Моделирование в физике элементарных частиц (стр. 11 из 13)
Адроны наряду с сильными взаимодействиями участвуют также в слабых. С точки зрения кварковой модели адронов это означает, что в слабом взаимодействии участвуют кварки. Обмен глюонами, ответсвенный за сильные взаимодействия, меняет только цвет кварков, оставляя все его остальные свойства неизменными. При слабом взаимодействии кварки обмениваются промежуточными бозонами W+, W-, и Z0. Этот обмен приводит к изменению аромата кварков, то есть почти всех его свойств.
Распад нейтрона за счет взаимодействия в кварковой модели выглядит так. Один из двух d-кварков нейтрона испускает W—мезон и превращается в u-кварк. В результате образуется протон, состоящий из одного d-кварка и двух u-кварков. W—мезон распадается на лептоны: электрон и антинейтрино. Таким образом, слабые взаимодействия осуществляют определенную связь между кварками и лептонами – частицами, которые в первую очередь можно считать истинно элементарными.
3.2 Кварковая модель адронов
Кварковую модель адронов начнем описывать с рисунка силовых линий, исходящих из источника - кварка с цветным зарядом и заканчивающихся на антикварке (рис. 10 б). Для сравнения на рис. 10, а мы показываем, что в случае электромагнитного взаимодействия силовые линии расходятся от их источника - электрического заряда веером, ибо виртуальные фотоны, испущенные одновременно источником, не взаимодействуют друг с другом. В результате получаем закон Кулона.
В отличие от этой картины глюоны сами обладают цветными зарядами и сильно взаимодействуют друг с другом. В результате вместо веера из силовых линий мы имеем жгут, показанный на рис. 10 б. Жгут протянут между кварком и антикварком, но самое удивительное то, что сами глюоны, имея цветные заряды, становятся источниками новых глюонов, число которых нарастает по мере их удаления от кварка. Такая картина взаимодействия соответствует зависимости потенциальной энергии взаимодействия между кварками от расстояния между ними, показанной на рис. 11. А именно: до расстояния R > 10-13 см зависимость U(R) имеет воронкообразный характер, причем сила цветного заряда в этой области расстояний относительно невелика, так что кварки при R > 10-15 cм в первом приближении можно рассматривать как свободные, невзаимодействующие частицы. Это явление имеет специальное название асимптотической свободы кварков при малых R. Однако при R больше некоторого критического
cм величина потенциальной энергии взаимодействия U(R) становится прямо пропорциональной величине R. Отсюда прямо следует, что сила F = -dU/dR = const, то есть не зависит от расстояния. Никакие другие взаимодействия, которые физики ранее изучили, не обладали столь необычным свойством.Расчеты показывают, что силы, действующие между кварком и антикварком, действительно, начиная с
см, перестают зависеть от расстояния, оставаясь на уровне огромной величины, близкой 20 т. На расстоянии R ~ 10-14 м цветные силы более чем в 100 тыс. раз больше электромагнитных.Если сравнить цветную силу с ядерными силами между протоном и нейтроном внутри атомного ядра, то оказывается, что цветная сила в тысячи раз больше. Таким образом, перед физиками открылась новая грандиозная картина цветных сил в природе, на много порядков превышающих ныне известные ядерные силы. К сожалению, такие силы нельзя заставить работать как источник энергии.
Естественно, встает и другой вопрос: до каких расстояний R между кварками потенциальная энергия линейно растет с ростом R? Ответ простой: при больших расстояниях жгут силовых линий рвется, так как энергетически более выгодно образовать разрыв с рождением кварк-антикварковой пары частиц. Это происходит, когда потенциальная энергия в месте разрыва больше массы покоя кварка и антикварка. Процесс разрыва жгута силовых линий глюонного поля показан на рис. 10 в.
Такая качественная модель о рождении кварка-антикварка позволяют понять, почему одиночные кварки вообще не наблюдаются и не могут наблюдаться в природе. Кварки навечно заключены внутри адронов. При высоких энергиях жгуту может быть выгоднее разорваться сразу во многих местах, образовав множество
-пар. Таким путем мы подошли к проблеме множественного рождения кварк-антикварковых пар и образованию жестких кварковых струй.Чрезвычайно важно, что оба партнера пары имеют при этом одинаковый цветной заряд и такой же антизаряд, так что их пара независимо от ароматов кварков не имеет цвета.
Все кварки и антикварки имеют спин, равный 1/2h. Поэтому суммарный спин сочетания кварка с антикварком равен либо 0, когда спины антипараллельны, либо 1, когда спины параллельны друг другу. Но спин частицы может быть и больше 1, если сами кварки вращаются по каким-либо орбитам внутри частицы.
В табл. приведены некоторые парные и более сложные комбинации кварков с указанием, каким известным ранее адронам данное сочетание кварков соответствует.
| Кварки | Мезоны | Кварки | Барионы | ||
| J=0 | J=1 | J=1/2 | J=3/2 | ||
| частицы | резонансы | Частицы | резонансы | ||
 |  (пион+) |  (ро+) | uuu |  (дельта++) | |
 |  (пион-) |  (ро-) | uud | P (протон) |  (дельта+) |
 |  (пион0) |  (ро0) | udd | N (нейтрон) | \Delta^0 (дельта0) |
 |  (эта) |  (омега) | ddd |  (дельта-) | |
 |  (каон0) |  (каон0*) | uus |  (сигма+) |  (сигма+*) |
 |  (каон+) |  (каон+*) | uds |  (лямбда0) |  (сигма0*) |
 |  (каон-) |  (каон-*) | dds |  (сигма-) |  (сигма-*) |
 |  (дэ+) |  (дэ+*) | uss |  (кси0) |  (кси0*) |
 |  (де-эс+) |  (дэ-эс+*) | dss |  (кси-) |  (кси-*) |
 | Чармоний |  (джей-пси) | sss |  (омега-) | |
 | Боттоний | Ипсилон | udc |  (лямбда-цэ+) | |
 |  (дэ0) |  (дэ0*) | uuc |  (сигма-цэ++) | |
 |  (бэ-) |  (бэ*) | udb |  (лямбда-бэ) | |
Из наиболее изученных в настоящее время мезонов и мезонных резонансов наибольшую группу составляют легкие неароматные частицы, у которых квантовые числа S = C = B = 0. В эту группу входят около 40 частиц. Таблица 3 начинается с пионов
±,0, открытых английским физиком С.Ф. Пауэллом в 1949 году. Заряженные пионы живут около 10-8 с, распадаясь на лептоны по следующим схемам: