М. Г. Валишев а. А. Повзнер
 Скачать 10.33 Mb.
|
ПРИМЕРЫ ПОСТРОЕНИЯ АДРОНОВ ИЗ КВАРКОВ Нуклоны (протон и нейтрон) — это барионы (В = 1), масса частиц составляет МэВ, m n = 939,57 МэВ. Протон является стабильной частицей, а свободный нейтрон испытывает распад (бета минус распад) за счет слабого взаимодействия за время, равное приблизительно 15 мин. Нуклоны построены из d кварка и u кварка p = (uud), n = (udd). МГ. ВАЛИШЕВ, А. А. ПОВЗНЕР. КУРС ОБЩЕЙ ФИЗИКИ Гипероны (от греч. hyper — сверх, выше) — это нестабильные частицы с массой больше массы нуклонов, они имеют большое (по ядерным масштабам) время жизни. Гипероны обладают особым квантовым числом — странностью и вместе с K мезонами (их еще называют каонами) и некоторыми резонансами образуют группу странных частиц. Первый гиперон был открыт в космических лучах в 1947 г. К гиперонам относятся такие частицы, как лямбда гиперон ( L = (uds), m = 1116 МэВ, сигма плюс, сигма ноль и сигма минус гипероны ( S + = (uus), S 0 = (uds), S – = (dds), m = 1190 МэВ, кси минус и кси ноль гипероны ( X – = (dss), X 0 = (uus), m = 1320 МэВ, омега минус гиперон ( W – = (sss), m = 1670 МэВ, мезон (( 1 12 ), m = 494 МэВ) и мезон ), m = 498 МэВ мезоны (пионы 2 3 4 3 4 3 4 1 1 1 1 1 23 1 23 1 23 12 21 11 22 0 относятся к классу адронов и являются среди них наиболее легкими. Масса пионов — промежуточная между массами протона и электрона, в связи с этим они и были названы мезонами (от греч. mesos — средний, промежуточный 2 2 3 3 0 140 135 МэВ, МэВ. 1 1 Пионы участвуют во всех фундаментальных взаимодействиях. Слабое взаимодействие ответственно, в частности, за нестабильность заряженных пионов, которые распадаются в основном (на 99,97%) по схеме 1 1 2 2 3 4 2 5 6 6 1 1 2 за время, равное 2,6 × с. Нейтральные пионы распадаются в результате электромагнитного взаимодействия преимущественно на два g кванта p 0 ® g + g (98,85%) и имеют время жизни 0,83 × с. Наиболее характерно участие пионов в процессах сильного взаимодействия. Существование пионов было постулировано японским физиком Х. Юка вой в 1935 г. для объяснения короткодействующего характера и большой величины ядерных сил. Экспериментально пионы были открыты в 1947 г. в результате их распада 1 1 2 2 3 4 2 5 6 6 1 1 23 зарегистрированного в ядерных фотоэмульсиях, облученных космическими лучами. Существование нейтральных пионов следовало из обнаруженной на опыте зарядовой независимости ядерных сил. Экспериментально мезоны были обнаружены в 1950 г. по g квантам от их распада p 0 ® g + g; мезоны рождались в столкновениях фотонов и протонов высокой энергии ( 300 МэВ) с ядрами. Резонансы (резонансные частицы) — короткоживущие возбужденные состояния адронов. В отличие от других нестабильных элементарных частиц резонансы распадаются в основном за счет сильного взаимодействия. Поэтому их время жизни лежит в интервале 10 –22 ¸ с, что по порядку величины близко к характерному ядерному времени жизни ( 10 –23 с). Первый резонанс был открыт в 1951 г. итальянским физиком Ферми с сотрудниками при изучении рассеяния мезона на протонах 11 1 2 1 3 4 3 2 1 1 1 1 (11.9 а 2 2 1 1 1 1 2 1 2 1 2 1 2 1 23 12 112 111 12 112 (11.9 б) Как следует изданной реакции, протон присоединяет мезон и переходит в возбужденное состояние с положительным зарядом 2|e|, которое сразу распадается за счет сильного взаимодействия на первоначальные частицы ЧАСТЬ 11. ФИЗИКА ЯДРА И ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ 389 В современных обозначениях это резонанс 11 2 3 1 1 2 111 или D 33 (1232), где цифры индекса обозначают удвоенный изотопический спин (первое число) иуд военный спин (второе число, а в скобках указана масса резонанса в МэВ. Основная часть резонансов была обнаружена в 1960 х гг. в экспериментах на протонных ускорителях. Резонансы делятся на барионные, обладающие барионным зарядом (В = и распадающиеся на мезоны и один стабильный барион, и мезонные (В = распадающиеся на мезоны. К 1981 г. открыто более 300 резонансов, которые группируются примерно в 40 барионных и 30 мезонных изотопических