М. Г. Валишев а. А. Повзнер
 Скачать 10.33 Mb.
|
ФИЗИКА ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ В настоящее время известно около 450 элементарных частиц, то есть тех, которые согласно современным представлениям нельзя разложить на составные части. Большинство из них имеют внутреннее строение (все адроны состоят из кварков, но так как в свободном состоянии кварки в природе не встречаются, то и эти частицы можно считать элементарными. Иное дело — ядра атомов и сами атомы. Частицы, входящие в их состав, встречаются в свободном состоянии, и поэтому ядра атомов и сами атомы не относятся к классу элементарных частиц. Под истинно элементарными частицами понимают частицы, претендующие на роль первичных элементов материи, истинно элементарные частицы не имеют внутренней структуры. К ним относят лептоны, кварки и частицы переносчики взаимодействий (фотон, промежуточные векторные бозоны, глюоны и не открытый пока еще гравитон). Можно сказать, что все многообразие существующих в настоящее время элементарных частиц построено из лептонов (их число, включая ан тилептоны, равно 12) и кварков (их число, включая антикварки, равно которые взаимодействуют посредством частиц переносчиков взаимодействий (их число равно Для элементарных частиц вводятся такие общие характеристики, как масса, время жизни в вакууме, электрический заряд, магнитный момент и спин частицы. Напомним, что под спином J понимают проекцию спинового момента L SZ частицы на направление внешнего магнитного поля, выраженную в единицах h (см. п. 10.1.6); спин определяет принадлежность частицы к классу бозонов или фермионов. Например, спин электрона равен J = При протекании реакций между элементарными частицами для всех видов взаимодействия выполняются законы сохранения энергии, импульса, момента импульса и электрического заряда. Для описания взаимодействий между элементарными частицами вводятся новые квантовые числа (их называют внутренними квантовыми числами). К ним относятся лептонный заряд, барионный заряд, изоспин, проекция изоспина, четность, странность, очарование, красота, истина и т. д. (см. ниже). Этим квантовым числам соответствуют законы сохранения лептонного заряда, барионного заряда, изоспина, проекции изоспина, четности, странности, очарования C, красоты b и истинности t. Они также выполняются МГ. ВАЛИШЕВ, А. А. ПОВЗНЕР. КУРС ОБЩЕЙ ФИЗИКИ при протекании реакций между элементарными частицами. Некоторые из этих законов нарушаются в тех или иных видах взаимодействий (см. ниже). По времени жизни разделяют частицы на стабильные (электрон, протон, фотон и нейтрино, нейтрон (в свободном состоянии он распадается за счет слабого взаимодействия за время порядка 15 мин, квазистабильные и короткоживущие (к ним относят резонансы. Квазистабильные частицы распадаются за счет электромагнитного и слабого взаимодействий, их время жизни составляет Ж с. Время жизни большинства элементарных частиц, распадающихся за счет слабого взаимодействия, лежит в диапазоне 10 –14 ) с. Короткоживущие частицы называют резонансами, они распадаются за счет сильного взаимодействия, их время жизни Ж (10 –22 ¸ 10 –24) с. Отметим, что в ядерной физике принято измерять массу частиц в атомных единицах массы (а. ем) или в энергетических единицах (в соответствии с формулой W = mc 2 , МэВ, причем а. ем МэВ = 1,66 × 10 –27 кг. (11.1) Для того чтобы провести подробную классификацию всех элементарных частиц, необходимо, прежде всего рассмотреть характеристику видов взаимодействий, в которые вступают эти частицы. 11.1.1. ТИПЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ Наиболее важным свойством всех элементарных частиц является их способность рождаться и уничтожаться (испускаться и поглощаться) при взаимодействии с другими частицами. Различные процессы с элементарными частицами при изученных энергиях ( 1 ГэВ = 10 эВ) заметно отличаются по интенсивности протекания. В соответствии с этим взаимодействия элементарных частиц делят на четыре типа (класса сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Каждое из них можно охарактеризовать приведенными ниже парамет рами. Константа взаимодействия характеризует максимальное значение силы взаимодействия или энергии взаимодействия, она является безразмерной величиной, ее принято оценивать по формуле a = (заряд. Подставляя для электромагнитного взаимодействия заряд протона (выбор протона связан стем, что он вступает вовсе виды взаимодействий, получим (заряд) = 