Текст книги "Большая Советская Энциклопедия (ЭЛ)"

Автор книги: Большая Советская Энциклопедия

сообщить о нарушении

Текущая страница: 39 (всего у книги 47 страниц)

  Табл. 1. – Основные элементарные частицы и их характеристики

Частица

Античастица

Масса, Мэв

J P

I , Y , Ch

Время жизни, сек , ширина, Мэв (*)

Фотон

g

0

1-

–

стабилен

Лептоны

e-

e+

0,511003(1)

½

–

стабильны

n

ñe

0(<3 ×10-5 )

½

–

стабильны

m-

m+

105,6595(3)

½

–

2,19713(7)×10-6

n

ñm

0(<0,4)

½

–

стабильны

t-

t+

1900(100)

½

–

?

n

ñt

<600

½

–

?

Мезоны (В=0)

p+

p-

-

ö

1,0,0

2,603(2)×10-8

p

0,83(6)×10-16

*

r+

r

r-

773(3)

1-

152(3)

*

B+

B

B-

1230(10)

1+

125(10)

*

1310(5)

2+

ý

102(5)

*

r’+

r’

r’-

1600

1-

~400

*

g+

g

g-

1690(20)

3-

180(30)

*

S+

S

S-

1940

4+

ø

54

h

548,8(6)

-

ö

0,0,0

7(1)×10-19

*

w

782,7(3)

1-

10,0(4)

*

h’

957,6(3)

-

<1

*

j

1019,7(3)

1-

4,1(2)

*

f

1270(5)

2+

180(20)

*

f’

1516(3)

2+

40(10)

*

w’

1667(10)

3-

140(10)

*

h

2020(25)

4+

ý

180(50)

*

hc

2820(20)

- ?

?

*

y

3095(4)

1-

0,069(15)

*

y’

3684(5)

1-

0,228(56)

*

y’’

3772(6)

1-

28(5)

*

y’’’

4414(7)

1-

33(10)

*

¡

9410(10)

1- ?

?

*

¡’

10060(30)

1- ?

ø

?

493,71(4)

0

ö

½,1,0

1,237(3)×10-8

497,7(1)

*

892,2(5)

1

ý

50(1)

*

1242(10)

1

127(25)

*

1421(3)

2

100(10)

*

1765(10)

?

ø

140(50)

*

1868,4(9)

-

ö

½,-⅓,1

?

1863,3(9)

-

ý

?

*

2009(1)

1-

?

*

2006(1,5)

1-

ø

?

Барионы (ïВ÷=1)

p

p̃

½+

ö

½,1,0

стабильны

n

ñ

918(14)

*

1470

½+

~200

*

1520

3 ∕2-

ý

~125

*

1688

5 ∕2+

~140

*

2190

7 ∕2-

~250

*

2220

9 ∕2+

ø

~300

*

1232

3 ∕2+

ö

3 ∕2 ,1,0

~110

*

1650

½-

ý

~140

*

1890

5 ∕2+

~250

*

1950

7 ∕2+

ø

~220

*

L

L̃

1115,60(5)

½+

0,0,0

2,58(2)×10-10

*

L1

L̃1

1405(5)

½-

40(10)

*

L2

L̃2

1518(2)

3 ∕2-

16(2)

*

L3

L̃3

1820(5)

5 ∕2+

85

*

L4

L̃4

2100

7 ∕2-

250

S+

S̃+

ö

1,0,0

0,800(6)×10-10

S

S̃

½+

<1×10-14

S-

S̃-

1,482(17) 10-10

*

S*+

S*

S*-

S̃*+

S̃*

S̃*-

1383(1)

3 ∕2+

ý

35(2)

*

1670(10)

3 ∕2-

~50

*

1765(5)

5 ∕2-

~120

*

2030

7 ∕2+

ø

~180

X

X̃

ö

½,—1,0

2,96(12) 10-10

X-

X̃-

½+

1,65(2) 10-10

*

X*

X*-

X̃*

X̃*-

1531,8(3)

3 ∕2+

ý

9,1(5)

*

X

1820

?

ø

~60

W-

W̃-

1672,2(4)

3 ∕2+

0,—2,0

1,3(2) 10-10

2260(10)

½?

0,—2 ∕3 ,1

<75?

