М. Г. Валишев а. А. Повзнер

• Название: М. Г. Валишев а. А. Повзнер
• Анкор: Valishev_M_G_Povzner_A_A_Kurs_obshei_fizik.pdf
• Дата: 15.12.2017
• Размер: 10.33 Mb.
• Имя файла: Valishev_M_G_Povzner_A_A_Kurs_obshei_fizik.pdf
• Тип: Документы; #11559
• страница: 47 из 73

11.1.5.
КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ
Все частицы можно разделить наследующие группы.
Фундаментальные бозоны — частицы, которые являются переносчиками взаимодействий. Сюда включают фотон, глюон, промежуточные векторные бозоны и пока еще не открытый гравитон.
Лептоны — частицы, которые участвуют в слабых взаимодействиях и,
если у них имеется электрический заряд, то ив электромагнитных взаимодействиях. В переводе с греческого языка leptos означает тонкий, легкий».
Это название осталось за лептонами и после открытия тау лептона, который по своей массе никак не может быть отнесен к легким частицам.
Лептонами являются электрон (e
–
), мюон (
m
–
), тау лептон (
t
–
) и соответствующие им три нейтральных частицы электронное (
n
e
), мюонное (
n m
) и тау нейтрино (
n t
). Электрические заряды мюона и тау лептона равны по модулю электрическому заряду электрона и являются отрицательными. Массы этих

МГ. ВАЛИШЕВ, А. А. ПОВЗНЕР. КУРС ОБЩЕЙ ФИЗИКИ
частиц составляют m
эл
= 0,511 МэВ, m
m
= 106 МэВ, m
t
= 1784 Мэв. Все эти частицы являются фермионами со спином Нужно отметить, что все лептоны подразделяются на лептоны первого, n
e
), второго (
m
–
, n
m
) и третьего (
t
–
, n
t
) поколений.
Для лептонов вводится квантовое число — лептонный заряд L. Существует три вида лептонного заряда (L
e
, L
m и L
t
), они соответствуют лептонам первого, второго и третьего поколений. Для них и соответствующих им ан тилептонам лептонные заряды принимают следующие значения:
Для всех остальных частиц лептонный заряд L принимает значение, равное нулю (L = Частицы нейтрино принимают участие только в слабых взаимодействиях, поэтому они обладают большой проникающей способностью, слабо взаимодействуют с веществом. Так, расстояния, которые они могут пройти в веществе, не испытав ни одного столкновения, составляют порядка
»10 15
км,
то есть они могут, например, пролететь сквозь Солнце или Землю, ни разу не столкнувшись.
В настоящее время сведения о нейтрино являются неполными. Так, в частности, неясным остается вопрос о массе покоя нейтрино — равна она нулю или нет. В настоящее время известны лишь оценки верхнего предела для масс m
n электронного n
e
(
£ 3 эВ, мюонного n m
(
£ 0,19 МэВ) и тау нейтрино МэВ).
Отличие от нуля массы покоя электронного нейтрино имеет существенное значение для дальнейшего развития Вселенной. Нейтрино во всех ее разновидностях настолько много во Вселенной, что учет массы покоя (если она существует) всех нейтрино приведет к тому, что средняя плотность вещества
Вселенной r может превысить критическое значение К, входящее в уравнения общей теории относительности. Тогда, согласно решению этих уравнений, расширение Вселенной со временем сменится ее сжатием. Если же масса покоя нейтрино равна нулю, то тогда r < К и будет происходить бесконечное во времени расширение Вселенной.
Адроны (от греч. hadros — сильный, массивный, крупный) — это частицы, принимающие участие в сильных взаимодействиях. Помимо этого, они могут участвовать ив других видах взаимодействия. Так, например, протон участвует во всех видах взаимодействия, чего нельзя сказать об электроне.
Адроны составляют подавляющую часть всего многообразия элементарных частиц (кроме них еще остаются шесть лептонов, шесть кварков и четыре бозона — переносчика взаимодействия).
Адроны подразделяются на две большие группы — мезоны (порядка 80 частиц, они являются бозонами, их спин — целое число, и барионы (порядка частиц, которые относятся к фермионам, спин — полуцелое число 2345678
1234526758592 2 6 1

