Странная материя и странные кварки¶

Странность — квантовое число в физике элементарных частиц, характеризующее содержание странных кварков в адронах. Странность обозначается буквой S и является сохраняющейся величиной в сильных и электромагнитных взаимодействиях, но не сохраняется в слабых взаимодействиях. Понятие было введено в 1950-х годах для объяснения необычно долгого времени жизни частиц, рождающихся в больших количествах при столкновениях, — так называемых странных частиц.

¶История открытия

В конце 1940-х — начале 1950-х годов при изучении космических лучей были обнаружены частицы, которые получили название «странные». К ним относятся K-мезоны (каоны) и гипероны (Λ, Σ, Ξ, Ω). Эти частицы рождались в сильных взаимодействиях за время порядка 10⁻²³ секунды, однако распадались за время около 10⁻¹⁰ секунды — что характерно для слабых взаимодействий. Такое несоответствие казалось парадоксальным.

В 1952 году американский физик Мюррей Гелл-Манн, а затем независимо Кадзухико Нисидзима и Тосио Накано предложили объяснение этого явления. Они ввели новое квантовое число — странность, которое сохраняется в сильных взаимодействиях, но нарушается в слабых. Рождение странных частиц происходит парами: суммарная странность в начальном и конечном состояниях равна нулю, поэтому частицы со странностью не могут распадаться быстро за счёт сильного взаимодействия — им приходится распадаться слабо, поодиночке изменяя странность на единицу.

¶Определение и свойства

Странность определяется как разность между числом странных антикварков и странных кварков в частице:

S = −(nₛ − nₛ̄)

где nₛ — число странных кварков, nₛ̄ — число странных антикварков. Таким образом, странный кварк имеет странность −1, странный антикварк — +1. Обычные кварки (u, d) имеют нулевую странность.

Странность связана с гиперзарядом Y и барионным числом B соотношением Гелл-Манна — Нисидзимы:

Y = B + S

Гиперзаряд, в свою очередь, связан с электрическим зарядом Q и третьей компонентой изоспина I₃:

Q = I₃ + Y/2

¶Частицы со странностью

К частицам, обладающим странностью, относятся:

• K-мезоны — каоны, содержащие странный кварк и лёгкий антикварк. K⁺ (u s̄) имеет S = +1, K⁰ (d s̄) — S = +1.
• Λ-гиперон — барион с составом uds, S = −1.
• Σ-гипероны — три частицы: Σ⁺ (uus), Σ⁰ (uds), Σ⁻ (dds), все с S = −1.
• Ξ-гипероны — каскадные частицы: Ξ⁰ (uss), Ξ⁻ (dss), S = −2.
• Ω⁻-гиперон — частица с составом sss, S = −3. Её существование было предсказано Гелл-Манном в 1962 году на основе систематики барионов и обнаружено в 1964 году в пузырьковой камере.

Странные частицы обладают рядом характерных особенностей: относительно большое время жизни (до 10⁻¹⁰ с), рождение парами, асимметрия в угловых распределениях продуктов распада, указывающая на нарушение CP-симметрии.

¶Нарушение CP-симметрии в странных частицах

В 1964 году в эксперименте с нейтральными каонами было обнаружено нарушение комбинированной зарядово-пространственной симметрии (CP-симметрии). Нейтральные каоны K⁰ и K̄⁰ могут осциллировать друг в друга, образуя две физические частицы: K₁ (CP-чётная) и K₂ (CP-нечётная). Оказалось, что K₂, распадающийся преимущественно на три пиона, в небольшой доле случаев (около 0,2 %) распадается на два пиона, что свидетельствует о небольшом нарушении CP-симметрии. За это открытие Джеймс Кронин и Вал Фитч получили Нобелевскую премию по физике в 1980 году.

¶Странная материя

Концепция странной материи была предложена в 1984 году Эдвардом Виттеном и независимо Арнольдом Бодмером. Согласно гипотезе, при достаточно высоком давлении (например, в недрах нейтронных звёзд) обычная материя может переходить в состояние, состоящее из примерно равного количества u-, d- и s-кварков. Такое состояние называется странной кварковой материей или странглетами.

Странная материя может быть более стабильной, чем обычная ядерная материя, поскольку добавление странных кварков снижает энергию Ферми-газа за счёт увеличения числа доступных состояний. Если это так, то нейтронные звёзды могут на самом деле являться странными звёздами — компактными объектами, состоящими из странной материи. Гипотетические стабильные фрагменты странной материи — странглеты — могли бы существовать и в обычных условиях.

Существует гипотеза, что странная материя могла образовываться в ранней Вселенной, однако наблюдения не подтверждают наличие значительных количеств странглетов в космических лучах или в составе обычного вещества.

¶Странные кварки в квантовой хромодинамике

В современной теории сильных взаимодействий — квантовой хромодинамике — странный кварк является одним из шести типов кварков (ароматов). Его масса составляет примерно 80–100 МэВ/c², что значительно больше массы u- и d-кварков (около 2–5 МэВ/c²), но меньше массы очарованного кварка. Странный кварк относится ко второму поколению кварков.

Странность как квантовое число не является фундаментальной величиной в КХД — она возникает как следствие сохранения аромата в сильных взаимодействиях. Нарушение странности в слабых взаимодействиях объясняется тем, что слабые взаимодействия не различают ароматы кварков и могут переводить странный кварк в лёгкие кварки через обмен W-бозонами.

¶Применение в физике и технике

Изучение странных частиц имеет важное значение для проверки Стандартной модели, исследования CP-нарушения и поиска новой физики. Эксперименты на ускорителях (например, на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе) позволяют изучать свойства странных частиц с высокой точностью.

В ядерной физике исследуются гиперядра — ядра, содержащие гипероны вместо части нейтронов или протонов. Такие системы позволяют изучать взаимодействие странных частиц с обычной материей. В последние годы активно исследуется возможность образования странной материи в столкновениях тяжёлых ионов на релятивистских ускорителях, таких как RHIC в Брукхейвенской национальной лаборатории и LHC.

¶Интересные факты

Частица Ω⁻ была названа «омега-минус» и её открытие стало триумфом теоретической физики — она была предсказана за два года до экспериментального обнаружения. Гелл-Манн предсказал её массу, время жизни и характер распада, что позволило идентифицировать частицу в пузырьковой камере.

Странность не следует путать с понятием «странной материи» в космологии, где этим термином иногда обозначают гипотетические формы материи, не укладывающиеся в стандартные модели физики.