Понятие об адроне. Свойства элементарных частиц. Классы взаимодействий
§ 90. Классификация элементарных частиц
ОТ ВЕТЫ НА ВОПРОСЫ
Фундаментальные частицы – это элементарные бесструктурные единицы, которые до настоящего времени не удалось описать как составные.
Элементарные частицы – это микрообъекты, которые невозможно расщепить на составные части.
Тем, что бозоны – это частицы с целым спином, а фермионы – это частицы с полуцелым спином.
Принцип Паули:
в одном и том же энергетическом состоянии могут находится не более двух фермионов с противоположными спинами.
Наиболее вероятно при наличии одного фермиона, что он расположится в состоянии с минимальной энергией Е 1, и его спиновое число будетs = 1/2. Спин фермиона может иметь две ориентации, поэтомуs = 0 илиs = 1. Спиновое число системы из трех фермионов равно 1/2 или 3/2.
Принцип зарядового сопряжения: для каждой частицы должна существовать античастица.
Позитрон был обнаружен Карлом Андерсеном. Он фотографировал
в камере Вильсона траектории частиц космических лучей и обнаружил трек, который принадлежал частице с массой электрона. Результаты опыта показали, что частица движется снизу вверх и обладает положительным зарядом, равным по модулю заряду электрона. Античастицу электрона назвали позитроном.
Аннигиляция – это процесс взаимодействия частицы с ее античас-
тицей, в результате чего они превращаются в γ -кванты (фотоны) электромагнитного поля или другие частицы.
§ 91. Лептоны как фундаментальные частицы
ОТ ВЕТЫ НА ВОПРОСЫ
Все элементарные частицы делятся на две большие группы: участвующие в сильном взаимодействии (адроны) и не участвующие (лептоны).
К лептонам относятся 12 частиц (6 частиц и 6 античастиц): электрон, электронное нейтрино, мюон, мюонное нейтрино, таон, таонное нейтрино.
Для лептонов L (лептонный заряд) равен 1, для адроновL = 0, для антилептоновL = –1.
Сумма лептонных зарядов сохраняется до и после взаимодействия. Мюон распадается на электрон, мюонное нейтрино и электронное нейтрино.
Таон распадается на мюон, мюонное антинейтрино и таонное антинейтрино.
Нейтрон → протон + электрон + электронное антинейтрино.
Слабое взаимодействие переносят виртуальные частицы, они были открыты (предсказаны) в 1956 году Джулианом Швингером.
m 0 = ħ /R сл c ≈ 3 10–25 кг.
Сначала нейтрон распадается на протон и W – , затем промежуточный бозонW – распадается на электрон и электронное нейтрино.
§ 92. Классификация и структура адронов
ОТВЕТЫ НА ВОПРОСЫ
Адроны делят на две группы: мезоны (s = 0, 1, участвует в сильном взаимодействии) и барионы (s = 1/2, 3/2, участвуют в сильном взаимодействии). Барионы делятся на нуклоны (s =1/2) и гипероны (s = 1/2, 3/2).
2. Она состояла в том, что адроны являются составными частицами. Существование в нуклонах трех точечных зарядов подтвердилось экспериментом, в котором изучалось рассеяние электронов с энергией 20 ГэВ на протонах и нейтронах.
Потому что нуклоны имеют полуцелый спин и состоят из трех кварков, и если мы предполагаем, что у всех кварков одинаковый спин, то он должен быть полуцелым.
Обозначим за Q иq возможные электрические заряды кварков. 0 =Q + 2q ;e = 2Q +q .
Если мы решим эту систему двух уравнений с двумя переменными мы получим
Q = +2/3e (такой кварк назвали u -кварком); q = –1/3e (d -кварк).
Закон сохранения электрического заряда отражает сохранение зарядового числа, а закон сохранения массы отражает сохранение массового числа.
Закон сохранения барионного заряда:
барионный заряд сохраняется во всех взаимодействиях. Невозможность распада протона на более мелкие частицы объясняется сохранением барионного заряда. Барионный заряд кварков равен 1/3, для барионов (протонов и нейтронов) В = 1 (барионный заряд ядра). При β -распаде закон сохранения барионного заряда имеет вид
Ароматом называют различные типы кварков.
Кварки (аромат) | |||
s = 1/2 |
|||
u ,c ,t | 2/3e |
||
d ,s ,b | –1/3e |
§ 93. Взаимодействие кварков
ОТВЕТЫ НА ВОПРОСЫ
Каждый тип кварков (аромат) может иметь три цветовых заряда: зеленый, синий и красный. Адроны цветонейтральны. В свободном состоянии кварки существовать не могут.
Барионный заряд мезона равен 0. Мезон имеет целый спин, т. е. состоит из двух кварков, которые имеют полуцелый спин. Мезон должен состоять из кварка и антикварка, чтобы иметь целый спин и быть цветонейтральным.
О кварк-лептонной симметрии говорят, учитывая что в сейчас известно 6 кварков и 6 лептонов. Вселенную образуют 48 фундаментальных частиц. Три поколения кварков отличаются температурами и энергиями, при которых они существуют.
Переносчиками сильного взаимодействия являются глюоны (бозоны со спином 1), фотон (квант электромагнитного излучения) – переносчик электромагнитного взаимодействия, промежуточные векторные бозоны – слабого, а гравитоны – гравитационного.
При сильном взаимодействии изменяется цвет кварка, а при слабом – его аромат.
12.3. Кварковая структура адронов
Сильно взаимодействующие частицы - адроны - можно разбить на группы с примерно равными массами и одинаковыми квантовыми числами В, S, С, J, Р, но с разными электрическими зарядами. Причем сильное взаимодействие для всех частиц одной группы одинаково. Иллюстрацией могут служить семейства (р,n), (π+, π°, π ~), (К + ,K 0), (Σ + , Σ°, Σ ~) - группы частиц, обладающие очень близкими величинами масс, как это видно из
Принципиальным моментом в классификации элементарных частиц является понятие изотопического спина. Еще в 1932 г., вскоре после открытия нейтрона и измерения его массы, Гейзенберг обратил внимание на удивительную близость масс протона и нейтрона и выдвинул гипотезу, что протон и нейтрон суть разные состояния одной и той же частицы, названной им нуклоном. Он допустил, что вырождение нуклона по массам
обусловлено существованием нового квантового числа, названного им по аналогии с
обычным спином «изотопическим спином». По определению изотопический спин является векторной (вернее спинорной, т. е. подобная спину) величиной и полностью характеризуется, в соответствии с правилами квантовой механики, абсолютным значением вектора Iи его проекциейI 3 на одну из осей, которая принимает (2I+ 1) значений. Так, для нуклонов абсолютное значение изотопического спина I = 1/2, а его проекцияI 3 принимает значения 1/2 для протона и -1/2 для нейтрона.
