергией Ео. Каждое состояние такой системы определяется набором значений импульсов и энергий этих частиц. Область этих значений ограничена законами сохранения энергии и импульса.
+ Д =
А Ч- А 4* А =
и, кроме того, соотношением, связывающим массу, импульс и энергию каждой частицы
Е2 = р2с2 т?с*.
Эта область называется фазовым объемом системы трех частиц.
В пространстве импульсов каждое состояние такой системы представлено точкой с координатами plf р2, р3. Ячейка фазового объема
dV = dpldp2dps	(4)
характеризуется определенной вероятностью заполнения, т. е. вероятностью того, что i-частица имеет импульсы в пределах от р. до р{-№р(. Так как мы не знаем способа вычисления этой вероятности, делается предположение, что для всех ячеек эти вероятности одинаковы, т. е. фазовый объем заполняется равномерно.
75
С помощью выражения (4) можно вычислять некоторые важные характеристики в процессах рождения нескольких частиц. В частности, задав импульс одной из частиц и проинтегрировав по всем другим переменным, мы можем представить элемент фазового объема в виде
dV = F(p1)dp1.
Здесь dV определяет плотность вероятности для частицы 1 иметь импульс pv Таким способом можно оценивать ожидаемые распределения по многим физическим параметрам процесса.
Но ограничения связаны не только с законами сохранения энергии и импульса и не только со статистическими закономерностями. Важные ограничения следуют из законов сохранения и других характеристик элементарных частиц: электрического и барионного зарядов, спина, странности и т. д. Одним из таких ограничений является запрещение реакций, в которых рождается одиночный кварк, так как столкновение частиц с целым зарядом не может создать частицу с дробным зарядом.
Если считать, что нуклон состоит из кварков N, Р, Л, то возможны реакции рождения пар кварк—антикварк, в которых кварки имеют противоположные квантовые числа:
p++p+ — p++p+ + Q+Q>
P++n°->P+4-«°+Q + Q;
или реакции диссоциации нуклона на составляющие его кварки:
p+ + p+-p+ + p + p + n,
р+_|_гео_» reo_[_p_|_p_|_N;
или же реакции, в которых, кроме указанных, рождаются еще какие-либо частицы, разрешенные законами сохранения, например, образование пары кварк—антикварк в сопровождении и-мезонов:
p+ + ^-^ + p+ + Q + Q+*°.
+р* -* р*+р++Q+Q+п++•
76
Пользуясь методом фазового объема, можно оценить характеристики процесса образования кварков.
Естественно искать кварки в возможно более широком диапазоне масс. Для этого нужно выбирать процессы, в которых при одной и той же энергии сталкивающихся частиц могут рождаться кварки с различными массами, в том числе и с максимально возможной. Это реакции с минимальным числом рождающихся частиц
p^ + p^p+ + P + P + N, p+_|_reo_>p+_|_p_|_N _|_N> / + ^-^ + p+ + Q + Q. ^ + no-^ + no + Q + Q.
Расчеты показывают, что для реакций (5) наиболее вероятный импульс вылетающего кварка при энергии протонов 70 Гэв приблизительно равен 30 Гэв 1с. Для выделения кварков с этим импульсом одним из авторов этой книги был предложен метод, основная идея которого заключается в том, что в магнитном поле частица с зарядом 1 и импульсом р имеет такое же отклонение, как и частица с зарядом 1/3 и импульсом р/3. Чтобы выделить кварки с зарядом х/3 и импульсом 30 Гэв!с, достаточно выделить траектории частиц с зарядом 1 и импульсом 90 Гэв!с. Но частицы с таким импульсом на Серпуховском ускорителе не могут рождаться. Поэтому магнит с системой коллиматоров, выделяющий наиболее вероятный импульс кварков (~30 Гэв!с), является своего рода фильтром, пропускающим только частицы с зарядом х/3.
Общая схема канала и системы регистрации кварков приведены на рис. 26. Траектории частиц, образованных на внутренней мишени Т ускорителя, проходят в магнитном поле кольцевых магнитов. Миновав коллиматоры К4 и К2, вырезающие узкий пучок, частицы попадают в первый объектив магнитооптического канала Лъ Л2, Ля, Л4. Магниты М\, М2, Мя, М4 и коллиматоры Ка и К4, расположенные на трассе пучка, производят выбор нужного импульса. Дублет линз Лъ, Лв дополнительно фокусирует пучок перед прохождением через магнит Ms, где производится точное измерение импульса. На пути пучка расположены системы регистрации частиц.
77
s„ \
s2\\ жетвжЖЖЖ:
'/h'
\"\i\
,L '	1	£	<	s,	c
И К	ИК,	Ot	5-е ч	5
О	z *
uz-3
/И, T,
Рис. 2fi. Схема эксперимента по поиску кварков иа Серпуховском ускорителе
Р1-4, Pi-* — счетчики, регистрирующие сброс пучка протонов на мишень; Kt—Kt — коллиматоры;
МЛ1-, — магнитные квадрупольные линзы,
Mt—М, — отклоняющие магниты,
Т„ Т, — счетчики, измеряющие время пролета,
С — черепковский пороговый счетчик;
ИН,—HKt — широкозазорные искровые камеры;
Si—8,0.— сцинтилляционные счетчики, измеряющие ионизацию;
А,—А, — счетчики антисовпадений;
О,—О, — счетчики, определяющие пучок;
РЬ — свинцовый фильтр, выделяющий ц-мезоны;
8ц — счетчик, регистрирующий р.-мезоны, которые дают основной вклад в фоновые частицы из-за большой проникающей способности
Анализ полученных в эксперименте результатов сводился к изучению по фотографиям положения и формы всех полученных сигналов, измерению направления и яркости искр в искровых камерах. Даже измерения одного события занимают значительное время. Если учесть, что в эксперименте получено около 1000 фотографий, то ясно, что необходимо было автоматизировать процесс измерений и последующей их обработки. Для этой цели использовали комплекс, состоящий из просмотрово-измерительных столов, электронно-вычислительной машины и электроники, осуществляющей связь между столами и ЭВМ.
Кадр с фотопленки проектировали на стол, где оператор с помощью полуавтоматической системы измерял положение характерных точек на кадре. Это могли быть точки начала импульсов, вершины импульсов и т. д.
После каждого измерения результаты, закодированные полуавтоматической системой, посылались в память ЭВМ. Специальные программы обработки определяли параметры события, зафиксированного на кадре, и отбирали события, которые могли соответствовать пролету кварка
78
Рис. 26
Мишень
по трассе канала. Дальнейшая проверка проводилась по отобранным фотографиям с учетом показаний всех систем эксперимента. Весь гигантский комплекс различных детекторов, магнитного канала, просмотра и измерения снимков, технических служб по обеспечению питания, радиационной защиты, связи готовился в течение двух лет. Непосредственные измерения потребовали нескольких недель работы ускорителя.
Такая огромная работа потребовала участия десятков ученых — физиков и инженерно-технических специалистов. Несколько коллективов участвовало в разработке, изготовлении и наладке аппаратуры. Подобные эксперименты в настоящее время стали обычными.
После тщательного отбора событий и проверки по нескольким критериям всех случаев, напоминающих прохождение слабоионизирующей частицы, установили, что за время эксперимента не было зарегистрировано ни одного кварка. Отрицательный результат означает, что сечение образования кварков с массой до 5 Г:в меньше 10-39 ел2. Следовательно, или масса кварков больше 5 Г.в, или вероятность их образования меньше вероятности процессов слабого взаимодействия. Сильные ограничения процесса образования кварков, обнаруженные в этом эксперименте, говорят о том, что гипотеза кварков может нести совершенно новый подход к проблеме элементарных частиц.
