Курс физики для вузов - часть 130

частица массой, равной примерно

 В результате специально по-

ставленного эксперимента был дей-

ствительно обнаружен

 -гиперон мас-

сой

Гипероны имеют массы в пределах

 — 3273)

 их спин равен

 (толь-

ко спин

 равен

 время

жизни приблизительно

 с (для

Е°-гиперона время жизни равно при-
близительно

 с). Они участвуют в

сильных взаимодействиях, т. е. принад-
лежат к группе адронов. Гипероны рас-
падаются на нуклоны и легкие части-
цы

 электроны, нейтрино и

Детальное исследование рождения и

превращения гиперонов привело к ус-
тановлению новой квантовой характе-

ристики элементарных частиц — так
называемой странности. Ее введение
оказалось необходимым для объясне-
ния ряда парадоксальных (с точки зре-

ния существовавших представлений)
свойств этих частиц. Дело в том, что
гипероны должны были, как представ-

лялось, обладать временем жизни при-

мерно

 с, что в 10

13

 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

гиперон рождается в паре с

Например, в реакции

(274.1)

с

 всегда рождается

зон, в поведении которого обнаружива-

ются те же особенности, что и у гипе-
рона. Распад же Л°-гиперона происхо-
дит по схеме

(274.2)

Особенности поведения гиперонов и

 были объяснены в 1955 г.

М. Гелл-Маном с помощью квантового

числа — странности S, которая сохра-

няется в процессах сильного и электро-
магнитного взаимодействий.

Если приписать каонам 5= 1, а Л°- и

Е-гиперонам 5= -1 и считать, что у

нуклонов и

 S — О, то сохра-

нение суммарной странности частиц в
сильном взаимодействии объясняет как
совместное рождение Л°-гиперона с

 так и невозможность рас-

пада частиц со странностью, не равной
нулю, за счет сильного взаимодействия
на частицы, странность которых равна

нулю. Реакция (274.2) идет с наруше-
нием странности, поэтому она не может
происходить в результате сильного вза-
имодействия.

 которые

рождаются совместно с двумя каонами,
приписывают S = —2;

 —

Из закона сохранения странности

следовало существование частиц, та-
ких, как

 ко-

торые впоследствии были обнаружены
экспериментально. Каждый гиперон
имеет свою античастицу.

Элементарным частицам приписы-

вают еще одну квантово-механическую
величину — четность Р — квантовое

число, характеризующее симметрию
волновой функции элементарной час-
тицы (или системы элементарных час-
тиц) относительно зеркального отраже-

ния. Если при зеркальном отражении
волновая функция частицы не меняет
знака, то четность частицы Р = +1 (чет-
ность положительная), если меняет

знак, то четность частицы Р — — 1 (от-
рицательная).

Из квантовой механики вытекает

закон сохранения четности, согласно

которому при всех превращениях, пре-
терпеваемых системой частиц, четность
состояния не изменяется. Сохранение

четности связано со свойством зеркаль-

519

нои симметрии пространства и указы-
вает на инвариантность законов приро-
ды по отношению к замене правого ле-
вым, и наоборот. Однако исследования
распадов

 привели американ-

ских физиков

 и Ч.Янга (1956 г.;

Нобелевская премия 1957 г.) к выводу

о том, что в слабых взаимодействиях
закон сохранения четности может на-
рушаться. Целый ряд опытов подтвер-

дили это предсказание. Таким образом,
закон сохранения

 как и закон

сохранения странности, выполняется
только при сильных и электромагнит-
ных взаимодействиях.

§ 275. Классификация

элементарных частиц. Кварки

В многообразии элементарных час-

тиц, известных в настоящее время, об-

наруживается более или менее строй-
ная система классификации. Для ее по-

яснения в табл. 13 представлены основ-

ные характеристики рассмотренных
выше элементарных частиц.

Характеристики античастиц не при-

водятся, поскольку, как указывалось в

§ 273, модули зарядов и странности, мас-

сы, спины, изотопические спины, время
жизни частиц в вакууме и их античас-
тиц одинаковы, они различаются лишь
знаками зарядов и странности, а также
знаками других величин, характеризу-
ющих их электрические (а следователь-
но, и магнитные) свойства. В табл. 13
нет также античастиц фотона и

 и

 так как антифотон и анти-

 и антиэта-ноль-мезоны тожде-

ственны с фотоном и тс

0

-, и

В табл. 13 элементарные частицы

объединены в три группы (см. § 272):
фотоны, лептоны и адроны. Элементар-
ные частицы, отнесенные к каждой из
этих групп, обладают общими свойства-

ми и характеристиками, которые отли-

чают их от частиц другой группы.

К группе фотонов относится един-

ственная частица — фотон, который
переносит электромагнитное взаимо-

действие. В электромагнитном взаимо-
действии участвуют в той или иной сте-

пени все частицы, как заряженные, так
и нейтральные (кроме нейтрино).

