СПРАВОЧНИК МАГНИТНОГО ДИСКА (кафедра физики) «ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ» МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ. «ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ». Методические указания для самостоятельной работы и тестирования знаний по дисциплине Физика студентов направлений 210100. 62 Электроника и наноэлектроника
 Скачать 0.5 Mb.
|
2.1. Общие свойства и характеристики элементарных частиц В современной физике термин «элементарные частицы» употребляется для наименования большой группы мельчай- ших, субъядерных частиц материи. В настоящее время только общее число известных элементарных частиц превышает уже несколько сотен. Все они являются специфическими формами материи, не ассоциированной в атомы и атомные ядра. Для описания свойств элементарных частиц вводится це- лый ряд физических величин. Общими характеристиками всех элементарных частиц являются масса m , время жизни , спин J , электрический заряд q . Помимо указанных величин эле- ментарные частицы дополнительно характеризуются еще це- лым рядом квантовых чисел, характеризующие их внутренние свойства, но о них чуть позже. В физике элементарных частиц массы частиц в соответ- ствии с уравнением Эйнштейна 2 mc E принято выражать в энергетических единицах, при этом за единицу энергии при- нимается мегаэлектроновольт (МэВ). Приведем примеры масс некоторых частиц: части- ца элек- трон про- тон ней- трон пион каон гипе- рон m, МэВ 0,51 938,6 939,6 14 0 49 5 1193 К частицам с нулевой массой относят нейтрино. Однако, уже существуют, пока не подтвержденные окончательно, экс- периментальные данные о наличие у нейтрино массы, хотя и очень незначительной. Электрический заряд элементарных частиц выражается в единицах элементарного заряда ( 19 10 6 , 1 e Кл) и для всех заряженных частиц он принимает значение 1 . Существуют 34 также электрически нейтральные частицы (нейтрон n , ней- трино , 0 мезон, 0 гиперон и другие частицы). К одной из важнейших характеристик элементарных час- тиц относится также собственный момент импульса частицы, т.е. ее спин J . Спин элементарных частиц выражается в еди- ницах и принимает только целые или полуцелые значения. Все частицы с целыми спинами подчиняются статистике Бозе- Эйнштейна и называются бозонами, а с полуцелым спином подчиняются статистике Ферми-Дирака и являются фермио- нами. Характерная черта элементарных частиц состоит в том, что подавляющая их часть нестабильна. К абсолютно стабиль- ным частицам, существующим в природе в свободном или слабосвязанном состоянии, относятся только электрон ( e ), фотон ( ) и нейтрино ( ). Экспериментально не обнаружен пока и распад протона. На опыте установлено, что время жиз- ни протона 32 10 лет. Нейтрон является квазистабильной частицей со временем жизни 898 с. Все остальные частицы крайне нестабильны и самопроизвольно распадаются. Среднее время жизни частиц в свободном состоянии меняется в очень широких пределах - от 6 10 до 24 10 с. Другим характерным и фундаментальным свойством элементарных частиц является их способность рождаться и взаимопревращаться друг в друга при столкновениях. Таким образом, новые частицы могут рождаться и при распадах и взаимодействиях друг с другом. Следует отметить, что обра- зующие частицы не содержатся в исходных частицах, а рож- даются непосредственно в процессах соударений или распа- дов. В качестве примера приведем несколько реакций. Схемы распадов нейтрона, пиона и мюона имеют сле- дующий вид e p n . (2.1) (2.2) e e . (2.3) 35 Здесь e и ( ) – электронное антинейтрино и мюон- ное нейтрино (антинейтрино). Электронное нейтрино (анти- нейтрино) образуется совместно с электроном (позитроном), а мюонное нейтрино (антинейтрино) образуется только совме- стно с мюоном. Для распада гиперона характерна реакция p 0 (2.4) Примером взаимодействия частиц могут служить в част- ности реакции, в которых были открыты странные частицы K p , (2.5) p K p p 0 . (2.6) Все процессы распада и взаимодействия подчиняются фундаментальным законам сохранения, к которым, прежде всего, относятся законы сохранения