На накопительных кольцах
В конце 60-х годов в распоряжение экспериментаторов поступил еще один гигантский ускорительный комплекс, позволяющий увеличить эффективную энергию взаимодействия сталкивающихся частиц. Он был построен в ЦЕРНе и получил название «пересекающиеся накопи-
79
Рис. 27. Схема комплекса с пересекающимися накопительными кольцами (ЦЕРН)
Tt — каналы транспортировки пучков после их разветвления в точке A; Ii и 2* — экспериментальные залы
тельные кольца». Это подобие( протонного ускорителя, маг-: ниты которого расположены по : двум пересекающимся замкну- < тым траекториям (рис. 27). Протоны, ускоренные до энергии 28 Гэв, вводятся в канал, транспортирующий их к накопительным кольцам. В точке А канал разветвляется на два направления, и в зависимости от режима работы магнитов в этой точке частицы направляются либо по ветке либо по Т2. Эти магниты можно сравнить со стрелкой на железнодорожных путях, которая переводит составы либо на один, либо на другой путь. Каждая из веток и Т2 вводит частицы на траекторию в накопительном кольце, где они продолжают циркулировать по замкнутым орбитам.
За один цикл ускоритель «поставляет» 1012 протонов. Чтобы увеличить число частиц в кольце, их ввод на траекторию накопительных колец осуществ
ляют поочередно, сгусток за сгустком, примерно в течение часа. В результате на каждой траектории в кольцах накапливается примерно по 400 таких сгустков. Чтобы частицы могли беспрепятственно циркулировать и в период накопления, и во время измерений, которые длятся по несколько десятков часов, в области траектории частиц необходим высокий вакуум. Для получения такого вакуума были разработаны специальные методы и создана уникальная вакуумная система с очень сложным оборудованием.
После накопления необходимого числа частиц (примерно 5 -1014 протонов) изменяют режим питания магнитов накопительных колец так, чтобы траектории изменили свою конфигурацию и пересекли друг друга. В области
80
Рис. 28. Схема эксперимента по поиску кварков на накопительных кольцах С — сцинтилляционные счетчики; ПК — пропорциональные камеры; ЧС — черепковские счетчики; ПК — искровые камеры; р — направление сталкивающихся пучков; У — участок накопительных колец
пересечения частицы, летящие навстречу друг другу, сталкиваются. Суммарная энергия в системе центра масс равна примерно 2Е, где Е — энергия протонов в одном накопительном кольце. Эта энергия может полностью пойти на образование новых частиц. Поэтому в накопительных кольцах возможно образование частиц с гораздо большими массами, чем на обычных ускорителях с той же энергией и неподвижной мишенью.
Число столкновений в такой установке меньше, чем на обычных ускорителях, по возможность продвинуться в область, где рождаются очень тяжелые частицы (в 20— 30 раз тяжелее протона), необычайно заманчива. Поэтому сразу же после запуска накопительного комплекса группа ученых из Швеции и ФРГ приступила к поискам кварков. На рис. 17 показано расположение аппаратуры при этом эксперименте в одной из областей пересечения пучков и общий вид части зала с накопительными кольцами.
В эксперименте проводились поиски частиц с заря* дом 1/3 и 2/3. Схема установки приведена на рис. 28-
6 И. И. Карпов. К). И. Лисневский
81
Рис. 29. Результаты поисков кварков на середину 1974 г.
Сечение образования кварка в зависимости от массы:
1 — протонный синхротрон ЦЕРН; 2 — протонный синхротрон ИФВЭ;
3 — протонный синхротрон NAL; 4 — накопительные кольца ЦЕРН; 5 — космические лучи
Шесть наборов сцинтилляционных счетчиков, чередующихся с пропорциональными камерами 16, были установлены под разными углами от 10 до 75°. Эти системы накапливали информацию одновременно и независимо друг от друга. Такая система позволяет выявлять и регистрировать кварки, образованные вместе с другими частицами. Аппаратура могла регистрировать кварки, даже если их импульс лежит в довольно широком диапазоне. Вместе с широким угловым диапазоном это давало возможность изучить рождение кварков, не делая каких-либо предположений о механизме их рождения. Экспериментальные данные через ЭВМ записывались на магнитную ленту и проходили предварительную обработку непосредственно в,ходе.эксперимента. Однако и на этой установке в диапазоне масс от 2 до 25 Гэв кварки обнаружены не были.
18 Пропорциональная камера — вариант искровой камеры, позволяющей измерять ионизацию частицы. В искровой камере ча-
82
После запуска протонного синхротрона в Батавии (США) были предприняты попытки поиска кварков среди продуктов столкновения протонов с энергией 300 Гэв с ядрами. Постановка этих экспериментов близка к эксперименту, проведенному в ИФВЭ. В них кварки также не были обнаружены.
Чтобы сопоставить результаты поиска кварков на ускорителях, в космических лучах и в веществе, необходимо связать пределы потоков кварков на поверхности Земли с пределами сечения образования кварков в столкновении частиц высокой энергии. Для этого нужно знать спектр первичных космических лучей, поведение сечения рождения кварка в зависимости от его массы и от энергии налетающей частицы и механизм распространения кварков в атмосфере и на поверхности Земли. Первичный спектр космических лучей известен нам достаточно хорошо, а процессы образования и распространения кварков совершенно неизвестны, поэтому при вычислениях приходится делать какие-то предположения. Сравнительные результаты поиска кварков, известные к середине 1974 г., приведены на рис. 29.
Поскольку кварки не были обнаружены, сечение их образования может быть только меньше пределов, измеренных в различных экспериментах. Пределы, полученные в каждом эксперименте, представлены кривыми, соответствующими результатам измерений. При массах кварка до 5 Гэв эксперимент дал очень низкие значения предела сечения.
стица пересекает две проводящие поверхности, на которые подается высокое напряжение. В том месте, где прошла частица, возникает пробой — искра. В пропорциональной камере так подобран режим работы, что интенсивность пробоя пропорцио' нальна ионизации, вызванной проходящей частицей.
ПАРТОНЫ И ЦВЕТНЫЕ КВАРКИ
После многочисленных безуспешных поисков кварков интерес к ним стал постепенно ослабевать, и появилась большая группа скептиков, утверждавших, что гипотеза кварков — это всего лишь удачный математический прием для описания неизвестных еще свойств адронного вещества. Поддержку гипотеза кварков получила из той области, откуда ее никто не ожидал.
В конце 60-х годов на новом линейном ускорителе электронов в Стэнфорде (США) были поставлены эксперименты В. Панофского с сотрудниками, результаты которых вдохнули новую жизнь в гипотезу кварков. Чтобы понять эти эксперименты, вернемся к началу 50-х годов, когда американские физики Р. Хофштадтер и Р. МакАллистер начали изучать рассеяние электронов на ядрах и нуклонах при энергии до 1 Гэв. Так как протоны и нейтроны, из которых состоят ядра, являются источниками электромагнитных сил (у обоих есть магнитные моменты, а протон имеет еще и электрический заряд), то рассеяние на них электронов высокой энергии позволяет изучить распределение нуклонов в ядре аналогично тому, как эксперименты Гейгера и Марсдена дали первое представление о структуре атома.
Принцип эксперимента подобен принципу опыта, в котором возникла гипотеза атомного ядра. Пучок электронов известной интенсивности падает на мишень, и электроны, рассеянные на заданный угол, регистрируются счетчиками. В опытах Р. Хофштадтера исследовалось и рассеяние электронов на отдельных нуклонах. Оказалось, что электрические заряды и магнитные моменты протона и нейтрона «размазаны» в некоторой области пространства. Дифференциальное сечение рассеяния частицы на
84
точечном заряде (формула Резерфорда) имеет вид
где п — число рассеивающих ядер, приходящихся на 1 см2 поверхности, М — масса рассеивающей частицы. Чтобы найти формулу, описывающую отклонение электрона «неточечным» нуклоном, необходимо усовершенствовать. формулу Резерфорда, учитывая еще несколько факторов.
