Часть 1. Феноменологический этап развития физики сильных взаимодействий

История развития физики сильных взаимодействий

Введение

В XX-м веке, помимо ранее известных гравитационного и электромагнитного взаимодействий, физики открыли сильные и слабые типы взаимодействий. За исключением гравитационного, все они удовлетворительно описаны в терминах квантовой теории поля, т.е. как взаимодействие частиц посредством обмена векторными калибровочными бозонами. Более того, электромагнитные и слабые взаимодействия объединены в единую теорию электрослабого взаимодействия, в которой нашла выражение идея спонтанного нарушения симметрии. С сильными взаимодействиями нетривиального объединения не произошло, однако их теория – квантовая хромодинамика (КХД) – все же построена. В настоящее время нет сомнений в реальности существования кварков и в правильности КХД, однако её применение встречает серьезные трудности, связанные с неприменимостью теории возмущений при малых передачах импульса.

Этот реферат посвящен истории становления теории сильных взаимодействий от истоков до настоящего времени.

Часть 1. Феноменологический этап развития физики сильных взаимодействий.

История физики сильных взаимодействий восходит ко времени открытия первых сильновзаимодействующих частиц. В 1911-м году Резерфорд в докладе «Рассеяние α- и β-лучей и строение атома» на основании проведенных экспериментов утверждал: «Рассеяние заряженных частиц может быть объяснено, если предположить такой атом, который состоит из центрального электрического заряда, сосредоточенного в точке и окружённого однородным сферическим распределением противоположного электричества равной величины. При таком устройстве атома α- и β-частицы, когда они проходят на близком расстоянии от центра атома, испытывают большие отклонения, хотя вероятность такого отклонения мала»[1].

Ядро самого легкого изотопа самого легкого элемента - водорода - в 1920-м году получило специальное наименование «протон», и начало рассматриваться как один из структурных компонентов сложных ядер. Факт существования изотопов элементов не позволял считать ядро совокупностью одних лишь протонов, ибо изотопы, имея одинаковый заряд ядра и химические свойства, имеют разный атомный вес, а масса атома сосредоточенная в его ядре. Изотопы одного элемента, стало быть, должны отличаться строением ядра. Для описания его структуры вначале была предложена электрон-протонная модель. Последняя, как казалось, позволяла объяснить явление бета-распада ядер, сопровождающееся испусканием электронов. Однако она находилась в противоречии с результатами измерения спинов и магнитных моментов ядер.

Наконец, в 1932-м году Д. Чедвиком была открыта электрически нейтральная, долгоживущая в свободном состоянии (время жизни - порядка 10 минут) частица, названная нейтроном. Чедвик интерпретировал результаты опытов В. Ботте и Г. Беккера, в которых альфа-частицы, образующиеся при распаде полония-210, при воздействии на лёгкие элементы, приводят к возникновению сильно (т.е. гораздо сильнее, чем от гамма-излучения) проникающего излучения. Чедвик предположил, что это излучение образовано массивными нейтральными частицами, и определил их массу. В том же 1932-м году Иваненко и Гейзенберг, независимо друг-от-друга предложили протон-нейтронную модель ядра. Сами протон и нейтрон собирательно стали называть «нуклонами».

С этого момента встал вопрос о природе сил, связывающих протон и нейтрон в ядре. Поскольку нейтрон не имеет электрического заряда, то речи об электромагнитной природе сил связи быть не может. Сила же гравитационного взаимодействия пренебрежимо мала. В 1935-м году японский физик Х. Юкава выдвинул гипотезу, что взаимодействие нуклонов в ядре обусловлено обменом неизвестными тогда частицами (по аналогии с электромагнитным взаимодействием, обусловленным обменом фотонами), пи-мезонами, или пионами. Масса этой гипотетической частицы в силу соотношения неопределенностей определяет характерное расстояние, на которое распространяется сильное взаимодействие (r₀~10^-15 м). Потенциал сильного взаимодействия в модели Юкавы имел вид

,

где, в отличие от кулоновского потенциала представлен экспоненциальный фактор, приводящий к подавлению взаимодействия при r>r₀.

