§ 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).