2450

½?

1,—2 ∕3 ,1

?

  В табл. 1 приведены наиболее хорошо изученные Э. ч. из групп лептонов и адронов и их квантовые числа. В специальную группу выделен фотон. Раздельно даны частицы и античастицы (изменение Р у антибарионов не указано). Абсолютно нейтральные частицы помещены посередине первой колонки. Слева значком * помечены резонансы, для которых вместо т приведена более удобная величина – ширина резонанса . Члены одного изотопического мультиплета расположены в одной строке, иногда с небольшим смещением (в тех случаях, когда даются характеристики каждого члена мультиплета).

  Как следует из табл. 1, лептоны представлены сравнительно небольшим числом частиц: электроном, мюоном, t-лептоном и соответствующими им нейтрино. Массы v_e и v_m очень малы, но равны ли они в точности нулю, предстоит решить будущим экспериментам; информация о массе v_t пока ограничена.

  Основную часть Э. ч. составляют адроны. Увеличение числа Э. ч. в 60—70-х гг. происходило исключительно за счёт расширения данной группы. Адроны в своём большинстве представлены резонансами; наблюдается тенденция к росту спина по мере роста массы резонансов, которая хорошо прослеживается на различных группах мезонов и барионов с заданными J и Y и Ch. Следует также отметить, что странные частицы (особенно квазистабильные) несколько тяжелее обычных (нестранных) частиц, а очарованные частицы тяжелее странных.

  Классификация элементарных частиц.

  Унитарная симметрия. Классификация лептонов пока не представляет проблем, большое же число адронов, известных уже в начале 50-х гг., явилось основанием для поиска закономерностей в распределении масс и квантовых чисел барионов и мезонов, которые могли бы составить основу их классификации. Выделение изотопических мультиплетов адронов было первым шагом на этом пути. С математической точки зрения группировка адронов в изотопические мультиплеты отражает наличие у них симметрии, связанной с группой вращения (см. Группа ), более формально, с группой SU (2) – группой унитарных преобразований в комплексном двумерном пространстве. Предполагается, что эти преобразования действуют в некотором специфическом внутреннем пространстве – «изотопическом пространстве», отличном от обычного. Существование изотопического пространства проявляется только в наблюдаемых свойствах симметрии. На математическом языке изотопические мультиплеты суть неприводимые представления группы симметрии SU (2).

  Концепция симметрии как фактора, определяющего существование различных групп и семейств Э. ч., в современной теории является доминирующей при классификации адронов и других Э. ч. Предполагается, что внутренние квантовые числа Э. ч., позволяющие выделять те или иные группы частиц, связаны со специальными типами симметрий, возникающими за счёт свободы преобразований в особых «внутренних» пространствах. Отсюда и происходит название «внутренние квантовые числа».

  Внимательное рассмотрение показывает, что странные и обычные адроны в совокупности образуют более широкие объединения частиц с близкими свойствами, чем изотопические мультиплеты. Они называются супермультиплетами. Число частиц, входящих в наблюдаемые супермультиплеты, равно 8 и 10. С точки зрения симметрий возникновение супермультиплетов истолковывается как проявление существования у адронов группы симметрии более широкой, чем группа SU (2), а именно: SU (3) – группы унитарных преобразований в трёхмерном комплексном пространстве (М. Гелл-Ман и независимо Ю. Нееман, 1961). Соответствующая симметрия получила назв. унитарной симметрии. Группа SU (3) имеет, в частности, неприводимые представления с числом компонент 8 и 10, отвечающие наблюдаемым супермультиплетам: октету и декуплету. Примерами могут служить следующие группы частиц с одинаковыми значениями J ^P :

Общими для всех частиц в супермультиплете являются значения двух величин, которые по математической природе близки к изотопическому спину и поэтому часто называются унитарным спином. Для октета значения связанных с этими величинами квантовых чисел равны (1, 1), для декуплета – (3, 0).

  Унитарная симметрия менее точная, чем изотопическая симметрия. В соответствии с этим различие в массах частиц, входящих в октеты и декуплеты, довольно значительно. По этой же причине разбиение адронов на супермультиплеты сравнительно просто осуществляется для Э. ч. не очень высоких масс. При больших массах, когда имеется много различных частиц с близкими массами, это разбиение осуществляется менее надёжно. Однако в свойствах Э. ч. имеется много разнообразных проявлений унитарной симметрии.

