Античастицы

    Свойства антипротона были предсказаны теоретиками еще во времена открытия позитрона. Однако для того, чтобы обнаружить эту частицу, необходимо было иметь ускоренные протоны с энергией больше 6 ГэВ. Такой ускоритель был специально построен, и начались эксперименты по обнаружению антипротона и антинейтрона. В 1955 году О. Чемберлену, Э. Сегре, К. Виганду и Т. Ипсилантису удалось получить и идентифицировать антипротоны, образующиеся в реакции

p + p → p + p + + p.

    В 1956 году был открыт антинейтрон. Пятидесятые годы завершились открытием антигиперонов.
    Сейчас почти ни у кого не вызывает сомнения тот факт, что каждая частица имеет "двойника" - античастицу. Античастицы обладают рядом характеристик, имеющих те же численные значения, что и частицы и некоторые характеристики с противоположным знаком. Так у частицы и античастицы одинаковые массы, спины, изоспины, времена жизни; противоположные знаки у электрических зарядов, магнитных моментов, барионных и лептонных зарядов, проекций изоспина, четности и др. Схемы распада частиц и античастиц - зарядово-сопряженные, например,

n → p + e^- + _e;
→ + e⁺ + _e.

У истинно нейтральных частиц (γ, π⁰, η⁰) частица и античастица тождественны.
    Наиболее сложной формой антивещества, полученной и идентифицированной в лабораторных условиях, являются антиядра трития, гелия. Эти эксперименты были выполнены на серпуховском ускорителе в 1970-74 гг. В 1998 году были получены первые атомы антиводорода.

Странные частицы

    В течение 10 лет, последовавших за открытием пиона в 1947 году, в результате изучения космических лучей и экспериментов на вновь построенных ускорителях высоких энергий таблица элементарных частиц начала быстро пополняться новыми элементарными частицами. За это время их было открыто свыше 30. Первыми из открытых частиц были K-мезоны или каоны, частицы с массой ~500 МэВ. Затем были обнаружены тяжелые частицы Λ и Σ. Была обнаружена странная особенность вновь открытых частиц - они рождались парами, хотя не были частицей и античастицей. Здесь была другая закономерность. Так, например, при столкновении двух протонов возможна реакция

p + p →  p + Λ + K⁺,

в которой рождаются две странные частицы -частица и K⁺-мезон. Образовавшиеся "странные" частицы затем распадались на лептоны, нуклоны и пионы

Вторая особенность поведения странных частиц - большое время жизни. В результате распада Λ образуются сильно взаимодействующие частицы p и π⁻ или n и π⁰. Поэтому казалось, что время жизни странных частиц должно быть ~10^-22-10^-23 сек. На самом деле их время жизни ~10^-10 сек, характерно для слабого взаимодействия. Для того, чтобы объяснить такое поведение странных частиц М. Гелл-Манн и К. Нишиджима высказали предположение, что странная частица является носителем еще одного нового квантового числа, которое было названо странностью. Странность сохраняется в сильных взаимодействиях, но не сохраняется в слабых взаимодействиях. Это позволило сразу объяснить и парное рождение странных частиц в реакции сильного взаимодействия и большое время жизни в результате распада, происходящего за счет слабого взаимодействия.
    Среди вновь открытых странных частиц оказались частицы, имеющие массу покоя больше массы покоя нуклона. Эти частицы были названы гиперонами. К ним относятся Λ, Σ⁰, Σ⁺, Σ^-, Ξ⁰, Ξ^-,Ω^-.

Резонансы

    В начале шестидесятых годов был открыт еще один класс элементарных частиц, которые получили название резонансов или резонансных частиц. Время жизни их порядка 10^-22 сек. Первый нуклонный резонанс был открыт Э. Ферми в 1952 году в реакциях рассеяния π-мезонов на нуклонах, он был назван Δ-изобарой. Резонансы стали активно исследоваться и открываться с развитием техники водородных пузырьковых камер, в которых стало возможно наблюдать продукты распада резонансов

Δ⁰ → p + π^-,    Δ⁺⁺ → p + π⁺.

Впервые среди элементарных частиц появилась частица с зарядом +2.