мультиплетов (см. Очарованные, красивые и истинные частицы В последнее время были обнаружены частицы, в состав которых входят тяжелые c , b кварки. В группе очарованных частиц — это джи пси мезоны 1 2 1 1 2 34 1 22 мезоны 1 2 2 2 1 1 1 0 1 23 1 23 1 24 1 23 1 24 5 26 К группе красивых частиц относятся ипсилон мезоны ¡ = 1 1 23 11 а также мезоны 1 2 2 1 1 и 2 1 Самый тяжелый t кварк был открыт в 1995 г. на ускорителе, где сталкивались пучки протонов и антипротонов. Из за малого времени жизни этого кварка он не успевает войти в состав мезона или бариона, то есть образовать связанную систему кварков. Поэтому адронов с квантовым числом t (истина) не существует. 11.1.9. ЗАКОНЫ СОХРАНЕНИЯ ПРИ ПРОЦЕССАХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ В настоящее время существуют универсальные законы сохранения, которые выполняются для всех видов взаимодействий. Они связаны с фундаментальными свойствами пространства и времени, с наличием определенной симметрии. Причем симметрия понимается как инвариантность физических законов, уравнений движения относительно некоторой группы преобразований. Так, например, закон сохранения энергии W связан с однородностью времени, то есть с инвариантностью физических законов относительно изменения начала отсчета времени, закон сохранения импульса 11 — с однородностью пространства (инвариантность относительно пространственных сдвигов) и момента импульса с изотропностью пространства (инвариантность относительно вращений пространства). В теории элементарных частиц в настоящее время возникло много специфических законов сохранения. Некоторые из них являются универсальными законы сохранения электрического Q, барионного B и лептонного L e , L m , L t зарядов они выполняются для всех взаимодействий между элементарными частицами, а другие, приближенные законы сохранения, выполняются для одних типов взаимодействий и нарушаются для других. Например, только в сильном взаимодействии выполняется закон сохранения изоспина. В сильном и электромагнитном взаимодействии выполняются законы сохранения проекции изоспина, странности (S), очарования (C), красоты (и истины (t). Слабое взаимодействие нарушает многие законы сохранения, которые выполняются в сильном и электромагнитном взаимодействии. Так МГ. ВАЛИШЕВ, А. А. ПОВЗНЕР. КУРС ОБЩЕЙ ФИЗИКИ в слабом взаимодействии нарушаются законы сохранения изоспина, четности, странности, очарования, красоты, истины. Известно, что каждому виду симметрии физической системы соответствует свой закон сохранения, своя сохраняющаяся физическая величина. В теории элементарных частиц неясно, с какими видами симметрии связаны те или иные законы сохранения квантовых чисел — B, L e , L m , L t , S, C, b, Только для электрического заряда Q и для изоспина I можно утвердительно ответить на этот вопрос. Закон сохранения электрического заряда связан стем, что смещение (изменение) потенциала на любое значение не изменяет уравнений движения заряда в электрическом поле. Закон сохранения изоспина связан с инвариантностью сильного взаимодействия относительно поворотов в специальном изотопическом пространстве. Законы сохранения запрещают протекание процессов, происходящих сих нарушением они играют роль правил отбора. 11.1.10. ПРИМЕРЫ ВЫПОЛНЕНИЯ И НАРУШЕНИЯ ЗАКОНОВ СОХРАНЕНИЯ ПРИ ПРОТЕКАНИИ РЕАКЦИЙ МЕЖДУ ЭЛЕМЕНТАРНЫМИ ЧАСТИЦАМИ Реакция распада нейтрона происходит за счет слабого взаимодействия по схеме 1 1 1 2 2 3 4 3 4 3 4 3 4 5 5 5 5 5 5 5 5 2 6 6 7 8 2 2 2 2 2 6 6 7 9 9 9 9 5 5 5 5 5 5 5 5 2 6 2 6 6 7 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 3 4 1 5 5 5 5 5 5 1 5 5 2 6 5 2 1 2 (11.10 аи представляет собой распад d кварка за счет слабого взаимодействия суча стием промежуточного векторного бозона W – : 1 1 2 3 2 3 3 41 1 1 2 3 4 3 1 (11.10 б) Как видно, процесс протекает в два этапа — сначала рождается бозона затем он распадается на электрон и электронное антинейтрино 1 1 2 3 41 В реакции (11.10 а) сохраняется 1) электрический заряд (электрический заряд частиц дои после реакции равен нулю 