  Включение в систематику Э. ч. очарованных адронов позволяет говорить о сверхсупермультиплетах и о существовании ещё более широкой симметрии, связанной с унитарной группой SU (4). Примеры до конца заполненных сверхсупермультиплетов пока отсутствуют. SU (4)-симметрия нарушена ещё сильнее, чем SU (3)-симметрия, и её проявления выражены слабее.

  Обнаружение у адронов свойств симметрии, связанных с унитарными группами, и закономерностей разбиения на мультиплеты, отвечающих строго определённым представлениям указанных групп, явилось основой для вывода о существовании у адронов особых структурных элементов – кварков.

  Кварковая модель адронов. Развитие работ по классификации адронов с первых своих шагов сопровождалось попытками выделить среди них частицы более фундаментальные, чем остальные, которые могли бы стать основой для построения всех адронов. Начало этой линии исследования было положено Э. Ферми и Ян Чжэнь-нином (1949), которые предположили, что такими фундаментальными частицами являются нуклон (N) и антинуклон (), a p-мезоны есть их связанные состояния (). При дальнейшем развитии этой идеи в число фундаментальных частиц были включены также странные барионы (М. А. Марков , 1955; японский физик С. Саката, 1956; Л. Б. Окунь , 1957). Модели, построенные на этой основе, хорошо описывали мезонные мультиплеты, но не давали правильного описания мультиплетов барионов. Важнейший элемент данных моделей – использование для «построения» адронов небольшого числа фермионов – органически вошёл в модель, которая наиболее успешно решает задачу описания всех адронов, – кварковую модель (австрийский физик Г. Цвейг и независимо М. Гелл-Ман, 1964).

  В первоначальном варианте в основу модели было положено предположение, что все известные адроны построены из трёх типов частиц спина ¹ /₂ , названных р-, n-, l-кварками, не принадлежащих к числу наблюдавшихся адронов и обладающих весьма необычными свойствами. Название «кварки» заимствовано из романа Дж. Джойса (см. Кварки ). Современный вариант модели предполагает существование как минимум четырёх типов кварков. Четвёртый кварк необходим для описания очарованных адронов.

  Идея кварков подсказана унитарной симметрией. Математическая структура унитарных групп открывает возможность описания всех представлений группы SU (n ) (и, следовательно, всех мультиплетов адронов) на основе самого простого представления группы, содержащего n компонент. В случае группы SU (3) таких компонент три. Необходимо только допустить наличие частиц, связанных с этим простейшим представлением. Эти частицы и есть кварки. Кварковый состав мезонов и барионов был выведен из того факта, что супермультиплеты мезонов содержат, как правило, 8 частиц, а барионов – 8 и 10 частиц. Эта закономерность легко воспроизводится, если предположить, что мезоны составлены из кварка q и антикварка  – символически: , а барионы из трёх кварков – символически: В = (qqq ). В силу свойств группы SU (3) 9 мезонов разбиваются на супермультиплеты из 1 и 8 частиц, а 27 барионов – на супермультиплеты, содержащие 1, 10 и дважды по 8 частиц, что и объясняет наблюдаемую выделенность октетов и декуплетов.

  Добавление к схеме четвёртого кварка (и, если окажется необходимым, новых дополнительных кварков) осуществляется при сохранении основного предположения кварковой модели о строении адронов:

В = (qqq ).

  Все экспериментальные данные хорошо соответствуют приведённому кварковому составу адронов. Имеются, видимо, лишь небольшие отклонения от этой структуры, которые не влияют существенным образом на свойства адронов.

  Указанная структура адронов и математические свойства кварков, как объектов, связанных с определённым (простейшим) представлением группы SU (4), приводят к след. квантовым числам кварков (табл. 2). Обращают внимание необычные – дробные – значения электрического заряда Q , а также В, S и Y , не встречающиеся ни у одной из наблюдавшихся Э. ч. С индексом a у каждого типа кварка q_i (i = 1, 2, 3, 4) связана особая характеристика кварков – «цвет», которой нет у изученных адронов. Индекс a принимает значения 1, 2, 3, т, е. каждый тип кварка q_i представлен тремя разновидностями q_i^a (Н. Н. Боголюбов с сотрудниками, 1965; американские физики И. Намбу и М. Хан, 1965; японский физик И. Миямото, 1965). Квантовые числа каждого типа кварка не меняются при изменении «цвета» и поэтому табл. 2 относится к кваркам любого «цвета».

