§ 82. Систематика элементарных частиц

Закономерности, наблюдаемые в мире элементарных частиц, могут быть сформулированы в виде законов сохранения. Таких законов накопилось уже довольно много (см. табл. 82.1).

Таблица 82.1

Некоторые из них оказываются не точными, а лишь приближенными. Так, например, закон сохранения гиперзаряда Y (или странности S) выполняется в случае сильных и электромагнитных взаимодействий и нарушается в слабых взаимодействиях (соблюдение закона в данном виде взаимодействия указано в табл. 82.1 знаком плюс, нарушение — знаком минус).

Каждый закои сохранения выражает определенную симметрию системы. Законы сохранения импульса р, момента импульса М и энергии Е отражают свойства симметрии пространства и времени: сохранение Е есть следствие однородности времени, сохранение обусловлено однородностью пространства, а сохранение М — его изотропностью. Закон сохранения четности связан с симметрией между правым и левым (Р-инвариант-ность). Симметрия относительно зарядового сопряжения (симметрия частиц и античастиц) приводит к сохранению зарядовой четности (С-инвариантность). Законы сохранения электрического, барионного и лептонного зарядов выражают особую симметрию -функции. Наконец, закон сохранения изотопического спина отражает изотропность изотопического пространства. Несоблюдение одного из законов сохранения означает нарушение в данном взаимодействии соответствующего вида симметрии. Например, электромагнитное взаимодействие нарушает симметрию изотопического пространства, вследствие чего изотопический спин Т не сохраняется в электромагнитных взаимодействиях.

Введение изотопического спина позволило объединить частицы в зарядовые мультиплеты (см. § 78). Расширение схемы изотопического спина привело Гелл-Манна и независимо от него Ю. Неймана к созданию в 1961 г. теории унитарной симметрии элементарных частиц. В этой теории предполагается, что сильное взаимодействие инвариантно относительно специальных преобразований в некотором трехмерном комплексном векторном пространстве (пространстве унитарного спина), которые сохраняют неизменными изотопический спин Т и гиперзаряд Y. Таким способом удается сгруппировать зарядовые мультиплеты в супер мультиплеты (или унитарные мультиплеты). Систему симметрии частиц, устанавливаемую унитарной теорией, называют также восьмеричным путем.

Частицы, составляющие супермультиплет, должны иметь одинаковые спин и четность Р. Они могут отличаться по массе, электрическому заряду, гиперзаряду и изотопическому спину, однако эти величины должны быть связаны между собой определенными правилами.

На рис. 82.1 изображен октет (супермультиплет, включающий 8 частиц), объединяющий мезоны (кроме резонансов). Все они имеют спин, равный нулю, и отрицательную четность. По вертикальной оси отложен гиперзаряд Y, по горизонтальной оси — проекция изотопического спина (третья компонента изотопического спина), по наклонной оси — электрический заряд Q частиц. Частицы мезонного октета расположены в вершинах и в центре правильного шестиугольника. В центре помещаются две частицы: и . В момент создания теории унитарной симметрии были известны только 7 мезонов (кроме ). В соответствии с выводом теории были предсказаны существование восьмого мезона и его свойства. В 1961 г. предсказанный мезон был обнаружен, причем его свойства оказались в хорошем соответствии с предсказаниями теории.

Рис. 82.1.

На рис. 82.2 изображен октет долгоживущих бариоиов. Все частицы имеют спин, равный и положительную четность. В центре шестиугольника помещаются гипероны 2° и Л.

Наконец, на рис. 82.3 показан барионный декуплет (супермультиплет, объединяющий 10 частиц). Он включает 9 резонансов и долгоживущую «настоящую» частицу -гиперон. Спин всех частиц равен четность положительна. Частицы располагаются на диаграмме в виде правильного треугольника. Справа на рисунке указаны масса частиц m и разность масс выраженные в МэВ. Примечательно, что при переходе от одной группы частиц к другой масса изменяется на почти одинаковую величину МэВ).

В момент создания теории Е-гипероны и -частица еще не были известны. Резонансы были обнаружены в 1962 г. Оставалась незаполненной вершина пирамиды. Гелл-Манн предсказал, что отвечающая ей частица должна иметь спин, рарный гиперзаряд и массу около 1675 МэВ (на 1145 МэВ больше, чем масса Н-частиц), Почти тотчас же начались планомерные поиски этой частицы, получившей название -гиперона.. В Брукхэвенской лаборатории для этой цели были использованы ускоритель на 33 ГэВ и двухметровая пузырько камера, содержавшая 900 литров жидкого водорода. Было сделано около 300000 снимков, прежде чем на одном из них в январе 1964 г. был зафиксирован процесс рождения и распада .

Ее свойства, в частности масса, в точности совпадали с предсказанными теорией. Таким образом, открытие -гипе рона явилось триумфом теории унитарной симметрии.

Возникает вопрос, почему «настоящая» частица -гиперон, живущая приблизительно с, попала в один декуплет с резонансами, время жизни которых порядка с. Причина такой

Рис. 82.2.

Рис. 82,3,

«живучести» -гиперона заключается в том, что его гиперзаряд равен —2 (странность ). Из-за этого -гиперон не может распадаться за счет сильных взаимодействий, с участием которых распадаются остальные частицы декуплета.

Входящие в декуплет резонансы распадаются по схемам

где -нуклон, — соответствующие гипероны. В ходе всех этих процессов гиперзаряд (а значит, и странность) сохраняется (в этом легко убедиться, сопоставив диаграммы, изображенные на рис. 82.2 и 82.3). Следовательно, распады происходят за счет сильных взаимодействий с характерным временем .

В случае -гиперона сохранение гиперзаряда (странности) могло бы иметь место при распаде на две или большее число странных частиц.

К числу таких процессов, в которых, кроме гиперзаряда, сохраняются также электрический и барионовый заряды, относятся:

Однако эти процессы запрещены законом сохранения энергии. Таким образом, -гиперон может распадаться, лишь нарушая закон сохранения гиперзаряда, т. е. за счет слабых взаимодействий. Соответственно время его жизни равно с. Распад осуществляется по одной из следующих схем:

Спин -гиперона равен спин и -гиперонов равен спин и -мезонов равен нулю. Однако закон сохранения момента импульса не нарушается, так как образующаяся пара частиц обладает орбитальным моментом импульса, равным 1. Следовательно, суммарный момент импульса этих частиц равен