Конспект лекций эумк по дисциплине Физика, иээ о. И. Лубенченко 12 2020
 Скачать 7.51 Mb.
|
|
7.4.8. Лептоны Таблица 50.3 Частица Обозна- чение Антича- стица Масса покоя, МэВ/c 2 Электри- ческий заряд Q Время жизни, с Основные каналы распада Электрон e e позитрон 0,511 –1 Стабилен Электронное нейтрино e ν e ν 0 0 Стабильно Мюон μ μ 105,7 –1 2,20∙10 –6 e μ e ν ν Мюонное нейтрино μ ν μ ν 0 0 Стабильно τ-лептон (таон) τ τ 1784,0 –1 < 4∙10 –13 μ τ μ ν ν , e τ e ν ν , адроны τ-нейтрино τ ν τ ν 0 0 Стабильно 392 Лекция 51 7.5. Кварковая модель адронов 7.5.1. Фундаментальные фермионы. Поколения лептонов и кварков Все адроны состоят из частиц, называемых кварками Имеется 6 типов ( ароматов ) кварков (см. ТАБЛ . 51.2 ). Все кварки имеют спин 1 2 s , дробный электрический заряд, барионный заряд 1 3 B . Антикварки отличаются от кварков знаками зарядов Q, B, S, C, b, t. Лептоны и кварки группируются в три поколения ( ТАБЛ . 51.1 ). Частицы I поколения — самые лёгкие, III поколения — самые тяжёлые. Таблица 51.1 Поколения лептонов и кварков I II III e – μ – τ – ν e ν μ ν τ d s b u c t Таблица 51.2 Обозначение (аромат) кварка Электрический заряд Q Странность S Шарм c Красота b Истина t u верхний 2 3 0 0 0 0 d нижний 1 3 0 0 0 0 s странный 1 3 –1 0 0 0 c очарованный 2 3 0 1 0 0 b прекрасный 1 3 0 0 1 0 t истинный 2 3 0 0 0 1 7.5.2. Взаимодействие кварков и образование адронов Сильное взаимодействие между кварками осуществляется через обмен глюонами g. Фейнмановская диаграмма взаимодействия кварков показана на РИС . 51.1 Спин глюона s = 1, чётность P = –1. 393 Кварки не наблюдаются в свободном состоянии. Имеет место пленение кварков — конфайнмент Потенциал типа воронки, описывающий конфайнмент кварка внутри адрона, по- казан на РИС . 51.2 (r 0 ≈ 10 –15 м). Рис. 51.1 Рис. 51.2 Мезоны состоят из кварка и антикварка. Барионы состоят из трёх кварков; гипероны состоят из трёх кварков, не все из кото- рых — u или d. Спин адрона: s J L L Системы, состоящие из одной и той же комбинации кварков, но с разным сум- марным спином, являются разными элементарными частицами! П РИМЕРЫ Пи-мезоны — : π ud , : π ud Протон — : p uud Нейтрон — : n udd Каоны — : K us , 0 : K ds Лямбда-гиперон — 0 Λ :uds 7.5.3. Цвет Кварки характеризуются ещё одним квантовым числом — цветом . Цвет может принимать три значения ( ТАБЛ . 51.3 ) При испускании и поглощении глюонов кварк изменяет цвет, но его аромат при этом сохраняется. Антикварки характеризуются антицветом Глюоны характеризуются цветом и антицветом. Закон сохранения цвета: цветовой заряд закрытой системы не изменяется. Закон сохранения цвета не выполняется в процессах, обусловленных слабым взаи- модействием. q q q q g U 0 r r 0 сумма орбитальных моментов кварков сумма спинов кварков 394 Таблица 51.3 Цвет Антицвет Красный Антикрасный (зелёный) Жёлтый Антижёлтый (фиолетовый) Синий Антисиний (оранжевый) П РИМЕРЫ Испускание глюона кварком: к ж кж q q g , к с кс q q g Поглощение глюона кварком: к ж жк q g q , к с ск q g q , к к сс q g q Так как глюон имеет цветовои заряд, он испускает глюоны. На расстояние больше r 0 цветовые заряды вырваться не могут. Поэтому в свободном виде могут существо- вать только бесцветные (белые) комбинации цветовых зарядов. Принцип бесцветности адронов: возможны только те сочетания кварков разных цветов, смесь которых бесцветна. 