  Табл. 2. – Характеристики кварков

Кварк	Символ	J	I	I3	S	B	Y	Ch	Q
q1a	pa	1 /2	1 /2	+ 1 /2	0	1 /3	1 /3	0	2 /3
q2a	na	1 /2	1 /2	– 1 /2	0	1 /3	1 /3	0	-1 /3
q3a	la	1 /2	0	0	-1	1 /3	-2 /3	0	-1 /3
q4a	ca	1 /2	0	0	– 1 /3	1 /3	0	1	2 /3

  Необходимость введения «цвета» вытекает из требования антисимметрии волновой функции системы кварков, образующих барионы. Кварки, как частицы со спином ¹ /₂ , должны подчиняться статистике Ферми – Дирака.

  Между тем имеются барионы, составленные из трёх одинаковых кварков, с одинаковой ориентацией спинов: D⁺⁺ (p _{р р ), W⁺ (l l l ), которые явно симметричны относительно перестановок кварков, если последние не обладают дополнительной степенью свободы. Такой дополнительной степенью свободы и является «цвет». С учётом «цвета» требуемая антисимметрия легко восстанавливается. Уточнённые формулы структурного состава мезонов и барионов выглядят при этом следующим образом:}

,

  где e_abg – полностью антисимметричный тензор (,  – нормировочные множители). Важно отметить, что ни мезоны, ни барионы не несут цветовых индексов (лишены цвета) и являются, как иногда говорят, «белыми» частицами.

  В табл. 2 не приведены массы кварков. Это связано с тем, что кварки пока выступают лишь как составные части адронов, – в свободном состоянии они не наблюдались, поэтому прямых данных о массах кварков нет. На основании величин масс различных связанных состояний кварков (обычные, странные, очарованные адроны) можно только заключить, что mp ~ m_n < m_l << m_c .

  Всё многообразие адронов возникает за счёт различных сочетаний р -, п-, g– и с -кварков, образующих связанные состояния. Обычным адронам соответствуют связанные состояния, построенные только из р- и n -кварков [для мезонов с возможным участием комбинаций  и ]. Наличие в связанном состоянии наряду с р – и n -кварками одного g– или с -кварка означает, что соответствующий адрон странный (S = —1) или очарованный (Ch = + 1). В состав бариона может входить два и три g -кварка (соответственно с -кварка), т. е. возможны дважды и трижды странные (очарованные) барионы. Допустимы также сочетания различного числа g– и с- кварков (особенно в барионах), которые соответствуют «гибридным» формам адронов («странно-очарованным»). Очевидно, что чем больше g– или с -кварков содержит адрон, тем он тяжелее. Если сравнивать основные (не возбуждённые) состояния адронов, именно такая картина и наблюдается (см. табл. 1, а также табл. 3 и 5).

  Поскольку спин кварков равен ¹ /₂ , приведённая выше кварковая структура адронов имеет своим следствием целочисленный спин у мезонов и полуцелый – у барионов, в полном соответствии с экспериментом. При этом в состояниях, отвечающих орбитальному моменту l = 0, в частности в основных состояниях, значения спина мезонов должны равняться 0 или 1 (для антипараллельной _{¯ и параллельной ориентации спинов кварков), а спина барионов – ¹ /2 или ³ /2 (для спиновых конфигураций ¯ и ). С учётом того, что внутренняя чётность системы кварк-антикварк отрицательна, значения J^P для мезонов при l = 0 равны 0^- и 1^- , для барионов – ¹ /2⁺ и ³ /2⁺ . Именно эти значения J^P наблюдаются у адронов, имеющих наименьшую массу при заданных значениях I и Y (см. табл. 1).}

  Поскольку индексы i, k, l в структурных формулах пробегают значения 1, 2, 3, 4, число мезонов M_ik с заданным спином должно быть равно 16. Для барионов B_ikl максимально возможное число состояний при заданном спине (64) не реализуется, т. к. в силу принципа Паули при данном полном спине разрешены только такие трёхкварковые состояния, которые обладают вполне определённой симметрией относительно перестановок индексов i, k, 1, а именно: полностью симметричные для спина ³ /₂ и смешанной симметрии для спина ¹ /₂ . Это условие при l = 0 отбирает 20 барионных состояний для спина ³ /₂ и 20 – для спина ¹ /₂ .