Законы сохранения и симметрии

    Важную роль в понимании механизмов взаимодействия элементарных частиц, их образования и распада сыграли законы сохранения. Законы сохранения определяют правила отбора, согласно которым процессы с частицами, приводящие к нарушению законов сохранения, не могут осуществляться в определенных типах взаимодействий. В дополнение к законам сохранения, действующим в макромире, в физике микромира были обнаружены новые законы сохранения, позволяющие объяснить наблюдаемые экспериментальные закономерности.
    Законы сохранения являются результатом обобщения экспериментальных наблюдений. Часть из них была открыта в результате того, что реакции или распады, разрешенные всеми ранее известными законами сохранения, не наблюдались или оказывались сильно подавленными. Так были открыты законы сохранения барионного, лептонных зарядов, странности, чарма и др.
    Установлено, что каждый закон сохранения связан с какой-либо симметрией в окружающем нас мире (теорема Нетер). Так законы сохранения энергии и импульса связанны с однородностью времени и пространства. Закон сохранения момента количества движения связан с симметрией пространства относительно вращений. Законы сохранения зарядов связаны с симметрией физических законов относительно специальных преобразований, описывающих частицы.

Слабые взаимодействия нарушают симметрии

    Пространственная четность P характеризует поведение волновой функции при зеркальном отражении. Поэтому сохранение пространственной четности означает существование зеркальной симметрии. Если пространственная четность сохраняется, то для зеркально-симметричного процесса вероятность вылета продуктов под углами θ и π - θ по отношению к некоторому выделенному направлению должны быть равны. Долгое время считалось, что четность замкнутой системы не меняется в результате происходящих в ней процессов и это справедливо для любых процессов.
    Однако в 1956 году, анализируя распады K-мезонов, Ли Цзун-дао и Янг Джень-нин предположили, что в слабых взаимодействиях пространственная четность не сохраняется. Они предложили для проверки закона сохранения пространственной четности использовать -распад поляризованных ядер. Поляризация ядер позволяла фиксировать выделенное направление - спин ядра (спин ядра не меняется при инверсии координат). В 1957 году эксперимент по изучению -распада поляризованных ядер ⁶⁰Сo был поставлен Ву Дзин-сюн. Оказалось, что электроны летят в основном в сторону противоположную направлению спина ядра. Таким образом несохранение четности для процессов, происходящих в результате слабого взаимодействия было экспериментально доказано. Оказалось, что мир не симметричен. И, в принципе, правое и левое можно различить. Был установлен конкретный вид нарушения пространственной четности. Оказалось, что частицы участвуют в слабых взаимодействиях своими левоспиральными компонентами. Это так называемый (V-A)-вариант Ферми.
    В слабых взаимодействиях в отличие от сильных и электромагнитных также отсутствует симметрия относительно зарядового сопряжения - замены всех частиц на соответствующие античастицы. Однако, как впервые было указано Л. Ландау, Ли Цзун-дао и Янг Джень-нином в 1956 году в слабых взаимодействиях должна сохранятся комбинированная инверсия (CP-четность) - одновременная замена частиц на античастицы и зеркальное отражение.
    Однако, в 1964 году В. Фитчем, Дж. Кронином, Р. Турле и Дж. Христенсоном в экспериментах по распаду K⁰-мезонов было обнаружено нарушение закона сохранения CP-четности. Однозначной теоретической интерпретации этого факта сегодня нет. В квантовой теории поля Людерсом и Паули была доказана CPT-теорема, согласно которой при любом взаимодействии произведения трех инверсий - пространственной, зарядовой и временной - инвариант. Исходя из CPT-теоремы и из не сохранения CP-четности, следует отсутствие симметрии относительно обращения времени в распадах K⁰-мезонов.