Во-первых, необходимо принять во внимание отдачу нуклона и распределение заряда в нуклоне в процессе столкновения. Во-вторых, учесть распределение магнитного момента нуклона в пространстве. В результате в формуле, описывающей рассеяние быстрых электронов на нуклонах, появляются две дополнительные функции. Одна из них, Flt задает распределение электрического заряда, другая, — распределение магнитного момента. Эти функции называются соответственно «электрическим формфактором» и «магнитным формфактором». Формула (6) принимает вид
где Gm^F^kF^ GE^Ft—xxFz,
da/dQ — дифференциальное сечение рассеяния, T=q2/2M (q — импульс, переданный электроном нуклону, М — масса нуклона), х — магнитный момент нуклона, 0 — угол рассеяния, (do/dQ)0 — дифференциальное сечение рассеяния на точечной частице. Видно, что рассеяние назад (0= тс) зависит в основном от магнитной структуры, а рассеяние вперед (0=0) — от распределения электрического заряда и магнитного момента.
Рассеяние электрона на нуклоне может происходить различными способами. В результате упругого рассеяния частицы не изменяются, меняется только их импульс. Схема упругого рассеяния показана на рис. 30, а17.
Такие схемы, применяемые для описания взаимодействия частиц, называются диаграммами Фейнмана.
85
Возможен и другой процесс: налетающий электрон передает энергию и импульс нуклону так, что часть энергии тратится на изменение внутреннего состояния нуклона — нуклон возбуждается. При этом его масса возрастает, и через очень короткий промежуток времени нуклон возвращается в исходное состояние, выбрасывая адроны. Это резонансные состояния, о них мы уже говорили. Рассеяние электронов с образованием резонансов называют квазиупругим. Как в упругом, так и в квази-упругом рассеянии нуклон ведет себя как целое. Диаграмма квазиупругого рассеяния представлена на рис. 30, б. Наконец, при столкновении с электроном нуклон сразу может перейти в адроны, как показано на третьей диаграмме (рис. 30, в). Такое рассеяние называют неупругим.
В экспериментах Хофштадтера и его сотрудников были измерены дифференциальные сечения упругого рассеяния. Парадоксально, но с этих экспериментов, проведенных еще до того, как появилась гипотеза кварков, и начинается новая история кварков. Полученные значения сечений рассеяния сравнивались с теоретическими значениями сечений для точечной частицы. Отношение этих величин позволяет определить формфакторы нуклона при различных значениях углов и импульсов рассеянного электрона.
Обычно рассматривают зависимость формфакторов от квадрата переданного нуклону импульса q2, так как эта переменная не зависит от движения системы отсчета. Эта зависимость приведена на рис. 31. Поведение форм-факторов отражает «размазанность» нуклона в пространстве, которую связывают с облаком к-мезонов, возникающих и исчезающих в объеме нуклона. Это облако и определяет область действия ядерных сил.
Скорость убывания формфакторов с ростом q2 можно было объяснить, предположив, что к-мезоны могут создавать на короткие времена связанные ^системы — мезонные резонансы — состоящие из *" двух или J трех к-мезонов. Такие частицы были введены в 1959 г. физиками-теоретиками У. Р. Фрезером и О. Р. Фулко и несколько ранее независимо от них И. Намбу. Введенные «комплексы» к-мезонов имеют определенные заряды, спины и другие характеристики адронов, их называют векторными мезонами.
86
Рис. 30. Диаграммы возможных процессов рассеяния электрона на нуклоне а — упругое рассеяние; б — квазиупругое; в — неупругое
Рис. 31. Формфакторы нуклона (протона) как функции квадрата переданного импульса
Процесс упругого рассеяния электрона на нуклоне можно изобразить диаграммой, представленной на рис. 32, а. При рассеянии электрон передает через квант электромагнитного поля (фотон) импульс кванту ядер-ного поля — векторному мезону. Образно говоря, фотон, попадая в область действия ядерных сил, тяжелеет, при-
87
обретая массу покоя. Векторные мезоны не только служат: промежуточным звеном при взаимодействии электрона с нуклоном, они могут быть образованы («выбиты» из нуклона) и другими частицами, если энергия налетающих частиц достаточно велика. Например, фотон высокой энергии, налетая на нуклон, может превратиться в векторный мезон. Так как время жизни векторного мезона очень мало, никто еще не наблюдал оставленного им трека. Мы видим только продукты распада этой частицы (диаграмма подобного распада приведена для примера на рис. 32, б).
Другой способ выявления векторных мезонов (и вообще резонансных частиц) — определение эффективной массы. Этот метод широко применяется в тех случаях, когда в столкновениях рождается много частиц. Эффективная масса п частиц — это энергия, измеренная в системе отсчета, связанной с центром тяжести этих частиц. Если в реакции, где образуется несколько ^-мезонов, вычислять эффективную массу М^ф всех возможных комбинаций из трех тт-мезонов (тс+, т.~, к0) и строить распределение числа таких комбинаций по величине Мэфф, то тройки тс-мезонов, образовавшиеся в результате распада, например, <о-мезона, дадут пик в этом распределении.
После того, как была предложена модель кварков, векторные мезоны «уложились» в мультиплет аналогично уже известным мезонам:
К+*(РЛ),	K°*(NA),_	Т = 1/2,	5 = 4-1;
P+(PN),	р°(РР, NN)p(PN),	7’ = 1,	5 = 0;
а>°(РР, NN), _	7’	=	0,	5 = 0;
К °* (РЛ) К’* (NA),	7, = I/2-	5 = —1.
Отличие от прежних связанных состояний заключается в том, что спины пары кварк—антикварк, образующей векторный мезон, направлены в одну сторону, так что спин векторного мезона равен 1.
Эксперименты по рассеянию электронов были продолжены на новом линейном ускорителе в Стэнфорде при энергиях электронов 20 Г;:в. Идея эксперимента проста, но технический уровень качественно отличается от предыдущих экспериментов этого типа. Поэтому остановимся па его деталях несколько подробнее.
88
Рис. 32. Диаграммы процессов рассеяния электрона и фотона на нуклоне а — передача импульса электроном нуклону при рассеянии через векторный мезон; б — образование векторного мезона при столкновении т-кванта с нуклоном
Пучок электронов высокой энергии создавался на линейном ускорителе длиной около 3,5 км. Этот путь электроны проходят в вакууме внутри трубы, где примерно через каждые 60 м установлены клистроны — устройства, сообщающие сгусткам ускоряемых электронов новые порции энергии. Чтобы сгусток не увеличивался в размерах из-за электростатического отталкивания, через каждые 100 м его сжимает магнитное поле фокусирующей магнитной линзы. В конце ускорителя пучок проходит через систему магнитов и коллиматоров, формирующих размеры и энергетический разброс электронного сгустка, и направляется на мишень.
Сгустки электронов следуют один за другим с высокой частотой, так что на мишень падает практически непрерывный поток электронов. Поэтому мишень, состоящую из сосуда с жидким водородом, необходимо все время охлаждать с помощью теплообменника. Это охлаждение должно быть достаточным, чтобы свести к минимуму ошибки в измерении плотности водорода. Такие ошибки могут существенно исказить экспериментальные результаты.
Электроны после рассеяния регистрируются магнитными спектрометрами — сложными установками, состоящими из отклоняющих магнитов, магнитных линз и детекторов (обычно это сцинтилляционные счетчики). Магнитные спектрометры Стэнфорда — это многотонные установки размерами в несколько десятков метров. Отклоняющие магниты расположены так, чтобы электрон отклонялся в вертикальном направлении. Величина этого отклонения пропорциональна величине импульса
89
электрона. Каждый спектрометр смонтирован на платформе. которая может перемещаться, вращаясь вокруг мишени подобно спице в горизонтальном велосипедном колесе. При этом положение платформы задает определенную величину угла рассеяния электрона.
