БСЭ БСЭ - Большая Советская Энциклопедия (СИ) Страница 47

  Несмотря на отсутствие последовательной теории С. в., было установлено теоретически большое число связей между различными процессами С. в. Наличие такого рода связей вытекает, во-первых, из общих принципов квантовой теории поля, а во-вторых, из существования точных и приближенных симметрий, присущих С. в. (см. ниже). Вместе с тем большое значение имеют различные полуфеноменологические модели С. в., позволяющие качественно (а в ряде случаев — довольно точно количественно) описывать процессы С. в. и предсказывать новые явления.

  С. в. и структура адронов. Из квантовомеханический соображений, аналогичных тем, которые приводились для оценки радиуса действия ядерных сил, следует, что адроны должны быть окружены «облаком» непрерывно испускаемых и поглощаемых — т. н. виртуальных (см. Виртуальные частицы) — пионов и других адронов. При этом радиус пионного «облака» по порядку величины должен составлять /mc (где m — масса пиона), а радиусы «облаков», создаваемых более тяжёлыми адронами, обратно пропорциональны их массам. Вследствие большой величины g2/ c вероятность виртуального испускания адронов велика, т. е. «облака» должны иметь значительную плотность и существенным образом определять физические процессы с участием адронов. Иными словами, из большой величины константы С. в. вытекает, что адроны должны иметь сложное внутреннее строение и лишь условно могут называются элементарными частицами (если даже отвлечься от возможности того, что они состоят из более фундаментальных частиц — кварков; см. ниже).

  С. в. и электромагнитные характеристики адронов. С. в. существенно влияют на электромагнитные характеристики адронов. Благодаря закону сохранения электрического заряда заряд адрона, включая полный заряд окружающих его «облаков», должен оставаться неизменным независимо от того, какие виртуальные превращения в них происходят. Т. о., С. в. не влияют на электрические заряды адронов (которые являются целыми кратными элементарного электрического заряда e). Однако движение зарядов в «облаках» создаёт электрический ток и, следовательно, должно приводить к изменению магнитных моментов адронов. Этот вывод качественно согласуется с измерением магнитных моментов нуклонов. Магнитный момент протона mр » 2,79 mя, где mя — ядерный магнетон, а магнитный момент нейтрона mn » — 1,89 mя (знак минус указывает на то, что mn направлен в противоположную сторону по отношению к его собственному, внутреннему моменту количества движения — спину). Если бы протон и нейтрон не имели С. в., их магнитные моменты, согласно Дирака уравнению, должны были бы равняться: mp0 = mя, mn0 = 0. Поэтому, если считать, что «аномальный» магнитный момент нейтрона создаётся»облаком» отрицательно заряженных мезонов, образующихся, например, при виртуальных превращениях n ® р + p- ® n, то «аномальный» момент протона должен создаваться за счёт аналогичных виртуальных превращений протона в положительно заряженные мезоны, например р ® n + p+ ® р. Т. к. интенсивность таких переходов для нейтрона и протона одинакова (см. ниже), «аномальный» магнитный момент протона по абсолютной величине должен быть равен «аномальному» магнитному моменту нейтрона и иметь противоположный знак, т. е. сумма mр + mn должна быть близка к mя. Этот вывод качественно согласуется с измеренными на опыте значениями магнитных моментов: mр + mn » 0,9 mя. (Согласно модели кварков, отношение mn/mp должно быть равно — 2/3, что также неплохо выполняется для измеренных значений магнитных моментов.)