2) лептонный заряд (для нейтрона лептонный заряд равен нулю, для продуктов реакции также лептонный заряд в сумме равен нулю (L e = +1 для электрона и L e =–1 для электронного антинейтрино 3) барионный заряд (барионный заряд частиц дои после реакции равен единице для нейтрона и протона В = Проекция изоспина не сохраняется для протона З 1/2, для нейтрона I З = –1/2. Квантовые числа — странность (S), очарование (C), красота (b) и истина (t) для исходных частиц и продуктов реакции равны нулю. Реакции рождения и распада гиперонов — гипероны рождаются парами, а распадаются поодиночке. Для того чтобы описать такое поведение гиперонов, для них было введено новое квантовое число — странность S. Приведем в качестве примера две реакции с участием гиперонов 2 1 3 2 4 2 5 1 2 ; (11.11 а 2 3 4 5 1 1 (11.11 б ЧАСТЬ 11. ФИЗИКА ЯДРА И ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ 391 Реакция образования гиперонов (11.11 а) протекает за счет сильного взаимодействия. Поэтому в ней наряду с выполнением закона сохранения электрического заряда выполняется и закон сохранения странности (для мезона, для сигма минус гиперона S – S = –1, для p – и p странность S = Реакция (б) протекает с участием слабого взаимодействия, и для нее нарушается закон сохранения странности (для лямбда ( L) гиперона — S = Закон сохранения лептонного заряда запрещает протекание реакции следующего вида n m + n ® p + e – . В этой реакции для исходных частица для продуктов реакции L e = 1, L m = L t = 0. Следовательно, не выполняются законы сохранения для лептонных зарядов L m и Неоднозначность протекания реакций между элементарными частицами В физике элементарных частиц при одинаковом составе исходных частиц реакция их взаимодействия может протекать по различным схемам с различной вероятностью. Так, в качестве первого примера можно привести реакцию распада мезона за счет слабого взаимодействия. Имеется несколько схем его распада — короткоживущий канал (время распада порядка с 2 3 4 1 4 3 4 1 4 0 0 0 0 1 1 1 2 2 (11.12 аи долгоживущий канал (время распада порядка 5 × с 2 3 4 1 4 1 4 3 4 1 4 1 4 0 0 0 0 0 0 1 1 1 2 2 ; (11.12 б 2 2 1 3 4 1 1 5 3 4 1 1 5 1 0 0 1 2 1 1 2 2 3 1 3 1 (11.12 в) Во втором примере рассмотрим реакцию взаимодействия мезона и протона. К реакции, записанной в формуле (11.11 а, можно добавить еще одну 2 3 4 2 3 ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ ЧЕТНОСТИ. ЗАРЯДОВОЕ СОПРЯЖЕНИЕ (С, СР ПРЕОБРАЗОВАНИЕ (КОМБИНИРОВАННАЯ ИНВЕРСИЯ), ОБРАЩЕНИЕ ВРЕМЕНИ (Т ПРЕОБРАЗОВАНИЕ), СРТ ТЕОРЕМА Закон сохранения четности Исследования в физике элементарных частиц наглядно показывают необходимость экспериментальной проверки существующих законов сохранения. Это связано стем, что появляющиеся новые экспериментальные данные могут привести к изменению области их при менимости. Приведем ряд примеров, показывающих, как изменялись взгляды на инвариантность (неизменность) физических законов (уравнений движения) при таких преобразованиях, как пространственная инверсия, зарядовое сопряжение и обращение времени. Под четностью частицы понимают характеристику ее состояния, отображающую свойства симметрии ее волновой функции 1 1 1 2 1 относительно пространственной инверсии, когда происходит замена знаков координат частицы, y, z) на противоположные координаты (–x, –y, –z), при этом радиус вектор частицы заменяется на противоположный радиус вектор 1 2 1 11 1 1 МГ. ВАЛИШЕВ, А. А. ПОВЗНЕР. КУРС ОБЩЕЙ ФИЗИКИ Такую операцию можно осуществить за счет отражения в зеркале, расположенном в плоскости zOx (y ® –y), и затем поворота осей координат вокруг осина, риса. Операция зеркального отражения переводит правовинтовую систему координат в левовинтовую систему координат. Вводится квантовое число четность P, оно определяется внутренними свойствами частицы. Если волновая функция частицы при пространственной инверсии является четной 1 2 3 1 1 1 1 2 1 23 1 1 то тогда P = +1, если нечетной 2 3 21 1 1 1 2 1 23 1 1 то P = –1 (рис. б. Так, например, для протона, нейтрона и электрона четность P = +1, а для