§ 275. Классификация элементарных частиц. Кварки

В многообразии элементарных частиц, известных к настоящему времени, обнаруживается более или менее стройная система классификации. Для се пояснения в табл. 8 представлены основные характеристики рассмотренных выше элементарных частиц. Характеристики античастиц не приводятся, поскольку, как указывалось в § 273, модули зарядов и странности, массы, спины, изотопические спины и время жизни частиц и их античастиц одинаковы, они различаются лишь знаками зарядов и странности, а также знаками других величин, характеризующих их электрические (а следовательно, и магнитные) свойства. В таблице нет также античастиц фотона и π°-и η°-мезонов, так как антифотон и антипи-ноль- и антиэта-ноль-мезоны тождественны с фотоном и π°- и η°-мезонами.

В табл. 8 элементарные частицы объединены в три группы (см. § 272): фотоны, лептоны и адроны. Элементарные частицы, отнесенные к каждой из этих групп, обладают общими свойствами и характеристиками, которые отличают их от частиц другой группы.

К группе фотом» относится единственная частица — фотон, который переносит электромагнитное взаимодействие. В электромагнитном взаимодействии участвуют в той или иной степени все частицы, как заряженные, так и вентральные (кроме нейтрино).

К группе лептонов относятся электрон, мюон, таон, соответствующие им нейтрино, а также их античастицы. Все лептоны имеют спин, равный 1/2, и, следовательно, являются фермионами (см. § 226), подчиняясь статистике Ферми — Дирака (см. § 235).

Поскольку лептоны в сильных взаимодействиях не участвуют, изотопический спив им не приписывается. Странность лептонов равна нулю.

Элементарным частицам, относящимся к группе лептонов, приписывают так называемое лептонное число (лептонный заряд) L. Обычно принимают, что L=+1 для лептонов (е^-, μ^-, τ^-, ν_е ν_μ, ν_τ) L= - 1 для антилептонов (е⁺, μ⁺, τ⁺, ν_е ν_μ, ν_τ) и L=0 для всех остальных элементарных частиц. Введение L позволяет сформулировать закон сохранения лептонного числа: в замкнутой системе при всех без исключения процессах взаимопревращаемости элементарных частиц лептонное число сохраняется.

Теперь понятно, почему при распаде (258.1) нейтральная частица названа антинейтрино, а при распаде (263.1)—нейтрино. Так как у электрона и нейтрино L=+1, а у позитрона и антинейтрино L= - 1, то закон сохранения лептонного числа выполня­ется лишь при условии, что антинейтрино возникает вместе с электроном, а нейтрино — с позитроном.

Основную часть элементарных частиц составляют адроны. К группе ядром» относятся пионы, каоны, η-мезон, нуклоны, гипероны, а также их античастицы (в табл. 8 приведены не все адроны).

Адронам приписывают барионное число (барионный заряд) В. Адроны с В=0 образуют подгруппу мезонов (пионы, каоны, η-мсзон), а адроны с В= +1 образуют подгруппу барионов (от греч. «барис» — тяжелый; сюда относятся нуклоны и гипероны). Для лептонов и фотона В=0. Если принять для барионов В= +1, для антибарионов (аитинуклоны, антигипероны) В= -1, а доя всех остальных частиц В=0, то можно сформулировать заков сохравевяя бариооиого числа: в замкнутой системе при всех процессах взаимопревращаемости элементарных частиц барионное число сохраняется.

Из закона сохранения барионного числа следует, что при распаде бариона наряду с другими частицами обязательно образуется бариои. Примерами сохранения барионного числа являются реакции (273.1)—073.5). Барионы имеют спин, равный 1/2 (только спин Ω^- гиперона равен 3/2), т. е. барионы, как и лептоны, являются фермионами.

Странность 8 для различных частиц подгруппы барионов имеет разные значения (см. табл. 8).