1/137. Константу гравитационного взаимодействия можно оценить из сравнения сил гравитационного и электромагнитного взаимодействия для двух протонов 2 2 3 3 45 3 45 6 2 2 2 2 2 2 36 0 0 4 4 10 1 1 2 1 3124 4 12 33 1 4 4 5 1 2 1 2 3 3 4 4 15 что дает следующее значение a G » 10 –36 a E » Для сильного и слабого взаимодействий константы a S и a W оценивают из большой совокупности экспериментальных данных о реакциях взаимодействия элементарных частиц ЧАСТЬ 11. ФИЗИКА ЯДРА И ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ 377 Радиус взаимодействия r — расстояние, на котором эти взаимодействия являются наиболее интенсивными. Длительность протекания процессов взаимодействия частиц Dt вз за счет данного вида взаимодействия. Частицы переносчики взаимодействия являются квантами соответствующих полей, посредством которых осуществляется взаимодействие между частицами. Известно, что электромагнитное взаимодействие между электрически заряженными частицами переносится с помощью электромагнитного поля. Так как электромагнитную волну можно представить потоком фотонов, квантов электромагнитного поля, то говорят, что такое взаимодействие между частицами переносится с помощью фотонов. Это понимание механизма взаимодействий переносится и на другие его виды. Сильное взаимодействием, Dt вз » с осуществляется посредством p мезонов, они переносят взаимодействие между нуклонами в ядре. Существует три вида пи мезонов это p + , p – и мезоны (массы p + и мезонов равны 140 МэВ = 273 m эл , а мезона 135 МэВ = 264 m эл ), они являются бозонами, для них спин равен нулю. p + и мезоны имеют электрический заряд, равный по модулю заряду электрона, а мезон электрического заряда не имеет. В настоящее время существует новый уровень понимания сильного взаимодействия, согласно которому сильное взаимодействие между кварками переносят глюоны. Электромагнитное взаимодействие a E » 1 × 10 –2 , r = ¥, Dt вз » сего переносчиком является фотон, его масса покоя равна нулю, а спин равен единице, то есть это бозон. Фотоны электрического заряда не имеют, они переносят взаимодействие между электрически заряженными частицами. Слабое взаимодействием, Dt вз » сего переносчики промежуточные векторные бозоны W + , W – и бозоны, это самые тяжелые (для W + , бозонов 80 ГэВ, а для бозона 91,6 ГэВ) и нестабильные (время жизни составляет всего 3 × с) частицы из всех известных элементарных частиц. Два из них (W + , W – ) имеют электрический заряд, равный по модулю заряду электрона, а бозон — электрически нейтральная частица. Как следует из их названия, они являются бозонами, для них спин равен единице. Слабое взаимодействие обусловливает все виды b распада и отвечает за взаимодействие нейтрино с веществом. Гравитационное взаимодействие a G » 1 × 10 –38 , r = ¥, Dt вз = ?. Его переносчиком предположительно являются гравитоны (масса покоя равна нулю, это бозоны, спин для них равен двум. Экспериментально гравитоны не обнаружены. Интенсивность гравитационного взаимодействия очень мала, и поэтому в процессах взаимодействия, протекающих в микромире, гравитационное взаимодействие себя никак не проявляет. Это замечание справедливо для расстояний между частицами, превышающих значения r ³ 10 –35 м. Из рассмотренных выше видов взаимодействий следует, что наиболее быстро протекают процессы с участием сильного взаимодействия, для них отмечена наибольшая интенсивность и соответственно наименьшее время протекания процессов распада МГ. ВАЛИШЕВ, А. А. ПОВЗНЕР. КУРС ОБЩЕЙ ФИЗИКИ 11.1.2. ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ В ФИЗИКЕ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ Космические лучи. Основные результаты в начальной стадии развития физики элементарных частиц были достигнуты при исследовании космического излучения. Под ним понимают поток элементарных частиц высоких энергий, преимущественно протонов, приходящих на Землю со всех направлений из космического пространства, а также вторичное излучение, рожденное в атмосфере Земли в результате взаимодействия этого потока с атомными ядрами молекул воздуха. Оказывается, что во вторичном излучении встречаются практически все известные элементарные частицы. Космические лучи разделяются на высокоэнергетические галактические космические лучи с энергиями, достигающими 10 эВ, и солнечные космические лучи умеренных энергий £ 10 эВ. Первые из них приходят на Землю от источников, находящихся вне Солнечной системы, а вторые связаны с активностью Солнца. Детальное