Чтобы представить себе, какая точность требуется от таких гигантских приборов, заметим, что ошибка в определении угла должна составлять около трех угловых минут (отклонение в 1 см на расстоянии 10 м), а ошибка в определении энергии — менее 1%. Такие требования предъявляются к детекторам, определяющим параметры как падающего, так и рассеянного пучка. Регистрация электронов, проходящих в магнитных спектрометрах, проводится с помощью нескольких сотен сцинтилляционных счетчиков. Сигналы от счетчиков поступают на ЭВМ, где они частично обрабатываются в ходе эксперимента. Вычислительная машина выполняет еще и «дежурные» функции: запись интенсивности, размеров и других характеристик пучка, регулировка токов в магнитах спектрометра и т. п.
Измерение сечения рассеяния электрона на нуклоне в экспериментах Панофского и его сотрудников проводилось в широком диапазоне углов и энергий рассеянных электронов, что позволило определить формфакторы и для упругих, и для квазиупругих, и для неупругих процессов. Зависимость формфакторов упругого и квази-упругого рассеяния при увеличении д2 оказалась такой же, как и в опытах при низкой энергии. Это подтверждало, что заряд и магнитный момент нуклона распределены в пространстве. В неупругом же рассеянии формфакторы слабо изменялись с увеличением q1. Этот поразивший ученых результат говорил о том, что неупругое рассеяние электрона происходит на нуклоне так, как будто нуклон — точечная частица. Эксперимент показал, что, когда электрон передает импульс нуклону или его возбужденному состоянию как целому, он чувствует «размазанный» в пространстве нуклон, а когда электрон «разбивает» нуклон, он| передает импульс какому-то точечнообразному центру, содержащемуся в нуклоне.
Для объяснения экспериментальных данных была предложена модель, в которой нуклон состоял из точечных образований, подобно тому, как атомное ядро состоит 90
из нуклонов. Эти новые неизвестные компоненты нуклона были названы партонами 18.
Развивая эту модель, теоретики обнаружили, что если приписать партонам свойства кварков, можно объяснить некоторые детали процесса неупругого рассеяния электронов на нуклонах. В общих чертах адрон в модели партонов-кварков представляется в виде сгустка кварков и антикварков всех трех сортов, находящихся в постоянном движении и превращающихся друг в друга. Пары кварк — антикварк исчезают и возникают в разных областях пространства, занимаемого нуклоном, образуя «море» адронной материи. Однако при этом выполняются следующие условия:
для протона п (Р) — п (Р) = 2, n(N) — n(N) = l, п(Л) — п(Л) = 0,
для нейтрона и(Р) — и(Р) = 1, n(N) — n(N) = 2, п (Л) — п (Л) = 0.
Это означает, что существует постоянный и определенный для каждой частицы избыток кварков над антикварками. Избыточные кварки называют иногда валентными. Так, в протоне валентные кварки Р, Р и N. Появление каждого невалентного кварка компенсируется его антикварком, так что свойства протона определяются только валентными кварками. Валентные кварки нейтрона — Р, N и N. Подобные рассуждения годятся для любого адрона. Можно показать, что прежняя схема кварков, предложенная для классификации адронов с помощью теории групп, определяется валентными кварками.
При движении нуклона каждый партон-кварк несет определенную долю полного импульса. Эта доля пропорциональна его массе. Обозначим долю импульса, которую несет кварк, через х, массу кварка — через т, массу нуклона — через М. Тогда х=т/М. Как уже отмечалось, кварки с малым импульсом локализованы в бдлыпей области пространства, чем кварки с большим импульсом. Существуют варианты модели, в которых валентные кварки — это кварки тяжелые, несущие ос
18 Part — доля, часть (англ.).
91
новную долю импульса (т. е. сосредоточенные в малой области нуклона). В таких моделях «море» пар кварк— антикварк как бы сконцентрировано вокруг валентных кварков.
Рассмотрим качественно картину рассеяния электрона на нуклоне в модели партонов-кварков. Если электрон, пролетая мимо нуклопа, взаимодействует с пим так, что основная структура кварковой «конструкции» не меняется, то нуклон может возбудиться; в этом случае рассеяние будет упругим или квазиупругим. Естественно предполагать, что такой процесс идет при не очень больших значениях переданных импульсов. Если же передаваемый импульс растет, то вероятность передачи импульса всей кварковой структуре уменьшается, электрон рассеивается на отдельном кварке и «кварковый скелет» нуклопа разрушается. В таком процессе рассеивающий кварк, разрывая связь с «конструкцией», движется в «море» пар кварк—антикварк, теряя энергию. «Море» мгновенно вскипает и охлаждается, конденсируясь в новые сгустки — адроны, наблюдаемые в неупругом рассеянии.
После экспериментов в Стэнфорде встал вопрос: почему партоны-кварки проявляют себя в электромагнитных взаимодействиях, а не в сильных? Модель партонов предсказывает, что при столкновении нуклонов достаточно большой энергии возможны события, где «сталкиваются» два партона и получившиеся частицы «помнят» направления партонов после столкновения (рис. 33).
В феврале 1973 г. появилось сообщение о новых результатах на накопительных кольцах ЦЕРН. В экспериментах, проведенных несколькими группами физиков, при столкновении протонов оказался неожиданно большим выход адронов с большим поперечным импульсом. До этих экспериментов считалось, что при столкновении двух протонов вероятность образования частицы с поперечным импульсом рг уменьшается с ростом р± по экспоненциальному закону. В опыте на накопительных кольцах наблюдались взаимодействия, в которых частицы, имеющие большой импульс, испускались под большим углом к направлению налетающих протонов. Хотя эти события достаточно редки (менее одного на 108 столкновений протонов), они случаются в 104 раз чаще, чем ожидалось.
92
На установке, показанной на рис. 18, изучались спектры у-квантов, образующихся в распаде ~°-мезона, и заряженных частиц. Измерения проводились под углом 90° к сталкивающимся пучкам протонов. Оказалось, что для обоих сортов частиц быстрое экспоненциальное уменьшение потока, наблюдаемое при малых импульсах (до 14-2 Ггв/с), не экстраполируется на импульсы более высокие.
С увеличением импульса частиц скорость уменьшения потока замедляется (рис. 34). Переданный импульс, величина которого больше 4 Гав!с, соответствует «прощупыванию» областей пространства порядка 5'10~15 см. Это явление напоминает процесс глубоко неупругого рассеяния электрона на нуклоне. Возможно, здесь впервые в сильном взаимодействии проявляются элементы структуры нуклона — партоны-кварки.
Излучение частиц с большим поперечным импульсом можно представить как результат столкновения партонов двух разных нуклонов. При таком столкновении партоны изменяют свой импульс. Если переданный импульс достаточно велик, образуются своего рода «струи» адронов, вылетающих в противоположных направлениях. Подробности этого явления сейчас интенсивно исследуются: изучается число адронов, образованных в таких столкновениях, их сорта, распределение по импульсам в возможно более широком диапазоне и другие.
Модель партонов успешно применяется для описания неупругого рассеяния на нуклоне двух других лептонов: ц-мезона и нейтрино. Для ц-мезопа, который отличается от электрона только массой, во всех формулах, описывающих процесс неупругого рассеяния электрона на нуклоне, следует просто вместо массы электрона поставить значение массы мюона. Эксперименты, проведенные с мюонами при низких энергиях, подтвердили выводы этих расчетов.
Процесс неупругого рассеяния нейтрино обладает существенным отличием: спин нейтрино жестко связан с импульсом. Направление спина нейтрино всегда совпадает с направлением импульса, а направление спипа антинейтрино противоположно направлению импульса. Математические формулы, описывающие процессы, управляемые слабым взаимодействием, учитывают эту связь. Вследствие такого обобщения усложняется формула для
93
Рис» 33. Диаграмма образования адронов при столкновении нуклонов как столкновения партонов
Рис. 34» Образование частиц при больших иа накопительных кольцах (ЦЕРН)
сечения неупругого рассеяния нейтрино на нуклоне
24L+Py2COS2-^ +
V
2 ’
_ G* 2 £иГИ/ sin ~ 2к Е, L 1 Sln
+ ^-^3sin
где Е ,	— значения энергии (л-мезона и нейтрино;
0ц, — угол между векторами импульсов р-мезона и нейтрино; W2, W3 — функции, описывающие распределение «слабого заряда» в нуклоне.
