Накопленный фактический материал, который включает большое количество данных о массах, заряды, спины, способы распада и рождения частиц, способствовал выработке феноменологического подхода, на основе некоторых новых понятий, таких как изотопический спин, странность, лептонный и барионный заряды и т.д..
По общим правилам квантовой теории, этим понятием отвечает дискретный набор чисел, названных квантовыми, для которых формулируются эмпирические законы сохранения и отбора, установленных с разной степенью точности. На основе этих знаний возникла первичная система элементарных частиц. Понятие, положенные в основу современной классификации элементарных частиц, не имеют простых классических аналогов. Они были произведены при попытке объяснить те закономерности, которые наблюдаются на опыте.
Одна из основных задач будущей теории - объяснить происхождение установленного спектра значений соответствующих квантовых чисел, подобно тому как квантовая механика объяснила спектр значений квантовых чисел электрона в атоме. Теперь в физике высоких энергий известно достаточно много элементарных частиц и с помощью квантовых чисел можно дать исчерпывающую характеристику каждой из них. Рассмотрим эти квантовые числа.
1. Каждая частица характеризуется массой т. Для частиц, движущихся со скоростью света (фотон), масса равна нулю. Для других частиц она отличается от нуля. В физике высоких энергий масса частиц выражается в энергетических единицах.
2. Электрический заряд q выражается в единицах заряда электрона и для всех известных ныне элементарных частиц набирает только целочисленных значений: 0, ± 1. Элементарных частиц с большим электрическим зарядом не обнаружено.
3. До открытия антинуклонив (антинейтрон был открыт в 1956 г.) можно было сформулировать закон сохранения числа нуклонов так: общее число нуклонов в любых преобразованиях остается неизменным. В связи с явлением аннигиляции нуклонов и антинуклонив было введено новое понятие - барионный заряд Б. Нейтрон и протон имеют барионный заряд, равный +1, а антинейтрон и антипротон -1. Вместо сохранения числа нуклонов говорят о законе соберет-ния барионного заряда. При любых преобразований в природе барионный заряд сохраняется. Этот закон достаточно условный, но он отражает фундаментальное свойство природы: тяжелые частицы при преобразованиях не могут полностью распадаться на легкие. Закон сохранения барионного заряда близкий по форме к закону сохранения электрического заряда - в природе существуют только такие электрические заряды, значение которых кратное заряда электрона. Поэтому сказать, что электрический заряд сохраняется, - это все равно, что сказать: сохраняется разность числа частиц, заряженных положительно, и числа частиц, заряженных отрицательно. Заряд, таким образом, приобретает новый смысл - он становится отличительным признаком, по которому можно подсчитать число частиц различного типа. Как электрический заряд помогает подсчитать число заряженных частиц, так барионный заряд помогает подсчитать число тяжелых частиц - барионов. Электрический заряд равен нулю для нейтрона, е-мезона, фотона. Барионный заряд равен нулю для лептонов и мезонов. Нуклонов и гиперонов (барионов) присущ барионный заряд +1, антибарионам соответствует барионный заряд -1.
4. Экспериментально не наблюдается безнейтринний двойной ?-распад нейтрона, хотя он не противоречит законам сохранения электрического и барионного зарядов. Отсутствие такого процесса можно объяснить, предположив, что с каждой частицей связан еще лептонный заряда который отличен от нуля только для легких частиц - лептонов. Электронный лептонный заряд Le равен +1 для электрона е ~ и электронного нейтрино ve и -1 для позитрона е + и электронного антинейтрино vg и равна нулю для других частиц. Мюонный лептонный заряд L ^ равен +1 для отрицательного мюона и мюонного нейтрино и -1 для положительного мюона и мюонного антинейтрино v ^ и равна нулю для всех других частиц. В случае изолированной системы элементарных частиц алгебраическая сумма лептонного заряда остается неизменной. Это положение выражает закон сохранения лептонного заряда Le и L ^.
Каждой элементарной частице с определенным набором четырех квантовых чисел (зарядов) - <7, В, Le, Lц отвечает другая частица, для которой все эти четыре числа имеют противоположные знаки. При этом масса, спин, время жизни в таких частиц одинаковы. Такие две частицы образуют пару частица - античастица. Частицы, для которых эти четыре заряды равны нулю, при изменении знаков зарядов переходят сами в себя (у-фотон, тг °-мезон). Известный также третий лептонный заряд LT, с помощью которого отличают недавно открытый т-лептон от электрона и мюона.
5. В 1951-1961 pp. было открыто группу частиц, свойства которых настолько непривычны, что их стали называть странными. Для характеристики таких частиц ввели новую величину - странность S.