  Более подробное рассмотрение показывает, что значение кваркового состава и свойств симметрии кварковой системы даёт возможность определить все основные квантовые числа адрона (J, Р, В, Q, I, Y, Ch ), за исключением массы; определение массы требует знания динамики взаимодействия кварков и массы кварков, которое пока отсутствует.

  Табл. 3. – Кварковый состав мезонов с J^P = 0^— (¯)

Частица	Состав	Частица	Состав
p+	pñ	h’
p		hc	cc̃
p-	p̃n	F+	c l̃
h		F-	c̃ l
K+	p l̃	D̃	pc̃
K	n l̃	D-	nc̃
K-	p ̃l	D	p̃c
K̃	ñ l	D+	ñc

  Табл. 4. – Кварковый состав мезонов с J^P = 1^— ()

Частица	Состав	Частица	Состав
r+	pñ	j	ll̃
r		y	cc̃
r -	p̃n	F*+	c l̃
w		F*-	c̃ l
K*+	p l̃	D̃*	pc̃
K*	n l̃	D*-	nc̃
K*-	p ̃l	D*	p̃c
K̃*	ñ l	D*+	ñc

  В качестве иллюстрации в табл. 3 и 4, 5 и 6 приведён вытекающий из описанных представлений кварковый состав мезонов 0^- и 1^- и барионов ¹ /₂⁺ и ³ /₂⁺ и его соответствие известным частицам (символы наблюдавшихся частиц подчёркнуты). Всюду в таблицах предполагается необходимое суммирование по цветам кварков. Как следует из таблиц, все обычные и странные адроны, которые должны существовать при заданной кварковой структуре, наблюдались экспериментально. Пока нет полных данных для адронов с Ch ¹ 0, однако изученные частицы полностью соответствуют указанной картине.

  Правильно передавая специфику адронов с наименьшими массами и спинами при заданных значениях Y и Ch, кварковая модель естественным образом объясняет также общее большое число адронов и преобладание среди них резонансов. Многочисленность адронов – отражение их сложного строения и возможности существования различных возбуждённых состояний кварковых систем. Не исключено, что число таких возбуждённых состояний неограниченно велико. Все возбуждённые состояния кварковых систем неустойчивы относительно быстрых переходов за счёт сильных взаимодействий в нижележащие состояния. Они и образуют основную часть резонансов. Небольшую долю резонансов составляют также кварковые системы с параллельной ориентацией спинов (за исключением W^- ). Кварковые конфигурации с антипараллельной ориентацией спинов, относящиеся к осн. состояниям, образуют квазистабильные адроны и стабильный протон.

  Возбуждения кварковых систем происходят как за счёт изменения вращательного движения кварков (орбитальные возбуждения), так и за счёт изменения их пространств. расположения (радиальные возбуждения). В первом случае рост массы системы сопровождается изменением суммарного спина J и чётности Р системы, во втором случае увеличение массы происходит без изменения J^P . Например, мезоны с J^P = 2⁺ являются первым орбитальным возбуждением (l = 1) мезонов с J^P = 1^- . Соответствие 2⁺ мезонов и 1^- мезонов одинаковых кварковых структур хорошо прослеживается на примере многих пар частиц:

  Мезоны r' и y' – примеры радиальных возбуждений r– и y-мезонов соответственно (см. табл. 1).

  Орбитальные и радиальные возбуждения порождают последовательности резонансов, отвечающие одной и той же исходной кварковой структуре. Отсутствие надёжных сведений о взаимодействии кварков не позволяет пока производить количественные расчеты спектров возбуждений и делать какие-либо заключения о возможном числе таких возбуждённых состояний.

