20.10. Резонансные частицы и комплексы

В 1952 г. Энрико Ферми и его сотрудники при изучении рассеяния пучка пионов протонами обнаружили, что такое рассеяние происходит значительно интенсивнее, когда пионы имеют кинетическую энергию около 200 МэВ, чем тогда, когда кинетическая энергия не достигает этого значения или превышает его. Это наблюдение было интерпретировано как свидетельство наличия сильного взаимодействия между пионом и протоном, которое можно описать в виде взаимодействия, соответствующего образованию короткоживущей частицы или комплекса. Для обозначения такого комплекса был принят символ N*

π + p ⇄ N*

Масса N*-комплекса соответствует приблизительно 1237 МэВ. Период полураспада около 10⁻²³ с; согласно принципу неопределенности между энергией и временем (разд. 3.13), масса-энергия этой частицы не может быть точно установлена, а имеет неопределенность около ±60 МэВ. (Период полураспада 10⁻²³ с — величина, рассчитанная на основании наблюдаемой функции распределения для массы N*-комплекса.)

После 1952 г. было открыто около 100 такого рода короткоживущих частиц или комплексов. Они получили название резонансных частиц или резонансных комплексов. Об одной из таких частиц — η⁰ — говорилось выше, она была включена в табл. 20.2 наряду с мезонами. Образуется η⁰ в результате взаимодействия пиона и нейтрона (в дейтроне)

π⁺ + d⁺ → η⁰ + p⁺ + p⁺

Это самая легкая из резонансных частиц; ее масса 550 МэВ. Она распадается (период полураспада 10⁻²³ с) по реакции

η⁰ → π⁺ + π⁻ + π⁰

Следующими наиболее легкими резонансными частицами являются ρ-частицы (ρ⁺, ρ⁰ и ρ⁻) с массой 760 МэВ. Они составляют зарядовый триплет (собственный заряд 0, вектор заряда 1, спин момента количества движения 1). Такие частицы образуются при реакциях

π⁺ + p⁺ → ρ⁺ + p⁺

$p^{+} + \overline{p}{}^{-}$ → ρ⁰ + π⁺ + π⁻

π⁻ + p⁺ → ρ⁻ — p⁺

Эти частицы распадаются с периодом полураспада около 10⁻²³ с по реакциям

ρ⁺ → π⁺ + π⁰

ρ⁰ → π⁺ + π⁻ или ρ⁰ → π⁰ + π⁰

ρ⁻ → π⁻ + π⁰

Известна лишь одна резонансная частица, похожая на эта-частицу и ро-частицу в том отношении, что имеет лептонное число 0, барионное число 0 и странность 0, — это ω₀-частица, имеющая массу 790 МэВ, собственный заряд 0, вектор заряда 0 и спин момента количества движения, равный 1. Согласно наблюдениям, она образуется следующим образом:

ρ⁺ + $\overline{p}{}^{-}$ → ω⁰ + π⁺ + π⁻

π⁺ + d⁺ → ω⁰ + p⁺ + p⁺

Она имеет период полураспада 4·10⁻²³ с, соответствующий двум путям распада:

ω⁰ → π⁺ + π⁻ + π⁰

или

ω⁰ → π⁰ + γ

Известны также другие резонансные частицы или комплексы, распадающиеся на пионы и каоны или же на пионы или каоны и один из барионов. Массы таких резонансных частиц лежат в пределах 880—2000 МэВ.

Удовлетворительная теория этих частиц пока не разработана. Представляется, однако, вероятным, что некоторые из них могут быть отнесены к классу фундаментальных частиц (см. следующий раздел), тогда как другие могут быть описаны как комплексы двух или нескольких фундаментальных частиц, возможно с резонансом между несколькими структурами, примерно таким же, как резонанс нескольких валентных структур в случае молекул.

В ноябре 1974 г. сотрудники Стэнфордского университета и Калифорнийского университета в Беркли сообщили, что ими наблюдалась новая частица, образующаяся при столкновении быстро движущегося электрона с быстро движущимся позитроном. Такие электрон и позитрон, движущиеся в противоположных направлениях, ускорялись до энергии, превышающей 1550 МэВ, и масса новой частицы оказалась равной 3105 МэВ. Сообщение о независимом открытии точно такой же частицы совершенно иным методом было получено в то же время из Массачусетского технологического института и Брукхейвенской национальной лаборатории. Вторая частица, обладающая аналогичными свойствами и полученная также в результате столкновения электрона с позитроном, была открыта несколько позже в ноябре 1974 г. группой ученых из Стэнфорда и Беркли. Масса частицы оказалась равной 3695 МэВ. Существование этих частиц не было предсказано, и их природа до настоящего времени остается невыясненной. По-видимому, изучение этих новых частиц приведет к более глубокому пониманию фундаментальных частиц и сил взаимодействия между ними.