Естественно возникает вопрос: о каких осях идет речь? Ответ звучит с первого взгляда очень странно и неожиданно - пространство изотопического спина фиктивное, воображаемое, в том смысле, что оно никак не связано с обычным пространством, в котором «живут» частицы. Если обычный спин можно было условно связать с вращением чего-то в пространстве и складывать с моментом количества движения, то понятие изотопического спина было дальнейшей абстракцией. На самом деле и обычный спин вызывает при знакомстве с ним противоречивые чувства. Как известно, Гаудсмит и
Уленбек в 1925 г. для объяснения структуры тонкого расщепления спектральных линий допустили, что электрон обладает собственным моментом количества движения (спином), равным ћ/2, и интерпретировали спин как реальное вращение «шарика»-электрона вокруг своей оси. Однако эта наивная трактовка спина встретила резкие возражения, поскольку
представление об электроне как о твердом шарике противоречит теории относительности. В физике возник новый объект, лишенный пространственной протяженности, но обладающий внутренней структурой, которую характеризуют спиновые переменные. Вектор изотопического спина «вращается» в эвклидовом изотопическом пространстве в начале координат, но не может в нем перемещаться.
Введенное Гейзенбергом на основе лишь численной близости масс протонов и нейтронов понятие изотопического спина оказалось плодотворным. Оно явилось образцом для введения других квантовых чисел. Приведенные выше семейства адронов в настоящее время также характеризуются изотопическим спином, общим для всех входящих в них частиц. Различным проекциям I 3 приводятся в соответствие частицы семейства с
различными значениями электрического заряда. Таким образом, мультиплеты адронов рассматриваются как одна частица, находящаяся в разных зарядовых состояниях. Это очень похоже на зеемановское расщепление электронных уровней атома в магнитном поле. Очевидно, что для семейства нуклонов
I= 1/2, для π+, π°, π ~ -мезоновI= 1 и т. п.
Переход от одной частицы к другой из того же изотопического мультиплета, не меняя значения изотопического спина, меняет проекцию. Поэтому такой переход можно формально представить как поворот в условном изотопическом пространстве. Следует еще раз подчеркнуть: тот факт, что сильное взаимодействие частиц, входящих в определенный изотопический мультиплет, не зависит от заряда частицы (проекции изоспина I 3), можно интерпретировать как независимость (инвариантность) сильного
взаимодействия от вращений в изотопическом пространстве, т. е. как существование
изотопической симметрии в полном соответствии с теоремой Нетер.
Значение электрического заряда частиц, входящих в изотопический мультиплет, дается обобщенной формулой Гелл-Мана-Нишиджимы
Q = I 3 + (B + S + C-b)/2. (12.14)
Величину Y = В + S называют унитарным спином или гиперзарядом.
Внимательное рассмотрение обычных и странных адронов позволило выяснить, что изотопические мультиплеты в свою очередь группируются в еще большие семейства - супермультиплеты. Массы частиц, входящих в эти семейства, различаются значительно сильнее, чем в случае изотопических мультиплетов. Примерами таких семейств являются: для мезонов J p = 0 ~ : π+, π°, π", η, К + , К ~ , К 0 ; для барионов J p = 1/2 + : р,n, Λ, Σ + , Σ°, Σ", Ξ°, Ξ -
На плоскости S,I 3) приведенные группы располагаются в виде симметричных фигур, в частности, в виде правильного треугольника (рис. 12.2).
Общим для рассматриваемых групп является симметричность образующихся фигур по отношению к повороту на 120°. Таким образом, создается впечатление, что каждая из этих групп представляет собой большой мультиплет частиц, получившихся в результате «расщепления» одной частицы. Состояние последней характеризуется теми самыми спином и четностью, которые присущи всем членам данного супермультиплета. Все это
очень похоже на рассмотренные выше изотопические мультиплеты и дает основание предположить существование более высокой (чем изотопическая инвариантность) симметрии взаимодействия - так называемой унитарной симметрии. Она учитывает приближенную симметрию адронов относительно изотопического спина и странности одновременно. Оказывается, что для унитарной симметрии закон сохранения эквивалентен инвариантности сильного взаимодействия относительно поворотов в некотором восьмимерном пространстве (пространстве унитарного спина).
Теоретический анализ свойств симметрии такого пространства показал, что в физических системах должны существовать не только наблюдающиеся октеты и декуплеты, которые приведены на рис. 12.2, но еще и группы из 3 частиц. В 1964 г. американские физики Дж. Цвейг и М. Гелл-Манн независимо нашли этому удивительно простое объяснение. Они предположили, что такие частицы не принадлежат группе уже изученных адронов, а представляют собой разновидность сильно взаимодействующих частиц, выступающих в качестве составных частей адронов. Таких частиц, очевидно, три.
Новые частицы Гелл-Ман назвал кварками (д), и это название очень скоро
стало общеупотребительным. Термин «кварк» не имеет прямого смыслового значения. Он был заимствован из романа ирландского писателя Джойса «Поминки по Финнегану», герою которого во сне часто слышалась таинственная фраза: «Три кварка для доктора Марка».
Кварки являются гипотетическими частицами, которые, несмотря на длительные и упорные поиски, еще никто не наблюдал. Более того, сейчас полагают, что они вообще не могут наблюдаться как свободные частицы. Основные характеристики кварков, получившие название ароматов, приведены в табл. 12.1.
Таблица 12.1.
Кварки и их ароматы
|
Название |
Масса, МэВ | |||||||
|
Странный | ||||||||
|
Очарованный | ||||||||
|
Красивый | ||||||||
|
Правдивый | ||||||||
Названия тяжелых кварков и соответствующих квантовых чисел до сих пор окончательно не установились. Символы b и t произошли от слов beauty и true. Однако b- и t-кварки называют также bottom - и top -кварками. Квантовое число С часто называют шармом или чармом от слова charm. В отличие от остальных странный кварк имеет заряд S = -1. Обращают на себя внимание также необычные - дробные - значения электрического заряда Q и барионного заряда В, не встречающиеся ни у одной из наблюдавшихся
элементарных частиц.
Что же касается названий легких кварков: верхний (up) и нижний (down),
то ключ к их происхождению лежит в аналогии с моментом импульса в квантовой механике. Угловой момент в квантовой механике может иметь проекции, отличающиеся друг от друга только на целое число (в единицах К).
Заряд также можно себе представить как проекцию вектора (в некотором абстрактном пространстве). Используя такую идею (вернее картинку) для кварков, можно сказать, что вектор зарядов кварков имеет две проекции:
2/3 и -1/3. Естественно считать, что если вектор имеет положительную проекцию, то он направлен вверх, а если его проекция отрицательна, то он направлен вниз. Отсюда и возникли эти названия, которые сохранились до сих пор, хотя глубокого смысла они не имеют.
В отношении масс кварков следует сделать одно замечание. Необходимо иметь в виду, что масса есть характеристика свободной частицы. А поскольку кварки в свободном состоянии, по-видимому, не существуют, то понятие массы для них не может быть строго определено, и массы кварков представляют собой некоторые эффективные величины. Да и само представление о кварках неоднозначно. Последнее проистекает из специфики современных представлений о сильных взаимодействиях. Однако этот интересный, не решенный до конца в настоящее время вопрос выходит далеко за рамки курса общей физики. Отметим лишь, что во многих моделях оказывается плодотворным представление о составляющих (или конституэнтных) кварках.