  Вследствие того, что адроны окружены «облаками» мезонов, их заряд и магнитный момент должны быть распределены с определенной плотностью по области, занятой этими «облаками». В постоянных (или медленно меняющихся) электромагнитных полях размеры адронов практически не сказываются на их электромагнитных взаимодействиях (которые в этом случае полностью определяются зарядами адронов и их магнитными моментами). Однако если размеры неоднородностей поля (например, длина волны де Бройля электронов или фотонов, взаимодействующих с адронами) меньше размеров мезонного «облака», распределение заряда и магнитного момента внутри адрона существенно влияет на характер взаимодействия. Изучая упругое рассеяние электронов с энергией выше нескольких Гэв на протонах и дейтронах, можно экспериментально определить функции, характеризующие пространственное распределение заряда и магнитного момента внутри нуклонов (т. н. форм-факторы). Результаты экспериментального измерения форм-факторов нуклонов указывают на то, что плотности заряда и магнитного момента плавно распределены по области, занятой «облаком», уменьшаясь к его периферии. При этом характер распределения заряда и магнитного момента внутри протона приблизительно одинаков и подобен распределению магнитного момента нейтрона. Вместе с тем отсутствуют эксперимент, указания на существование внутри нуклонов какого-либо выделенного «ядрышка» («керна»), размеры которого превышали бы сотые доли размеров нуклона. Из-за рыхлого строения «облака» вероятность передать ему как целому большой импульс при упругом рассеянии электронов на нуклонах весьма мала и быстро падает с ростом переданного импульса.

  Если адронам передаётся большой импульс, то значительно более вероятными являются неупругие процессы, при которых из «облака», окружающего адрон, выбивается довольно значительное число вторичных частиц, а электроны теряют заметную часть своей энергии (такие процессы получили название глубоко неупругих). В отличие от процессов упругого рассеяния, вероятность передачи больших импульсов от электронов к адронам при этом довольно значительна (предположение о таком поведении глубоко неупругих процессов было высказано впервые М. А. Марковым). Оказалось, что измеренные на опыте т. н. структурные функции, характеризующие поведение адронов в глубоко неупругих процессах, зависят только от отношения квадрата импульса, переданного «облаку» адронов, к энергии, потерянной электроном. Т. о., имеет место закон подобия: структурные функции не меняются, если с увеличением переданного импульса растет переданная энергия. Теоретическое указание на такую зависимость следовало из т. н. алгебры токов (см. ниже). В определённых предположениях оно получается и из общих принципов квантовой теории поля. Простая интерпретация экспериментальных данных по глубоко неупругому рассеянию следует также из модели «партонов» (Р. Фейнман). В этой модели предполагается, что адроны в глубоко неупругих процессах ведут себя как совокупность точечных частиц — «партонов», некоторым образом распределённых по импульсам. В качестве партонов можно рассматривать кварки, считая, что адроны, помимо трёх кварков (как это предполагалось в первой гипотезе кварков), содержат также «облако» кварков-антикварков.

  Динамика сильных взаимодействий

  Благодаря короткодействующему характеру С. в. его прямое экспериментальное изучение возможно лишь в процессах рассеяния микрочастиц. При этом для того, чтобы произошло рассеяние, прицельный параметр столкновения должен не превышать радиуса действия сил. Отсюда следует, что максимальный относительный момент количества движения частиц, при котором ещё происходит рассеяние, определяется величиной |p|R0 (где р — относительный импульс частиц, a R0 — радиус действия сил), т. е. в процессе рассеяния участвуют волны с орбит, моментами l = |p|R0/  = kR0 (величина k = |p|/ называется волновым числом: она связана с длиной волны де Бройля  = / |p| соотношением k = 1/).

  При низких энергиях, когда kR0 << 1, рассеяние происходит в состоянии с орбитальным моментом l = 0 (в S-волне) и является сферически симметричным (т. е. происходит с равной вероятностью на любой угол). Область энергий Е, в которой выполняется это условие, ограничена значениями E £ (10—15) Мэв. В указанной области процесс рассеяния полностью описывается с помощью двух параметров — длины рассеяния и эффективного радиуса взаимодействия. При более высоких энергиях (kR0 ~ 1) для описания процесса рассеяния могут быть эффективно использованы т. н. фазы рассеяния, эксперимент, определение которых даёт важные сведения о С. в. Когда энергия столкновения превышает порог рождения вторичных частиц, в процессах С. в. начинают преобладать неупругие реакции. В области энергий, при которых в рассеянии участвует небольшое число парциальных волн, наблюдаются ярко выраженные пики в эффективном поперечном сечении рассеяния о при энергиях, соответствующих образованию резонансов; при энергиях, превышающих несколько Гэв, число парциальных волн велико и вклад резонансов в полное сечение становится незначительным (рис. 1, а).