Необычность в поведении этих частиц состояла прежде всего в том, что рождались они в результате сильных взаимодействий время построке 10 с. Исходя из оборачиваемости реакций, следует ожидать, что они розпадатимуться за такое же время. Тем более, что распад вследствие сильных взаимодействий энергетически возможен для всех странных частиц. Однако время жизни этих частиц составляет не 10 с,
10 ... 10 с, то есть они распадаются очень медленно, за время, характерный для слабых взаимодействий. Значит, что-то мешает им распадаться под воздействием сильных взаимодействий, в результате которых они образуются. Далее оказалось, что странные частицы всегда рождаются только парами. Это навело на мысль, что сильные взаимодействия не играют роли при распаде странных частиц вследствие того, что для их проявления необходимо наличие двух таких частиц. Однако в основе любого процесса всегда лежат законы сохранения. Так, тяжелые частицы (например, нуклоны) не могут распасться на легкие, поскольку это запрещено законами сохранения барионного и лептонного зарядов, а распад свободного протона в нейтрон, позитрон и нейтрино запрещен законом сохранения энергии. Для объяснения запрета единичного рождения странных частиц М. Гелл-Манн и К. Нишиджы-ю ввели новое квантовое число, которое получило название странности частицы. Частицам, не участвующих в сильных взаимодействиях, условились приписывать значение странности S = 0. Для других частиц, участвующих в сильном взаимодействии, странность отлична от нуля и принимает значения ± 1, ± 2, ± 3. Частицы с большим значением странности пока неизвестны. Закон сохранения странности можно сформулировать так: алгебраическая сумма странностей частиц до и после реакции равна друг другу. Из закона сохранения странности следует объяснение парного возникновения странных частиц. Действительно, странные частицы рождаются при столкновениях обычных частиц, суммарная странность которых равна нулю. Однако тогда суммарная странность рождения частиц имеет также равна нулю и, следовательно, обязательно возникнут частицы с отрицательной и положительной странность. Исходя из закона сохранения странности, можно объяснить невозможность распада странных частиц сильной и электромагнитной взаимодействиями. 6. Во всех процессах с элементарными частицами строго выполняется закон сохранения спина, который в первом приближении можно рассматривать как закон незнищуваности вращательного движения материальных объектов. Классическим аналогом спина является момент вращения волчка вокруг своей оси. Однако при этом следует помнить, что, во-первых, спин - это неотъемлемое свойство элементарных частиц, его невозможно изменить, во-вторых, спин может равняться только полностью или пивцилому числу постоянной Планка, деленной на 2л (h / ( 2л)), и, в-третьих, в частицы ось «вращение» может быть ориентирована лишь в нескольких определенных направлениях.
Со спином связана поведение частицы в группе одинаковых частиц, или так называемая статистика частиц. Существует два типа статистик: статистика Ферми - Дирака для частиц с пивцилим спиновым числом 1/2, 3/2, ... и статистика Бозе - Эйнштейна для частиц с целым спиновым числом 0, 1, 2, ... . Частицы, имеющие пивцилий спин, называют фермионами. К ним относятся все легкие частицы - лептоны и все тяжелые частицы - барионы. Для них подтверждается принцип Паули, который утверждает, что в определенной системе тождественных фермента Мион любые два из них не могут одновременно находиться в одном квантовом состоянии. Частицы с целым спином называют бозонами, к ним относятся фотон и все мезоны - частицы промежуточной массы. В случае бозонов в одном и том же состоянии может находиться произвольное количество частиц.
7. Представление о изотонический спин впервые было введено в физику для объяснения факта единообразия ядерных взаимодействий протона и нейтрона. Электромагнитные свойства этих частиц существенно отличаются: протон электрически заряжен, нейтрон - нет, магнитный момент протона - положительный, нейтрона - отрицательный. Итак, в электромагнитных взаимодействиях участвуют две различные частицы, а в сильных - одна, находится в двух различных состояниях: нейтронном и протонному. Два состояния (протонный и нейтронный) одной частицы - нуклона - напоминают ситуацию со спином электрона. Электрон в реальном пространстве может иметь только два фиксированных положения: либо вдоль некоторого выбранного направления, или навстречу ему. При этом электронный приписывают понятие спина со значением его проекций ± 1/2. Нуклон, кроме обычного спина, для описания их зарядовых свойств по аналогии приписывают понятие изотопич-ного спина со значением проекций ± 1/2. Проекции изоспину также отчисляют от выбранного направления, но уже в некотором абстрактном изо-топической пространстве. При этом нейтрона приписывают значение проекции изоспину -1 / 2, протона-+1 / 2. Подобная ситуация бывает и при электромагнитных и сильных взаимодействиях пионов. Введение квантового числа I (изотопического спина) позволяет выяснить поведение элементарных частиц относительно сильных и электромагнитных взаимодействий. Сильные взаимодействия зависят только от абсолютного значения вектора изоспину, тогда как электромагнитное взаимодействие зависит и от ориентации этого вектора в изотопическом пространстве.