Кварки – частицы, из которых состоят адроны

    К середине шестидесятых годов число обнаруженных сильновзаимодействующих элементарных частиц - адронов перевалило за 100. Возникла уверенность, что наблюдаемые частицы не отражают предельный элементарный уровень материи.
    В 1964 году независимо друг от друга М. Гелл-Манн и Д. Цвейг предложили модель кварков - частиц, из которых могут состоять адроны. Появление такой модели было вполне естественным. Эксперименты по рассеянию электронов на нуклонах показали, что нейтрон и протон в отличие от электрона имеют сложную структуру. Поэтому гипотеза о новых фундаментальных частицах, из которых можно строить адроны, казалась вполне правдоподобной. Для того чтобы объяснить наблюдаемые свойства адронов, кваркам пришлось приписать довольно необычайные свойства. Кварки должны иметь дробный электрический заряд +2/3 или -1/3. Барионы "конструировались" из трех кварков, мезоны "конструировались" из кварка и антикварка. Все обнаруженные до 1974 г. адроны можно было описать, составляя их из кварков всего лишь трех типов - u, d, s. При этом трехкварковая модель адронов казалась достаточно замкнутой - практически каждой комбинации кварков соответствовала экспериментально наблюдаемая частица.
    1974 год завершился для физиков сенсацией. Одновременно две группы физиков объявили о наблюдении новой частицы. Теперь ее называют J/ψ. Масса обнаруженной частицы ~3.1 ГэВ. Причиной сенсации было необычайно большое время жизни J/ψ. Оказалось, что ее время жизни почти в 1000 раз больше, чем у известных частиц такой массы. Дальнейшие исследования показали, что причиной такого долгожития является то, что в ее состав входит новый неизвестный ранее с-кварк, названный очарованным кварком. Было высказано предположение, что J/ψ это мезон, состоящий из с-кварка и с-антикварка, т.е. это частица со скрытым очарованием. Так же как с s-кварком связано квантовое число s - странность, с-кварк несет новое квантовое число c, названное "очарованием". Очарованный кварк должен порождать новое семейство адронов, имеющих в своем составе с-кварк или с-антикварк. Все эти частицы тяжелые, т.к. масса очарованного кварка больше массы странного кварка. Итак кварков стало 4, но на этом открытие новых кварков не завершилось.
    В 1977 году были открыты нейтральные мезоны с массами около 10 ГэВ. Они получили название ипсилон-мезонов. Так же как и J/ψ-мезоны они наблюдались в реакции образования мюонных пар в протон-ядерных столкновениях и на электронно-позитронных коллайдерах, и также как -мезоны они долго живущие (ширина распада -мезона 53 кэВ). Это означало открытие пятого кварка b (от beauty). В состав -мезона входят b-кварк и b-антикварк и он обладает скрытой красотой.
    После почти двадцатилетних поисков, в 1995 году был открыт шестой, самый "тяжелый" кварк - t-кварк.
    Таким образом, на этом этапе развития наших представлений о структуре материи на первый план выходят "новые элементарные частицы" - кварки. Все адроны состоят из шести кварков, и есть достаточно серьезные основания считать, что их не должно быть больше. Квантовые числа кварков приведены в таблице 2.

Таблица 2

    Каждый тип кварка имеет еще одно квантовое число - цвет, которое может принимать три значения - красный, синий и зеленый. Это чисто условные названия. Главное, что каждый кварк имеет еще три дополнительных квантовых числа. Гипотеза о существовании цвета у кварков, впервые высказанная в 1965 году независимо Н. Боголюбовым, Б. Струминским, А. Тавхелидзе и М. Ханом, Й. Намбу, была впоследствии подтверждена в большом количестве экспериментов. Существует цветовая симметрия сильных взаимодействий. Сильное взаимодействие кварка не зависит от его цветового состояния, т.е. оно одинаково для всех трех цветов. Поскольку адроны состоят из кварков, то структура адронов в основном определяется сильным и электромагнитным взаимодействием кварков.

Основные положения составной модели адронов - модели кварков:

• все сильновзаимодействующие частицы состоят из кварков; кварки являются фермионами; по современным представлениям они бесструктурны;
• кварки имеют внутренние квантовые числа: электрический заряд Q, спин 1/2, четность P, барионное число B, изоспин I, проекцию изоспина I₃, странность s, шарм c, bottomness b, topness t (совокупность этих внутренних квантовых чисел, характеризующих определенный тип кварка, называется также "ароматом" кварка), цвет;
• квантовые числа кварков определяют характеристики адронов;
• барионы (фермионы с барионным числом B = 1) строятся из трех кварков;
• антибарионы (фермионы с барионным числом B = -1) строятся из трех антикварков;
• мезоны (бозоны с барионным числом B = 0) строятся из кварка и антикварка;
• число цветов кварков равно трем - красный, зеленый, синий;
• известные барионы и мезоны - бесцветны;
• кварки в адронах связаны глюонами;
• кварки участвуют в электромагнитных взаимодействиях, излучая или поглощая -квант, при этом не изменяется ни цвет, ни тип (аромат) кварков

