Роль законов сохранения. Законы сохранения играют особо важную роль в физике элементарных частиц. Это обусловлено следующими двумя обстоятельствами.
1. Они не только ограничивают последствия различных взаимодействий, но определяют также все возможности этих последствий, и поэтому отличаются высокой степенью предсказательности.
2. В этой области открытие законов сохранения опережает создание последовательной теории. Многие законы сохранения для элементарных частиц уже установлены из опыта, а соответствующие фундаментальные законы их поведения еще неизвестны. Поэтому законы сохранения играют здесь главенствующую роль и позволяют анализировать процессы, механизм которых еще не раскрыт.

Для элементарных частиц выполняется гораздо больше законов сохранения, чем для макроскопических процессов. Все эти законы подразделяются на точные и приближенные. Точные законы сохранения выполняются во всех фундаментальных взаимодействиях, а приближенные – только в некоторых.

Точными являются законы сохранения энергии, импульса и момента импульса. Точными являются и законы сохранения всех зарядов (речь о них ниже). Происхождение этих законов пока не установлено. Ясно только одно: каждый из этих зарядов характеризует некое внутреннее свойство частицы.

Необходимость введения зарядов (кроме электрического) было продиктовано многочисленными экспериментальными фактами, объяснить которые оказалось возможным только при допущении, что существуют заряды неэлектрической природы, которые также сохраняются.

Установлено пять зарядов: электрический $Q$, барионный $B$, и три лептонных $, L_{e}, L_{\mu}$ и $L_{\tau}$. У всех элементарных частиц эти заряды имеют только целочисленные значения (заряд $\mathrm{Q}$ – это число единиц элементарного заряда).

Барионный заряд. Если барионам и антибарионам приписать барионный заряд $B$ такой, что
\[
B=\left\{\begin{array}{l}
+1 \text { для барионов (нуклонов и гиперонов), } \\
-1 \text { для антибарионов, }
\end{array}\right.
\]

а всем остальным частицам – барионный заряд $B=0$, то для всех процессов с участием барионов и антибарионов суммарный барионный заряд будет сохраняться. Это и называют законом сохранения барионного заряда.

Барионный заряд, как и все другие заряды, аддитивен: для сложной системы частиц заряд каждого вида равен сумме зарядов того же вида всех частиц системы. Например, барионный заряд ядра атома равен сумме всех барионных зарядов нуклонов данного ядра. Другими словами, барионный заряд ядра равен его массовому числу $A$.

Согласно закону сохранения барионного заряда частицы с $B=+1$ или -1 не распадаются только на частицы с $B=0$. Например, протон $p$ не может превратиться в позитрон $e^{+}$и фотон $\gamma$, хотя это не запрещено законами сохранения энергии, импульса, момента и электрического заряда. Запрет на это превращение связан с нарушением закона сохранения барионного заряда $B$ : у протона $B=+1$, а у позитрона и $\gamma$-кванта $B=0$. Если бы такое превращение было возможно, то это неизбежно привело бы к аннигиляции атомов вещества, так как образовавшиеся позитроны аннигилировали бы с атомными электронами.

Из того же закона следует, что антибарион может рождаться только в паре со своим барионом. Например, антипротон рождается в реакции
\[
p+p \rightarrow p+p+p+\tilde{p} .
\]

Могут возникнуть и два антипротона, но тогда появятся и два новых протона.

Лептонные заряды. Существуют три вида лептонных зарядов: электронный $L_{e}$ (для $е$ и $v_{e}$ ), мюонный $L_{\mu}$ (для $\mu$ и $v_{\mu}$ ) и таонный $L_{\tau}$ (для $\tau$ и $v_{\tau}$ ). Здесь $v_{e}, v_{\mu}, v_{\tau}$ – электронное, мюонное и таонное нейтрино. Из эксперимента следует, что это разные нейтрино.

С помощью лептонных зарядов легко интерпретируется установленный экспериментально закон, согласно которому в замкнутой системе при любых процессах разность между числом лептонов и антилептонов сохраняется (это же относится и к барионам).
Условились считать, что
\[
L_{e}=L_{\mu}=L_{\tau}=\left\{\begin{array}{l}
+1 \text { для лептонов }\left(e^{-}, v_{e} ; \mu^{-}, v_{\mu} ; \tau^{-}, v_{\tau}\right) ; \\
-1 \text { для антилептонов }\left(e^{+}, \tilde{v}_{e} ; \mu^{+}, \tilde{v}_{\mu} ; \tau^{+}, \tilde{v}_{\tau}\right) .
\end{array}\right.
\]

Для всех остальных элементарных частиц лептонные заряды принимаются равными нулю.