Модель Юкавы была в целом успешной феноменологической моделью, однако, забегая вперед, необходимо оговорить, что с точки зрения современной теории, переносчиками сильных взаимодействий являются безмассовые частицы - глюоны. Глюоны являются переносчиками особого квантового числа - т.н. «цвета», между «цветными» объектами - кварками. Нуклоны же представляют собой бесцветную комбинацию кварков, поэтому, казалось бы, сильного взаимодействия между ними в ядре быть не должно. Однако, поскольку нуклон не является точечным объектом, такое взаимодействие может возникать аналогично тому, как оно возникает между электрически нейтральными атомами (силы Ван-дер-Ваальса). Модель Юкавы же в некотором диапазоне условий приемлемо описывает это взаимодействие.

Заряженные пионы () были экспериментально открыты с помощью фотопластинок, поднятых на аэростате в стратосферу, в 1947-м году группой исследователей под руководством Сесила Пауэлла. Нейтральный пион был идентифицирован по продуктам своего распада (два фотона) в 1950-м году.

Начиная с открытия пи-мезонов и вплоть до завершения построения теории сильных взаимодействий (квантовой хромодинамики) в начале 1970-х происходило накопление, обобщение и интерпретация фактических данных о десятках вновь открытых сильновзаимодействующих частицах.

В 1947-м году Дж. Рочестер и К.К. Батлер опубликовали две фотографии событий в камере Вильсона, вызванных космическими лучами. На одной из них была показана нейтральная частица, распадающаяся на два заряженных пиона, а на другой – заряженная частица, распадающаяся на заряженный пион и нечто нейтральное. Оценка масс неизвестных частиц дала приблизительно половину массы протона (около 500 МэВ). В 1953-м году для данных частиц было принято название «К-мезон», или каон. Помимо каонов, Рочестер и Батлер наблюдали частицы с массами больше массы нуклонов, и их договорились называть «гиперонами». Распад лямбда-гиперона наблюдался как «вилка», по форме напоминающая букву лямбда, из треков протона и пиона. Взаимодействие протона с ядром в котором рождалась частица, наблюдалось на снимке, однако до распада нейтральная частица успевала пройти достаточное расстояние, чтобы «вилка» распада не совпадала с точкой рождения. Это означало, что новая частица жила достаточно долго (2.6·10⁻¹⁰ с) по меркам микромира, т.е. она распадалась в результате слабого, а не сильного взаимодействия. Было найдено также, что каоны и гипероны всегда рождаются парами. Такая «странность» привела Абрахама Пайса к постулированию особого квантового числа – «странности», которое сохраняется в сильном взаимодействии (поэтому странные каоны не распадаются по сильному механизму на нестранные пионы), но не сохраняется в слабом взаимодействии.

Логично предполагать, что если при всех, казалось бы, достаточных условиях, некоторый физический процесс не происходит, то это означает, что он по каким-то причинам запрещен, либо подавлен до незаметного уровня. В эпоху 1940-1970-х, когда отсутствовала последовательная теория сильных взаимодействий (квантовая хромодинамика - КХД), подобные запрещения выражались феноменологическими законами сохранения постулированных квантовых чисел, в случае каона – «странности». С созданием кварковой модели странность стала интерпретироваться как «аромат» s-кварка, а каоны и гипероны – как частицы, содержащие один s-кварк (антикварк), и один u или d кварк (антикварк).

Все многообразие частиц, подверженных сильному взаимодействию, советским физиком Л.Б. Окунем в 1962-м году было предложено называть «адронами». В сильных взаимодействиях сохраняются квантовые числа – странность, очарование, красота – которые с позиции кварковой модели являются «ароматами» соответствующих кварков. В то же время, ароматы кварков меняются в слабых взаимодействиях. В соответствии с кварковым составом адроны делятся на:

· Барионы, состоящие из трех кварков. Нуклоны являются легчайшими, и потому стабильными (для нейтрона – в связанном состоянии) барионами. Из барионов составлена подавляющая часть видимого во вселенной вещества. Все барионы – фермионы, т.е. имеют полуцелый спин. Гипероны являются барионами.

