Странность

Странность — это квантовое число, характеризующее адроны (частицы, участвующие в сильном взаимодействии) и связанное с наличием в их составе странных кварков. Странность является сохраняющейся величиной в сильных и электромагнитных взаимодействиях, но не сохраняется в слабых взаимодействиях. Обозначается символом \( S \). Странность — одна из так называемых ароматовых характеристик кварков, наряду с очарованием, прелестью и истинностью.

История открытия

Понятие странности было введено в 1953 году американскими физиками Мюрреем Гелл-Манном и Кадзухико Нисидзимой для объяснения необычного поведения некоторых частиц, открытых в космических лучах. Эти частицы, такие как \( K \)-мезоны и гипероны, рождались в сильных взаимодействиях с большим сечением (то есть легко), но распадались относительно медленно (время жизни порядка \( 10^{-10} \) секунды), что характерно для слабых взаимодействий. Гелл-Манн и Нисидзима предположили, что эти частицы обладают новым квантовым числом — странностью, которое сохраняется при рождении, но нарушается при распаде.

Определение и свойства

Странность определяется как разность между числом странных антикварков и числом странных кварков в адроне: \[ S = - (n_s - n_{\bar{s}}) \] где \( n_s \) — количество странных кварков, \( n_{\bar{s}} \) — количество странных антикварков. Таким образом, для обычных адронов, не содержащих странных кварков, странность равна нулю. Для частиц, содержащих один странный кварк (например, \( \Lambda \)-гиперон), странность равна \(-1\). Для частиц с двумя странными кварками (например, \( \Xi \)-гиперон) странность равна \(-2\), и так далее.

Сохранение и нарушение

• Сильные взаимодействия: странность сохраняется. Это означает, что если в реакции рождается частица с ненулевой странностью, то в конечном состоянии должна появиться частица (или частицы) с суммарной странностью, равной странности начального состояния.
• Электромагнитные взаимодействия: странность также сохраняется.
• Слабые взаимодействия: странность может изменяться на единицу (\( \Delta S = \pm 1 \)). Именно это свойство объясняет медленный распад странных частиц: они не могут распасться за счёт сильного взаимодействия, так как это потребовало бы нарушения сохранения странности.

Классификация адронов по странности

Адроны, содержащие странные кварки, называются странными адронами. Они делятся на две основные группы:

• Странные мезоны: состоят из кварка и антикварка, один из которых является странным. Примеры: \( K^+ \) (странность +1, состоит из \( u \)- и \( \bar{s} \)-кварков), \( K^0 \) (странность +1, состоит из \( d \)- и \( \bar{s} \)-кварков), \( \phi \)-мезон (странность 0, состоит из \( s \)- и \( \bar{s} \)-кварков).
• Гипероны: барионы, содержащие один или несколько странных кварков. Примеры: \( \Lambda \)-гиперон (странность -1, состоит из \( u \), \( d \), \( s \)-кварков), \( \Sigma \)-гипероны (странность -1, три изотопических состояния), \( \Xi \)-гипероны (странность -2, два изотопических состояния), \( \Omega^- \)-гиперон (странность -3, открыт в 1964 году, что подтвердило предсказания кварковой модели).

Странность в слабых взаимодействиях

В слабых взаимодействиях странность не сохраняется. Типичный пример — распад \( \Lambda \)-гиперона: \[ \Lambda^0 \rightarrow p + \pi^- \] В начальном состоянии странность равна \(-1\), в конечном — 0. Это изменение происходит за счёт слабого взаимодействия, которое может превращать странный кварк в нестранный (например, \( s \rightarrow u + W^- \)). Правило отбора для слабых распадов гласит, что изменение странности может быть равно \( \pm 1 \), а в некоторых случаях (например, в распадах \( K^0 \)-мезонов) возможно изменение на \( \pm 2 \), но с очень малой вероятностью.

Странность и кварковая модель

С развитием кварковой модели в 1960-х годах странность получила естественное объяснение. Странный кварк (\( s \)) был введён как третий кварк (после \( u \) и \( d \)), обладающий массой около 100 МэВ/\( c^2 \) (больше, чем у \( u \)- и \( d \)-кварков). Странность адрона определяется числом странных кварков в его составе. Кварковая модель позволила систематизировать огромное количество адронов, предсказать существование новых частиц (например, \( \Omega^- \)-гиперона) и объяснить закономерности их распадов.

Странность в современной физике

В современной физике элементарных частиц странность рассматривается как одна из ароматовых характеристик кварков. Она играет важную роль в:

• Физике адронов: классификация и предсказание свойств странных частиц.
• Слабых взаимодействиях: изучение нарушения CP-симметрии в распадах \( K \)-мезонов (странных мезонов) привело к открытию CP-нарушения в 1964 году.
• Квантовой хромодинамике (КХД): странные кварки участвуют в сильных взаимодействиях, а их масса влияет на спектр адронов.
• Астрофизике: странные частицы могут образовываться в нейтронных звёздах, приводя к образованию гипотетических странных звёзд (или кварковых звёзд), состоящих из странной кварковой материи.

Интересные факты

• Термин «странность» был выбран Гелл-Манном и Нисидзимой из-за «странного» поведения частиц, которые рождались легко, но распадались медленно.
• Открытие \( \Omega^- \)-гиперона в 1964 году в Брукхейвенской национальной лаборатории (США) стало триумфом кварковой модели, так как его существование и свойства (странность -3, масса, спин) были предсказаны заранее.
• В слабых взаимодействиях изменение странности на единицу связано с так называемым правилом \( \Delta S = \pm 1 \), которое является следствием структуры слабого тока в Стандартной модели.

Источники

• Гелл-Манн М. «Странность» // Physical Review. — 1953. — Т. 92. — С. 833.
• Нисидзима К. «Независимость от заряда в теории V-частиц» // Progress of Theoretical Physics. — 1953. — Т. 10. — С. 549.
• Кварковая модель адронов: учебное пособие по физике элементарных частиц. — М.: Наука, 1980.
• Перкинс Д. Введение в физику высоких энергий. — М.: Мир, 1975.