§ 274. Гипероны. Странность и четность элементарных частиц

В ядерных фотоэмульсиях (конец 40-х годов) и на ускорителях заряженных частиц (50-е годы) обнаружены тяжелые нестабильные элементарные частицы массой, большей массы нуклона, названные гиперонами (от греч. hyper — сверх, выше). Известно неско­лько типов гиперонов: лямбда (Λ°), сигма (Σ°, Σ⁺, Σ^-), кси (Ξ⁺, Ξ^-) и омега (Ω^-). Существование Ω^--гиперона следовало из предложенной (1961) М. Гелл-Манном (р. 1929) (американский физик; Нобелевская премия 1969 г.) схемы для классификации сильно взаимодействующих элементарных частиц. Все известные в то время частицы укладывались в эту схему, но в ней оставалось одно незаполненное место, которое должна была занять отрицательно заряженная частица массой, равной примерно 3284m_e. В результате специально поставленного эксперимента был действительно обнаружен Ω^--гиперон массой 3273 m_e.

Гипероны имеют массы в пределах (2183—3273) от„ их спин равен ½ (только спин Ω^---гиперона равен ^3/2), время жизни приблизительно 10^-10 с (для Σ°-гиперона время жизни равно приблизительно 10^-20 с). Они участвуют в сильных взаимодействиях, т. е. принадлежат к группе адронов. Гипероны распадаются на нуклоны и легкие частицы (π-мезоны, электроны, нейтрино и γ-кванты).

Детальное исследование рождения и превращения гиперонов привело к установле­нию новой квантовой характеристики элементарных частиц — так называемой странности. Ее введение оказалось необходимым для объяснения ряда парадоксальных (с точки зрения существовавших представлений) свойств этих частиц. Дело в том, что гипероны должны были, как представлялось, обладать временем жизни примерно 10^-23 с, что в 10¹³ раз (!) меньше установленного на опыте. Подобные времена жизни можно объяснить лишь тем, что распад гиперонов происходит в результате слабого взаимодействия. Кроме того, оказалось, что всякий раз гипероны рождается в паре с К-мезоном. Например, в реакции

(274.1)

с Λ°-гипероном всегда рождается К°-мезон, в поведении которого обнаруживаются те же особенности, что и у гиперона. Распад же Λ°-гиперона происходит по схеме

. (274.2)

Особенности поведения гиперонов и К-мезонов были объяснены в 1955 г. М. Гелл-Манном с помощью квантового числа — странности S, которая сохраняется в процессах сального и электромагнитного взаимодействий. Если приписать каонам S=1, а Λ°- и Σ-гиперонам S= -1 и считать, что у нуклонов и K-мезонов S=0, то сохранение суммарной странности частиц в сильном взаимодействии объясняет как совместное рождение Λ°-гиперона с K°-мезоном, так и невозможность распада частиц с не равной нулю странностью за счет сального взаимодействия на частицы, странность которых равна нулю. Реакция (274.2) идет с нарушением странности, поэтому она не может происходить в результате сильного взаимодействия. Ξ-Гиперонам, которые рождаются совместно с двумя касками, приписывают S= -2; Ω-гилеронам - S= -3.

Из закона сохранения странности следовало существование частиц, таких, как K^o-мезон, Σ°-, Ξ°-гипероны, которые впоследствии были обнаружены эксперименталь­но. Каждый гилерон имеет свою античастицу.

Элементарным частицам приписывают еще одну квантово-механическую величину — четность Р — квантовое число, характеризующее симметрию волновой функции элементарной частицы (или системы элементарных частиц) относительно зеркального отражения. Если при зеркальном отражении волновая функция частицы не меняет знака, то четность частицы Р= +1 (четность положительная), если меняет знак, то четность частицы Р= - 1 (отрицательная).

Из квантовой механики вытекает закон сохранения четности, согласно которому при всех превращениях, претерпеваемых системой частиц, четность состояния не изменяет­ся. Сохранение четности связано со свойством зеркальной симметрии пространства и указывает на инвариантность законов природы по отношению к замене правого левым, и наоборот. Однако исследования распадов К-мезонов привели американских физиков Т. Ли и Ч. Янга (1956 г.; Нобелевская премия 1957 г.) к выводу о том, что в слабых взаимодействиях закон сохранения четности может нарушаться. Целый ряд опытов подтвердили это предсказание. Таким образом, закон сохранения четности, как и закон сохранения странности, выполняется только при сильных и электромагнитных взаимодействиях.