Закон сохранения лептонного заряда требует, чтобы при распаде, например, нейтрона
\[
n \rightarrow p+e^{-}+v_{e}
\]

вместе с электроном рождалось электронное антинейтрино, так как суммарный лептонный заряд этих двух частиц равен нулю. Тем самым мы уточнили выражения (8.1) и на стр. 205: в них вместо $v$ должно фигурировать $v_{e}$. Вместе с тем из этого превращения (9.2) следует, что поскольку протон $p$ – частица $(B=+1)$, то частицей является и нейтрон $n$ (тоже $B=+1$ ).

Законом сохранения лептонного заряда объясняется невозможность следующих процессов:
\[
v_{e}+p
rightarrow e^{+}+n, \quad v_{\mu}+p
rightarrow \mu^{+}+n,
\]

хотя другими законами сохранения они разрешены. Процессы же
\[
v_{e}+p \rightarrow e^{+}+n, \quad v_{\mu}+p \rightarrow \mu^{+}+n,
\]

удовлетворяющие закону сохранения лептонного заряда, наблюдали экспериментально.

Эти два примера показывают, что нейтрино (как электронное, так и мюонное) не тождественны своим античастицам. После того, как было установлено, что $v_{e}$ и $v_{\mu}$ – разные частицы, и были введены разные лептонные заряды $L_{e}$ и $L_{\mu}$. Аналогично обстояло дело и с введением таонного лептонного заряда $L_{\tau}$.

Странность $S$. Было обнаружено, что гипероны рождаются при столкновениях адронов высоких энергий. Значит их рождение связано с сильным взаимодействием, и время жизни гиперонов должно быть порядка $10^{-23}$ с (время, характерное для процессов, обусловленных сильным взаимодействием). На опыте же было найдено, что их время жизни в $10^{13}$ раз больше. Такое поведение гиперонов представлялось странным.

Оказалось также, что гипероны в этих процессах рождаются не поодиночке, а только парами. Например, при столкновении протонов:
\[
p+p \rightarrow p+\Lambda^{0}+K^{+},
\]

причем $\Lambda^{0}$-гиперон появляется только совместно с $K^{+}$-мезоном или с $\Sigma^{+}$-гипероном, но никогда не появляется вместе с $K^{-}$-мезоном или $\Sigma^{-}$-гипероном.

Гипероны и $К$-мезоны назвали странными частицами. После рождения эти частицы медленно и независимо друг от друга распадаются за счет слабого взаимодействия.

Для количественного описания парного рождения и медленного распада странных частиц было введено квантовое число $S$ – странность. Поведение странных частиц можно объяснить, если считать, что частицы $\Lambda^{0}, \Sigma$ и $K^{-}$имеют странность $S=-1$, частицы $\Xi-S=-2$ и $\Omega^{-}$-гиперон $-S=-3$. У соответствующих античастиц странность одинакова по модулю, но противоположна по знаку.

При этом странность в сильных и электромагнитных взаимодействиях сохраняется, а в слабых может меняться на $\pm 1$.

Представим сведения о барионных зарядах $B$ и странности $S$ адронов в табл. 9.3. Для соответствующих античастиц $B$ и $S$ имеют противоположные знаки.
Таблица 9.3
В реакции (9.5) протоны, будучи обьчными частицами, странностью не обладают, их $S=0$. Таким образом, $0+0 \rightarrow 0-1+1$, т. е. странность при рождении пары странных частиц сохраняется. Распады же странных частиц на обычные (у которых $S=0$ ) происходит с нарушением закона сохранения странности. Этим нарушением и объясняется медленность распада странных частиц.

Шарм (очарование) $\boldsymbol{C}$ и красота (прелесть) $\boldsymbol{b}$. Эти квантовые числа являются аналогами квантового числа странности $S$. Они сохраняются только в сильных и электромагнитных взаимодействиях. Поскольку квантовые числа $\boldsymbol{C}$ и $\boldsymbol{b}$ присущи немногим, причем экзотическим, частицам ( $D$ – и $F$-мезоны, $\Lambda_{C^{-}}$, $\Lambda_{b}$-барионы), мы этим и ограничимся.