  При формулировке кварковой модели кварки рассматривались как гипотетические структурные элементы, открывающие возможность очень удобного описания адронов. В дальнейшем были проведены эксперименты, которые позволяют говорить о кварках как о реальных материальных образованиях внутри адронов. Первыми были эксперименты по рассеянию электронов нуклонами на очень большие углы. Эти эксперименты (1968), напоминающие классические опыты Резерфорда по рассеянию a-частиц на атомах, выявили наличие внутри нуклона точечных заряженных образований. Сравнение данных этих экспериментов с аналогичными данными по рассеянию нейтрино на нуклонах (1973—75) позволило сделать заключение о средней величине квадрата электрического заряда этих точечных образований. Результат оказался удивительно близким к величине ¹ /₂ [(² /₃ e )² +(¹ /₃e )² ]. Изучение процесса рождения адронов при аннигиляции электрона и позитрона, который предположительно идёт через последовательность процессов:  ® адроны, указало на наличие двух групп адронов, генетически связанных с каждым из образующихся кварков, и позволило определить спин кварков. Он оказался равным 1/2. Общее число рожденных в этом процессе адронов свидетельствует также о том, что в промежуточном состоянии возникают кварки трёх разновидностей, т. е. кварки трёхцветны.

  Табл. 5. – Кварковый состав барионов с J^P = ½⁺ (¯)

Частица	Состав	Частица	Состав
p	ppn		nnc
n	pnn		[pn ]c
L	[pn ]l		{p l}c
S+	pp l		{n l}c
S	{pn }l		[p l]c
S-	nn l		[n l]c
X	p ll		llc
X-	n ll		pcc
	Ppc		ncc
	{pn }c		lcc

  Табл. 6. – Кварковый состав барионов с J^P = ³ ∕₂

Частица	Состав	Частица	Состав
D++	{ppp }		{ppc }
D+	{ppn }		{pnc }
D	{pnn }		{nnc }
D-	{nnn }		{p lc }
S*+	{pp l}		{n lc }
S*	{pn l}		{llc }
S*-	{nn l}		{pcc }
X*	{p ll}		{ncc }
X*	{nll}		{lcc }
W-	{lll}		{ccc }

  Т. о., квантовые числа кварков, введённые на основании теоретических соображений, получили подтверждение в ряде экспериментов. Кварки постепенно приобретают статус новых Э. ч. Если дальнейшие исследования подтвердят это заключение, то кварки являются серьёзными претендентами на роль истинно Э. ч. для адронной формы материи. До длин ~ 10^-15см кварки выступают как точечные бесструктурные образования. Число известных видов кварков невелико. В дальнейшем оно может, конечно, измениться: нельзя поручиться за то, что при более высоких энергиях не будут обнаружены адроны с новыми квантовыми числами, обязанные своим существованием новым типам кварков. Обнаружение Y -мезонов подтверждает эту точку зрения. Но вполне возможно, что увеличение числа кварков будет небольшим, что общие принципы накладывают ограничения на полное число кварков, хотя эти ограничения пока неизвестны. Бесструктурность кварков также, возможно, отражает лишь достигнутый уровень исследования этих материальных образований. Однако ряд специфических особенностей кварков даёт некоторые основания предполагать, что кварки являются частицами, замыкающими цепь структурных составляющих материи.

  От всех других Э. ч. кварки отличаются тем, что в свободном состоянии они пока не наблюдались, хотя имеются свидетельства их существования в связанном состоянии. Одной из причин ненаблюдения кварков может быть их очень большая масса, что препятствует их рождению при энергиях современных ускорителей. Не исключено, однако, что кварки принципиально, в силу специфики их взаимодействия, не могут находиться в свободном состоянии. Существуют доводы теоретического и экспериментального характера в пользу того, что силы, действующие между кварками, не ослабляются с расстоянием. Это означает, что для отделения кварков друг от друга требуется бесконечно большая энергия, или, иначе, возникновение кварков в свободном состоянии невозможно. Невозможность выделить кварки в свободном состоянии делает их совершенно новым типом структурных единиц вещества. Неясно, например, можно ли ставить вопрос о составных частях кварков, если сами кварки нельзя наблюдать в свободном состоянии. Возможно, что в этих условиях части кварков физически вообще не проявляются и поэтому кварки выступают как последняя ступень дробления адронной материи.

