20.10. Резонансні частинки та комплекси

1952 р. Енріко Фермі та його співробітники при вивченні розсіяння пучка піонів протонами виявили, що таке розсіяння відбувається значно інтенсивніше, коли піони мають кінетичну енергію близько 200 МеВ, ніж тоді, коли кінетична енергія не сягає цього значення або перевищує його. Це спостереження було витлумачено як свідчення наявності сильної взаємодії між піоном і протоном, яку можна описати у вигляді взаємодії, що відповідає утворенню короткоживучої частинки чи комплексу. Для позначення такого комплексу було прийнято символ N*

π + p ⇄ N*

Маса N*-комплексу відповідає приблизно 1237 МеВ. Період напіврозпаду близько 10⁻²³ с; згідно з принципом невизначеності між енергією та часом (підрозд. 3.13), маса-енергія цієї частинки не може бути точно встановлена, а має невизначеність близько ±60 МеВ. (Період напіврозпаду 10⁻²³ с — величина, розрахована на підставі спостережуваної функції розподілу для маси N*-комплексу.)

Після 1952 р. було відкрито близько 100 такого роду короткоживучих частинок чи комплексів. Вони дістали назву резонансних частинок або резонансних комплексів. Про одну з таких частинок — η⁰ — говорилося вище, її було включено до табл. 20.2 поряд з мезонами. Утворюється η⁰ внаслідок взаємодії піона й нейтрона (у дейтроні)

π⁺ + d⁺ → η⁰ + p⁺ + p⁺

Це найлегша з резонансних частинок; її маса 550 МеВ. Вона розпадається (період напіврозпаду 10⁻²³ с) за реакцією

η⁰ → π⁺ + π⁻ + π⁰

Наступними найлегшими резонансними частинками є ρ-частинки (ρ⁺, ρ⁰ і ρ⁻) з масою 760 МеВ. Вони утворюють зарядовий триплет (власний заряд 0, вектор заряду 1, спін моменту кількості руху 1). Такі частинки утворюються при реакціях

π⁺ + p⁺ → ρ⁺ + p⁺

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

π⁻ + p⁺ → ρ⁻ — p⁺

Ці частинки розпадаються з періодом напіврозпаду близько 10⁻²³ с за реакціями

ρ⁺ → π⁺ + π⁰

ρ⁰ → π⁺ + π⁻ або ρ⁰ → π⁰ + π⁰

ρ⁻ → π⁻ + π⁰

Відома лише одна резонансна частинка, схожа на ета-частинку й ро-частинку в тому відношенні, що має лептонне число 0, баріонне число 0 і дивність 0, — це ω₀-частинка, яка має масу 790 МеВ, власний заряд 0, вектор заряду 0 і спін моменту кількості руху, що дорівнює 1. Згідно зі спостереженнями, вона утворюється таким чином:

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

π⁺ + d⁺ → ω⁰ + p⁺ + p⁺

Вона має період напіврозпаду 4·10⁻²³ с, що відповідає двом шляхам розпаду:

ω⁰ → π⁺ + π⁻ + π⁰

або

ω⁰ → π⁰ + γ

Відомі також інші резонансні частинки чи комплекси, що розпадаються на піони й каони або ж на піони чи каони та один із баріонів. Маси таких резонансних частинок лежать у межах 880—2000 МеВ.

Задовільну теорію цих частинок поки що не розроблено. Проте видається ймовірним, що деякі з них можуть бути віднесені до класу фундаментальних частинок (див. наступний розділ), тоді як інші можуть бути описані як комплекси двох або кількох фундаментальних частинок, можливо, з резонансом між кількома структурами, приблизно таким самим, як резонанс кількох валентних структур у випадку молекул.

У листопаді 1974 р. співробітники Стенфордського університету та Каліфорнійського університету в Берклі повідомили, що ними спостерігалася нова частинка, яка утворюється при зіткненні швидкорухомого електрона зі швидкорухомим позитроном. Такі електрон і позитрон, що рухалися в протилежних напрямках, прискорювалися до енергії, яка перевищує 1550 МеВ, і маса нової частинки виявилася рівною 3105 МеВ. Повідомлення про незалежне відкриття точнісінько такої самої частинки цілком іншим методом було одержано в той самий час з Массачусетського технологічного інституту та Брукгейвенської національної лабораторії. Другу частинку, що має аналогічні властивості й також одержана внаслідок зіткнення електрона з позитроном, було відкрито трохи пізніше в листопаді 1974 р. групою вчених зі Стенфорда та Берклі. Маса частинки виявилася рівною 3695 МеВ. Існування цих частинок не було передбачено, і їхня природа досі залишається нез'ясованою. Вочевидь, вивчення цих нових частинок призведе до глибшого розуміння фундаментальних частинок і сил взаємодії між ними.