Возникновение новых частиц. Аннигиляция. Другие пары частиц и античастиц, страница 13

В табл. 2 перечислены частицы, считающиеся, согласно этой теории, «истинно элементарными». Здесь мы видим шесть типов кварков (из которых экспериментально обнаружены пока пять — кроме t-кварка[5]), а также шесть типов лептонов, которые могут существовать в свободном виде и частично были известны ранее (все лептоны имеют спин - ¹/₂)- Вместе с соответствующими античастицами они дают тот набор структурных форм, из которых можно составить сотни известных частиц. Фотон представляет собой самостоятельный тип элементарной частицы с нулевым зарядом и массой. Барионы состоят из трех кварков, а мезоны — из пары кварк — антикварк. Например, согласно этой схеме, протон состоит из одного кварка dи двух кварков и(символ duu), нейтрон — из двух кварков dи одного кварка и (ddu)и т. д. Антипротон и антинейтрон аналогичным образом «сложены» из антикварков. Пи-мезоны, осуществляющие перенос ядерных взаимодействий, также состоят из комбинаций кварков ии dи соответствующих антикварков (например, p⁺-мезон имеет структуру ud^-, p^--мезон — u^-dи т. д.). Другие пары кварков, обозначенных s и c, bи t, «нужны» только для описания структуры частиц, возникающих при высоких энергиях. Наиболее распространенные и важные для строения вещества частицы можно, таким образом, построить всего лишь с помощью двух «обыкновенных» и-и d-кварков, электрона и электронного нейтрино. В реакциях, обусловленных слабыми взаимодействиями, d-кварк может превратиться в u-кварк или наоборот; сходное взаимное превращение возможно и между s-и с-кварками. Для античастиц и сложенного из них «антивещества» такую же структурную основу составляют антикварки и^-и d^-вместе с позитроном и электронным антинейтрино.

Итак, приведенные в табл. 2 кварки мы можем сгруппировать в пары d — ии s — с, а лептоны — в пары е — n_e и m— n_m, причем для «обычных» частиц достаточно лишь двух первых пар. Однако, как подсказывает логика и говорят теоретические расчеты, должна существовать еще третья пара кварков, а именно bи t(из которых b-кварк уже надежно экспериментально установлен.— Ред.) и третья пара лептонов, обозначенная t («тау») и n_tвместе со своими античастицами. (Частица t с массой покоя около 1,9 ГэВ, несущая отрицательный элементарный заряд, действительно уже открыта.) Такая таблица элементарных частиц на современном уровне знаний представляется достаточно полной, хотя и незавершенной .

Отрицательно заряженный пион, согласно кварковой модели нестабильных частиц, состоит из d-кварка и u-антикварка, а положительно заряженный пион — из u-кварка и d-антикварка. Распад пиона — это не что иное, как аннигиляция d-кваркa с u-антикварком (или соответственно u-кварка с d-антикварком), при этом возникают мюон и нейтрино.

Особенно интересно, как кварковая модель объясняет тот экспериментальный факт, что в столкновениях протонов с протонами (или иными частицами), даже происходящих при самых высоких энергиях, не высвобождаются кварки, а только возникают новые частицы, например мезоны, пара протон — антипротон, гипероны и т. д. На рис. 35 схематически представлена последовательность процессов, которые протекают, если попытаться каким-то способом — хотя бы посредством столкновения фотона с одним из кварков — отделить и освободить кварк из тройки, образующей протон. Кварк, испытывающий столкновение (и тем самым получающий добавочную энергию), «взбирается» вверх по склону потенциальной ямы, удаляясь от остальных двух кварков, при этом его кинетическая энергия переходит в потенциальную. Но поскольку склон, как мы знаем, бесконечно высок, кварк не может преодолеть его при сколь угодно большой первоначальной кинетической энергии и даже в том случае, если он и далее каким-то образом получает энергию извне. Если энергия, переданная кварку в столкновении, была больше 700 МэВ, т. е. более чем вдвое превышала энергию, эквивалентную массе покоя и-или d-кварка на дне потенциальной ямы (2m_кв × с² = 680 МэВ), то кварк, поднимаясь по склону потенциальной ямы, образует еще пару кварк — антикварк: этот процесс сходен с возникновением пары протон — антипротон. Кварк (новый) из этой пары возвращается к двум оставшимся, дополнив их до первоначальной тройки (т. е. до протона). А возникший антикварк объединяется с исходным кварком; при этом образуется пион, который покидает область, где находится восстановленная тройка кварков (т. е. протон) и движется как свободная, самостоятельная частица. В процессе последующего самопроизвольного распада пиона возникают мюон и мюонное нейтрино.