94
Мы уже говорили о том, что слабое взаимодействие работает в очень малых (практически точечных)’областях объема, занимаемого элементарной частицей. Поэтому нейтрино, взаимодействующее с нуклоном, испытывает превращение в некоторой точке нуклона. Очень условно можно сказать, что функции Wlt Ws и W3 описывают плотность распределения этих точек в объеме нуклона. Wr и W2 связаны с аналогами зарядового и магнитного формфакторов нуклона, a W3 возникает из-за учета связи спина и импульса нейтрино.
Эксперименты по исследованию неупругого рассеяния нейтрино и антинейтрино на нуклоне показали, что поведение этого процесса аналогично поведению неупругого рассеяния электронов на нуклонах. Это означает, что и нейтрино в нуклоне рассеивается на отдельных образованиях — партонах.
Другой очень важный результат нейтринных экспериментов — измерение полного сечения взаимодействия нейтрино и антинейтрино на нуклоне. Из-за связи спина и импульса нейтрино и антинейтрино по-разному взаимодействуют с фермионом. Для расчетов полных сечений рассеяния нейтрино и антинейтрино на нуклоне использовалась модель партонов со спином 1/2. Отношение этих сечений
° 1
° Ь'рЛ)- 3 *
Измерения a (v^TV) и а (yvN) были проведены в ЦЕРНе с помощью пузырьковой камеры «Гаргамель». Результаты измерений приведены на рис. 35, они говорят в пользу модели партонов со спином 1/2. Позднее такие измерения были проведены на нескольких детекторах нейтрино при больших энергиях различными группами исследователей; результаты подтвердили первоначальные выводы.
По мере накопления экспериментального материала становилось ясно, что модель партонов-кварков правильно описывает существенные черты структуры адрона. Парадокс заключался в том, что, с одной стороны, внутри адрона находятся отдельные кварки, а с другой — кварк невозможно выбить из адрона. Проведем аналогию. Любой магнит имеет два полюса — северный и южный.
95
Рис. 35. Результаты измерения полного сечения взаимодействия нейтрино и антинейтрино 'на нуклоне в пузырьковой камере «Гар-гамель» (нейтринный эксперимент ЦЕРН)
Разделить эти полюса — получить монополь — невозможно. Если разрезать магнит посередине, снова получим два магнита, и у каждого будет и северный,- и южный полюс.
В случае с кварками возможна такая же картина: как только мы пытаемся оторвать кварк от адрона, возникает пара кварк—антикварк и в результате снова получаем связанные состояния кварков.
Мы видели, что мезоны образуются из нары кварк— антикварк, а барионы — из трех кварков. Не наблюдалось до сих пор пи одной частицы, которую можно было бы составить из двух кварков, из четырех кварков, из двух кварков и антикварка и т. д. Такие состояния называют экзотическими. К тому же связанное состояние из трех
96
кварков-фермионов, представляющее барион, противоречит принципу Паули.
Что же удерживает кварки вместе? И почему связанные состояния образуются не из произвольных, а из строго определенных наборов кварков и антикварков?
В поисках выхода из затруднения было введено понятие «цвет». Стали говорить, что каждый кварк существует в трех «окрашенных» формах («красной», «желтой» и «голубой»). Термины «красный кварк», «голубой кварк» и «желтый кварк» выражают только различие в свойстве, определяющем притяжение и отталкивание определенных кварков друг относительно друга. Совершенно так же слова «положительный заряд» и «отрицательный заряд» используют для описания свойства притяжения и отталкивания частиц. Комбинации цвета кварков в адронах должны быть такими, чтобы средний цвет адрона был «нулевым». Это происходит при смешивании всех трех цветов. Возможно, здесь полезно вспомнить цветное телевидение, где цветовые оттенки определяются тремя основными цветами, смесь которых дает серый цвет. Протон, например, состоит из кварков Р (красный), Р (желтый) и N (голубой), в сумме дающих «нулевой цвет», а мезоны состоят из кварка и антикварка, имеющих соответственно цвет и «антицвет» — условный цвет, дающий в сумме с цветом нулевой цвет.
По аналогии с квантами полей различных взаимодействий были введены кванты-частицы, переносящие цвет от одного кварка к другому, — их назвали глюонами 1в. Они как бы склеивают определенные комбинации кварков в элементарные частицы. «Склеенные» системы обладают любопытными свойствами. При сближении кварков связь между ними ослабевает, чем ближе они друг к другу, тем более свободны друг от друга. Это свойство нашло свое отражение в математическом аппарате теории, его называют «асимптотической свободой». Можно представить себе, например, мезон в виде двух шариков (кварков), соединенных растянутой упругой пружиной. При сближении шариков растяжение пружины уменьшается, и шарики меньше притягиваются друг к другу. Такая аналогия позволяет понять и другую сторону этого свойства — при увеличении расстояния между кварками сила
19 Glue — клей (англ.).
7 И. И. Карпов, Ю. И. Лисневский
97
взаимодействия возрастает, и система становится связанной более жестко. Это свойство проявляется при малых импульсах, тогда кварки в адроне ведут себя как целое. Называется оно «инфракрасным рабством».
При анализе результатов экспериментов по рассеянию лептонов на нуклонах было показано, что кварки-партоны несут примерно половину энергии нуклона. Другая половина сосредоточена в облаке глюонов, которые не испытывают ни электромагнитного, ни слабого взаимодействия. Эта картина подтвердилась при изучении множественного рождения частиц в столкновениях протонов высокой энергии, где отчетливо проявились два механизма, дающих вклад в процесс образования частиц.
Первый механизм определяется валентными кварками, летящими сквозь объем, в котором происходит взаимодействие. Они слипаются и образуют новый нуклон в возбужденном состоянии. Возбужденный нуклон, переходя в стабильное состояние, выбрасывает пионы, которые летят в том же направлении, что и нуклон. Эти частицы «помнят» направление импульса налетающего протона.
Второй механизм связан с тем, что в центре взаимодействия остается возбужденное облако, состоящее в основном из глюонов. Облако образует тяжелые и неустойчивые сгустки — кластеры, которые распадаются па мезоны, вылетающие в более или менее случайных направлениях. Полный заряд мезонов в среднем равен нулю.
Все характеристики кварков в какой-то мере отражают ту полную неясных и часто противоречивых деталей, но, по-видимому, правильную в целом картину, которая складывается сейчас из экспериментальных фактов, накапливаемых в физике элементарных частиц. События, о которых мы сейчас расскажем, привели к новой загадке кварков.
ШАРМ
Крайне интересны реакции образования электрона и позитрона при столкновении двух адронов (например, двух протонов):
р-\-р -> е+Н~е~ + все остальное
и «обратные» реакции образования адронов в столкновении электрона и позитрона:
е++е~ -> адроны.
По таким реакциям можно проверять предсказания модели партонов-кварков.
Реакции первого типа изучались, в частности, группой экспериментаторов в Брукхейвенской лаборатории (США). Установка, на которой проводились эксперименты, представляла собой два одинаковых магнитных канала, расположенных под углами +15° и —15° по отношению к первичному протонному пучку. Эта установка называется двунлечевым магнитным спектрометром (рис. 19). Протоны пучка, выведенного из ускорителя, сталкивались с ядрами'мишени, расположенной в вершине угла, образованного магнитными каналами. Частицы, рожденные при столкновении и попавшие в спектрометр, проходили по магнитному каналу через систему черепковских и сцинтилляционных счетчиков и искровых камер.
С помощью этой аппаратуры в каждом канале можно было идентифицировать электроны и позитроны и измерять их энергии. Эти опыты очень сложны, потому что образование электрон-позитронной пары в столкновении протона с нуклоном происходит чрезвычайно редко. Однако установка в Брукхейвене могла надежно выделять отдельную реакцию из миллиона и более событий другого типа. Эксперимент продолжается с весны 1974 г. Постепенное накопление событий показало, что спектрометр чаще всего регистрирует те события, где суммарная энергия электрона и позитрона составляет 3,1 Гэв.
