§ 241. Кварковая модель и процессы образования и распада адронов

Пользуясь правилами кварковой модели (§ 239) и данными табл. 13, 14 (§§ 239, 240), скажем теперь несколько слов о том, как в теории кварков описываются различные адронные реакции. Вспомним, например, образование -мезоиов в нуклон-нуклонных взаимодействиях  (§232). В кварковой модели эту реакцию следует записать следующим образом:

.                                              (241.1)

Мы видим, что реакция образования -мезона свелась к образованию кварк-антикварковой пары  и к перегруппировке кварков между собой. Такая реакция удовлетворяет правилам квартовой модели (§ 239, пункт 4) и может идти. Другой пример — это процесс образования барионов и антибарионов  (такое взаимодействие зарегистрировано на фотографии в пузырьковой камере — рис. 416). В модели кварков имеет место процесс

,                                    (241.2)

т. е. образование двух -пар и одной -пары, которые затем сгруппировались в протон и антипротон.

Рассмотрим теперь реакции образования странных частиц. Здесь также разрешены только такие процессы, которые сводятся к образованию (аннигиляции) кварк-антикварковых пар с определенным ароматом и к перегруппировке кварков. Например, реакция

                                       (241.3)

сводится к аннигиляции -пары и к рождению -пары и поэтому является разрешенной. Она наблюдалась на снимках в жидководородной пузырьковой камере. Вместе с тем, для того чтобы шла реакция

,                                       (241.4)

кварки должны изменяться: два -кварка должны перейти в два -кварка. Согласно основным положениям кварковой модели такие процессы не могут происходить — во всяком случае в сильных и электромагнитных взаимодействиях, в которых ароматы сохраняются. И действительно, реакция (241.4) никогда не наблюдалась ни в одном эксперименте.

Можно рассмотреть и ряд других реакций — например тех, в которых происходит совместное рождение целых групп странных частиц. Такой анализ носит очень простой характер. Как видно из рассмотренных выше примеров, он, по сути, сводится к некоторой «игре в кубики», где под кубиками подразумеваются кварки с определенными ароматами. «Правила игры» здесь сформулированы в постулатах квартовой модели (см. § 239).

В последние годы во многих сильных и электромагнитных процессах при высоких энергиях наблюдались события совместного образования очарованных и прелестных адронов. Распады таких частиц обусловлены слабыми взаимодействиями и характеризуются временами жизни . При этом частицы успевают пролететь очень малые расстояния, которые даже при релятивистском возрастании их времени жизни (см. § 236) оказываются порядка нескольких миллиметров. Для регистрации таких частиц нужны детекторы, которые позволят надежно измерять столь малые расстояния. На рис. 424 представлены снимки событий -взаимодействий, полученные в специальных небольших пузырьковых камерах, в которых удалось получить очень точные фотографии с хорошим пространственным разрешением. На этих снимках наблюдается парше образование очарованных частиц — -мезона и -мезона — в сопровождении других адронов (в основном -мезонов);

 (другие частицы).                                          (241.5)

С точки зрения кварковой модели реакция сводится к образованию некоторого количества кварк-антикварковых пар (в том числе и пары -кварков), которые затем группируются в - и -мезоны и в дополнительные адроны. Вообще надо отметить, что при высоких энергиях в процессах соударений может наблюдаться образование очень большого числа кварк-антикварковых пар, которые проявляются затем во множественном образовании адронов. Одно из таких событий, полученное на встречных пучках протонов и антипротонов при огромной доступной энергии , уже приводилось на рис. 424.

Рис. 424. Образование и распад очарованных  и -мезонов. На рисунке показаны две фотографии событий парного образования очарованых частиц в реакции  (другие частицы) в пузырьковых камерах с высоким пространственным разрешением. -мезоны имеют время жизни  и пролетают расстояния в несколько . Зарегистрированы их распады  и . Вверху справа и внизу приведены схемы соответствующих событий.

Кварковые ароматы не являются строго сохраняющимися квантовыми числами, и они могут меняться в слабых взаимодействиях. Слабые распады адронов поэтому обусловлены переходами кварков с одними ароматами в кварки с другими ароматами (см. § 239, пункт 5). Например, наблюдается распад странных -гиперонов по каналу  (см. фотографию на рис. 419). Этот процесс на языке кварковой модели может быть описан в два этапа. Слабые взаимодействия приводят к переходу , в котором -кварк превращается в -кварк с другим ароматом. Происходит также «слабое» образование кварк-антикварковой пары  с разными ароматами кварков. Таким образом, первый этап гиперонного распада сводится к «слабому» переходу . Затем, на втором этапе, благодаря уже сильным взаимодействиям, происходит перегруппировка кварков с образованием двух адронов — протона и -мезона:

                                (241.6)

Этот пример показывает, что сильные взаимодействия также играют определенную роль в слабых распадах адронов, осуществляя образование сильновзаимодействующнх частиц в конечном состоянии. Однако в основе таких слабых распадов лежит слабый процесс, вызывающий превращения начальных кварков.

В заключение рассмотрим еще -распад нейтронов п-*--*р+е~+<е, о котором уже не раз говорилось (см. §§ 230, 233). Слабые взаимодействия вызывают здесь переход -кварка в -кварк с образованием лептонов  и :

                                             (241.14)

Слабые силы, как видно из этого примера, изменяют индивидуальность не только кварков, но и лептонов, образуя пару лептонов разных типов (о лептонах подробнее будет сказано в следующем параграфе).