61
1
662
1
6662
2 662
3 666
1

6

1
11
62
1
6662
2 662
3 666
53526758592 2 6 2

61 2
662
2 6662
1
662
3 666 2

6

 
1
62
2 6662
1
662
3 666
3226758592 2 6 3

61 3
662
3 6662
1
662
2 666 3

6

 
1
62
3 6662
1
6622666 1

ЧАСТЬ 11. ФИЗИКА ЯДРА И ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ
383
Среди адронов повремени жизни выделяют стабильную частицу — протон, квазистабильные частицы (Ж си короткоживущие частицы,
их называют резонансами (Ж (10
–22
¸ 10
–24
) сони являются возбужденными состояниями адронов.
Барионам приписывают новое квантовое число — барионный заряд В,
равный единице, для антибарионов В = –1, для всех остальных частиц В = По мере открытия все новых и новых адронов для описания взаимодействий между ними приходилось вводить новые квантовые числа — странность, очарование C, красоту b и истинность t. Это привело к тому, что среди адронов выделяют также такие группы частиц, как 1) обычные (протон,
нейтрон и p мезоны 2) странные (гипероны 3) очарованные 4) красивые и) истинные (правдивые) частицы. Причем в эти группы частиц входят как мезоны, таки барионы (рис. Открытие большого количества адронов привело к необходимости поиска закономерностей, которые могли бы составить основу их классификации.
Выделение изотопических мультиплетов было первым шагом на этом пути.
11.1.6.
ИЗОТОПИЧЕСКИЕ МУЛЬТИПЛЕТЫ.
CУПЕРМУЛЬТИПЛЕТЫ
Как оказалось, адроны можно разбить на группы похожих частиц, в каждую из которых входят частицы с примерно равными массами и одинаковыми внутренними характеристиками, нос разным электрическим зарядом. Такие группы называют изотопическими мультиплетами. Сильное взаимодействие для всех частиц, входящих в изотопический мультиплет, одинаково, то есть не зависит от электрического заряда в этом и состоит одно из проявлений симметрии сильного взаимодействия, называемое изотопической инвариантностью.
Простейший пример частиц, которые можно объединить в один изотопический мультиплет (дублет, — это протон и нейтрон. Опыт показывает,
что сильное взаимодействие протона с протоном, нейтрона с нейтроном и протона с нейтроном одинаково, это и послужило исходным пунктом для установления изотопической инвариантности и возможности рассматривать протон и нейтрон как два разных зарядовых состояния одной частицы нуклона.
Другие примеры изотопических мультиплетов 1)
p мезоны (p
+
, p
0
, сигма минус гипероны (
S гипероны,
S
0
,
S
–
), образующие изотопические триплеты 2) K мезоны (K
+
, K
0
) и анти K мезоны (K
–
,
1 0
1
), образующие два изотопических дублета.
Рис. 11.2

МГ. ВАЛИШЕВ, А. А. ПОВЗНЕР. КУРС ОБЩЕЙ ФИЗИКИ
Частицам, входящим в изотопический мультиплет, приписывается квантовое число — изотопический спин I (его еще называют изоспином, он определяет число частиц или число зарядовых состояний адрона в изотопическом мультиплете. Изотопический спин (изоспин) — одна из внутренних характеристик (квантовых чисел) адронов.
Частицы в мультиплете отличаются друг от друга значением проекции изотопического спина З, соответствующие значения их электрических зарядов определяются формулой Гелл Мана–Нишиджимы
1 З 2 2 3
1
2 3 где Y — так называемый гиперзаряд адрона.
По мере открытия новых адронов, обладающих новыми квантовыми числами (странность S, очарование C, красота b и истинность t), формула для гиперзаряда изменялась. Так, для обычных адронов (протон, нейтрон, пи мезоны) гиперзаряд равен Y = B, для странных частиц (гиперонов) Y = B + ас учетом квантовых чисел C, b и t :
Y
= B + S + C + b + В формуле (11.5) З пробегает с интервалом в единицу все значения от некоторого максимального значения, равного изотопическому спину I (целого или полуцелого, до минимального, равного (–I). Общее число значений,
которое может принимать З (и Q) для данного изотопического мультиплета,
и, следовательно, число частиц в изотопическом мультиплете n = 2I + 1. Величину З называют проекцией изотопического спина.
1
Проверим формулу (11.5) для нескольких изотопических мультиплетов. Изотопический дублет нуклонов, n): I = 1/2, проекция изоспина принимает два значения З (1/2, –1/2), гиперзаряд равен единице Y = B = 1 и соответственно Q/|e|= 1, 0, то есть здесь имеется два зарядовых состояния положительно заряженный протон и незаряженный нейтрон. Изотопический триплет пионов (
p
+
, p
0
, p
–
): I = 1, З (1; 0, –1), Y = B = что дает три зарядовых состояния Q/|e| = (1, 0, –1).
3. Изотопический синглет, состоящий из
L гиперона I = 0, З 0, B = 1,
S
= –1 Y = B + S = 1 – 1 = 0, Q/|e| = 0, то есть заряд частицы равен нулю. Изотопический синглет, состоящий из гиперона I = 0, З 0, B = 1,
S
= –3, Y = B + S = 1 – 3 = –2, Q/|e| = –1, то есть гиперон имеет электрический заряд, равный заряду электрона.
Переход от одной частицы к другой из одного итого же изотопического мультиплета, без изменения величины изотопического спина меняет его проекцию, поэтому такой переход можно формально представить как поворот в условном изотопическом (зарядовом) пространстве. Тот факт, что сильное взаимодействие частиц, входящих в определенный изотопический мультиплет, не зависит от проекции изотопического спина, можно интерпретировать как независимость (инвариантность) сильного взаимодействия относи
1
Названия изоспин, проекция изоспина связаны с формальной математической аналогией этих понятий с обычным спином частиц и его проекциями на ось Oz (см. п. 10.1.5).

