Лайнус Полінг, Пітер Полінг — Хімія
Пониманию природы фундаментальных частиц во многом способствовали работы американского физика Маррея Гелл-Манна и японского физика К. Нисидзимы, выполненные независимо в период 1953—1956 гг. Классификация фундаментальных частиц, приведенная в табл. 20.1—20.3, является в значительной мере результатом трудов этих исследователей. Эта классификация основана на концепции зарядовых мультиплетов и на концепции странности. Однако ни об одной из этих концепций нельзя сказать, что она полностью понята в настоящее время, и весьма вероятно, что уже в ближайшем будущем появятся важные дополнения.
В разд. 20.4 указывалось на близкую аналогию свойств нейтрона и протона (кроме электрического заряда), которая позволяет предполагать, что эти две частицы представляют собой две компоненты одной и той же частицы — нуклона. Можно сказать, что нуклон имеет присущий ему электрический заряд +1/2 и вектор электрического заряда 1/2, который в обычном пространстве может иметь компоненту +1/2 или −1/2, что приводит к результирующему электрическому заряду +1 для протона и 0 для нейтрона. Протон и нейтрон, следовательно, можно описать как зарядовый дублет.
Диаграмма, приведенная на рис. 20.5, показывает, что 24 частицы, представленные на диаграмме, образуют три зарядовых синглета, шесть дублетов и три триплета. Зарядовые синглеты имеют вектор электрического заряда, равный 0, и присущий им заряд, также равный 0. Все дублеты имеют вектор электрического заряда, равный 1/2; нуклон, антинуклон, каоны и ксионы имеют присущий им заряд +1/2 или −1/2. Таким образом, зарядовый дублет может иметь электрические заряды 0 и +1 или 0 и −1. Триплеты с вектором электрического заряда 1 и присущим им зарядом 0 имеют электрические заряды +1, 0 и −1, соответствующие трем ориентациям зарядового вектора.
Представление о странности было введено Гелл-Манном и Нисидзимой для приближенного объяснения скоростей реакций распада. Некоторые нестабильные частицы распадаются, как полагают, путем сильного взаимодействия (разд. 20.3), и этот распад должен происходить очень быстро (период полураспада должен быть порядка 10−23 с). Примером может служить распад частицы η0 с образованием трех пионов; в данном случае период полураспада ∼10−23 с.
Однако, по данным наблюдений, многие другие частицы имеют значительно большие периоды полураспада — порядка 10−9 с. Эти частицы, следовательно, живут в 1014 раз дольше, чем предсказывает для них расчет, основанный на теории сильных взаимодействий.
Гелл-Манн и Нисидзима высказали предположение, что характеристику, называемую странностью, следует приписывать частицам в том случае, если странность сохраняется при реакциях, включающих сильное взаимодействие, однако принцип сохранения странности нарушается при слабых взаимодействиях. Лучше было бы определять это свойство термином ксенность (от греческого xenos — чуждый, необычный), чем словом «странность».
Рис. 20.5. Диаграмма, показывающая массы и странности некоторых элементарных частиц.
Значения странности показаны на рис. 20.5. Пионы, эта-частица, нуклоны и антинуклоны имеют странность 0. Каоны, лямбда-античастица и сигма-античастицы имеют странность +1, а антикаоны, лямбда-частица и сигма-частицы имеют странность −1. Антиксионы имеют странность +2, а ксионы −2.
Согласно принципу сохранения, для сильных взаимодействий должно соблюдаться сохранение странности: сумма странностей для реагентов равна сумме странностей для продуктов реакции. Реакции, при которых сумма странностей изменяется на единицу, могут происходить в результате слабых взаимодействий, однако такие реакции протекают медленно. Реакции, при которых эта сумма изменяется на две единицы, протекают исключительно медленно.
Эта-частица имеет странность 0; пионы также имеют странность 0. Следовательно, распад эта-частицы не сопровождается изменением странности, и такая реакция протекает очень быстро.
Табл. 20.4 содержит много примеров реакций, при которых происходит изменение странности. Отрицательный антикаон $\overline{K}{}^{-}$ имеет странность −1. Он может распадаться по шести механизмам с образованием пионов и лептонов (мюона, электрона, антинейтрино), каждый из которых имеет странность 0. Общий период полураспада для этих реакций составляет 1,22·10−8 с, т. е. он значительно превышает период полураспада эта-частицы, и такой продолжительный период полураспада объясняется изменением странности.