Составные модели частиц

Драма идей в познании природы

Такой подход был впервые предложен Энрико Ферми и Ч.Янгом еще в 1949 году. В своей работе они предложили рассматривать пион как связанную систему нуклона и антинуклона и указали на сходство свойств такой системы и p-мезона теории Юкавы. "Как недвусмысленно указано в статье, мы не питали никаких иллюзий насчет соответствия наших предположений действительности, - вспоминал потом Ч.Янг, - я вообще был склонен похоронить работу в черновиках и не публиковать ее. Ферми, однако, сказал, что решают задачи студенты, а научные работники ставят вопросы, и что он считает вопрос, поставленный нами, заслуживающим публикации". Б.М.Понтекорво отмечал, что когда эта работа появилась, "ряд физиков-теоретиков, даже очень почтенных, были, мягко говоря, удивлены, что великий Ферми решился опубликовать такую "неудовлетворительную и бессодержательную" статью".

Наиболее серьезно к идее Ферми и Янга отнеслись в СССР. Ферми и Янг рассматривали p⁺-мезон как связанное состояние протона и антинейтрона (pn^-), a p^--мезон как p^-n; с той же позиции можно рассматривать нейтральный мезон p⁰ как суперпозицию pp^- с вероятностью 50 процентов и nn^- с такой же вероятностью. Отсюда следует объяснение разности масс (это объяснение остается в силе и в современной теории кварков). В теории сильного взаимодействия все три массы равны, но добавочный учет кулоновского притяжения pp^- уменьшает массу p⁰. Само существование p⁰ было предсказано еще до войны. Тогда же отмечался и основной канал его распада на два фотона. На основе теории Ферми-Янга стало ясно, что должен иметь место и бета-распад p⁺-мезона p⁺®p⁰e+v. Это предсказание было сделано и проверено на опыте в СССР. Еще раньше явилась идея возможности существования других связанных состояний нуклона и антинуклона. Были проанализированы возможные пути их распада. Ожидаемое время жизни оказывалось столь коротким, что нельзя было рассчитывать на наблюдение трека (следа) частицы в камере Вильсона, фотоэмульсии или пузырьковой камере. Был предложен способ обнаружения таких частиц по "недостающей массе" при столкновении (неупругом рассеянии) пары хорошо наблюдаемых частиц, например двух протонов.

Еще раньше Ферми открыл и начал исследование нового класса частиц - резонансов - с особо малым временем жизни. Понимание природы этих частиц как составных пришло только значительно позже с точки зрения кварков. Составные модели стали развиваться. В них включали и странные частицы, предполагая, например, что К⁺-мезон - это связанное состояние протона и анти-L-гиперона.

Выбрав за составляющие протон, нейтрон и L-гиперон, можно было построить из них и их античастиц все мезоны. Однако уверены ли мы в том, что сами протон, нейтрон и L-гиперон элементарны? Этот вопрос возник позже, была инерция мышления после успешной расшифровки состава ядра как системы из Z протонов и (А-Z) нейтронов. Оказалось, что сами протон, нейтрон и L-гиперон нельзя было рассматривать как элементарные.

Успех идеи о составной природе мезонов, о том, что они состоят из пары: частица со спином 1/2 и античастица со спином 1/2, был не полным, поскольку выбор составляющих был не совсем удачен. Известные частицы p, n, L не могли в полной мере претендовать на роль строительного материала для всех сильно взаимодействующих частиц - адронов (название "адрон" происходит от латинского "адрос" - твердый, тяжелый).

Но может быть, дело просто в том, что никакая известная частица не годится на роль строительного материала для адронов? Чтобы подойти к идее истинных составляющих адронов, рассмотрим нуклон (протон p и нейтрон n) и 4 частицы-резонансы в системе пиона и нуклона (D⁺⁺, D⁺, D⁰, D^-). Спин нуклонов равен 1/2, спин D-резонансов 3/2. Нуклон в ядре стабилен, а D-резонансы за 10^-23 секунды распадаются на нуклон и пион. Если поверить, что p⁺-мезон - это связанная система pn^-, то D-резонансы должны иметь еще более сложную структуру, например D⁺⁺, состоящий из pp⁺, должен иметь ppn^-, и тому подобное. Между тем разница между D и n не так велика. Сегодня мы описываем и D, и нуклоны единообразно и полагаем, что это все - комбинации трех кварков (частиц с дробным зарядом и спином, равным 1/2).

Тогда D⁺⁺ (электрический заряд +2) можно составить из трех составляющих типа u (u-кварки), электрический заряд которых равен +2/3, а D^- - из трех составляющих типа d (d-кварки), электрический заряд которых равен -1/3. Комбинации (2u, d) и (u, 2d) имеют электрический заряд соответственно +1 и 0. В этих трехкварковых комбинациях спины всех кварков могут быть ориентированы параллельно, что отвечает D⁺ и D⁰ со спином 3/2, или спины двух кварков ориентированы в одном направлении, а третьего кварка - в противоположном, что отвечает нуклонам, спин которых равен 1/2. Так можно было прийти к идее кварков сразу после открытия нуклонных резонансов. Однако исторически такое понимание пришло с большим трудом. Для системы D и n кварки были необязательны. Такой подход вызвал бы в то время много недоуменных вопросов и, главное, господствовавшие "принципы экономии" препятствовали появлению в теории таких экзотических объектов, как дробно-заряженные составляющие. Более приемлемыми казались составные модели с "чистыми" пранейтроном n и прапротоном p. В этих моделях реальный протон представляет собой комбинацию pnn^-, реальный нейтрон - комбинацию pnp^-, D⁺⁺ - комбинацию 2pn^-, ... D^- - комбинацию 2np-.

Очевидно, что кварковая модель изящнее, но требует дробных зарядов составляющих. С другой стороны, простая модель с p и n составляющими со спином 1/2 несовместима с принципом Паули и принципом, чтобы все нижние состояния (D, p, n) не имели орбитальных моментов. Но та же проблема возникала и в кварковой модели при описании, например, D⁺⁺ (3u-кварка) в дополнение к проблеме отсутствия свободных кварков. Это были трудности, из которых теория вышла окрепшей.

Возможно, только через открытие странности и следующих "ароматов" частиц можно было доказать кварковую модель. Но видно, что изобрести (пусть ненадежную) кварковую модель можно было и раньше. Сковывали инертность, страх перед существенно новым.

Я.Б.Зельдович, М.Ю.Хлопов, 1988 год