ЧАСТЬ 11. ФИЗИКА ЯДРА И ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ
385
тельно вращений в изотопическом пространстве. Это условие является общей формулировкой изотопической инвариантности, и из него следует закон сохранения изотопического спина в сильном взаимодействии.
На основании изотопической инвариантности удается предсказать существование, массу и заряды новых частиц, если были известны их изотопические партнеры. Так, было предсказано существование частиц p
0
(пи ноль мезона,
S
0
(сигма ноль гиперона,
X
0
(кси ноль гиперона) в изотопических триплетах поуже известным частицами, Дальнейшее изучение закономерностей в физике элементарных частиц позволило сделать вывод о том, что странные и обычные адроны в совокупности образуют более широкие объединения частиц с близкими свойствами, чем изотопические мультиплеты. Эти объединения называются супермультипле
тами. Согласно правилу Накано, Нишиджима и Гелл Мана (1953 г) частицы такого супермультиплета имеют одинаковые спин (J) и внутреннюю четность (см. п. 11.1.7), но различаются не только значениями электрического заряда, но и странности. Эти супермультиплеты символически обозначают Числа входящих в них частиц равны 8, 9 и 10. Приведем пример супермуль типлета для мезонов (включая антимезоны p
+
, K
+
,
0 1
1 всего 9 частиц 2
1 2
1 3
4 5 5 5 6 6 0
0 0
0 1
2 2 2 2 2 2
2 2
2
1
2
3 3 3 3
(11.7 аи барионов (8 частиц 1
2 2
3 4 4 4 5 6 6 0
0 1 2 1 2 3 3 3 3 3 3 3 4
1
2
3 4
(11.7 б)
Возникновение супермультиплетов истолковывается как проявление существования для адронов более широкой группы симметрии, получившей название унитарной симметрии. Унитарная симметрия является менее точной, чем изотопическая, это приводит к довольно значительному различию в массах частиц в пределах одного супермультиплета.
Дальнейшие открытия очарованных, красивых и правдивых адронов привели к необходимости построения сверхмультиплетов и к существованию еще более общей симметрии.
11.1.7.
КВАРКОВАЯ МОДЕЛЬ СТРОЕНИЯ АДРОНОВ
Экспериментальные данные при столкновениях частиц с энергией 1 ГэВ
позволили выявить внутреннее строение адронов. Обнаружение для адронов свойств симметрии, связанных с унитарными группами, и закономерностей разбиения их на мультиплеты и супермультиплеты явилось основой для вывода о существовании особых структурных единиц, из которых построены адроны, то есть к открытию кварков.
Кварковая модель строения адронов была разработана в 1964 г. Гелл Ма ном и Цвейгом. Согласно этой модели все адроны состоят из кварков, причем барионы состоят из трех кварков B = (qqq), а мезоны — из кварка и анти кварка
1 1
1 1 2 32
1 1 Существует шесть видов кварков (шесть ароматов. Они получили название от первых букв английских слов u кварк (up — вверх),
d
кварк(down — вниз, s кварк (strange — странный, c кварк (charm —