Массы составляющих кварков и приведены в табл. 12.1.
Кроме перечисленных ароматов, кварки имеют еще одно квантовое число - цвет: желтый, красный и синий. Причину появления этого квантового числа мы обсудим немного дальше. Таким образом, полное число кварков с учетом различия в цвете равно 18, и столько же имеется антикварков. Согласно современным представлениям из этих истинно элементарных частиц и состоят сотни ядерных частиц адронов, еще недавно считавшихся элементарными. Именно для описания свойств адронов ввели представления о кварках со всей совокупностью их цветов и ароматов.
Основное предположение кварковой модели о строении адронов заключается в том, что мезоны состоят из кварка и антикварка -
М = (q 1 ,q - 2),
а барионы из трех кварков -
В = (q 1 ,q 2 ,q 3)
Обычным адронам соответствуют связанные состояния, построенные только из u- иd-кварков. Наличие в связанном состоянии наряду сu-ud-кварками одного s-,c-,b- или t-кварка означает, что соответствующий адрон - странный (S = -1), очарованный
(С = 1), красивый b=1) или правдивый (t = 1). В табл. 12.2 даны примеры кварковой структуры мезонов и барионов.
Как видно из табл. 12.2, барионы А ++ , А ~ , О ~ состоят из трех одинаковых кварков, причем, как показали эксперименты, они находятся в одном и том же квантовом состоянии. В силу того, что кварки - фермионы, этого не должно быть, что и послужило основанием для введения еще одной квантовой переменной - цвета. Таким образом указанные частицы состоят из кварков разного цвета, но ни мезоны, ни барионы цвета не имеют и являются белыми частицами. Цветовая аналогия удобна, поскольку совокупность
трех дополнительных цветов дает белый (нулевой) цвет.
Кварки - сильновзаимодействующие частицы. Переносчиками сильного взаимодействия между кварками являются глюоны (д) - нейтральные частицы со спином 1, нулевой массой и обладающие цветовым зарядом. Всего существует восемь разновидностей глюонов, что очень осложняет расчеты сильного взаимодействия. Так как и кварки, и глюоны являются цветными частицами, полевая теория кварковых взаимодействий носит название квантовая хромодинамика (КХД). Глюоны «склеивают» кварки в адроны
(их название и произошло от английского слова glue - клей). Теперь нам надо объяснить, почему кварки невозможно развести, т. е. наблюдать их в свободном состоянии. Гипотеза удержания кварков (она называется также гипотезой конфайнмента, от английского слова confinement - пленение), предполагает, что для отрыва кварков друг от друга требуется бесконечная энергия, и, следовательно, такой отрыв физически невозможен. Подобную
Таблица 12.2. Кварковая структура мезонов и барионов
*^ Истинно нейтральны обе комбинации из кварка и антикварка ии и dd, но в результате сильных взаимодействий эти кварк-антикварковые состояния могут переходить друг в друга, поэтому определенное значение массы имеет лишь квантовомеханическая суперпозиция этих состояний
ситуацию можно себе представить, если считать, что сила, стягивающая кварки, с увеличением расстояния между ними остается неизменной, а значит работа этой силы на бесконечном пути равна бесконечности. Физически это может быть реализовано в том случае, если силовые линии глюонного поля параллельны друг другу, как в плоском конденсаторе линии электрического поля. Говорят, что силовые линии глюонного поля собраны в трубку, или еще говорят о них как о струне, соединяющей кварки (см. рис. 12.3 а).
На рис. 12.3 б показан кварковый удерживающий потенциал. В первом приближении выражение для удерживающего центрально-симметричного кваркового потенциала имеет вид
Значения констант а и b получают из согласия с экспериментальными данными. Следует заметить, что на малых расстояниях потенциал очень прост и похож на кулоновский. Однако по мере удаления кварков друг от друга
(увеличения г в формуле A2.15)) энергия взаимодействия резко увеличивается.
Оценки показывают, что на ядерных расстояниях (~ 10 ~13 см) энергия взаимодействия кварков составляет около 1 ГэВ, но уже при расстоянииr~ 10 ~12 см она составляет около 10 ГэВ. Такой энергии вполне достаточно, чтобы родить из вакуума пару кварк-антикварк. Поэтому при отдалении кварков друг от друга и растяжении струны возникает ситуация, показанная на рис. 12.4, а именно: струна разрывается, и в месте разрыва возникает пара кварк-антикварк. Антикварк соединяется с первичным кварком в мезон и улетает, а оставшийся кварк притягивается обратно к исходному адрону. Изолировать кварк оказывается невозможным.
С точки зрения кварковой структуры мезоны представляют собой систему «кварк-антикварк», т. е. «частица-античастица». Физикам давно известна такого рода пара - это электрон и позитрон, которые могут образовывать связанное состояние, подобное
атому водорода. Оно имеет специальное название, «позитроний». Однако это означает, что система кварк-антикварк должна иметь, подобно атому, и возбужденные состояния, отвечающие более высоким массам (энергиям) системы.
Действительно в системе (cc -), названной чармонием, была обнаружена большая совокупность отдельных уровней с разнообразными переходами между ними. По своему значению для физики сильных взаимодействий (cc -) -система может быть сопоставлена с атомом водорода, сыгравшим важную роль в становлении нерелятивистской кван-
квантовой механики. Не менее богатый спектр найден и у системы (bb -) - боттоmoния.
Несмотря на то, что кварки не обнаруживаются в свободном состоянии,
их существование доказано многочисленными косвенными экспериментами.
Гипотеза о кварковой структуре адронов не только позволила объяснить,
многие, казавшиеся ранее загадочными, величины, такие как, например,
магнитные моменты протона и нейтрона, но и предсказать многие явления
в мире элементарных частиц, впоследствии подтвердившиеся экспериментально.
На современном уровне знаний кварки, подобно лептонам, выглядят как бесструктурные, истинно элементарные частицы, и потому они, в отличие от адронов, называются фундаментальными частицами.
Пермский военный институт ВВ МВД РФ
Кафедра общенаучных дисциплин
Курсовая работа по физике
Тема: Адроны
Выполнил:
Овечкин Александр Васильевич
Пермь - 2003 г.
Вступление
Обнаружение на рубеже 19-20 вв. мельчайших носителей свойств вещества - молекул и атомов - и установление того факта, что молекулы построены из атомов, впервые позволило описать все известные вещества как комбинации конечного, хотя и большого, числа структурных составляющих - атомов. Выявление в дальнейшем наличия составных слагающих атомов - электронов и ядер, установление сложной природы ядер, оказавшихся построенными всего из двух типов частиц (протонов и нейтронов), существенно уменьшило количество дискретных элементов, формирующих свойства вещества, и дало основание предполагать, что цепочка составных частей материи завершается дискретными бесструктурными образованиями - элементарными частицами. Такое предположение, вообще говоря, является экстраполяцией известных фактов и сколько-нибудь строго обосновано быть не может.