  Элементарные частицы и квантовая теория поля. Для описания свойств и взаимодействий Э. ч. в современной теории существенное значение имеет понятие физ. поля, которое ставится в соответствие каждой частице. Поле есть специфическая форма материи; оно описывается функцией, задаваемой во всех точках (х ) пространства-времени и обладающей определёнными трансформационными свойствами по отношению к преобразованиям группы Лоренца (скаляр , спинор , вектор и т. д.) и групп «внутренних» симметрий (изотопический скаляр, изотопический спинор и т. д.). Электромагнитное поле, обладающее свойствами четырёхмерного вектора А_m (х ) (m = 1, 2, 3, 4), – исторически первый пример физического поля. Поля, сопоставляемые с Э. ч., имеют квантовую природу, т. е. их энергия и импульс слагаются из множества отд. порций – квантов, причём энергия E_k и импульс p_k кванта связаны соотношением специальной теории относительности: E_k² =p_k²c² + m²c². Каждый такой квант и есть Э. ч. с заданной энергией E_k , импульсом p_k и массой т. Квантами электромагнитного поля являются фотоны, кванты других полей соответствуют всем остальным известным Э. ч. Поле, т. о., есть физическое отражение существования бесконечной совокупности частиц – квантов. Специальный математический аппарат квантовой теории поля позволяет описать рождение и уничтожение частицы в каждой точке х.

  Трансформационные свойства поля определяют все квантовые числа Э. ч. Трансформационные свойства по отношению к преобразованиям пространства-времени (группе Лоренца) задают спин частиц. Так, скаляру соответствует спин 0, спинору – спин ¹ /₂ , вектору – спин 1 и т. д. Существование таких квантовых чисел, как L, В, 1,Y , Ch и для кварков и глюонов «цвет», следует из трансформационных свойств полей по отношению к преобразованиям «внутренних пространств» («зарядового пространства», «изотопического пространства», «унитарного пространства» и т. д.). Существование «цвета» у кварков, в частности, связывается с особым «цветным» унитарным пространством. Введение «внутренних пространств» в аппарате теории – пока чисто формальный приём, который, однако, может служить указанием на то, что размерность физического пространства-времени, отражающаяся в свойствах Э. ч., реально больше четырёх – размерности пространства-времени, характерной для всех макроскопических физических процессов. Масса Э. ч. не связана непосредственно с трансформационными свойствами полей; это дополнительная их характеристика.

  Для описания процессов, происходящих с Э. ч., необходимо знать, как различные физические поля связаны друг с другом, т. е. знать динамику полей. В современном аппарате квантовой теории поля сведения о динамике полей заключены в особой величине, выражающейся через поля – лагранжиане (точнее, плотности лагранжиана) L. Знание L позволяет в принципе рассчитывать вероятности переходов от одной совокупности частиц к другой под влиянием различных взаимодействий. Эти вероятности даются т. н. матрицей рассеяния (В. Гейзенберг, 1943), выражающейся через L. Лагранжиан L состоит из лагранжиана L_вз, описывающего поведение свободных полей, и лагранжиана взаимодействия L_вз , построенного из полей разных частиц и отражающего возможность их взаимопревращений. Знание L_вз является определяющим для описания процессов с Э. ч.

  Вид L_вз однозначно определяется трансформационными свойствами полей относительной группы Лоренца и требованием инвариантности относительно этой группы (релятивистская инвариантность). В течение длительного времени не были, однако, известны критерии для нахождения L_вз (за исключением электромагнитных взаимодействий), а сведения о взаимодействиях Э. ч., полученные из эксперимента, в большинстве случаев не позволяли осуществить надёжный выбор между различными возможностями. В этих условиях широкое распространение получил феноменологический подход к описанию взаимодействий, основанный либо на выборе простейших форм L_вз, ведущих к наблюдаемым процессам, либо на прямом изучении характерных свойств элементов матрицы рассеяния. На этом пути был достигнут значительный успех в описании процессов с Э. ч. для различных выделенных областей энергий. Однако многие параметры теории заимствовались из эксперимента, а сам подход не мог претендовать на универсальность.

  В период 50—70-х гг. был достигнут значительный прогресс в понимании структуры L_вз, который позволил существенно уточнить его форму для сильных и слабых взаимодействий. Решающую роль в этом продвижении сыграло выяснение тесной связи между свойствами симметрии взаимодействий Э. ч. и формой L_вз.