изучение зарядов и масс частиц вторичных космических лучей привело к открытию таких элементарных частиц, как позитрон (Ан дерсон, 1932), мюоны (Андерсон и Неддермейер, 1936), p мезоны и K мезоны гиперон и т. д. В настоящее время космические лучи остаются и еще долго будут оставаться уникальным источником частиц сверхвысоких энергий, поскольку даже в самых больших современных ускорителях максимально достижимая энергия частиц на сегодняшний день составляет порядка 14 эВ. Однако использование космических лучей для изучения реакций между элементарными частицами вызывает большие затруднения, связанные сне предсказуемостью эксперимента и необходимостью доставки приборов на сравнительно большие высоты ( 50 км). Ускорители элементарных частиц. В настоящее время основные результаты в физике элементарных частиц получают на кольцевых ускорителях — коллайдерах. На них проводят столкновение ускоренных электрическим полем встречных пучков протонов с антипротонами, протонов — с протонами, электронов — с позитронами, электронов — с протонами и т. д. Появление более мощных ускорителей позволяет увеличить энергию сталкивающихся между собой частиц и тем самым сблизить их на меньшие расстояния друг к другу, а на этих меньших расстояниях и происходит видоизменение физической картины мира. Отметим, что увеличение энергии сталкивающихся частиц уменьшает соответствующую им длину волны де Бройля и тем самым позволяет исследовать внутреннее строение различных частиц, линейные размеры которых превышают l Б : l Б = h/p = h/(W/c) = hc/W £ l Þ W Þ ¯l Б Итак, новые этапы в исследовании физики элементарных частиц связаны с появлением новых более мощных ускорителей ЧАСТЬ 11. ФИЗИКА ЯДРА И ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ 379 11.1.3. ОСНОВНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДОСТИЖЕНИЯ В ФИЗИКЕ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ Обменный характер сильного взаимодействия. Обсудим, как изменялись взгляды на сильное взаимодействие. Прежде всего, рассмотрим, как осуществляется сильное взаимодействие между частицами. Примером сильного взаимодействия является взаимодействие между нуклонами в ядре. Говорят, что каждый отдельный нуклон окружен облаком из виртуальных p мезонов (риса. Поясним эту фразу. Протон (или нейтрон) может испускать мезоны, которые затем снова поглощаются протоном. Процессы испускания и поглощения p мезонов приводят к тому, что около протона постоянно находится облако из виртуальных p мезонов. Виртуальная частица — это частица, которую нельзя обнаружить за время ее существования. Почему возможно существование таких частиц? Рассмотрим для примера процесс испускания протоном мезона. При этом должна протекать следующая реакция p ® p + p 0 , которая запрещена законом сохранения энергии m p c 2 ¹ m p c 2 + m p c 2 . Однако можно не заметить нарушение этого закона сохранения энергии. Такую возможность дает соотношение неопределенности Гейзенберга для энергии и времени ( DWDt ³ h). Если время существования мезона (время между его испусканием и поглощением протоном) Dt, а соответственно и время измерения Dt изм энергии такой реакции будет меньше величины h/(m p c 2 ) ( Dt изм £ Dt £ h/DW = h/(m p c 2 )), тов этом случае нельзя обнаружить нарушение закона сохранения энергии. Указанное время измерения не дает возможности оценить с достаточной точностью энергию реакции на опыте (погрешность определения энергии реакции будет превышать энергию покоя p мезона DW > m p c 2 ), и поэтому заметить нарушение закона сохранения не удается — за это время испущенный p мезон будет снова поглощен протоном. Данный подход к описанию сильного взаимодействия позволяет найти радиус облака из виртуальных p мезонов и соответственно расстояние, на котором будет эффективно такое взаимодействие. Радиус взаимодействия приближенно будет равен расстоянию, на которое может отойти виртуальный мезон за время его существования от нуклона cDt = h/(m p c ) = 1,5 × 10 –15 м, (11.2) что согласуется с радиусом сильного взаимодействия. Итак, каждый нуклон окружен облаком, состоящим из виртуальных p мезонов. Когда два нуклона подходят на расстояние, при котором происходит перекрывание их облаков из виртуальных p мезонов (рис. б, происходит обмен этими частицами, в результате которого и устанавливается сильное взаимодействие+ n ® (p + p 0 ) + n ® p + (p 0 + n) ® p + n. (11.3 а) а б Рис. 11.1 МГ. ВАЛИШЕВ, А. А. ПОВЗНЕР. КУРС ОБЩЕЙ ФИЗИКИ Как видно