Т
99
После длительной и тщательной проверки возникло подозрение, что в столкновении протона с ядром бериллия рождается новая частица с массой 3,1 Гэв, которая быстро распадается на электрон и позитрон. Ее назвали /-частицей. Изучение характеристик реакции показало, что, несмотря на свою огромную массу (в три раза больше массы протона), новый объект живет примерно в 1000 раз дольше, чем обычный резонанс. В это время из Стэнфордской лаборатории (США) пришло известие об открытии повой частицы в реакции рождения адронов при столкновении электрона и позитрона.
Подобные реакции изучаются на электронно-позитронных накопительных кольцах. Первые такие установки начали создаваться одновременно и независимо в лаборатории Стэнфордского университета (установка SPEAR-I) и в Институте ядерпой физики СО АН СССР (установка ВЭПП). В середине 60-х годов были получены первые результаты по изучению образования векторных мезонов. Вскоре аналогичные установки были построены во Франции, Италии и ФРГ. Вызвало большой интерес сообщение о том, что сечение образования адронов <зЛ выше, чем ожидалось ранее (рис. 36, а). Сравнение этого сечепия с сечением образования пар у-мезонов о , которое можно вычислить теоретически с достаточно хорошей точностью, позволяет сделать заключение о применимости модели партонов. Модель партонов-кварков предсказывает, что отношение	не зависит от энергии сталкиваю-
щихся пучков и равняется примерно 2/3. Введение цветных кварков увеличило это отношение до 10/3.
В начале 70-х годов эксперименты по изучению образования адронов на встречных электроп-иозитронных пучках были выполнены в более широком диапазоне энер гии. Результаты этих экспериментов показаны на рис. 36, б. Возрастание К с увеличением энергии сталкивающихся пучков противоречит предсказаниям модели партонов. Этот факт вызвал оживленную дискуссию.
В конце 1974 г. в Стэнфорде была запущена установка SPEAR-И, позволяющая увеличить энергию электронного и позитронного пучков до 4,5 Гэв. Полная энергия столкновения теперь могла достигать 9 Гэв. При этом были решены еще и сложные технические задачи: можно было изменять энергию очень малыми шагами и, кроме того, поддерживать определенную энергию с очень высокой
100
Рис. 36. Результаты эксперимента по изучению образовании адронов в сталкивающихся е+е~-пучках: а — первые полученные результаты; б — отношение •Л’вц, в зависимости от полной энергии е+е~ в системе центра масс
стабильностью. Одна из групп экспериментаторов продолжила изучение реакций образования адронов в этих условиях. Они использовали установку, состоящую из большого магнита с проволочными искровыми камерами и сцинтилляционными счетчиками. Детекторы почти полностью окружали одну из областей пересечения колец, где сталкиваются электроны и позитроны (рис. 20).
Первые измерения на накопительных кольцах давали некоторые указания на то, что сечение взаимодействия электрона и позитрона с энергией столкновения от 3 до 3,2 Гэв несколько выше, чем ожидалось. Если аппаратура работала правильно, то в этой области мог находиться резонанс. После очень кропотливой проверки аппаратуры ошибок в ее работе не нашли. Тогда началась охота за неизвестным образованием.
В ночь с 9 на 10 ноября 1974 г. интервал вблизи энергии 3,1 Гэв был пройден шагами по 0,5 Мэв. При подходе к энергии 3,1 Гэв сечение взаимодействия электрона и позитрона возросло в 10 раз, а при дальнейшем увеличении энергии — в 100 раз. Утром 10 ноября стало известно, что открыт новый резонанс, который назвали ф-резонан-сом. Вскоре стало ясно, что /-частица, открытая в Брук-хэйвене, и ф-резонанс, обнаруженный в Стэнфорде, — это одна и та же частица.
101
Сразу после сообщения об открытии стали искать новую частицу на накопительных кольцах ADONE (Фраскати, Италия) и DESY (Гамбург, ФРГ). Во Фраскати к поискам приступили три группы, имеющие независимые детекторы, и 15 ноября частицу «увидели» на всех трех установках. В Гамбурге поиски велись двумя группами, и 24 ноября аппаратура обеих групп зарегистрировала образование новых частиц (рис. 21). Все эксперименты подтверждали высокую стабильность и большую массу новой частицы. Вскоре были открыты еще две частицы с массами 3,7 и 4,1 Гэв.
В течение 1975 г. в различных лабораториях мира изучались свойства новых частиц. Очень важная информация поступила в январе 1975 г. из Батавии (США). Поставленный там эксперимент заключался в том, что новые образования искали среди частиц, получающихся при столкновении у-квантов высокой энергии с нуклонами. Пучок у-квантов направлялся на мишень из бериллия, и регистрирующая аппаратура выделяла продукты распада частицы с массой 3,1 Гэв. Было обнаружено, что процесс образования частицы в столкновении у-кванта с нуклонами
у+р -» ф + все остальное
происходит с вероятностью, типичной для образования адронов в подобных столкновениях.
В результате этих исследований стало ясно, что открыто совершенно новое семейство сильно взаимодействующих частиц.
Открытие ф-частиц по-новому осветило идею шарма. Свойство шарма, предложенное ранее для объяснения процессов с нейтральными токами, было очень изящно использовано в новой схеме классификации частиц. Эта схема основана на математическом аппарате так называемой группы SU (4), где в основе структуры частиц лежат четыре кварка (см. табл. 7).
Как и в прежней схеме, барионы составлены из трех кварков, а мезоны — из кварка и антикварка. Но теперь в разнообразных наборах принимал участие и четвертый кварк, несущий свойство шарма. В этой схеме новые частицы представляют собой связанное состояние кварка и антикварка, несущих шарм (СС).
102
Таблица 7
Свойства кварков
Кварк	Электрический заряд	Барионный заряд	Странность	Шарм	Цвет
р	+2/з	1/з	0	0	Красный, желтый, голубой
N	-х/з	%	0	0	То же
Л	-Х/з	%	—1	0	» »
С	+2/з	%	0	1	» »
Аналогичные системы известны давно. Например, позитрон и электрон могут образовывать связанную систему (е+е_), называемую «позитроний», живущую 10-74-10-10сек, прежде чем превратиться в f-кванты. «Позитроний» электрически нейтрален, и заряд его скрыт от наблюдателя.
В старой модели кварков подобное состояние образуют кварк и антикварк, обладающие странностью (ЛЛ). Это известный ср-мезон, который, как говорят, обладает скрытой странностью, так как несмотря на то, что он состоит из двух странных частиц, его собственная странность равна пулю. Он живет примерно 10-22 сек (в несколько раз дольше своих родственников р-мезона и co-мезона, которые состоят из кварков, не обладающих странностью) и предпочитает распадаться на странные частицы (<р -» К+ —|— К-).
Новые частицы обладают скрытым шармом. В системе со скрытым шармом кварк С и антикварк С могут иметь различные орбитальные моменты и относительную ориентацию спинов. Схема предсказывает несколько состояний с массами более 2 Гэв и позволяет оценить вероятность возможных переходов между разными состояниями. В частности, были предсказаны распады, где при переходе из одного состояния в другое система излучает f-кванты определенной энергии совершенно так же, как при переходе с одного энергетического уровня на другой атом испускает квант света. В конце 1975 г. появились сообщения о том, что в распаде ^частицы (3,7 Гэв) зарегистрированы f-кванты с энергиями 160 и 420 Мэв, что соответствует существованию частиц с массами 3,54 и 3,28 Гэв. Кроме того, обнаружены события, где, по-види-мому, найдены состояния с массами 2,8, 3,41 и 3,53 Гэв. Сообщалось также о частице с массой 4,55 Гэв. Таким
103
образом, сейчас уже набралось около десятка частиц, которые выглядят типичным семейством адронов с очень большой массой и большим временем жизни. Все эти адроны по схеме с четвертым кварком представляют собой мезоны со скрытым шармом. Какие же еще частицы предсказываются моделью с шармом?
