§ 79. Странные частицы

Л-мезоны и гипероны были обнаружены в составе космических лучей в начале 50-х годов. Начиная с 1953 г. их получают на ускорителях. Поведение этих частиц оказалось столь необычным, что они были названы странными.

Необычность поведения странных частиц заключалась в том, что рождались они явно за счет сильных взаимодействий с характерным временем порядка , а времена жизни их оказались порядка с. Последнее обстоятельство указывало на то, что распад частиц осуществляется в результате слабых взаимодействий. Было совершенно непонятно, почему странные частицы живут так долго, что мешает им распадаться за счет сильного взаимодействия, в результате которого они возникают. Например, один из процессов рождения странных частиц имеет вид

а распад Л-гиперона идет по схеме

(см. приведенную на рис. 79.1 фотографию треков частиц, полученную в пузырьковой камере с жидким водородом). Поскольку и в рождении, и в распаде Л-гиперона участвуют одни и те же частицы (-мезон и протон), представлялось удивительным, что скорость (т. е. вероятность) обоих процессов столь различна.

Дальнейшие исследования показали, что странные частицы рождаются парами (см. (79.1)). Это навело на мысль, что сильные взаимодействия не могут играть роли в распаде частиц вследствие того, что для их проявления необходимо присутствие двух странных частиц. По той же причине оказывается запрещенным одиночное рождение странных частиц.

В основе запрета каких-либо процессов всегда лежит некоторый закон сохранения. Так, распад свободного протона по схеме запрещен законом сохранения энергии, по схеме — законом сохранения барионного заряда и т. д.

Чтобы объяснить запрет одиночного рождения странных частиц, М. Гелл-Манн и К. Нишиджима ввели в рассмотрение новое квантовое число S, суммарное значение которого должно, по их предположению, сохраняться при сильных взаимодействиях.

Это квантовое число было названо странностью частицы. При слабых взаимодействиях странность может не сохраняться, Поэтому она приписывается только сильно взаимодействующим частицам — мезонам и барионам.

Рис. 79.1.

Так, для К-мезонов а для -гиперонов . Следовательно, процесс (79.1) идет с сохранением странности (суммарная странность как исходных, так и образовавшихся частиц равна нулю), а в ходе процесса (79.2) странность изменяется на единицу. Поэтому процесс (79.2) не может протекать с участием сильных взаимодействий.

Гелл-Манн и Нишиджима связали странность со средним электрическим зарядом частиц, образующих зарядовый мультиплет, и барионным зарядом В частицы:

С помощью данных табл. 78.1 можно найти для каждого из мультиплетов, из табл. 77.1 можно определить значение В для различных частиц (напомним, что у частиц у античастиц Легко убедиться в том, что для нуклонов, антинуклонов, -мезонов и -мезона получается . Например, для нуклонов для антинуклонов Подстановка этих значений в (79.3) дает в обоих случаях Частицы с являются обычными, нестранными.

В то время были известны еще не все -мезоны и гипероны. Гелл-Манн и Нищиджима приписали известным странным частицам такие значения квантового числа S, которые с помощью закона сохранения S могли объяснить особенности их рождения и распада. Это позволило установить возможное число частиц в зарядовых мультиплетах и предсказать существование и свойства новых частиц. Так были предсказаны -гилсроны, а также -мезон, которые впоследствии были обнаружены экспериментально.

Средний заряд для многих мультиплетов оказывается полуцелым. Чтобы не нметь дела с Дробными числами, было введено квантовое число

которое было названо гиперзарядом. В соответствии с (79.3)

Поскольку барионный заряд сохраняется при всех взаимодействиях, гиперзаряд ведет себя так же, как и странность; он сохраняется в сильных и электромагнитных взаимодействиях и может не сохраняться в слабых взаимодействиях.

Легко сообразить, что три квантовых числа и S по сути дела совершенно равноправны — значением одного из них определяются значения двух других. (В предполагается известным.) Из этих трех квантовых чисел самым удобным является гиперзаряд ; поэтому им обычно пользуются вместо 5.

В табл. 79.1 приведены значения гиперзаряда Y, барионного заряда В и странности S для различных зарядовых мультиплетов.

Таблица 79.1

Заметим, что электрический заряд частицы Q может быть выражен через проекцию изотопического спина и гиперзаряд Y (или барионный заряд В и странность S):

В справедливости этого соотношения можно убедиться, воспользовавшись данными табл. 78.1 и 79.1.