из реакции, никаких изменений в итоге не произошло, но обмен виртуальными частицами привел к возникновению сильного взаимодействия. Кроме реакции (11.3 а, могут также протекать следующие реакции обмена виртуальными p мезонами 1 1 2 1 3 1 2 1 3 1 2 1 1 2 1 2 3 1 2 2 2 2 2 2 1 (11.3 б 1 2 3 2 4 2 3 2 4 2 3 2 1 2 1 2 3 1 2 2 2 2 2 2 1 (11.3 в) Новые открытия в физике элементарных частиц Обсудим, что нового появилось в физике элементарных частиц за последние десятилетия. Так, при достижении энергии сталкивающихся частиц порядка 1 ГэВ ( »10 9 эВ) расстояние между частицами составило порядками это позволило установить, что нуклоны и p мезоны состоят из кварков. Поэтому в настоящее время имеется иное объяснение сильного взаимодействия — оно осуществляется между кварками с помощью глюонов каждый кварк окружен облаком виртуальных глюонов. Далее, когда на ускорителях были достигнуты энергии сталкивающихся частиц порядка 100 ГэВ, что соответствует расстояниям между частицами порядкам, были экспериментально обнаружены переносчики слабого взаимодействия — промежуточные векторные бозоны (W + , W – и бозоны. Это открытие было сделано в 1983 г. на кольцевом ускорителе, где проводили столкновение встречных пучков ускоренных электрическим полем протонов и антипротонов. Нужно отметить, что промежуточные векторные бозоны были предсказаны еще в 60 е гг. XX века физиками теоретиками Глэшоу, Саламом и Вайнбергом, создавшими единую теорию электрослабого взаимодействия. Согласно этой теории на расстояниях r £ м электромагнитное и слабое взаимодействия сливаются водно электрослабое взаимодействие, которое переносится четырьмя безмассовыми частицами. С обнаружением опытным путем промежуточных векторных бозонов эта теория получила экспериментальное подтверждение. Поясним, почему возможно объединение электрического и слабого взаимодействий при расстояниях r £ 1 × м. При увеличении энергии сталкивающихся частиц они сближаются между собой настолько близко, что происходит уменьшение влияния на их взаимодействие облака виртуальных частиц — переносчиков взаимодействий, и чем больше энергия столкновения частиц, тем меньше будет влияние этого облака. В этом случае интенсивность электромагнитного взаимодействия уменьшается, а слабого возрастает, и на расстояниях r £ 1 × м они сливаются в единое электро слабое взаимодействие. 11.1.4. ЧАСТИЦЫ И АНТИЧАСТИЦЫ В 1928 г. Дирак записал уравнение Шредингера, которое было справедливо для скоростей частиц, близких к скорости света (релятивистское уравнение Шредингера. Из его решения следовало, что возможно существование частицы, которая отличается от электрона e – знаком электрического ЧАСТЬ 11. ФИЗИКА ЯДРА И ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ 381 заряда. Она была названа позитроном e + . В 1932 г. эта частица была обнаружена Андерсоном по характерному треку в камере Вильсона, напоминающему след, оставленный электроном, но закрученный в противоположную сторону. По общепринятым в настоящее время представлениям позитрон — античастица электрона. У частиц и античастиц совпадают их масса и спин, модуль магнитного момента, а также время жизни в вакууме. Одинаковыми для них по величине и противоположными по знаку должны быть электрические заряды, магнитные моменты и все остальные квантовые числа, которые приписывают частицам для описания их взаимодействий. Способ распада частицы также не меняется, происходит лишь замена частиц распада на античастицы. При встрече частицы и античастицы между ними протекает реакция аннигиляции, при которой они превращаются в другие частицы. Так, при встрече электрона и позитрона образуются два g кванта+ e + ® Существуют истинно нейтральные частицы, для них все квантовые числа, отличающие частицу от античастицы, равны нулю, и поэтому античастицы совпадают с самой частицей. Примерами таких истинно нейтральных частиц являются фотон, мезон, мезон и т. д. Существование антивещества и антимира теоретически не отрицается. Антиатомы этого антивещества содержат позитронные оболочки и антияд ра, состоящие из антипротонов и антинейтронов (антипротоны 11 и антинейтроны были экспериментально получены в 1955 и 1956 гг.). В вакууме антиатом также стабилен, как и обычный атом. В настоящее время во Вселенной антимиры не обнаружены. Если бы они существовали, тона границе вещества и антивещества протекали бы процессы аннигиляции, сопровождающиеся излучением g квантов, чего не наблюдается в рамках эксперимента. |