Частицы, представляющие собой связанные состояния кварка и антикварка, один из которых несет шарм, еще не обнаружены. Например, мультиплет мезонов, составленных из четырех сортов кварков, имеет вид (рис. 37)
F+(AC)' D°(PC)	D+ (NC)	Jc=+i		S=+1, 5 = 0;
К0 (NA)	К0 (PA)			5=-}-l,
л" (PN)	Л°(РР, NN)	tc+(NP)	C = 0	5 = 0,
	К’ (PA)	K°(NA) .		5 = —1;
	D- (NC)	D°(PC)		5 = 0,
		F-(AC)	C = — 1	5 = —1.
(Здесь С — величина шарма.)
Для барионных состояний тоже можно построить супермультиплеты из новых комбинаций трех кварков с участием С-кварка. В качестве примера рассмотрим мультиплет, где число барионов, содержащих только один С-кварк, равно шести, они несут шарм С=+1. Барионы с двумя Скварками содержат один из обычных кварков и образуют триплет, у членов которого шарм С = +2. Супермультиплет имеет следующую структуру:
Хд(ЛСС) XA (NCC)	X£+(PCC)	Jc = +2		5 = —1, 5 = 0;
T°(AAC)				5 = —2,
S°(NAC)	S+ (РАС)		C = -|-l	5 = —1,
C°(NNC)	С/ (PNC)	C^(PPC)		5 = 0;
P+(PPN)	n°(PNN)			5 = 0,
(РРЛ)	S°(PNA)	S-(NNA)	C = 0	5 = —1,
	3°(PAA)	S’(NAA)		5 = — 2,
104
Рис. 37. Мультиплет мезонов в пространстве трех переменных:	шарм (С),
странность (S), изотон-спин (Г3), построенный на основе модели четырех кварков (ф — частица с массой 3,1 Гэв)
Таким образом, кроме мезонов со скрытым шармом, предсказывается существование еще двух типов частиц: мезонов, где С-кварк (С-антикварк) связан с другим антикварком (кварком), и барионов, где С-кварки заменяют один или два кварка старой схемы барионов. Эти частицы должны обладать шармом. На основании схемы с четырьмя кварками теоретики предсказали многочисленные свойства новых частиц так же, как десять лет назад были вычислены характеристики известных частиц на основании модели трех кварков. Дело теперь за экспериментом.
Каким же образом можно зарегистрировать частицы с шармом?
Рассмотрим некоторые процессы, предсказываемые современной теорией для частиц с ненулевым шармом. При распаде, идущем через слабое взаимодействие, шарм, как и странность, не сохраняется. При этом С-кварк переходит в Л- или в N-кварк, причем вероятность перехода в Л-кварк больше вероятности перехода в N-кварк:
Р(С-*Л) ~ cos20, Р (C->N) ~ sin2 0,
где 0 — угол Кабиббо, рассмотренный нами при описании распадов элементарных частиц. Так как Л-кварк — непременная составляющая странных частиц, из предположения о соотношении вероятностей переходов С —> Л и С —> N следует, что при распаде частиц с шармом образуются преимущественно странные частицы.
105
Потоки с повышенным содержанием странных частиц усиленно искали на установках, где были обнаружены и изучались ф-частицы. В течение 1975 г. проводилось накопление экспериментальных данных. Надежного доказательства наблюдения частиц с шармом пока не получено.
Другая особенность распада частиц с шармом состоит в том, что переход С-кварка в Л- или в N-кварк происходит с испусканием лептонов. Таким образом, можно искать события, в которых рождаются странные частицы в сопровождении лептонов. Или же искать повышенный выход лептонов (скажем, электронов) среди частиц, образованных в столкновениях, например, нуклонов. Такие эксперименты проводятся, однако пока еще рано говорить о надежной идентификации частиц с ненулевым шармом.
Еще одно свойство распада частиц с шармом — нарушение правил, установленных в распадах известных частиц без шарма (правила hS-hQ и Д/3=+1/2). События, где, возможно, наблюдались такие нарушения, зарегистрированы в пузырьковых камерах. В качестве примера приведем одно из первых событий, вызвавших подозрение и подвергнутых тщательному анализу:
\ + Р* “» е+ + к° + Р+ + к+ + +11’-
В этом событии мюонное нейтрино при столкновении с протоном образует fji-мезон, позитрон, протон, странную частицу (К°-мезон) и два n-мезона. Здесь проявляются все три характерных признака: 1) рождается странная частица, 2) наблюдается вылет лептона (позитрона), 3) нарушается правило Д£ = Д(), так как странность начального адрона равна нулю, а странность конечных адронов 4-1 (т. е. Д5=4-1), в то время как заряд адронов не изменяется (Д@=0). Можно предположить, что в этой реакции родилась какая-то частица X с шармом, отличным от нуля, которая позднее распалась:
у|14-р+->Х4-р+4-к+4-к-4-р,-
Ue+_^K0_|_v
(электронное нейтрино не зарегистрировано установкой)
106
В другом событии, обнаруженном в пузырьковой камере в Брукхейвене (США), также рождалась странная частица, несколько гс-мезонов и р-мезон, в который переходит при взаимодействии
V + Р’ + Л° + + к+ +
Здесь в результате распада появляется странная частица Л°-гиперон и правило Д5=Д() нарушается (Д£= =—1, Д()=+1). Возможное объяснение такой реакции — рождение бариона с шармом, распадающегося на Л-ги-перон и гс-мезоны:
V(i -|- р+ -> р.	X
1-> Л Ц- гс+ Ц- гс+ гс+ -|- гс-.
Однако подобные события нельзя считать пока бесспорным доказательством существования частиц с шармом, так как идентификация частиц недостаточно надежна. Чтобы можно было говорить об открытии шарма, необходимо иметь достаточное количество таких событий.
В сообщениях из научных центров, где на пузырьковых камерах проводятся поиски частиц с шармом в нейтринных экспериментах, отмечается, что по мере обработки накопленной информации количество событий, которые можно интерпретировать как рождение частиц с шармом, медленно, но неуклонно возрастает. Предварительные оценки дают значения масс этих частиц приблизительно 2 Гэв и времена жизни 2-10-11 сек.
В нейтринных реакциях при высокой энергии в Батавии были зарегистрированы события с образованием двух р-мезонов. Установка показана’на’рис. 22. Эти реакции также можно объяснить”'образованием частиц с шармом, однако в этих процессах еще очень много неясного, i Существование четвертого кварка может объяснить и другие процессы. В области энергии, где должно происходить рождение частиц с шармом,*неупругое рассеяние лептона на нуклоне меняет свое поведение. Такое отклонение было замечено при’рассеянии р-мезонов высокой энергии в Батавии.
К началу 1976 г. многочисленные группы исследователей на самых разнообразных установках пытаются получить доказательства существования частиц с шармом.
107
Надежда на успех вызвана еще и тем удивительным обстоятельством, что четыре кварка, образующие адроны, в определенном смысле аналогичны четырем лептонам р, v , е, Полный заряд лептонов равен — 2, а полный заряд кварков равен -J-2 (сумма зарядов четырех кварков X три комбинации цвета). Взаимодействие между лептонами подчиняется тем же математическим правилам, что и взаимодействие между кварками. Это долгожданное включение лептонов и адронов в единую схему — наиболее привлекательная особенность шарма.
Летом 1975 г. группа физиков на ускорителе в Батавии начала поиски частиц с массой от 2,5 до 20 Гэв, распадающихся на электрон и позитрон. Эксперимент был очень похож на тот, где были обнаружены /-частицы, однако в области масс ~10 Гэв регистрация е+е~-пар происходит примерно в 104 раз реже, чем в эксперименте с /-частицей, поэтому требования к аппаратуре были гораздо выше. В ходе эксперимента было зарегистрировано 27 событий в интервале от 5,5 до 10 Гэв, причем 12 из них лежали между 5,8 и 6,1 Гэв. Это означает, что рождается новая частица с вероятной массой около 5,97 Гэв. Ее назвали Upsilon.
