Фундаментальная структура материи. Частицы и силы. Новые элементарные частицы, страница 6

Барионы, к числу которых относятся протон и нейтрон, состоят из трех кварков; поэтому их заряд всегда должен быть равен целому числу элементарных зарядов или нулю. Каждый из мезонов состоит из одного кварка и одного антикварка. Как мы видели ранее, любая элементарная частица имеет «зеркальное отражение», или античастицу; то же свойство сохраняется и для кварков. Каждый кварк должен иметь барионное число, равное ¹/₃, так как три кварка вместе должны составлять барион. Поэтому антикварки должны иметь барионное число — ¹/₃, чтобы результирующее барионное число каждого мезона, как и должно быть, равнялось нулю.

Предложенная Гелл-Маном схема описывает многие свойства, наблюдаемые у адронов, причем все возрастает уверенность в том, что модель кварков действительно дает хорошее (адекватное) описание адронов. Однако пока не удалось наблюдать ни одного кварка. Благодаря своему дробному заряду они должны были бы оставить безошибочно наблюдаемые следы, если бы они только возникли в каком-либо эксперименте. Поиски кварков велись очень тщательно, но пока безуспешно.

Поэтому в настоящее время считается, что кварки не могут существовать в свободном состоянии: они «заперты» внутри адрона, где движутся, подобно обычным элементарным частицам. Немало успехов достигнуто в описании их поведения, а тем самым — и поведения адронов, частью которых они являются. Однако, согласно этой точке зрения, выделить кварки вообще не представляется возможным.

Силы

Вновь возникает вопрос о том, какая сила удерживает кварки вместе и определяет их движение. Как и раньше, мы считаем, что подобная сила (которая должна быть сильной, так как она обусловливает уже известное нам сильное взаимодействие) должна переноситься неким полем, которому сопоставляются соответствующие кванты, или частицы. Эти частицы получили название глюонов (от англ. glue — клей), поскольку они образуют своего рода «клей», связывающий кварки. Введением глюонов на сегодняшний день исчерпан список фундаментальных составляющих, необходимых для построения адронов и описания сильных взаимодействий.

Изучение слабого взаимодействия приводит к предположению о существовании еще одной важной частицы. Чтобы убедиться в этом, напомним, что все остальные взаимодействия — электромагнитное, сильное и даже гравитационное — можно представить диаграммами типа той, что изображена на рис. 2.5, где в каждой вершине сходятся только три линии. В качестве типичного примера слабого взаимодействия рассмотрим распад нейтрона (соответствующая ситуация изображена на рис. 2.7, а). Нейтрон распадается на протон, электрон и нейтрино, и если все это происходит в одном элементарном процессе, то в одной точке должны были бы сходиться четыре линии. Четверная вершина представляет большие трудности для теоретического описания, и возникает вопрос, не выглядит ли истинная картина взаимодействия, например, так, как показано на рис. 2.7,6. Здесь волнистая линия соответствует частице нового типа, называемой промежуточным векторным бозоном.

Если эта частица очень массивная, то энергии, необходимой для ее рождения, будет недостаточно, но ее можно где-то «занять». Массивность такой частицы означает, что слабая сила должна действовать только на очень коротких расстояниях. Поэтому такой процесс очень трудно отличить от процесса, изображенного на рис. 2.7, а, где все превращения происходят в одной точке.