Нельзя с уверенностью утверждать, что частицы, элементарные в смысле приведённого определения, существуют. Протоны и нейтроны, например, длительное время считавшиеся элементарными частицами, как выяснилось, имеют сложное строение. Не исключена возможность того, что последовательность структурных составляющих материи принципиально бесконечна. Может оказаться также, что утверждение "состоит из..." на какой-то ступени изучения материи окажется лишённым содержания.
Основная часть
1. Виды взаимодействий
Основные, фундаментальные взаимодействия в физике делятся на:
· гравитационные
· электромагнитные
· сильные
Гравитационные взаимодействия, хорошо известные по своим макроскопическим проявлениям, в случае Э. ч. на характерных расстояниях ~10 -13 см дают чрезвычайно малые эффекты из-за малости масс элементарных частиц.
Электромагнитные взаимодействия характеризуются как взаимодействия, в основе которых лежит связь с электромагнитным полем. Процессы, обусловленные ими, менее интенсивны, чем процессы сильных взаимодействий, а порождаемая ими связь Э. ч. заметно слабее. Электромагнитные взаимодействия, в частности, ответственны за связь атомных электронов с ядрами и связь атомов в молекулах.
Слабое взаимодействие, одно из фундаментальных взаимодействий, в котором участвуют все элементарные частицы (кроме фотона). Слабое взаимодействие гораздо слабее не только сильного, но и электромагнитного взаимодействия, но неизмеримо сильнее гравитационного. Ожидаемый радиус действия слабого взаимодействия порядка 2·10-16 см. Слабое взаимодействие обусловливает большинство распадов элементарных частиц, взаимодействия нейтрино с веществом и др. Для слабого взаимодействия характерно нарушение четности, странности, «очарования» и др. В кон. 60-х гг. создана единая теория слабого и электромагнитного взаимодействий (так называемое электрослабое взаимодействие).
Сильные взаимодействия, самое сильное из фундаментальных взаимодействий элементарных частиц. В сильном взаимодействии участвуют адроны. Сильное взаимодействие превосходит электромагнитное взаимодействие примерно в 100 раз, его радиус действия ок. 10-13 см. Частный случай сильного взаимодействия -- ядерные силы.
Характерное время, за которое происходят элементарные процессы, вызываемые сильными взаимодействиями, составляет 10 -23 --10 -24 сек. Сильные взаимодействия обладают высокой степенью симметрии; они симметричны относительно пространственной инверсии, зарядового сопряжения, обращения времени. Специфическим для сильных взаимодействий является наличие внутренних симметрий адронов: изотопической инвариантности, симметрии по отношению к фазовому преобразованию, приводящей к существованию особого сохраняющегося квантового числа -- странности, а также SU (3)-симметрии.
Важнейшая особенность сильных взаимодействий -- их короткодействующий характер; они заметно проявляются лишь на расстояниях порядка 10 -13 см между взаимодействующими адронами, т. е. их радиус действия примерно в 100 000 раз меньше размеров атомов. На таких расстояниях С. в. в 100--1000 раз превышают электромагнитные силы, действующие между заряженными частицами. С увеличением расстояния сильные взаимодействия быстро убывают, так что на расстоянии несколько радиусов действия они становятся сравнимыми с электромагнитными взаимодействиями, а на ещё больших расстояниях практически исчезают. С короткодействующим характером сильных взаимодействий связан тот факт, что они, несмотря на их огромную роль в природе, были экспериментально обнаружены только в 20 в., в то время как более слабые дальнодействующие электромагнитные и гравитационные силы были обнаружены и изучены гораздо раньше (вследствие дальнодействующего характера электромагнитных и гравитационных сил происходит сложение сил, действующих со стороны большого числа частиц, и таким образом возникает взаимодействие между макроскопическими телами).
Для объяснения малого радиуса действия ядерных сил была выдвинута гипотеза, согласно которой сильные взаимодействия между нуклонами (N) происходит благодаря тому, что они обмениваются друг с другом некоторой частицей, обладающей массой, аналогично тому, как электромагнитное взаимодействие между заряженными частицами, согласно квантовой электродинамике, осуществляется посредством обмена «частицами света» -- фотонами. При этом предполагалось, что существует специфическое взаимодействие, приводящее к испусканию и поглощению промежуточной частицы -- переносчика ядерных сил, который назвали сильными взаимодействиями.
Согласно квантовой механике, время наблюдения системы Dt и неопределённость в её энергии DE связаны неопределённостей соотношением: DEDt ~ , где -- постоянная Планка. Поэтому, если свободный нуклон испускает частицу с массой m (т. е. энергия системы меняется согласно формуле теории относительности на величину DE = mc2, где с -- скорость света), то это может происходить лишь на время Dt ~ /mc 2 . За это время частица, движущаяся со скоростью, приближающейся к предельно возможной скорости света с, может пройти расстояние порядка /mc. Следовательно, чтобы взаимодействие между двумя частицами осуществлялось путём обмена частицей массы т, расстояние между этими частицами должно быть порядка (или меньше) /mc, т. е. радиус действия сил, переносимых частицей с массой m, должен составлять величину /mc. При радиусе действия ~10 -13 см масса переносчика ядерных сил должна быть около 300 m e (где m e -- масса электрона), или приблизительно в 6 раз меньше массы нуклона. Такая частица была обнаружена в 1947 и названа пи-мезоном (пионом, p).
В зависимости от участия в тех или иных видах взаимодействий все изученные Э. ч., за исключением фотона, разбиваются на две основные группы: адроны (от греческого hadros - большой, сильный) и лептоны (от греческого leptos - мелкий, тонкий, лёгкий).
Элементарные частицы
Элементарные частицы, мельчайшие известные частицы физической материи. Представления об элементарных частицах отражают ту степень в познании строения материи, которая достигнута современной наукой. Характерная особенность элементарных частиц -- способность к взаимным превращениям; это не позволяет рассматривать элементарные частицы как простейшие, неизменные «кирпичики мироздания», подобные атомам Демокрита. Число частиц, называемых в современной теории элементарными частицами, очень велико. Каждая элементарная частица (за исключением абсолютно нейтральных частиц) имеет свою античастицу. Всего вместе с античастицами открыто (на 1978) более 350 элементарных частиц. Из них стабильны фотон, электронное и мюонное нейтрино, электрон, протон и их античастицы; остальные элементарные частицы самопроизвольно распадаются за время от 103 с для свободного нейтрона до 10-22 -- 10-24 с для резонансов. Однако нельзя считать, что нестабильные элементарные частицы «состоят» из стабильных хотя бы потому, что одна и та же частица может распадаться несколькими способами на различные элементарные частицы.
Классификация элементарных частиц
Классификация элементарных частиц производится по типам фундаментальных взаимодействий, в которых они участвуют, и на основе законов сохранения ряда физических величин. Отдельную «группу» составляет фотон. Частицы со спином 1/2, не участвующие в сильном взаимодействии и обладающие сохраняющейся внутренней характеристикой -- лептонным зарядом, образуют группу лептонов.
