628
Гл. XXVI. Новые достижения в физике элементарных частиц
Начнем с самых легких барионов — с протонов и нейтронов. Пра-
вильные значения квантовых чисел для этих частиц можно получить,
если предположить, что их кварковая структура имеет вид
p = [uud]
и
n = [udd]
. Действительно, тогда барионные заряды этих частиц
B
p
= B
n
=
3
·
1
/
3
=
1, а их электрические заряды
Q
p
=
2
Q
u
+ Q
d
=
2
×
×
2
/
3
−
1
/
3
=
1 и
Q
n
= Q
u
+
2
Q
d
=
2
/
3
−
2
·
1
/
3
=
0. Протоны отличаются
от нейтронов своими электрическими зарядами и значениями изотопи-
ческих ароматов. Как уже говорилось и в этой и в предыдущей гла-
вах, протоны и нейтроны образуют изотопическое семейство нуклонов,
т. е. частиц с очень близкими свойствами. Для объяснения этого сход-
ства надо предположить, что сильные взаимодействия
u
- и
d
-кварков
близки между собой и что кварковые системы, которые отличаются
друг от друга только заменой
u
-кварков на
d
-кварки, очень сходны
по своим основным характеристикам и образуют изотопическое се-
мейство частиц. Отдельные члены такого изотопического семейства
можно рассматривать как различные зарядовые состояния одной и той
же частицы (в данном случае протон и нейтрон — различные со-
стояния нуклона). Подтверждение такой картины можно получить,
если рассматривать свойства мезонов, состоящих из
u
- и
d
-кварков
и соответствующих антикварков. Здесь могут существовать системы
с нулевым барионным зарядом
[u
d]
,
[d u]
и
[u u] [d
d]
1
). О ни обладают
электрическими зарядами
+
1;
−
1 и 0. Самые легкие такие систе-
мы — это уже известные нам
π
+
-,
π
−
- и
π
0
-мезоны, которые также
образуют изотопическое семейство
π
-мезонов. Интересно отметить,
что
π
+
- и
π
−
-мезон — это частица и античастица (как видно из
их кварковой структуры).
π
0
-мезон как истинно-нейтральная частица
(т. е. частица, у которой все заряды равны нулю) тождественна сво-
ей античастице. Принадлежность частицы и античастицы к одному
изотопическому семейству является общим свойством всех мезонов,
состоящих из
u
- и
d
-кварков.
Отнюдь не любые системы, имеющие один и тот же кварковый
состав, должны быть близки между собой по свойствам и входить
в одно изотопическое семейство. Подобно тому как в атомах могут
существовать основные и возбужденные состояния, так и в кварковых
системах помимо основных состояний с наименьшими массами воз-
можны и «возбужденные состояния», характеризующиеся большими
значениями масс. Если эти «возбужденные состояния» лежат доста-
точно высоко и могут, излучая
π
-мезоны, переходить в более низкие
состояния, то такие переходы осуществляются благодаря сильным вза-
имодействиям. При этом «возбужденные состояния» имеют времена
жизни, характерные для сильных взаимодействий (
∼
10
−23
с). Как уже
1
) Так как нейтральные системы u
u, d
d могут переходить друг в друга
(этот процесс можно рассматривать как аннигиляцию u
u-пары и образование
d
d-пары и наоборот), то [u
u] [d
d]-системы — это нейтральная составная
частица, которая часть времени пребывает в состоянии u
u, а часть времени —
в состоянии d
d (т. е. π
0
-мезон).