Мезоны имеют спин, равный нулю, и, следовательно, являются бозоиами (см. § 226), подчиняясь статистике Бозе — Эйнштейна (см. § 235). Для мезонов лептонные и барионные числа равны нулю. Из подгруппы мезонов только каоны обладают S= +1, а пионы и η-мезоны имеют нулевую странность.

Подчеркнем еще раз, что для процессов взаимопревращаемости элементарных частиц, обусловленных сильными взаимодействиями, выполняются все законы сохранения (энергии, импульса, момента импульса, зарядов (электрического, лептонного и барионного), изоспина, странности и четности). В процессах, обусловленных слабыми взаимодействиями, не сохраняются только изоспин, странность и четность.

Таблица 8

Группа	Названные частицы	Символ Частицы античаст	Зар-яд, ед. h	Масса покоя, ед. me	Спин, ед.h	Изоспин I	Лептонное число L	Барионное число B	Странность S	Приблизительное время жизни, с
Фотоны	Фотон	γ	0	0	1	---	0	0	0	Стабилен
	Электрон	е- е+	1	1	½	---	+1	0	0	Стабилен
	Электронное нейтрино	νе ΰе	0	0	½	---	+1	0	0	Стабильно
	Мюон	μ- μ+	1	206,8	½	---	+1	0	0	≈10-6
Лептоны	Мюонное нейтрино	νμ ϋμ	0	0	½	---	+1	0	0	Стабильно
	Таон	τ- τ+	1	3487	½	---	+1	0	0	≈10-12
	Таонное нейтрино	ντ ϋτ	0	0	½	---	+1	0	0	?
	Пионы	πо π+ π-	0 1	264,1 273,1	0 0	1 1	0 0	0 0	0 0	≈10-16 ≈10-8
Мезоны	Каоны	Ко Ќо К+ К-	0 1	974,0 966,2	0 0	½ ½	0 0	0 0	+1 +1	10-10 – 10-8 ≈10-8
	Эта-мезон	ηо	1	1074	0	---	0	0	0	≈10-19
	Протон	р р	1	1836,2	½	½	0	+1	0	Стабилен
андроны	Нейтрон	n n	0	1838,7	½	½	0	+1	0	≈103
	Гипероны:
Барионы	Лямбда	Λо Λо	0	2183	½	0	0	+1	-1	≈10-10
	Сигма	Σ о Σ о Σ + Σ + Σ - Σ -	0 1 1	2334 2328 2343	½ ½ ½	1 1 1	0 0 0	+1 +1 +1	-1 -1 -1	≈10-20 ≈10-10 ≈10-10
	Кси	Ξо Ξо Ξ- Ξ-	0 1	2573 2586	½ ½	½ ½	0 0	+1 +1	-2 -2	≈10-10 ≈10-10
	Омега	Ώ- Ώ-	1	3273	3/2	0	0	+1	-3	≈10-10

В последние годы увеличение числа элементарных частиц происходит в основном вследствие расширения группы адронов.

Поэтому развитие работ по их классификации все время сопровождалось поисками новых, более фундаментальных частиц, которые могли бы служить базисом для построения всех адронов. Гипотеза о существовании таких частиц, названных кварками, была высказана независимо друг от друга (1964) австрийским физиком Дж. Цвейгом (р. 1937) и Гелл-Манном.

Название «кваро заимствовано из романа ирландского писателя Дж. Джойса «Поминки по Финнегаяу» (герою снится сов, котором чайки кричат: «Три сварка для мастера Марка»).

Согласно модели Гелл-Манна — Цвейга, все известные в то время адроны можно было построить, постулировав существование трех типов кварков (u d s) и соответствующих ангикварков (ǚ đ š), если им приписать характеристики, указанные в табл. 9 (в том числе дробные электрические и барионные заряды). Самое удивительное (почти невероятное) свойство кварков связано с их электрическим зарядом, поскольку еще никто не находил частицы с дробным значением элементарного электрического заряда. Спин кварка равен '/з, поскольку только из фермионов можно «сконструировать» как фермионы (нечетное число фермионов), так и бозоны (четное число фермионов).