Несмотря на то, что такая частица заранее была предсказана теоретически (экзотическое состояние С С С С), ее высокая стабильность наводила на мысль, что она обладает каким-то новым свойством, которое задерживает распад. Другими словами, необходимо было ввести еще один кварк, обладающий этим новым свойством, чтобы сохранить схему построения частиц из кварков.
Разработка теоретической схемы с несколькими кварками приводит к тому, что число новых кварков ничем не ограничено. Всегда можно предположить, что пре повышении энергии будут находить все более тяжелые долгоживущие частицы, обладающие каждый раз каким-тс новым свойством. Таким образом, на смену первоначальному семейству из трех, а затем из четырех кварков приходит семейство бесконечного числа кварков с возрастающими массами. Аналогия с лептонами требует, чтобы такой же вид принимало и семейство лептонов, Гипотеза о существовании тяжелого лептона нашла косвенное подтверждение в эксперименте. Несколько открытий, сделанных в последнее время, можно объяснить как существованием С-кварка, так и рождением тяжелого лептона
108
На гигантских установках, изучающих нейтрино, приходящие на Землю из космоса, было зарегистрировано несколько событий, которые можно интерпретировать как распад тяжелой слабо взаимодействующей с веществом частицы.
Своеобразие лептонов, возможно, связано с тем, что они рождаются в тех процессах, когда изменяется структура кварка. Если это так, то слабое взаимодействие играет основную роль в формировании структуры кварка. Это предположение подкрепляется экспериментальными фактами локальности слабого взаимодействия и точечноподобного характера партонов-кварков, а также тем, что слабое взаимодействие нарушает фундаментальные свойства пространства—времени.
Последние события в физике элементарных частиц показывают, что гипотеза кварков, предложенная па основании теории групп, получила очень сильную поддержку в экспериментах. Уже па первом этапе применения этой модели удалось не только упорядочить подавляющее большинство известных частиц и предсказать новые, но и объяснить многие свойства частиц и связать между собой различные процессы. Как характеристики электронных оболочек в атомах объясняют все многообразие свойств химических элементов, так параметры кварков объясняют многочисленные свойства адронов. Так что при низких энергиях мы имеем своего рода кварковую химию.
Полагают, что из комбинаций трех кварков можно построить все бариопы, а из комбинаций кварков и антикварков состоят все мезоны. Кроме того, кварки косвенно проявляются в экспериментах по рассеянию при изучении структуры адронов. Проявление структуры не зависит от того, чем мы «прощупываем» адрон — лептоном, фотоном или адроном. Частицы, позволяющие рассмотреть внутреннее строение адрона с помощью разных видов взаимодействия, рассеиваются так, как если бы внутри адрона находились кварки. С другой стороны, еще никому не удавалось выбить из адрона свободный кварк. Принципиальна ли эта невозможность или нам просто не хватает энергии, чтобы освободить кварк? Не исключена возможность, что решение проблемы кварков лежит в совершенно неожиданном направлении. Ближайшее будущее должно дать ответ па этот вопрос.
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
А. М. Петросьянц, А. А. Логунов. Физика высоких энергий и ускорители элементарных частиц. М., «Наука», 1973.
Я. А. Смородинский. Что знают и что пытаются узнать об элементарных частицах. — «Наука и жизнь», 1968, № 4—6.
Я. Б. Зельдович. Классификация элементарных частиц и кварки. — УФН, 1965, т. 86, вып. 2.
Л. Г. Ландсберг. Поиски кварков.—УФН, 1973, т. 110, вып. 2.
К. И. Щёлкин. Физика микромира. Популярные очерки. Изд. 3. М., Атомиздат, 1968.
Г. Кендалл, В. Панофский. Структура протона и нейтрона. — УФН, 1972, т. 106, вып. 2.
СОДЕРЖАНИЕ
Введение...................................... 4
Особенности микромира......................... 4
Свойства элементарных частиц.................. И
Масса и время жизни.......................... 11
Заряд частицы ............................... 15
Момент количества движения и магнитный момент....................................... 16
Взаимодействия элементарных частиц........... 20
Другие квантовые числа....................... 26
Модель кварков............................... 36
Свойства адронов в модели кварков........... 42
Масса ...................................... 42
Спин и магнитный момент..................... 43
Сечения взаимодействия адронов.............. 46
Распады адронов ............................. 58
Кварки и космология.......................... 63
Поиски кварков............................... 66
В космических лучах.......................... 66
В веществе................................... 70
В спектрах звезд и квазаров.................. 73
На протонном синхротроне ИФВЭ................ 74
На накопительных кольцах..................... 79
Партоны и цветные кварки..................... 84
Шарм......................................... 99
Рекомендуемая литература.................... 110
Игорь Иннокентьевич Карпов, Юрий Иванович Лисневский
КВАРКИ
Утверждено к печати редколлегией серии научно-популярных изданий Академии паук СССР
Редактор Н. А. Минц
Редактор издательства Е. М. Кляус Художник В. Е. Захаров
Художественный редактор В. Н. Тикунов Технический редактор Н. Н. Плохова Корректор И. А. Талалай
Сдано в набор 19/IV 1976 г. Подписано к печати 23/XI 1976 г.
Формат 84х108’/32. Бумага типографская № 2. Усл. печ. л. 6,3.
Уч.-изд. л. 5,8. Тираж 20000. Т-16099. Тип. зак. 1180.
Цена 42 коп.
Издательство «Наука»
103717 ГСП, Москва, К-62, Подсосенский пер., д. 21
1-я типография издательства «Наука»
199034, Ленинград, В-34, 9-я линия, д. 12
ЛЕВИТАН Е. П.
Физика Вселенной. 10,8 л. 68 к.
В последние годы в области астрофизики были сделаны выдающиеся открытия, значение которых выходит далеко за рамки «чистой» астрономии. Важнейшие классические результаты и новейшие астрофизические открытия рассматриваются в книге с точки зрения фундаментальных законов физики.
Для получения книг почтой заказы просим направлять по адресу: 117464 МОСКВА, В-464, Мичуринский проспект, 12, магазин «Книга—почтой» Центральной конторы «Академкнига»:
197110 ЛЕНИНГРАД, П-110. Петрозаводская ул., 7, магазин «Книга—почтой» Северо-Западной конторы «Академкнига» или в ближайшие магазины «Академкнига».
Адреса магазинов «Академкнига»:
480391 Алма-Ата, ул. Фурманова, 91/97; 370005 Баку, ул. Джапаридзе, 13; 320005 Днепропетровск, проспект Гагарина, 24;
734001 Душанбе, проспект Ленина, 95; 664033 Иркутск, 33, ул. Лермонтова, 289; 252030 Киев, ул. Ленина, 42; 277012 Кишинев, ул. Пушкина, 31; 443002 Куйбышев, проспект Ленина, 2; 192104 Ленинград, Д-120, Литейный проспект, 57; 199164 Ленинград, Университетская наб., 5; 199004 Ленинград, 9 линия, 16; 103009 Москва, ул. Горького, 8; 117312 Москва, ул. Вавилова, 55/7; 630090 Новосибирск, Академгородок, Морской проспект, 22; 630076 Новосибирск, 91, Красный проспект, 51; 620151 Свердловск, ул, Мамина-Сибиряка, 137; Ташкент, Ц;15, ул. 50 лет Узбекистана, 11; 700029 Ташкент, Л-29, ул. Ленина, 73; 700100 Ташкент, ул. Шота Руставели, 43; 634050 Томск, наб. реки Ушайки, 18; 450075 Уфа, Коммунистическая ул., 49; 450075 Уфа, проспект Октября, 129; 720001 Фрунзе, бульвар Дзержинского, 42; 310003 Харьков, Уфимский пер., 4/6.
ИЗДАТЕЛЬСТВО-НАУКА-