Элементарные частицы, их виды и свойства

с-кварков (особенно в барионах), которые соответствуют "гибридным" формам

адронов ("странно-очарованным"). Очевидно, что чем больше g- или с

-кварков содержит  адрон, тем он тяжелее. Если  сравнивать основные (не

возбуждённые) состояния  адронов, именно такая картина и  наблюдается (см. табл.

1, а также  табл. 3 и 5).

Поскольку спин кварков равен 1/2, приведённая выше

кварковая структура адронов имеет своим следствием целочисленный спин у мезонов

и полуцелый - у  барионов, в полном соответствии с  экспериментом. При этом в

состояниях, отвечающих орбитальному моменту l = 0, в частности  в

основных состояниях, значения спина мезонов должны равняться 0 или 1 (для

антипараллельной  ґ? и параллельной ґґ ориентации

спинов кварков), а спина барионов - 1/2 или 3

/2 (для спиновых  конфигураций ?ґґ и ґґґ

). С учётом  того, что внутренняя чётность  системы кварк-антикварк отрицательна,

значения JP для мезонов при l = 0 равны 0-

и 1-, для барионов - 1/2+ и 3

/2+. Именно эти  значения JP наблюдаются

у адронов, имеющих  наименьшую массу при заданных значениях I и Y

(см. табл. 1).

Поскольку индексы i, k, l в структурных формулах пробегают  значения 1,

2, 3, 4, число мезонов Mik с заданным спином должно быть

равно 16. Для  барионов Bikl максимально возможное  число

состояний при  заданном спине (64) не реализуется, т. к. в силу принципа Паули

при данном полном спине разрешены только такие  трёхкварковые состояния, которые

обладают вполне определённой симметрией относительно перестановок индексов i,

k, 1, а именно: полностью симметричные для спина  3/2

и смешанной  симметрии для спина 1/2. Это условие  при 

l = 0 отбирает 20 барионных  состояний для спина 3/2 и

20 - для спина 1/2.

Более подробное  рассмотрение показывает, что значение кваркового состава и

свойств симметрии  кварковой системы даёт возможность  определить все основные

квантовые числа  адрона (J, Р, В, Q, I, Y, Ch), за исключением

массы; определение  массы требует знания динамики взаимодействия кварков и массы

кварков, которое  пока отсутствует.

Правильно передавая  специфику адронов с наименьшими  массами и спинами при

заданных значениях Y и Ch, кварковая модель естественным

образом объясняет  также общее большое число адронов и преобладание среди них

резонансов. Многочисленность адронов - отражение их сложного строения и

возможности существования  различных возбуждённых состояний  кварковых систем. Не

исключено, что  число таких возбуждённых состояний  неограниченно велико. Все

возбуждённые  состояния кварковых систем неустойчивы  относительно быстрых

переходов за счёт сильных взаимодействий в нижележащие  состояния. Они и

образуют основную часть резонансов. Небольшую долю резонансов составляют также

кварковые системы  с параллельной ориентацией спинов (за исключением W-

). Кварковые  конфигурации с антипараллельной  ориентацией спинов, относящиеся  к

осн. состояниям, образуют квазистабильные адроны и  стабильный протон.

Возбуждения кварковых  систем происходят как за счёт изменения вращательного

движения кварков (орбитальные возбуждения), так и  за счёт изменения их

пространств. расположения (радиальные возбуждения). В первом случае рост массы

системы сопровождается изменением суммарного спина J и чётности Р 

системы, во втором случае увеличение массы происходит без изменения JP

. Например, мезоны  с JP = 2+ являются первым

орбитальным возбуждением (l = 1) мезонов с JP = 1

-. Соответствие 2+ мезонов и 1-мезонов одинаковых

кварковых структур хорошо прослеживается на примере многих пар частиц:

Мезоны r' и y' - примеры  радиальных возбуждений r- и y-мезонов  соответственно

(см.

Орбитальные и  радиальные возбуждения порождают  последовательности резонансов,

отвечающие одной  и той же исходной кварковой структуре. Отсутствие надёжных

сведений о взаимодействии кварков не позволяет пока производить количественные

расчеты спектров возбуждений и делать какие-либо заключения о возможном числе

таких возбуждённых состояний.При формулировке кварковой  модели кварки

рассматривались как гипотетические структурные элементы, открывающие

возможность очень  удобного описания адронов. В дальнейшем были проведены

эксперименты, которые  позволяют говорить о кварках  как о реальных материальных

образованиях  внутри адронов. Первыми были эксперименты по рассеянию электронов

нуклонами на очень  большие углы. Эти эксперименты (1968), напоминающие

классические  опыты Резерфорда по рассеянию a-частиц на атомах, выявили наличие

внутри нуклона  точечных заряженных образований. Сравнение  данных этих

экспериментов с аналогичными данными по рассеянию нейтрино на нуклонах

(1973-75) позволило  сделать заключение о средней  величине квадрата

электрического  заряда этих точечных образований. Результат  оказался удивительно

близким к величине 1/2[(2/3 e

)2+(1/3e)2]. Изучение

процесса рождения адронов при аннигиляции электрона и позитрона, который

предположительно  идёт через последовательность процессов: ® адроны, указало на

наличие двух групп  адронов, генетически связанных  с каждым из образующихся

кварков, и позволило  определить спин кварков. Он оказался равным 1/2. Общее

число рожденных  в этом процессе адронов свидетельствует  также о том, что в

промежуточном состоянии возникают кварки трёх разновидностей, т. е. кварки

трёхцветны.