Адроны строятся из парков следующим образом: мезоны состоят из пары кварк — антикварк, барионы — из трех кварков (антибарион — из трех ангикварков).

Так, например, пион π⁺ имеет кварковую структуру ǚđ , пион π^- — ǚđ, каон К⁺ — đš, протон —uud, нейтрон — udd, Σ⁺-галерой — uus. Σ^o - гиперон — uds и т. д.

Во избежание трудностей со статистикой (некоторые барионы, например Ω^--гиперон, состоят из трех одинаковых кварков (sss), что запрещено принципом Паули; см. § 227) на данном этапе предполагают, что каждый кварк (антикварк) обладает специфи­ческой квантовой характеристикой — —егом: «желтым», «синим» и «красным». Тогда, если кварки имеют неодинаковую «окраску», принцип Паули не нарушается.

Углубленное изучение модели Гелл-Манна — Цвейга, а также открытие в 1974 г. истинно нейтрального джей-пси-мезона (Ĵ/Ψ) массой около 6000m_e со временем жизни примерно 10^-20 с и спином, равным единице, привело к введению нового кварка — так называемого с-кварка и новой сохраняющейся величины — «очарования» (от англ. charm).

Подобно странности и четности, очарование сохраняется в сильных и электромаг­нитных взаимодействиях, но не сохраняется в слабых. Закон сохранения очарования объясняет относительно долгое время жизни Ĵ/Ψ -мезона. Основные характеристики с-кварка приведены в табл. 9.

Таблица 9

Кварк (анти-кварк)	Электрический заряд в единицах	Барионное число В	Спин, в единицах h	Странность S
u (ǔ)	+⅔ (-⅔)	+1/з(-1/з)	½	0
d (đ)	-⅓ (+⅓)	+1/з(-⅓)	½	0
s (š)	-⅓ (+⅓)	+1/з(-1/з)	½	-1(+1)
c (č)	+⅔ (-⅔)	+1/з(-⅓)	½	-1(+1)

Частице Ĵ/Ψ приписывается парковая структура cc. Структура cč называется чармонием — атомоподобная система, напоминающая позитроний (связанная водородоподобная система, состоящая из электрона и позитрона, движущихся вокруг общего центра масс).

Кварковая модель оказалась весьма плодотворной, она позволила определить почти все основные квантовые числа адронов. Например, из этой модели, поскольку спин кварков равен ½, следует целочисленный (нулевой) спин для мезонов и полуцелый — для барионов в полном соответствии с экспериментом. Кроме того, эта модель позволила предсказать также и новые частицы, например Ω^--гиперои. Однако при использовании этой модели возникают и трудности. Кварковая модель не позволяет, например, определить массу адронов, поскольку для этого необходимо знание динамики взаимодействия кварков и их масс, которые пока неизвестны.

В настоящее время признана точка зрения, что между лептонами и сварками существует симметрия: число пептонов должно быть равно числу типов кварков. В 1977 г. был открыт сверхтяжелый мезон массой около 20 000m_е который представляет собой структуру из кварка и антикварна нового типа — 6-кварка (является носителем сохраняющейся в сильных взаимодействиях величины, названной «прелестью» (от англ. beuty)). Заряд 6-кварка равен ⅓. Предполагается, что существует и шестой кварк г с зарядом , который ухе решено назвать истинным (от англ. (truth — ис­тина), подобно тому как с-кварк называют очарованным, b-кварк — прелестным. В физике элементарных частиц введен «аромат» — характеристика типа хварка (u d, s, с, b t?), объединяющая совокупность квантовых чисел (странность, очарование, прелесть и др.), отличающих одни тип кварка от другого, кроме цвета. Аромат сохраняется в сильных и электромагнитных взаимодействиях. Является ли схема из шести лептонов и шести хварков окончательной или же число лептонов (кварков) будет расти, покажут дальнейшие исследования.