Изоспин частицы введено по аналогии с обычным спином, и поэтому он математически характеризуется теми же формальными свойствами, что и обычный спин. Однако физический смысл их существенно различен. Если спин как квантовая характеристика частиц возникает из свойств симметрии (изотропность) реального пространства и не зависит от вида взаимодействия, в которых частица участвует, то изоспин как квантовая характеристика имеет смысл вектора в некотором формальном пространстве - изопростори, который проявляет свойства изотропии только для определенной (сильной) взаимодействия.
Итак, слово «спин», фигурирующее в названии нового квантового числа I-изотопического спина, подчеркивает лишь тот факт, что математический аппарат, который его описывает, такой же, как и математический аппарат обычного спина. Заметим, что квантовое число И нет никакого отношения к изотопов. Слово «изотопический» в его названии появилось из-за того, что протон и нейтрон относительно сильного взаимодействия являются разновидностями одной частицы - нуклона, подобно тому как изотопы образуют разновидности определенного химического элемента. Введение понятия изотопического спина имело большое значение для изучения сильных взаимодействий, обладающих зарядовая независимость, а также наметили пути в установлении систематики элементарных частиц. Исследования показали, что во всех процессах, связанных с преобразованиями элементарных частиц, обусловленными зарядово-независимыми сильными взаимодействиями, выполняется закон сохранения изотопического спина. При этом сохраняется как сам изотопический спин /, так и его проекция И2. Для электромагнитных взаимодействий сохраняется только его проекция И2, значение изотопического спина не сохраняется. При слабых взаимодействиях изменяются как и в так и И2.
8. Среди величин, характеризующих элементарные частицы, есть еще одна чисто квантово-механическая величина, которую называют четностью Р. Рассмотрим ее. Известно, что в квантовой механике состояние одной частицы или системы частиц описывается волновой функцией, которая удовлетворяет уравнения Шредингера и зависит от координат и времени. Во четностью состояния или четностью волновой функции, понимают характер его поведения при пространственной инверсии - изменении знака всех координат частицы на противоположные (х на-х, в на-у, z на-z), что эквивалентно зеркальном отражению, или перехода от право -винтовой системы координат к ливогвинтовои. При такой пространственной инверсии возможны два случая: волновая функция остается неизменной или меняет свой знак на противоположный. В первом случае волновая функция является четной, а во втором - нечетным.
Поведение волновой функции при инверсии определяется внутренними свойствами частиц, которые она описывает. Именно для того, чтобы отметить это, и вводят новое квантовое число Р. частицы с парной волновой функцией приписывают положительную четность (Р = +1). Считают, что частицы с нечетным волновой функцией имеют отрицательную четность (Р = -1). Четность системы частиц определяется произведением четности отдельных частиц, входящих в состав системы.
Из квантовой механики следует закон сохранения четности, который утверждает: при всех преобразованиях, которые испытывает система частиц, четность состояния остается неизменной. Закон сохранения четности означает, что процессы в природе не зависят от выбора правогвинто-ной или ливогвинтовои системы координат, в которых эти процессы изучают, или, что то же, нет разницы между объектом и его зеркальным отражением. Итак, закон сохранения четности связан со свойствами зеркальной симметрии пространства. До 1956 г. считали, что закон сохранения четности имеет общий характер и выполняется при всех видах взаимодействия. В 1956 г. было выяснено, что при слабых взаимодействиях закон сохранения четности нарушается.
Мы рассмотрели основные квантовые числа элементарных частиц. * Каждое из них объединяет большую группу частиц по тому признаку, которую она. Электрический заряд разделяет все частицы на заряжены положительно, заряжены отрицательно и нейтральные. Барионный заряд объединяет частицы в большую группу барионов, для которых он отличен от нуля. Отметим, что барионы могут быть электрически нейтральными или заряженными положительно или отрицательно. Лептонный заряд объединяет группу легких частиц - лептоны, участвующие в электромагнитных и слабых взаимодействиях и не участвуют в сильных. Странность группирует частицы на странные, куда входят как барионы, так и мезоны с барионным зарядом, равным нулю, и на обычные - неудивительны, куда также входят барионы и мезоны, но с нулевой странность. Обычный спин разделяет все частицы на фермионы (с пивцилим спином) и бозоны (с целым спином), каждой группе из которых соответствует своя статистика. То же можно сказать и о изоспин, который объединяет известные нам частицы в изотопическом мультиплете. Итак, с помощью квантовых чисел можно полностью охарактеризовать каждую элементарную частицу. Однако следует отметить их существенное отличие, которое прежде всего состоит в том, что не все они являются универсальными квантовыми числами, способными описывать все виды взаимодействия.