Т. о., квантовые  числа кварков, введённые на основании  теоретических

соображений, получили подтверждение в ряде экспериментов. Кварки постепенно

приобретают статус новых Э. ч. Если дальнейшие исследования подтвердят это

заключение, то кварки являются серьёзными претендентами  на роль истинно Э. ч.

для адронной формы материи. До длин ~ 10-15 см кварки

выступают как  точечные бесструктурные образования. Число известных видов

кварков невелико. В дальнейшем оно может, конечно, измениться: нельзя

поручиться за то, что при более высоких энергиях не будут обнаружены адроны с

новыми квантовыми числами, обязанные своим существованием новым типам кварков.

Обнаружение Y -мезонов  подтверждает эту точку зрения. Но вполне

возможно, что  увеличение числа кварков будет  небольшим, что общие принципы

накладывают ограничения  на полное число кварков, хотя эти ограничения пока

неизвестны. Бесструктурность кварков также, возможно, отражает лишь достигнутый

уровень исследования этих материальных образований. Однако ряд специфических

особенностей  кварков даёт некоторые основания  предполагать, что кварки являются

частицами, замыкающими  цепь структурных составляющих материи.

От всех других Э. ч. кварки отличаются тем, что в  свободном состоянии они

пока не наблюдались, хотя имеются свидетельства их существования  в связанном

состоянии. Одной  из причин ненаблюдения кварков может быть их очень большая

масса, что препятствует их рождению при энергиях современных  ускорителей. Не

исключено, однако, что кварки принципиально, в силу специфики их

взаимодействия, не могут находиться в свободном  состоянии. Существуют доводы

теоретического  и экспериментального характера  в пользу того, что силы,

действующие между  кварками, не ослабляются с расстоянием. Это означает, что

для отделения  кварков друг от друга требуется  бесконечно большая энергия,

или, иначе, возникновение кварков в свободном состоянии невозможно.

Невозможность выделить кварки в свободном состоянии  делает их совершенно

новым типом  структурных единиц вещества. Неясно, например, можно ли ставить

вопрос о составных  частях кварков, если сами кварки нельзя наблюдать в

свободном состоянии. Возможно, что в этих условиях части  кварков физически

вообще не проявляются  и поэтому кварки выступают как  последняя ступень

дробления адронной материи.

              Элементарные частицы и квантовая  теория поля.             

Для описания свойств  и взаимодействий Э. ч. в современной  теории существенное

значение имеет  понятие физ. поля, которое ставится в соответствие каждой

частице. Поле есть специфическая форма материи; оно  описывается функцией,

задаваемой во всех точках (х)пространства-времени и обладающей

определёнными трансформационными свойствами по отношению  к преобразованиям

группы Лоренца (скаляр, спинор, вектор и т. д.) и групп "внутренних" симметрий

(изотопический  скаляр, изотопический спинор и  т. д.). Электромагнитное поле,

обладающее свойствами четырёхмерного вектора Аm(х) (m = 1, 2, 3,

4), - исторически  первый пример физического поля. Поля, сопоставляемые с Э. ч.,

имеют квантовую  природу, т. е. их энергия и импульс  слагаются из множества отд.

порций - квантов, причём энергия Ek и импульс pk кванта

связаны соотношением специальной теории относительности: Ek2

= pk2c2 + m2c2. Каждый

такой квант  и есть Э. ч. с заданной энергией Ek, импульсом pk

и массой т. Квантами электромагнитного поля являются фотоны, кванты других полей

соответствуют всем остальным известным Э. ч. Поле, т. о., есть физическое

отражение существования  бесконечной совокупности частиц - квантов. Специальный

математический  аппарат квантовой теории поля позволяет  описать рождение и

уничтожение частицы в каждой точке х.

     Трансформационные  свойства поля определяют все  квантовые числа Э. ч.

Трансформационные свойства по отношению к преобразованиям  пространства-времени

(группе Лоренца)  задают спин частиц. Так, скаляру  соответствует спин 0, спинору

- спин 1/2, вектору - спин 1 и т. д. Существование таких

квантовых чисел, как L, В, 1, Y, Ch и для кварков и  глюонов "цвет", следует из

трансформационных свойств полей по отношению к  преобразованиям "внутренних

пространств" ("зарядового пространства", "изотопического пространства",