Элементарные частицы, участвующие во всех фундаментальных взаимодействиях, включая сильное, называются адронами. Характерным для адронов сильным взаимодействиям свойственно максимальное число сохраняющихся величин (законов сохранения), в т. ч. специфического для них -- барионного заряда, странности, изотопического спина, «очарования».
Адроны делятся на барионы и мезоны. По современным представлениям, адроны имеют сложную внутреннюю структуру: барионы состоят из 3 кварков, мезоны -- из кварка и антикварка. При столкновениях элементарных частиц происходят всевозможные превращения их друг в друга (включая рождение многих дополнительных частиц), не запрещаемые законами сохранения.
Последовательная теория элементарных частиц, которая предсказывала бы возможные значения масс элементарных частиц и другие их внутренние характеристики, еще не создана.
Адроны - (термин происходит от греч. hadros - большой, сильный; термин предложен Л.Б. Окунем в 1967).
Частицы, участвующие в сильном взаимодействии. К адронам относятся все барионы (в т. ч. нуклоны - протон и нейтрон) и мезоны. Адроны обладают сохраняющимися в процессах сильного взаимодействия квантовыми числами: странностью, очарованием, красотой и др. Близкие по массе адроны, имеющие одинаковые значения указанных квантовых чисел, а также барионного числа и спина могут быть объединены в изотопические мультиплеты, включающие в себя адроны с различными электрическими зарядами. Изотопические мультиплеты, отличающиеся только значением странности, могут быть, в свою очередь, объединены в более обширные группы частиц - супермультиплеты группы SU(3).
Адроны с В = +1 образуют подгруппу барионов (сюда входят протон, нейтрон, гипероны, барионные резонансы), а адроны с В = 0 - подгруппу мезонов (p- и К-мезоны, бозонные резонансы). Название подгрупп адронов происходит от греческих слов barэs - тяжёлый и mйsos - средний, что на начальном этапе исследований Э. ч. отражало сравнительные величины масс известных тогда барионов и мезонов. Более поздние данные показали, что массы барионов и мезонов сопоставимы. Для лептонов В = 0. Для фотона В = 0 и L = 0.
Барионы и мезоны подразделяются на уже упоминавшиеся совокупности:
обычных (нестранных) частиц (протон, нейтрон, p-мезоны), странных частиц (гипероны, К-мезоны) и
очарованных частиц. Этому разделению отвечает наличие у адронов особых квантовых чисел: странности S и очарования (английское charm) Ch с допустимыми значениями: 151 = 0, 1, 2, 3 и |Ch| = 0, 1, 2, 3. Для обычных частиц S = 0 и Ch = 0, для странных частиц |S| № 0, Ch = 0, для очарованных частиц |Ch| № 0, а |S| = 0, 1, 2. Вместо странности часто используется квантовое число гиперзаряд Y = S + В, имеющее, по-видимому, более фундаментальное значение.
Свойства элементарных частиц. Классы взаимодействий
Наиболее важное квантовое свойство все элементарных частиц - их способность рождаться и уничтожаться (испускаться и поглощаться) при взаимодействии с другими частицами.
Характеристики элементарных частиц.
Каждая элементарных частиц, наряду со спецификой присущих ей взаимодействий, описывается набором дискретных значений определённых физических величин, или своими характеристиками
Общими характеристиками всех элементарных частиц являются масса (m), время жизни (t), спин (J) и электрический заряд (Q). Пока нет достаточного понимания того, по какому закону распределены массы элементарных частиц и существует ли для них какая-то единица измерения.
Масса, одна из основных физических характеристик материи, определяющая ее инертные и гравитационные свойства.
Все элементарные частицы являются объектами исключительно малых масс и размеров. У большинства из них массы имеют порядок величины массы протона, равной 1,6Ч10 -24 г (заметно меньше лишь масса электрона: 9Ч10 -28 г). Определённые из опыта размеры протона, нейтрона, p-мезона по порядку величины равны 10 -13 см. Размеры электрона и мюона определить не удалось, известно лишь, что они меньше 10 -15 см.
В зависимости от времени жизни элементарные частицы делятся на стабильные, квазистабильные и нестабильные (резонансы).
Стабильными, в пределах точности современных измерений, являются электрон (t > 5Ч10 21 лет), протон (t > 2Ч10 30 лет), фотон и нейтрино.
К квазистабильным относят частицы, распадающиеся за счёт электромагнитных и слабых взаимодействий. Их времена жизни > 10 -20 сек (для свободного нейтрона даже ~ 1000 сек). Резонансами называются элементарные частицы, распадающиеся за счёт сильных взаимодействий. Их характерные времена жизни 10 -23 -10 -24 сек. В некоторых случаях распад тяжёлых резонансов (с массой і 3 Гэв) за счёт сильных взаимодействий оказывается подавленным и время жизни увеличивается до значений - ~10 -20 сек.
Спин (англ. spin, букв. -- вращение), собственно момент количества движения микрочастицы, имеющий квантовую природу и не связанный с движением частицы как целого; измеряется в единицах Планка постоянной ћ и может быть целым (0, 1, 2,...) или полуцелым (1/2, 3/2,...).
Спин p- и К-мезонов равен 0, у протона, нейтрона и электрона J= 1/2, у фотона J = 1
Барионный заряд (барионное число) (B), одна из внутренних характеристик барионов. У всех барионов B = +1, а у их античастиц B = -1 (у остальных элементарных частиц B = 0). Алгебраическая сумма барионных зарядов, входящих в систему частиц, сохраняется при всех взаимодействиях.
Изотопический спин (изоспин, I), внутренняя характеристика адронов и атомных ядер, определяющая число (n) частиц в одном изотопическом мультиплете: n = 2 I+1. В процессах сильного взаимодействия изотопический спин сохраняется.
Четность - квантовое число, характеризующее симметрию волновой функции физической системы или элементарной частицы при некоторых дискретных преобразованиях: если при таком преобразовании не меняет знака, то четность положительна, если меняет, то четность отрицательна. Для абсолютно нейтральных частиц (или систем), которые тождественны своим античастицам, кроме четности пространственной, можно ввести понятия зарядовой четности и комбинированной четности (для остальных частиц замена их античастицами меняет саму волновую функцию).
Важной характеристикой адронов является также внутренняя чётность Р, связанная с операцией пространств, инверсии: Р принимает значения =1.
Изотопический спин, гиперзаряд, чётность, комбинированная чётность, странность, очарование, и т.д.).
Странность (S), целое (нулевое, положительное или отрицательное) квантовое число, характеризующее адроны. Странность частиц и античастиц противоположны по знаку. Адроны с S0 ?называются странными. Странность сохраняется в сильном и электромагнитном взаимодействиях, но нарушается (на 1) в слабом взаимодействии.
«Красота» («прелесть»), квантовое число, характеризующее адроны; сохраняется в сильном и электромагнитном взаимодействиях и не сохраняется в слабом. Носителем «красоты» является b-кварк. Адроны с ненулевым значением «красоты» называются «красивыми» («прелестными»), обнаружены на опыте.