К группе лептонов относятся элек-

трон, мюон, тау-лептон, соответствую-
щие им нейтрино, а также их античас-
тицы. Все лептоны имеют спин, равный

1/2, и, следовательно, являются ферми-

онами (см. § 226), подчиняясь статис-
тике Ферми

 (см. § 235). По-

скольку лептоны в сильных взаимодей-
ствиях не участвуют, изотопический
спин им не приписывается. Странность

лептонов равна нулю.

Элементарным частицам, относя-

щимся к группе лептонов, приписыва-
ют так называемое лептонное число

 заряд) L. Обычно прини-

мают, что L = +1 для лептонов (е~,
т~,

 L = — 1 для антилептонов

 и L — 0 для всех

остальных элементарных частиц. Вве-

дение L позволяет

 за-

кон сохранения лептонного числа:

в замкнутой системе при

 без исклю-

чения процессах взаимопревращаемос-

ти элементарных частиц лептонное чис-

ло сохраняется.

Теперь понятно, почему при распаде

(258.1) нейтральная частица названа
антинейтрино, а при распаде (263.1) —
нейтрино. Так как у электрона и нейт-
рино L = +1, а у позитрона в антинейт-
рино L = —1, то закон сохранения леп-

тонного числа выполняется лишь при
условии, что антинейтрино возникает

вместе с электроном, а нейтрино — с по-
зитроном.

Основную часть элементарных частиц

составляют адроны. К группе адронов

520

 13

относятся пионы, каоны,

 нук-

лоны, гипероны, а также их античас-

тицы (в табл. 13 приведены не все ад-
роны).

Адронам приписывают барионное

число (барионный заряд) В. Адроны с

В — 0 образуют подгруппу мезонов (пи-

оны, каоны,

 а адроны с В = +1

образуют подгруппу барионов (от греч.

«барис» — тяжелый; сюда относятся

нуклоны и гипероны). Для лептонов и
фотона 5 = 0. Если принять для бари-
онов В =

 для антибарионов (анти-

нуклоны, антигипероны) В — —1, а для
всех остальных частиц В — 0, то можно
сформулировать закон сохранения ба-

рионного числа: в замкнутой системе

при всех процессах взаимопревращаемо-
сти элементарных частиц барионное
число сохраняется.

Из закона сохранения барионного

числа следует, что при распаде барио-
на, наряду с другими частицами обя-
зательно образуется

 Примера-

ми сохранения барионного числа явля-
ются реакции (273.1) —(273.5). Бари-
оны имеют спин, равный

 (только

спин

 равен

 т. е. бари-

оны, как и лептоны, являются ферми-
онами.

Странность  для различных частиц

подгруппы барионов имеет разные зна-
чения (см. табл. 13).

Мезоны имеют спин, равный нулю,

и, следовательно, являются бозонами
(см. § 226), подчиняясь статистике
Бозе

 (см. § 235). Для ме-

зонов лептонные и барионные числа
равны нулю. Из подгруппы мезонов
только каоны обладают S = +1, а пио-
ны и

 имеют S

 0.

Подчеркнем еще раз, что для процес-

сов взаимопревращаемости элементар-
ных частиц, обусловленных сильными
взаимодействиями, выполняются все

законы сохранения [энергии, импульса,

момента импульса, зарядов (электриче-
ского, лептонного и барионного), изо-
спина, странности и четности]. В про-
цессах, обусловленных слабыми взаи-

модействиями, не сохраняются только

изоспин, странность и четность.

В последние годы увеличение чис-

ла элементарных частиц происходит
в основном вследствие расширения
группы адронов. Поэтому развитие
работ по их классификации все время

сопровождалось поисками новых бо-
лее фундаментальных частиц, которые
могли бы служить базисом для пост-
роения всех адронов. Гипотеза о суще-
ствовании таких частиц, названных
кварками, была высказана независи-
мо друг от друга (1964) австрийским
физиком Дж. Цвейгом (р. 1937) и аме-
риканским физиком-теоретиком Гелл-

Маном.

Название «кварк» заимствовано из ро-

мана ирландского писателя

 Джойса

«Поминки по Финнегапу» (герою снится

сои, а котором чайки кричат «Три кварка

для мастера Марка»).

Согласно модели

га, все известные в то время адроны
можно было построить, постулировав
существование трех типов кварков (и,

d, s) и соответствующих антикварков

d, s), если им приписать характеристи-
ки, указанные в табл. 14 (в том числе
дробные электрические и барионные
заряды). Самое удивительное (почти
невероятное) свойство кварков связа-
но с их электрическим зарядом, по-
скольку еще никто не находил частицы
с дробным значением элементарного
электрического заряда. Спин кварка
равен

 поскольку только из фермио-

нов можно «сконструировать» как фер-
мионы (нечетное число фермионов),
так и бозоны (четное число фермио-
нов).

522