11. СХЕМЫ СИЛЬНОЙ СВЯЗИ

Пусть даны частицы — гипероны и мезоны, и мы знаем, что они участвуют в сильных взаимодействиях. Следующая задача состоит в том, чтобы установить, какие из них сильно связаны между собой и каким именно способом. Эти связи должны удовлетворять законам сохранения числа нуклонов, заряда, изотопического спина и странности, однако всех этих условий далеко недостаточно для того, чтобы определить связи полностью. В каких связях, например, участвует пион, кроме взаимодействий с нуклонами (8-1) и (8-2)? Есть ли это связь и какого типа и интенсивности, и т. д.? И наконец, какова количественная характеристика связи К-мезона (9-4) в реакциях, таких как , К или ? Даже спины частиц нам пока неизвестны. Изучение распада определенно указывает на то, что пионы не уносят угловой момент, вследствие чего спин каона, по всей вероятности, равен 0. Но экспериментальные данные о и еще не полны, хотя и имеются указания на спин у и . Вероятно, все гипероны имеют спин , а мезоны — спин 0.

Модель Ферми—Янга.

Как пример из сонма моделей, предложенных для объяснения сильных взаимодействий, я рассмотрю предложение Ферми и Янга.

Допустим, что нейтрон и протон имеют заряд, аналогичный электрическому заряду, но одного и того же знака, что связывает их с векторным мезоном очень большой массы. Тогда -система должна испытывать силу притяжения с коротким радиусом действия, подобную электрическому притяжению с большим радиусом действия в системе .

Рис. 11-1.

Рис. 11-2.

Нейтрон и антипротон имеют суммарную массу , и мы также допустим, что они связаны силами притяжения очень сильно, скажем, с энергией связи около 1600 . Если силы центральны, то полный момент будет равен 0, четность = -1 и мы получим -мезон, т. е. . Аналогично . Типичные диаграммы имеют вид, приведенный на рис. 11-1, где волнистой линией изображен обмен векторным мезоном. Мы также ожидаем, что должны сущестовать связанные системы и . Какая из них является -мезоном?

Заметим, что для и -систем возможны дополнительные диаграммы (рис. 11-2), которых нет в и -случаях. Оказывается, что система, которая имеет ту же самую энергию, что и и , и не аннигилирует, это

Мы получаем изотопический триплет. Другая комбинация

может либо не быть связанной, либо иметь другую энергию, возможно, большую, и представлять новый мезон с изотопическим спином , который еще не был открыт.

Для того чтобы получить остальные частицы, необходимо ввести по крайней мере еще одну «фундаментальную» частицу, несущую странность. Возьмем для этой цели . Тогда

Странность есть как раз число -гиперонов! Итак, вы видите, что можно представить себе все сильно взаимодействующие частицы составленными из и и получить этим путем сохраняющиеся изотопический спин и странность.

Я раскрою вам мою тайную мысль: невозможно указать, является ли частица «элементарной», или состоит из «элементарных» частиц. Другими словами, все схемы составных частиц будут давать эквивалентные результаты (если мы смогли бы рассчитать их), и нет способа найти различие между ними.

Для системы, состоящей из частиц, массы которых велики по сравнению с полной энергией связи (ядра, атомы), имеет смысл говорить о составной системе и ее составных частях. Но когда энергия связи сравнима с массой свободной частицы, неправильно делать различие между составной и элементарными частицами. Каким образом более ясно сформулировать эту идею и как извлечь из нее практические следствия? Я не знаю.

Детальные схемы сильных взаимодействий, предлагаемые на основе теоретических соображений, носят, как правило, спекулятивный характер. Мы опишем еще две из них. Одна, называемая глобальной симметрией, предложена Гелл-Манном [7]. Она исходит из того, что все гипероны имели бы одинаковую массу и были бы различными состояниями октета (мультиплета с восемью составляющими), если бы не было взаимодействий с -мезонами. Два новых состояния образуются линейными комбинациями и , именно

Затем предполагается, что структура и интенсивность пионных взаимодействий не изменятся, если в связях (8-1), (8-2) пионов с и пару нуклонов заменить на , или на , или на . Каонные связи, нарушающие эту симметрию, остаются неопределенными.

Согласно другой идее пионы непосредственно взаимодействуют с вектором изотопического спина и эта связь ответственна за расщепление масс и . Каоны связывают и квартет , а также и квартет таким образом, что это взаимодействие не расщепляет -квартет (при этом связи между и имеют различные коэффициенты). (В обозначениях Гелл-Манна [7] мы полагаем

Относительные значения масс в этой схеме хорошо соответствуют наблюдаемым значениям. К сожалению, решающие опыты для проверки этой схемы еще не найдены.

Существует большая экспериментальная программа по исследованию рождения каонов в ядерных соударениях, с помощью фотонов, и изучению взаимодействий этих мезонов с ядрами, и т. д. Но, строго между нами — теоретиками: Что мы будем делать со всеми этими данными? Мы не можем сделать ничего существенного. Перед нами стоит очень сложная задача, и требуется революционная идея, что-то подобное теории Эйнштейна. Возможно, что результаты всех этих опытов приведут к каким-то идиотским неожиданностям и окажется возможным вычислять все эффекты, исходя из одного простого правила.

В этом случае то, что мы делаем сейчас, больше всего похоже на сложные модели, изобретенные в свое время для объяснения водородных спектров, которые, как оказалось позже, удовлетворяют очень простым закономерностям.

И еще одно замечание по поводу сильных связей. Имеется прямое свидетельство того, что -частица сильно взаимодействует с нуклонами. Существуют гиперфрагменты (лучше было бы назвать их гиперядрами), в которых связана с несколькими нуклонами. Например, гиперядро было обнаружено как фрагмент, возникающий при захвате ядром -мезона. Это гиперядро состоит из двух протонов, нейтрона и -частицы, связанных вместе. Энергия связи составляет несколько . Такая система нестабильна, так как слабая реакция (9-1) -частицы создает возможность распада с высвобождением пиона и 37 МэВ энергии (пион может быть виртуальным или быть вновь захвачен, а его энергия покоя перейдет в кинетическую энергию нуклонов в звезде). Изучение подобных гиперядер может дать в конечном счете сведения о силе взаимодействия между и нуклонами. Во всяком случае, оно примерно так же велико, как и нуклон - нуклонное взаимодействие. За дальнейшими подробностями мы отсылаем к обзорной статье Далитца [8].

Дополнительные сведения о сильных связях могут быть извлечены из их сопоставления со слабыми взаимодействиями. Так, например, магнитные моменты и электромагнитные разности масс, так же как и относительные скорости различных процессов слабых распадов, могут дать информацию о структуре сильно взаимодействующих частиц. Однако теоретический анализ всех явлений, связанных с сильными взаимодействиями, чрезвычайно затруднен из-за нашей неспособности проводить количественные расчеты сильных связей.