«Очарование» (чарм, шарм), квантовое число, характеризующее адроны (или кварки); сохраняется в сильном и электромагнитном взаимодействиях, но нарушается слабым взаимодействием. Частицы с ненулевым значением «очарование» называются «очарованными» частицами.
Цвет, квантовое число, характеризующее кварки и глюоны. Для каждого типа кварка принимает одно из трех возможных значений. В квантовой хромодинамике с «цветом» связан специфический «цветовой заряд», определяющий взаимодействие «цветных» частиц.
DМ=Zmp+Nmn-M(Z,N)=Eсв/c2,
где M -- масса ядра, имеющего Z протонов и N нейтронов; mp, mn -- массы протона и нейтрона. Для атомов, молекул, кристаллов величина дефекта массы пренебрежимо мала.
Сохранения законы, законы, согласно которым численные значения некоторых физических величин не изменяются с течением времени при различных процессах. Важнейшие законы сохранения -- законы сохранения энергии, импульса, момента количества движения, электрического заряда. Кроме этих строгих законов сохранения существуют приближенные законы сохранения, которые справедливы лишь для определенного круга процессов; напр., сохранение четности нарушается лишь слабыми взаимодействиями.
Теория унитарной симметрии SU
Открытие большого числа резонансов и установление их квантовых чисел показало, что адроны, входящие в разные изотопические мультиплеты, могут быть объединены в более широкие группы частиц с одинаковыми спинами, чётностью и барионным зарядом, но с разными гиперзарядами -- т. н. супермультиплеты. Например, 8 барионов со спином 1 / 2 и положит. чётностью: нуклоны N (протон и нейтрон) с изотопическим спином I = 1 / 2 и гиперзарядом Y = 1, S-гипероны (S + ,S 0 ,S -) c I = 1, Y = 0, L-гиперон с I = 0, Y = 0, X-гипероны (X 0 , X -) с I = 1 / 2 , Y = - 1 могут быть объединены в единый супермультиплет -- октет барионов. В супермультиплет (декаплет) объединяются также барионы со спином 3 / 2 и положительной чётностью; этот мультиплет включает резонансы D (D ++ , D + , D 0 , D -) с I = 3 / 2 , Y = 1, резонансы S* (S + *, S 0 *, S - *) c l = 1, Y = 0, резонансы X* (X 0 *, X - *) с I = 1 / 2 , Y = - 1 и W - = гиперон с I = 0, Y = - 2. Аналогичным образом в супермультиплеты объединяются и мезоны. Например, p-мезоны (p + , p 0 , p -) с I = 1, Y = 0, K-мезоны (K + , K 0 , K - , K 0) с I = 1 / 2 , Y = ± 1 и h-мезон c I = 0, Y = 0 объединяются в октет мезонов со спином 0 и отрицательной чётностью. Поскольку, однако, массы частиц, входящих в один и тот же супермультиплет, заметно отличаются друг от друга, ясно, что симметрия С. в., вследствие которой существуют группы «похожих» частиц, является не точной, а приближенной симметрией. Можно считать, что С. в. складывается из обладающего высокой степенью симметрии т. н. «сверхсильного» взаимодействия и нарушающего симметрию «умеренно сильного» взаимодействия.
Кварки - гипотетические фундаментальные частицы, из которых по современным представлениям, состоят все адроны (барионы -- из трех кварков, мезоны -- из кварка и антикварка). Кварки обладают спином 1/2, барионным зарядом 1/3, электрическими зарядами -2/3 и +1/3 заряда протона, а также специфическим квантовым числом «цвет». Экспериментально (косвенно) обнаружены 6 типов («ароматов») кварков: u, d, s, c, b, t. В свободном состоянии не наблюдались.
Гипотетические электрически нейтральные частицы с нулевой массой и спином 1, осуществляющие взаимодействие между кварками называются глюонами. Подобно кваркам, глюоны обладают квантовой характеристикой «цвет».
Заключение
Изучение структуры различных элементарных частиц, и в первую очередь протона и нейтрона, находится на самом переднем крае фронта исследований в физике элементарных частиц. Протон и нейтрон - это окончательные основные состояния всех барионов. Из обеих этих частиц построены все атомные ядра, находящиеся в своих основных состояниях.
Классификация адронов оказалась очень успешной, при этом удалось немного заглянуть в структуру адронов, представить их состоящими из кварков. Но многое еще предстоит выяснить.
Не так давно появилась новая теория элементарных частиц, названная «теорией зашнуровки». Согласно ей ни одна из частиц не является более фундаментальной и элементарной, чем остальные. Каждая элементарная частица существует потому, что существуют все остальные частицы.
Список литературы
В. Акоста, К. Кован, Б. Грэм « Основы современной физики», М. Просвещение, 1981;
И. Розенталь «Элементарные частицы и структура Вселенной», М. Наука, 1984;
К. Мухин «Занимательная ядерная физика», М. Энергоатомиздат, 1985
Боголюбов Н.Н., Медведев Б.В., Поливанов М. К., Вопросы теории дисперсионных соотношений, М., 1958;
Логунов А.А, Основные тенденции в развитии теории сильных взаимодействий, «Физика элементарных частиц, и атомного ядра (ЭЧАЯ)», 1974, т. 5, в. 3;
Подобные документы
Основные понятия, механизмы элементарных частиц, виды их физических взаимодействий (гравитационных, слабых, электромагнитных, ядерных). Частицы и античастицы. Классификация элементарных частиц: фотоны, лептоны, адроны (мезоны и барионы). Теория кварков.
курсовая работа , добавлен 21.03.2014
Основные характеристики и классификация элементарных частиц. Виды взаимодействий между ними: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Состав атомных ядер и свойства. Кварки и лептоны. Способы, регистрация и исследования элементарных частиц.
курсовая работа , добавлен 08.12.2010
Фундаментальные физические взаимодействия. Гравитация. Электромагнетизм. Слабое взаимодействие. Проблема единства физики. Классификация элементарных частиц. Характеристики субатомных частиц. Лептоны. Адроны. Частицы - переносчики взаимодействий.
дипломная работа , добавлен 05.02.2003
Основные подходы к классификации элементарных частиц, которые по видам взаимодействий делятся на: составные, фундаментальные (бесструктурные) частицы. Особенности микрочастиц с полуцелым и целым спином. Условно истинно и истинно элементарные частицы.
реферат , добавлен 09.08.2010
Характеристика методов наблюдения элементарных частиц. Понятие элементарных частиц, виды их взаимодействий. Состав атомных ядер и взаимодействие в них нуклонов. Определение, история открытия и виды радиоактивности. Простейшие и цепные ядерные реакции.
реферат , добавлен 12.12.2009
Количество элементарных частиц. Существование кварков. Супермультиплеты. Три кошмарные частицы. Парк, нарк, ларк. Новые кварки. Поиски кварков. Минимальная энергия, необходимая для рождения кварка. Камера Вильсона. Современная физика о проблеме кварков.
реферат , добавлен 24.04.2007
Структуры и свойства материй первого типа. Структуры и свойства материй второго типа (элементарные частицы). Механизмы распада, взаимодействия и рождения элементарных частиц. Аннигиляция и выполнение зарядового запрета.