энергии, импульса, мо- мента импульса и электрического заряда. Для осуществления взаимодействия частицы должны обладать очень высокими энергиями. При столкновениях частиц полная релятивистская энергия сохраняется. В соответствии с уравнением Эйнштейна 2 mc E рождение новой частицы массой m из энергии – про- цесс, противоположный получению энергии за счет дефекта масс при ядерном делении или синтезе. Эти энергии огромны и по порядку величины совпадают с массами покоя самих час- тиц. Именно поэтому в физике элементарных частиц массы частиц, как отмечалось, принято выражать в энергетических единицах. Еще одной чрезвычайно важной и фундаментальной осо- бенностью элементарных частиц является наличие практиче- ски у каждой частицы ее античастицы. Понятия частицы и ан- тичастицы относительны, это вопрос соглашения. Электрон и протон считаются частицами только потому, что в нашей Все- ленной они преобладают. Античастица обозначается тем же символом, но с добавлением тильды над ним. Масса, время жизни, спин у частицы и античастицы одинаковы, а прочие характеристики отличаются лишь знаком. Так, электрон e и 36 протон p отличаются от антиэлектрона (позитрона) e и ан- типротона p знаком электрического заряда. Нейтрон n отли- чается от антинейтрона n знаком магнитного момента. Ней- трино отличается от антинейтрино спиральностью, т. е. проекцией спина на направление импульса. Спин есть собст- венный момент импульса частицы и условно ему можно со- поставить некое вращение. Нейтрино является левовинтовой частицей, поскольку спин направлен по импульсу, а антиней- трино – правовинтовой частицей (спин направлен против им- пульса). В настоящее время практически для каждой извест- ной частицы найдена соответствующая ей античастица. К ис- тинно нейтральным частицам, которые тождественны своим античастицам, относятся фотон , 0 мезон и еще некото- рые резонансы. Наиболее отличительной особенностью частиц и анти- частиц является их аннигиляция. При встрече электрона и по- зитрона они взаимно уничтожаются с образованием двух фотонов 2 e e . (2.7) То же самое происходит и со всеми остальными парами частиц и античастиц. Однако при аннигиляции тяжелых час- тиц и античастиц возникают не столько -кванты, сколько другие легкие частицы. В вакууме при отсутствии вещества позитрон и антипро- тон так же стабильны, как и соответствующие им частицы. Это допускает возможность существования наряду с обычным веществом и антивещества. Ядра атомов антивещества по- строены из антипротонов и антинейтронов, а их оболочка со- стоит из позитронов. Простейшие атомы антивещества уже получают в физических лабораториях. Однако в нашей Все- ленной антивещество пока не обнаружено. 37 2.2. Фундаментальные взаимодействия В настоящее время в природе известны четыре вида фун- даментальных взаимодействий, ответственных за все процес- сы, в которых участвуют элементарные частицы. К фундамен- тальным взаимодействиям относят: сильное, электромагнит- ное, слабое и гравитационное. Сильное взаимодействие ( S ) удерживает протоны и ней- троны в атомных ядрах и присуще также всем массивным, крупным частицам, получившим название адронов. Сильное взаимодействие проявляется и в высокоэнергетических столк- новениях частиц. Электромагнитное взаимодействие ( E ) присуще всем элементарным частицам имеющим электрический заряд. Именно электромагнитное взаимодействие ответственно за существование атомов и молекул, а следовательно, за подав- ляющее большинство макроскопических свойств вещества. Слабое взаимодействие ( W )присуще всем частицам кроме фотона. Наиболее известное ее проявление - -распад ядер. Именно оно ответственно за все процессы взаимодейст- вия нейтрино с веществом, за нестабильность многих элемен- тарных частиц. Гравитационное взаимодействие ( G ) является универ- сальным, ему подвержены все без исключения тела во Вселен- ной. Силы тяготения (гравитации) обуславливают существова- ние галактик, звезд, планетных систем и т.