фотона P = Долгое время считалось, что пространство–время обладает зеркальной симметрией (симметрией, связанной с заменой правого на левое, то есть оно инвариантно относительно пространственной инверсии. Это означает, что в природе для любого физического процесса должен существовать его зеркальный аналог. В этом случае для частиц должна сохраняться четность, поскольку она инвариантна относительно зеркального отражения. Однако в 1957 г. в результате эксперимента было обнаружено несохране ние четности в слабом взаимодействии. Оказалось, что при b распаде ядер кобальта в направлении его спина вылетают примерно в 1,5 раза меньше электронов, чем в противоположном (рис. в. Зеркальное отражение этого процесса приводит к смене направления спинов атомов кобальта на противоположное (происходит замена правого вращения на левое, рис. в, и по а б в г д Рис. 11.3 ЧАСТЬ 11. ФИЗИКА ЯДРА И ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ 393 этому больше электронов должно лететь в направлении, совпадающем со спином ядер кобальта, что не наблюдается на опыте. Следовательно, зеркальная симметрия в таком процессе нарушается, а именно процесс, полученный за счет зеркального отражения, в природе не существует. Следовательно, в слабых взаимодействиях нарушается закон сохранения четности слабое взаимодействие приводит к изменению четности волновых функций частиц. Вторым доказательством нарушения четности является существование спиральности у нейтрино. Было экспериментально доказано, что импульс и спин 1 1 нейтрино всегда направлены в противоположные стороны (рис. г. Такие частицы называют левополяризованными (либо левовин товыми или левозакрученными), так как они движутся подобно левому винту и им приписывают спиральность h, равную h = –1. Говорят, что нейтрино обладает отрицательной спиральностью. Для антинейтрино направления импульса и спина совпадают, для нее спиральность равна h = +1, она обладает положительной спиральностью. Это правополяризованная (правовинтовая, правозакрученная) частица, она движется подобно правому винту (рис. 11.3г). Процесс зеркального отражения нейтрино (L e = 1, h = –1) приводит к возникновению частицы (L e = 1, h = +1), которой не существует в природе (рис. д, так как для такой частицы спиральность h = +1, что не соответствует нейтрино, а для антинейтрино (L e = –1, h = +1) лептонный заряд будет равен (Зарядовое сопряжение (С, СР преобразование (комбинированная инверсия, обращение времени (Т преобразование, СРТ теорема. Зарядовое сопряжение — это преобразование, при котором все значения квантовых чисел (зарядов, описывающих частицу, изменяют свой знак на противоположный, а масса, импульс и спин частицы остаются неизменными. Такое преобразование должно привести к замене частицы на античастицу, оно справедливо для сильных и электромагнитных взаимодействий (уравнения Максвелла не изменяются). Для слабого взаимодействия зарядовое сопряжение не приводит к возникновению античастицы. В результате такого преобразования из нейтрино не получается антинейтрино (L e = 1, h = –1) Þ (L e = –1, h = –1), так как спиральность при этом не изменяется. Это свидетельствует о нарушении инвариантности законов относительно зарядового сопряжения для слабых взаи модействий. До 1964 г. считалось, что комбинированное СР преобразование (последовательное применение пространственной инверсии и зарядового сопряжения) приводит к инвариантности физических законов для слабого взаимодействия (оно переводит нейтрино в антинейтрино и наоборот. Однако было экспериментально доказано, что распад истинно нейтральных каонов 0 и происходит с нарушением СР инвариантности. Нарушение СР инвариантности было подтверждено в 2001–2002 гг. в процессах с участием 0 и мезонов. 1 1 Т инвариантность означает, что физические законы и уравнения движения не изменяются при замене знака времени t: t ® –t. Это справедливо для МГ. ВАЛИШЕВ, А. А. ПОВЗНЕР. КУРС ОБЩЕЙ ФИЗИКИ сильных и электромагнитных взаимодействий (Т преобразование оставляет неизменными уравнения Максвелла). Существует |