реферат , добавлен 20.10.2006
Свойства всех элементарных частиц. Связь протонов и нейтронов в атомных ядрах. Классификация элементарных частиц. Величина разности масс нейтрона и протона. Гравитационные взаимодействия нейтронов. Экспериментальное значение времени жизни мюона.
реферат , добавлен 20.12.2011
Сущность элементарных частиц (лептонов и адронов), особенности их классификации. Общая характеристика гипотезы о существовании кварков: супермультиплеты, кварковая гипотеза. Специфика квантовой хромодинамики: понятие глюонов и асимптотической свободы.
курсовая работа , добавлен 20.12.2010
Сценарий развития Вселенной после Большого Взрыва. Современные представления об элементарных частицах как первооснове строения материи Вселенной. Классификация элементарных частиц. Корпускулярно-волновой дуализм в современной физике. Теория атома Н. Бора.
Адроны делят на две группы: мезоны (s = 0, 1, участвует в сильном взаимодействии) и барионы (s = 1/2, 3/2, участвуют в сильном взаимодействии). Барионы делятся на нуклоны (s =1/2) и гипероны (s = 1/2, 3/2).
2. В чем состояла кварковая гипотеза М.Геллмана и Д.Цвейга? Какие эксперименты подтвердили существование трех точечных зарядов в нуклонах? Почему спин этих зарядов (кварков) полуцелый?
Она состояла в том, что адроны являются составными частицами. Существование в нуклонах трех точечных зарядов подтвердилось экспериментом, в котором изучалось рассеяние электронов с энергией 20 ГэВ на протонах и нейтронах.Потому что нуклоны имеют полуцелый спин и состоят из трех кварков, и если мы предполагаем, что у всех кварков одинаковый спин, то он должен быть полуцелым.
3. Приведите расчет электрических возможных зарядов кварков. Как назвали эти кварки?
Обозначим за Q и q возможные электрические заряды кварков.
Если мы решим эту систему двух уравнений с двумя переменными мы получим
(такой кварк назвали u-кварком); q = -1/3е (d-кварк).
4. Какие законы сохранения отражали сохранение в ядерных реакциях зарядового и массового числа? Сформулируйте закон сохранения барионого заряда. Как он подтверждает невозможность распада бариона на более мелкие частицы?
Закон сохранения электрического заряда отражает сохранение зарядового числа, а закон сохранения массы отражает сохранение массового числа.
Закон сохранения барионного заряда: барионный заряд сохраняется во всех взаимодействиях. Невозможность распада протона на более мелкие частицы объясняется сохранением барионного заряда. Барионный заряд кварков равен 1/3, для барионов (протонов и нейтронов) В = 1 (барионный заряд ядра). При β-распаде закон сохранения барионного заряда имеет вид
Адронами называются элементарные частицы, которые могут участвовать и реально участвуют в сильном взаимодействии. Все они подвержены также электромагнитному, слабому и гравитационному взаимодействиям. Класс адронов самый многочисленный: он насчитывает более 300 частиц (если считать и античастицы). , согласно современным воззрениям, являются составными частицами. Первым косвенным указанием на это может служить хотя бы то, что их очень много - несколько сотен. Далее, большинство адронов являются резонансами - крайне нестабильными частицами. Но, главное, у адронов была обнаружена внутренняя структура. Уже из результатов опытов по упругому рассеянию электронов на нуклонах, проведенных в 50-60-е годы, следовало, что радиусы протона и нейтрона отличны от нуля. Конечно, непосредственно измерить эти радиусы не возможно, имеются в виду среднеквадратичные радиусы распределения электрического заряда и магнитного момента в этих частицах.
R N =0,8·10 -15 м.
При этом электрический заряд и магнитный момент распределены в них неравномерно: они спадают от центра к периферии по экспоненциальному закону (у нейтрона распределение электрического заряда отсутствует). Так, плотность электрического заряда протона хорошо описывается следующей экспериментально найденной формулой:
g(r) =e ·3,06exp(-4,25r) .
Более того, опыты по неупругому рассеянию электронов на нуклонах, проведённые в 60-70-е годы, выявили зернистую («партонную») структуру протона и нейтрона.
состоят из кварков . комбинируются таким образом, что их дробные заряды в сумме дают целый заряд адрона, т.е. адроны не имеют цветового заряда, хотя его имеют кварки. Все адроны, за исключением протона, - нестабильны, т.е. распадаются на другие частицы. Например, нейтрон распадается на протон, электрон и антинейтрино; K-мезон распадается на два пи-мезона, которые далее распадаются на мюон и нейтрино и т.д.
Различают стабильные (точнее, мета-стабильные) адроны со средними временами жизни T>10 -23 с и резонансы, времена жизни которых T~10 -24 -10 -23 с. Самой характерной особенностью резонансов является то, что они распадаются в результате сильного взаимодействия, тогда как распады «стабильных» адронов обусловлены гораздо менее интенсивными взаимодействиями, главным образом слабым, иногда электромагнитным. Данное свойство резонансов может служить наиболее адекватным их определением.
Адроны подразделяются на барионы и мезоны.
Адроны, имеющие полуцелые спины, называют барионами; адроны, обладающие целыми спинами, называют мезонами.
Мезоны (от греч. m esos - средний ) состоят из одного кварка и одного антикварка. Например, такой мезон, как пион (π + ), имеет структуру ud (т.е. состоит из одного u -кварка и одного d -антикварка). Аналогично антипион (p - ) имеет совсем другую структуру du (т.е. состоит из одного u -антикварка и одного d -кварка). Мезоны относятся к бозонам, т.е. к переносчикам взаимодействий (см. стандартная модель).
Поскольку мезон состоит из частицы и античастицы, то он очень нестабилен. Однако такой мезон, как каон (K ), имеет гораздо большую продолжительность жизни по сравнению с остальными мезонами, и потому входящий в него кварк назвали странным (strange).
Таким образом, бывают стабильные мезоны и стабильные барионы, а также мезонные резонансы и барионные резонансы. Для характеристики этого различия вводят физическую величину, аналогичную лептонному заряду - барионный заряд.
Барионный заряд. |
По определению, у всех барионов В = + 1, у всех антибарионов В= - 1, у всех прочих частиц (в том числе у мезонов) В = 0. Пока считается, что барионный заряд сохраняется во всех взаимодействиях. Этим обусловлена, в частности, стабильность протона - самого легкого бариона. Все мезоны и барионы подразделяются на «обычные», «странные», «очарованные» и «прелестные». Заметим, что «прелестные» барионы ещё не зарегистрированы, хотя нет никаких сомнений в том, что они существуют. Кроме того, предсказывается новый класс «истинных» частиц с весьма большими массами.
Помимо пространственно-временных симметрий в мире частиц действуют симметрии иной природы, называемые внутренними или динамическими симметриями. Они позволяют, например, классифицировать всё многообразие адронов.