7.5.4. Распад кварков Аромат кварков может изменяться в процессах, обусловленных слабым взаимодей- ствием. П РИМЕРЫ 1) β-распад нейтрона Распад нейтрона (свободного или связанного в β – -радиоактивном ядре) e n pe ν эквивалентен распаду d-кварка e d ue ν Фейнмановские диаграммы этих процессов изображены на РИС . 51.3 А , Б а б Рис. 51.3 d d d u u u e – n p d u e – W – 395 2) Распад пиона ( РИС . 51.4 ) Рис. 51.4 7.6. Теории фундаментальных взаимодействий 1. Квантовая электродинамика Квантовая электродинамика — теория взаимодействия фотонов и электронов. 2. Квантовая хромодинамика Квантовая хромодинамика — теория взаимодействия глюонов и кварков. 3. Стандартная теория электрослабого взаимодействия Стандартная теория описывает слабое и электромагнитное взаимодействия как единое взаимодействие. Электрослабая симметрия: должны существовать 4 фундаментальных безмассо- вых бозона — 2 заряженных и 2 нейтральных + массивный бозон Хиггса Экспериментально доказано существование 1 фундаментального безмассового бо- зона (фотона) и 3 массивных (𝑊 ± и 𝑍 0 ). Константы взаимодействий Константа электромагнитного взаимодействия Константа слабого взаимодействия 2 e α c 2 1 30 W W W g α g c , g W — слабый заряд; g W > e Характеристики бозона Хиггса 1. Энергия W ≈ 116 ÷ 130 ГэВ 2. Спин s = 0 3. Электрический заряд Q = 0 Роль бозона Хиггса 1. Массы лептонов, кварков и промежуточных бозонов 2. Нарушение CP- и P-симметрий при слабом взаимодействии 3. Количественное преобладание u-кварков над d-кварками 4. Теория Великого объединения Теория Великого объединения описывает сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия как единое взаимодействие. Константа сильного взаимодействия 1 40 S GU α α μ + u π + 396 Заряды — сильный, слабый, электрический — функции 4-импульса; соответ- ственно, константы взаимодействий также зависят от 4-импульса. Причина этого — поляризация вакуума . (Это явление аналогично поляризации диэлектрика.) Благодаря поляризации вакуума с ростом 4-импульса сильный g S и слабый g W за- ряды падают, а электрический заряд e — растёт. Константы взаимодействий выравниваются и цветовая и электрослабая симмет- рии объединяются при энергиях 14 15 10 10 ГэВ W Единая симметрия: должны существовать 24 фундаментальных бозона — глюоны, промежуточные бозоны, фотон, X-, Y-бозоны. Характеристики X-, Y-бозонов 1. Энергия W ≈ 10 15 ГэВ 2. Спин s = 1 3. Электрический заряд 4 3 X Q , 1 3 Y Q 4. Каждый бозон характеризуется 3 цветами. П РИМЕРЫ 1) Превращение протона в позитрон ( РИС . 51.5 ) 2) Превращение нейтрона в электронное антинейтрино ( РИС . 51.6 ) Рис. 51.5 Рис. 51.6 5. Суперобъединение Теория суперобъединения описывает все фундаментальные взаимодействия как одно взаимодействие. Суперсимметрия реализуется при энергиях W ≈ 10 19 ГэВ и на расстояниях r ≈ 10 –33 см для объектов массой порядка m Pl = 10 2 кг ( масса Планка ). При таких условиях энергия гравитационного поля сравнивается с кинетической энергией частиц при их электромагнитном взаимодействии. При энергиях и импульсах порядка массы Планка гравитационное взаимодействие становится определяющим. u u X e + u d Y |