МГ. ВАЛИШЕВ, А. А. ПОВЗНЕР. КУРС ОБЩЕЙ ФИЗИКИ
очарованный), b кварк (beauty — красивый) и t кварк (truthful — истинный,
правдивый).
Кварки участвуют во всех видах взаимодействий, существующих между элементарными частицами. При этом кваркам приписывают квантовые числа, приведенные в табл. На основании таблицы можно сделать два важных вывода) для кварков наблюдаются дробные значения электрического и барионного зарядов, такие значения зарядов не встречаются в природе ни у одной из наблюдавшихся частиц) квантовые числа, вводимые для описания сильного взаимодействия,
привязаны к конкретным кваркам. Так, изоспином обладают кварки u и по названию кварка можно судить о том, как направлен вектор изоспина.
Странностью S обладает только s кварк, очарованием c кварк, красотой
b
кварк и истинностью — t кварк.
Поэтому по кварковому составу частицы можно судить о наличии у нее
различных квантовых чисел Так, например, все странные частицы содержат кварк, очарованные — c кварк, красивые — b кварки истинные правдивые кварк.
Отметим, что кварки в свободном состоянии в природе не встречаются.
Это связано стем, что силы взаимодействия между кварками возрастают при увеличении расстояния между ними и поэтому для их создания води ночном состоянии требуется очень большая энергия. Это явление, при котором кварк не может вылететь из элементарной частицы, называют кон файмент (confiment — удержание, пленение).
Принцип Паули (см. п. 10.1.6) запрещает существование бариона, в состав которого входят два или три одинаковых по аромату кварков, находящихся в одинаковых квантовых состояниях. Однако такие частицы существуют. Примерами таких частиц являются омега минус гиперон
W
–
= (sss) и резонансы
D
++
= (uuu) и
D
–
= (ddd) со спином Для снятия этого запрета для кварков вводится новое квантовое число — цвет (или цветовой заряд Оно принимает три значения (цвета) —
1234562788987
1234562789  39 9
9 9
9
9
9
49
9
9
9
9
9
9
 85 8 9399
9
9
9
9
9
9
364479399
9
9
9
9
9
9
6 49
9
9 9
9 9
9
!68"96 439
9
9 9
9 9
9
53446 5#99 9
9
9 9
9 9
$ 36234899 9
9 9
9 9
9 13 65399 9
9 9
9
9 9
 54399 9
9 9
9 9
9
%3 39&'(9
)9
9
*9 19 1+,9
,+9 1

ЧАСТЬ 11. ФИЗИКА ЯДРА И ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ
387
красный, зеленый и синий. Эти цвета при своем смешении дают белый или бесцветную комбинацию.
Введение цвета приводит к снятию ограничения, накладываемого принципом Паули, то есть возможно существование барионов, состоящих из трех кварков одного аромата, но разного цвета. Считается, что мезоны и барионы являются бесцветными частицами, их цвет является внутренним свойством этих частиц, присущим только сильному взаимодействию.
Бесцветной частице будут соответствовать такие комбинации цветов, как поровну красный, зеленый, синий (КЗС, соответствует барионам) или поровну антикрасный, антизеленый, антисиний (
1 1 1
КЗС,
соответствует антибарионам. Приведенные ниже комбинации (они несут в себе скрытый цвет) соответствуют мезонам или антимезонам — красный, антикрасный
1
(КК),
зеленый, антизеленый
1
(ЗЗ),
синий, антисиний
1
(СС).
Поэтому с учетом нового квантового числа (цвет) строение барионов и мезонов будет выглядеть таким образом B = (qКqЗqС),
1 1
1
К
К
1 2 32
1 Сильное взаимодействие между кварками переносят восемь безмассовых частиц, их называют глюонами (от англ. glue — клей. Глюоны g являются бозонами, их спин равен единице. Это цветные частицы, они обладают двумя цветовыми характеристиками — цветом и антицветом. Из трех цветов
(К, З, Си трех антицветов
1 1 К, З, С можно составить девять цветовых комбинаций 1
КЗ, КС, ЗК, ЗС, К, З и т. д, одна из которых является абсолютно бесцветной
1 1
1 1
1
(КК
ЗЗ
СС)
и поэтому отбрасывается, что и приводит к числу глюонов, равному восьми.
Механизм установления сильного взаимодействия между кварками аналогичен механизму взаимодействия нуклонов в ядре (формула (11.3)). Приведем в качестве примера реакцию обмена глюонами между кварками, она приводит к устанавлению между ними сильного взаимодействия. Учтем, что
при поглощении и испускании кварками глюонов выполняется закон сохранения цвета Рассмотрим реакцию взаимодействия d кварка (зеленый цветовой заряд) с u кварком (синий цветовой заряд) с изменением их цвета 2
1 1
2 1
1 2
1 1
1
З
С
С
С
С
С
С
З
ЗС
ЗС
1 2
1 Аналогично можно записать и другие реакции обмена глюонами, в которых цвет участвующих в ней кварков или изменяется, или не изменяется.
Кварковая модель объясняет наличие большого числа адронов и преобладание среди них резонансов. Многочисленность адронов — отражение их сложного строения и возможности существования различных возбужденных состояний кварковых систем.