Пояснить, что такое внутренняя симметрия, лучше всего на конкретном примере. Рассмотрим два легчайших бариона - протон и нейтрон. Массы частиц очень близки: m p = 938,2 МэВ , m n = 939,5 МэВ . Заряд протона Q = +1 , заряд нейтрона Q = 0 . Как показывают эксперименты, в реакциях сильного взаимодействия обе частицы ведут себя одинаково. Если не учитывать электромагнитный заряд, то во всём остальном они неразличимы. В ядерном мире протон и нейтрон выступают как единая частица - нуклон, который может находиться в двух разных состояниях, протонном и нейтронном.
«Взаимозаменяемость» протона и нейтрона в реакциях сильных взаимодействий можно математически описать как симметрию по отношению к вращениям в некотором гипотетическом (не имеющем ничего общего с обычным) трёхмерном пространстве, получившем название изотопического пространства. Как электрон со спином ½ способен находиться в двух состояниях с проекциями спина на избранное направление (ось квантования) ½ или -½, так и протон с нейтроном могут считаться состояниями одной частицы (нуклона N), наделённой новым квантовым числом - изотопическим спином T= ½ , но с разными проекциями: Tз = ½ и Tз = -½ (понятие изотопического спина ввёл в 1940 г. В. Гейзенберг). Неразличимость протона и нейтрона теперь выражается как инвариантность уравнений теории сильных взаимодействий относительно «вращений» в изотопическом пространстве. Или, другими словами, тождественность протона и нейтрона по отношению к сильному взаимодействию находит свое конкретное выражение в свойстве зарядовой независимости ядерных сил: они одинаковы для систем р - р, п - п, р - п .
Все адроны распределяются по небольшим семействам - изомультиплетам. Сильное взаимодействие отдельных их членов одинаково, а различаются они только своим отношением к электромагнитному и слабому взаимодействиям. Если бы два последних взаимодействия удалось бы не учитывать, то члены одного изомультиплета стали бы тождественными, неразличимыми частицами. Характерный внешний признак принадлежности частиц к одному изомультиплету - приближенное равенство их масс при разных значениях электрического заряда. Считается, что небольшие различия в массах возникают как раз вследствие электромагнитного взаимодействия. Самый известный пример изомультиплета дает нуклонный изодублет N , содержащий протон р и нейтрон п , на примере которого мы и провели первоначальное пояснение.
Математический аппарат, с помощью которого описываются разные изомультиплеты и отдельные их члены, почти идентичен аппарату, созданному для описания обычного спина и разных спиновых состояний данной частицы. Изомультиплету в целом приписывается изоспин T , который определяет число его членов по формуле:
N=2T+1 . ()
У частицы с обычным спином J имеется 2J + 1 спиновых состояний, различающихся проекциями спина J 3 . По аналогии с этим вводится проекция изоспина T з , значениями которой различаются отдельные члены изомультиплета (хотя здесь никакие наглядные геометрические образы непригодны). Величина T з пробегает значения от -T до T через единицу в порядке возрастания электрического заряда. Приведем два простых примера. Для нуклона N = 2 (р, п) , а поэтому T=½ , у нейтрона T з =-½ протона T з =+ ½ . Для пиона N = 3 (л + , л 0 , л -) , и поэтому Т= 1 ; у л - -мезона T з = - 1 , у л 0 -мезона T з = 0 , у л + -мезона Т з =+1 .
В сильном взаимодействии изоспин сохраняется. Заметим только, что свойство зарядовой независимости ядерных сил является частным следствием закона сохранения изоспина. Электромагнитное взаимодействие делает члены данного изомультиплета уже различными, и поэтому в процессах, им обусловленных, изоспин не сохраняется. Не сохраняется он и в слабом взаимодействии.
Странность (strange). |
Прежде всего следует напомнить, что адроны, в состав которых входят того или иного аромата, становятся обладателями соответствующего квантового числа, другими словами, в составе рассматриваемых ниже странных частиц содержится странный кварк.
Первоначально из адронов были известны только частицы N и л. Электрические заряды этих «обычных» частиц могут быть вычислены по формуле q = T 3 +½B, (1) .
Но для «странных» частиц, открытых в 50-е годы, данная формула уже не справедлива. Так, у K + -мезона q= +1 , в то время, как Тз= +½, B=0 . Всем этим частицам приписывается новое квантовое число - странность S. Оно вводится так, чтобы для странных частиц выполнялось соотношение Гелл-Манна-Нишиджимы q = T 3 +½(B+S), (2) , обобщающее предыдущую формулу. По сути дела, соотношение рассматривается в настоящее время просто как определение странности, позволяющее находить её значения для конкретных частиц. Так, у «обычных» частиц S = 0 , а из последнего примера сразу ясно, что K + -мезону следует приписать странность S= + 1 .
Считается, что странность сохраняется в сильном (и электромагнитном) взаимодействии, но не сохраняется в слабом взаимодействии. В более строгом смысле в физике элементарных частиц существуют т.н. правила отбора , одно из них применительно к свойству странности формулируется так: суммы странностей частиц в начале и конце реакции сильного взаимодействия одинаковы.
Этим сразу объясняется весьма необычное свойство странных частиц, из-за которого они главным образом и получили свое название: рождаются эти частицы всегда парами, причем быстро - за время т~10 -23 с, а распадаются поодиночке и медленно - за время т~ 10 -10 -т~ 10 -8 с. Дело в том, что в космическом излучении «странные» частицы генерируются при соударении «обычных» адронов N и л с S=0 и в результате сильного взаимодействия (отсюда малые времена). Так как в начальном состоянии S = 0 , то и в конечном состоянии полная странность равна нулю. А это значит, что если образовалась какая-то одна частица с S не равной О , то обязана образоваться и другая частица с противоположным значением S . Распадаться же «странные» частицы за счёт сильного взаимодействия не могут, так как в конечном итоге они превращаются в «обычные» частицы. Их распады обусловлены слабым взаимодействием, не сохраняющим странность, откуда относительно большие времена жизни.
В 70-е годы были открыты очарованные частицы, для которых оказалось несправедливым и соотношение (2) . Им приписали новое квантовое число - очарование С , введение которого обобщает соотношение Гелл-Манна-Нишиджимы q = T 3 +½(B+S+C), (3) .
Очарование подчиняется таким же законам сохранения, что и странность. После открытия прелестных частиц возникла необходимость во введении прелести Ь . q = T 3 +½(B+S+C-b), (4) . (знак минус введен по причинам достаточно случайного характера).
Для «истинных» частиц, если их откроют, необходимо ввести ещё одно квантовое число - истинность (?) .
Итак, мы видим, что для описания всего многообразия адронов приходится использовать большое количество весьма необычных физических величин (причём мы перечислили не все из них). Их глубокий смысл в том, что все эти величины подчиняются определенным законам сохранения, позволяющим устанавливать правила отбора, которые запрещают или разрешают протекание тех или иных превращений частиц. Из сказанного ясно, что фундаментальные взаимодействия различаются, наряду с прочими характеристиками, также свойственными им законами сохранения.
Виды грамматических навыков
Технологическая карта урока как инновационный инструмент реализации фгос роговцева наталья ивановна, к
Жанна д’Арк: героиня или грандиозный пиар-проект?