Вершина электромагнитного взаимодействия кварков;

• кварки участвуют в слабых взаимодействиях, излучая или поглощая или Z-бозоны, при этом может изменяться тип (аромат) кварка, но цвет кварка при этом остается без изменения

Вершины слабого взаимодействия кварков;

• кварки участвуют в сильных взаимодействиях, излучая или поглощая глюон g, при этом изменяется цвет кварка, а его тип (аромат) остается неизменным

Вершина сильного взаимодействия кварков;

• каждому адрону приписывается определенная внутренняя четность. Внутреннюю четность адрона легко получить, воспользовавшись следующими правилами:

Правило 1. Четность кварка равна +1 и не зависит от типа кварка.

Правило 2. Четность антикварка равна -1 и не зависит от типа кварка.

Правило 3. Внутренняя четность адрона равна произведению четностей входящих в его состав кварков, умноженному на , где L-орбитальные моменты кварков в составе адрона, т.е. совершенно аналогично тому, как получается четность состояний в модели оболочек для системы нуклонов.

    Кварковая модель позволяет качественно описать структуру адронов, получить их квантовые числа. Особое место занимают мезоны для которых кварковая модель позволяет количественно рассчитать спектры масс. Это семейства мезонов, состоящие из тяжелых кварков - чармоний (c) и боттомоний (b). Спектры их подобны спектрам водородоподобных атомов. Изучение подобных систем (кваркония) позволяет получить важную информацию о природе сильного взаимодействия.
    На рис. 16 показана система уровней чармония и переходы между ними. Характерный масштаб возбуждения составляет сотни МэВ, что существенно меньше массы с-кварка. Следовательно, можно воспользоваться тем, что движение нерелятивистское и для описания кваркония использовать уравнение Шредингера. В таком подходе кварконий можно рассматривать как систему двух кварков, движущихся в потенциале V(r). Состояния кваркония и волновые функции определяются как решения станционарного уравнения Шредингера.

    Для описания спектроскопии кваркония удалось найти простой потенциал V(r). На малых расстояниях (r << 10^-13 см) потенциал, аналогично кулоновскому имеет вид V(r) ~ 1/r. Поскольку кварки не наблюдаются в свободном состоянии, потенциал должен их эффективно "запирать" на расстояниях масштаба радиуса адрона (~10^-13 см), т.е. на больших расстояниях потенциал должен расти (V(r) ~ r). Потенциал имеет вид

,

где α, β, δ- константы. Константы удалось подобрать так, что потенциал одновременно хорошо описывает спектры масс как (c), так и (b).
    Частицы, которые связывают между собой кварки в адроны, были названы глюонами. Глюоны являются квантами сильного поля. Глюоны являются бозонами и имеют спин 1. Однако в отличие от фотонов, для того чтобы быть переносчиками цветового взаимодействия они должны обладать цветом и антицветом. Число различных типов глюонов 8, так как одна цветовая комбинация является бесцветной, т.е. не имеет цветового заряда. По аналогии с квантовой электродинамикой теория взаимодействия цветных объектов была названа квантовой хромодинамикой. Взаимодействие между кварками путем обмена глюонами является истинно сильным взаимодействием. В отличие от фотонов, которые электрически нейтральны, глюоны имеют цветовой заряд, поэтому должны сами испускать и поглощать глюоны. Это приводит к принципиально новому поведению системы кварков и глюонов. При увеличении расстояния между кварками и глюонами их энергия взаимодействия возрастает. В результате не наблюдается свободных кварков и глюонов; они "заперты" внутри бесцветных адронов (конфайнмент). Ядерное взаимодействие между нуклонами является производным от истинно сильного взаимодействия, по аналогии с силами Ван-дер-Ваальса, связывающими атомы в молекулы и являющимися производными от истинно электромагнитных взаимодействий, действующих между заряженными частицами.