· Мезоны, состоящие из двух кварков. Если мезон составлен из пары кварк-антикварк одного аромата, то его обычно называют (как правило, для тяжелых кварков c и b, ибо они не смешиваются с другими ароматами) кварконием – чармоний, боттоммоний. Все мезоны являются бозонами, т.е. имеют целый спин 0 или 1 (хотя полный момент, составленный из спина и орбитального момента, может быть больше 1). Каоны и пионы являются примерами мезонов.

Значительное количество сильновзаимодействующих частиц, вообще говоря, трудно назвать частицами, ибо они не имеют четко определенной массы. Таковы, например, векторные мезоны ρ, ω, φ и их радиальные возбуждения, опосредующие электрон-позитронную аннигиляцию в адроны в экспериментах на коллайдерах. В соответствии с принципом неопределенности малое время жизни этих и других короткоживущих адронов приводит к большой неопределенности их массы. Такие частицы называются резонансами. Наличие резонансного пика в распределении инвариантной массы некоего набора частиц в событиях данного процесса указывает на то, что рождение этой группы частиц опосредованно одним или несколькими резонансами.

В попытках упорядочить все возрастающий объем знаний об адронах вводились следующие квантовые числа:

· Изоспин. Понятие изотопического спина было предложено в 1936-м году Б. Кассеном и Э. Кондоном. Было обнаружено, например, что протон и нейтрон с точки зрения сильного взаимодействия (почти) эквивалентны. Было решено считать их различными состояниями одной частицы, отличающейся проекциями в абстрактном пространстве особого квантового числа – изоспина. Протон имеет проекию изоспина +1/2, нейтрон – (-1/2). Протон и нейтрон, пары заряженных и нейтральных каонов образуют изотопические дублеты, пионы, -мезоны – изотриплеты. С точки зрения кварковой модели изоспин ½ с проекциями ½ присущ u- и d-кваркам соответственно. Изотопическая SU(2) симметрия, ввиду различия масс u и d кварков, является неточным законом сохранения. Еще более неточной симметрией является SU(3) симметрия, объединяющая u, d и s кварки.

· Барионное число, означающее количество барионов в системе. С точки зрения кварковой модели барионное число , где - количество кварков и антикварков. В настоящее время более принято говорить о сохранении «кваркового числа». Хотя до настоящего времени не обнаружено каких-либо процессов, в которых не сохранялось бы барионное число (например, не зарегистрирован гипотетический распад протона), парадоксальным образом, несохранение барионного числа является одним из необходимых условий (одно из т.н. условий Сахарова) для возникновения наблюдаемой во Вселенной асимметрии между барионами и антибарионами. Таким образом, возможно, сохранение барионного числа является лишь приближенным правилом, справедливым для энергий, много меньших масштаба энергий Великого Объединения (>10¹⁵ ГэВ).

· G-четность. Это квантовое число, равное , где С - зарядовая четность, I - изоспин, характеризует истинно нейтральные частицы. Однако если истинно нейтральная частица является компонентой изомультиплета, можно формально считать его присущим всему изомультиплету в целом. G-четность была введена Ли Чжэндао и Янг Чжэньнинем в 1956-м году[2].

· Гиперзаряд. Это квантовое число определяется как сумма барионного числа B и ароматов: странности S, очарования C, прелести B´ и истинности T: Y=B+S+C+B’+T. Формула Гелл-Манна-Нисидзимы связывает гиперзаряд частицы с её электрическим зарядом и проекцией изоспина: Y=2(Q-I_z). Гиперзаряд считается «устаревшим» квантовым числом, т.е. утратившим свое значение после изобретения техники диаграмм Фейнмана и кварковой модели.

· Очарование, прелесть. Эти квантовые числа, аналогично странности, с точки зрения кварковой модели связаны с количеством с и b кварков соответственно. Что касается самого тяжелого t-кварка с массой около 173 ГэВ/c², то он имеет время жизни порядка лишь 10^-25 c, и распадается быстрее, чем успеет стать частью какого-либо адрона, «адронизоваться». Не существует адронов, содержащих валентный t-кварк, и потому введение особого квантового числа «истинность» не имеет серьезного практического смысла.