  Симметрия взаимодействий Э. ч. находит своё отражение в существовании законов сохранения определённых физических величин и, следовательно, в сохранении связанных с ними квантовых чисел Э. ч. (см. Сохранения законы ). Точная симметрия, имеющая место для всех классов взаимодействий, отвечает наличию у Э. ч. точных квантовых чисел; приближённая симметрия, характерная лишь для некоторых классов взаимодействий (сильных, электромагнитных), приводит к неточным квантовым числам. Отмечавшееся выше различие классов взаимодействий в отношении сохранения квантовых чисел Э. ч. отражает различия в свойствах их симметрии.

  Известная форма L_вз^{эл. м.} для электромагнитных взаимодействий есть следствие существования очевидной симметрии лагранжиана L относительно умножения комплексных полей j заряженных частиц, входящих в него в комбинациях типа j*j (здесь * означает комплексное сопряжение), на множитель e^ia, где a – произвольное действительное число. Эта симметрия, с одной стороны, порождает закон сохранения электрического заряда, с другой стороны, если требовать выполнения симметрии при условии, что a произвольно зависит от точки х пространства-времени, однозначно приводит к лагранжиану взаимодействия:

L_вз^{эл. м.} = j_m^{эл. м.} (x ) A_m (x )            (1)

  где j_m^{эл. м.}— четырёхмерный электромагнитный ток (см. Электромагнитные взаимодействия ). Как выяснилось, этот результат имеет общее значение. Во всех случаях, когда взаимодействия проявляют «внутреннюю» симметрию, т. е. лагранжиан инвариантен относительно преобразований «внутреннего пространства», а у Э. ч. возникают соответствующие квантовые числа, следует требовать, чтобы инвариантность имела место при любой зависимости параметров преобразования от точки х (т. н. локальная калибровочная инвариантность; Ян Чжэнь-нин, американский физик Р. Миллс, 1954). Физически это требование связано с тем, что взаимодействие не может мгновенно передаваться от точки к точке. Указанное условие удовлетворяется, когда среди полей, входящих в лагранжиан, присутствуют векторные поля (аналоги A_m (x )), изменяющиеся при преобразованиях «внутренней» симметрии и взаимодействующие с полями частиц вполне определённым образом, а именно:

L_вз = å_r=1ⁿ j_m^r (x ) V_m^r (x ),          (2)

  где j_m^r (x ) — токи, составленные из полей частиц, V_m^r (x ) – векторные поля, называются часто калибровочными полями. Т. о., требование локальности «внутренней» симметрии фиксирует форму L_вз и выделяет векторные поля как универсальные переносчики взаимодействий. Свойства векторных полей и их число «n » определяются свойствами группы «внутренней» симметрии. Если симметрия точная, то масса кванта поля V_m^r равна 0. Для приближенной симметрии масса кванта векторного поля отлична от нуля. Вид тока j_m^r определяется полями частиц с ненулевыми квантовыми числами, связанными с группой «внутренней» симметрии.

  На основании изложенных принципов оказалось возможным подойти к вопросу о взаимодействии кварков в нуклоне. Эксперименты по рассеянию нейтрино и антинейтрино на нуклоне показали, что импульс нуклона лишь частично (примерно на 50%) переносится кварками, а остальная его часть переносится другим видом материи, которая не взаимодействует с нейтрино. Предположительно эта часть материи состоит из частиц, которыми обмениваются кварки и за счёт которых они удерживаются в нуклоне. Эти частицы получили название «глюонов» (от английского glue – клей). С изложенной выше точки зрения на взаимодействия эти частицы естественно считать векторными. В современной теории их существование связывается с симметрией, обусловливающей появление «цвета» у кварков. Если эта симметрия точная (цветная SU (3)-симметрия), то глюоны – безмассовые частицы и их число равно восьми (американский физик И. Намбу, 1966). Взаимодействие кварков с глюонами даётся L_вз со структурой (2), где ток j_m^r составлен из полей кварков. Имеется и основание предполагать, что взаимодействие кварков, обусловленное обменом безмассовыми глюонами, приводит к силам между кварками, не убывающим с расстоянием, но строго это не доказано.