§ 6.2. Классификация адронов

На рисунке 6.2 приведена классификация адронов, при этом подробно классифицированы стабильные частицы. Резонансы классифицируются подобным образом, но при этом резонансов намного больше, чем стабильных барионов. Резонансы наиболее многочисленный класс элементарных частиц

Резонансы - короткоживущие возбуждённые состояния адронов. В отличие от других нестабильных частиц, резонансы. распадаются в за счёт сильного взаимодействия. Поэтому их времена жизни лежат в интервале 10^{– 22} –10^{– 24} с, что по порядку величины близко к характерному ядерному времени (~10^{– 23} с).

Первый резонанс открыт в начале 1950-х гг. Э. Ферми (E. Fermi) с сотрудниками при изучении процесса взаимодействия π⁺-мезонов с протонами на протонном циклотроне в Чикаго (США). В современном обозначениях это был резонанс D1 или D3,3(1232), где первая цифра индекса у символа резонанса означает удвоенный изотопический спин T частицы, вторая - её удвоенный спин J (в скобках указана масса резонанса, в МэВ). Ширина этого резонанса Г = 116 МэВ (т. е. время жизни с). Основная часть резонансов была открыта в 60-х гг. в экспериментах, выполненных на протонных ускорителях. резонансы делятся на 2 группы : барионные, обладающие барионным числом (В = 1) и распадающиеся на мезоны и один стабильный барион; мезонные резонансы (В = 0), распадающиеся на мезоны. Резонансы с ненулевой странностью называются странными. К 1988 открыто более 300 резонансов, которые группируются примерно в 40 барионных и 30 мезонных изомультиплетов. Массы наблюдённых барионных резонансов лежат в интервале от 1,2 до 4 ГэВ, мезонных - от 0,7 до 2 ГэВ. Исключение составляют новые мезонные резонансы, массы которых достигают 9-10 ГэВ. Нижняя границы массовых спектров резонансов определяются массами ядерно-стабильных (стабильных относительно распадов за счёт сильного взаимодействия) мезонов и барионов, а верхние - экспериментальными возможностями их обнаружения.

Самой характерной особенностью резонансов является то, что они распадаются в результате сильного взаимодействия, тогда как распады «стабильных» адронов обусловлены гораздо менее интенсивными взаимодействиями, главным образом слабым, иногда электромагнитным. Данное свойство резонансов может служить наиболее адекватным их определением.

Все мезоны и барионы подразделяются на «обычные», «странные», «очарованные» и «прелестные». Эти классы частиц расположены в порядке, отражающем ту хронологическую последовательность, в которой они открывались (смысл названий прояснится чуть ниже). Заме­тим, что «прелестные» барионы еще не зарегистрированы, хотя нет никаких сомненийв том, что они существуют.

Все адроны распределяются по небольшим семействам – изомультиплетам. Сильное взаимодействие адронов в изомультиплете одинаково, а различаются они только своим отношением к электромагнитному и слабому взаимодействиям. Если бы два последних взаимодействия удалось «выключить», то члены одного изомультиплета стали бы тождественными, неразличимыми частицами. Характерный внешний признак принадлежности частиц к одному изомультиплету – приближенное равенство их масс при разных значениях электрического заряда. Считается, что небольшие различия в массах возникают как раз вследствие электромагнитного взаимодействия.

Самый известный пример изомультиплета дает нуклонный изодублет N, содержащий протон р и нейтрон п. Тождественность протона и нейтрона по отношению к сильному взаимодействию находит свое конкретное выражение в свойстве зарядовой независи­мости ядерных сил: они одинаковы для систем р – р, п – п, р – п.

Математический аппарат, с помощью которого описываются разные изомультиплеты и отдельные их члены, почти идентичен аппарату, созданному для описания обычного спина и разных спиновых состояний данной частицы. Изомультиплету в целом приписывается изоспин Т, который определяет число его членов по формуле

(6.2.1)

У частицы с обычным спином J имеется 2J+1 спиновых состояний, различающихся проекциями спина . По аналогии с этим вводится проекция изоспина , значениями которой различаются отдельные члены изомультиплета (хотя здесь никакие наглядные геометрические образы непригодны). Величина пробегает значения от – T до T через единицу (как и с обычным спином) в порядке возрастания электрического заряда. Приве­дем два простых примера. Для нуклона N=2 (р, n), а поэтому Т = ¹/₂, у нейтрона = – ¹/₂ у протона = + ¹/₂ . Для пиона N =3 (π ^– , π⁰ , π⁺), и поэтому T = 1; у π ^–-мезона , у π⁰-мезона = 0, у π⁺-мезона = +1. В сильном взаимодействии изоспин сохраняется. Заметим, что свойство зарядовой независимости ядерных сил является частным следствием закона сохранения изоспина. Электромагнитное взаимодействие делает члены данного изомультиплета уже различными, и поэтому в процессах, обусловленных этим взаимодействием, изоспин не сохраняется. Не сохраняется он и в слабом взаимодействии.

Первоначально из адронов были известны только нуклоны и пионы. Электрические заряды этих «обычных» частиц (в единицах е) могли быть вычислены по формуле:

(6.2.2)

Но для «странных» частиц, открытых в 50-е годы, данная формула уже не справедлива. Так, у K⁺-мезона q= +1, Т_Z = ¹/₂, B = 0, но . Всем этим частицам приписыва­ется новое квантовое число – странность S. Оно вводится так, чтобы для странных частиц выполнялось соотношение Гелл-Манна — Нишиджимы:

(6.2.3)

Это соотношение обобщает выражение (6.2) на странные частицы.

В 70-е годы были открыты очарованные частицы, для которых оказалось неспра­ведливым и соотношение (6.3). Этим частицам приписали новое квантовое число –очарование С [charm (англ.) — очарование], введение которого обобщает соотношение Гелл-Манна –Нишиджимы

(6.2.4)

Очарование подчиняется таким же законам сохранения, что и странность. После открытия прелестных частиц, возникла необходимость во введении прелести b [beauty (англ.) – прелесть, красота].

(6.2.5)

Для «истинных» частиц, если их откроют, необходимо ввести еще одно квантовое число –истинность t [truth (англ.) – истина, правда].

Итак, мы видим, что для описания всего многообразия адронов приходится использовать большое количество весьма необычных физических величин. Более подробно о характеристиках частиц будет сказано ниже в параграфе 6.3. Их глубокий смысл в том, что все эти величины подчиняют­ся определенным законам сохранения, позволяющим устанавливать правила отбора, которые запрещают или разрешают протекание тех или иных превращений частиц. Из сказанного ясно, что фундаментальные взаимодействия различаются, наряду с прочи­ми характеристиками, также свойственными им законами сохранения.

Оказывается, что чем более интенсивно взаимодействие, тем оно более симметрич­но, то есть тем больше ему присуще законов сохранения.

Во всех взаимодействиях сохраняются безоговорочно только энергия и импульс, момент импульса, электрический заряд. Пока считается, что этим свойством обладают также лептонные заряды трех типов и барионный заряд. Во всяком случае, нарушения соответствующий законов сохранения экспериментально еще не наблюдались.

Сильное взаимодействие – самое симметричное. В обусловленных им процессах сохраняются также изоспин и его проекция, странность, очарование и многие другие физические величины. Электромагнитное взаимодействие почти столь же симметрично, но оно уже не сохраняет изоспин. Слабое взаимодействие – наименее симметричное. Ему свойственны только универсальные законы сохранения.