п. Они становятся определяющими в процессах образования и эволюции звезд. Однако в процессах микромира из-за малости масс элементар- ных частиц гравитационное взаимодействие ощутимой роли не играет. Фундаментальные взаимодействия характеризуются ин- тенсивностью , радиусом действия R и временем взаимо- действия (табл.2.1). 38 Таблица 2.1 Взаимодействие R, м , с Переносчики взаимодействия S 1 10 -15 10 -23 i g (i=8) E 1/137 10 -20 W 10 -14 10 -18 10 -13 Z W , G 10 -38 ? G Интенсивность различных взаимодействий оценивают безразмерной константой взаимодействия , пропорциональ- ной, вероятности идущих в результате этих взаимодействий процессов. Самым интенсивным является сильное взаимодей- ствие ( 1 S ). Интенсивности электромагнитного и слабого взаимодействий составляют примерно 2 10 и 14 10 соответст- венно от интенсивности сильного. Гравитационное взаимодей- ствие в этом ряду стоит на последнем месте. Оно почти в 38 10 раз слабее сильного. Именно поэтому во взаимодействиях элементарных частиц оно никогда не учитывается. Сильные и слабые взаимодействия проявляются только на коротких расстояниях. Радиус действия сильных взаимо- действий не превышает 15 10 м, а слабых - 18 10 м. Электро- магнитные и гравитационные силы являются дальнодейст- вующими. Они убывают обратно пропорционально квадрату расстояния между частицами и характеризуются бесконечным радиусом действия. Время взаимодействия определяет время, за которое совершается элементарный акт взаимодействия. Процессы, вызываемые сильными взаимодействиями, совершаются за времена порядка 23 10 с, электромагнитными – за времена 20 10 с, слабыми – за времена 9 10 с. Таким образом, силь- ное взаимодействие вызывает процессы, протекающие наибо- лее быстро по сравнению с другими процессами. Слабое взаи- модействие вызывает очень медленно протекающие процессы 39 с элементарными частицами. Так, время сильного взаимодей- ствия S совпадает со средним временем жизни резонансов, подверженных сильным распадам. Со слабым взаимодействи- ем связана относительная медленность распада квазистабиль- ных частиц, время жизни которых лежат в диапазонах 13 8 10 10 с. Согласно классической физике все взаимодействия в природе осуществляются посредством различных силовых полей. Так, например, взаимодействие двух электрических за- рядов осуществляется с помощью электрического поля. Один из зарядов создает вокруг себя электрическое поле, ко- торое воздействует на другой заряд с некоторой силой. Грави- тационное поле, в свою очередь, оказывает силовое действие на любые частицы. При увеличении масс взаимодействую- щих тел гравитационное взаимодействие между ними усили- вается. Квантовая физика, не изменяя данных представлений, определила механизм полевого взаимодействия частиц. В соответствии с квантовой теорией всякому полю соот- ветствует определенная частица (квант поля), являющаяся пе- реносчиком взаимодействия. Одна из взаимодействующих частиц испускает квант поля, другая его поглощает. Однако, с точки зрения классической физики свободная частица не мо- жет испустить или поглотить реальный квант поля (частицу), так как это противоречило бы закону сохранения энергии. Но квантовая физика в соответствии принципом неопределенно- сти t E допускает нарушение закона сохранения энер- гии, если оно не превышает малых промежутков времени t , необходимых для передачи взаимодействия. Частицы, являю- щиеся переносчиками взаимодействий и существующие толь- ко в течение очень короткого времени t , в отличие от обыч- ных частиц, стали называться виртуальными частицами. Из таких виртуальных частиц, испускаемых и поглощаемых дей- ствительными частицами, и состоит силовое поле, их окру- жающее. За время своего существования виртуальная частица 40 не может уйти от испустившей ее частицы дальше, чем на рас- стояние mc t c R . (2.8) Из полученной формулы видно, что чем меньше масса m , тем больше радиус действия, переносимого виртуальной частицей. Переносчиками электромагнитного взаимодействия яв- ляются фотоны. Масса фотона 0 m , поэтому радиус действия электромагнитных сил стремится к бесконечности. Переносчиками слабого взаимодействия являются про- межуточные бозоны трех типов W , 0 Z , массы которых соот- ветственно 81 ГэВ и 93 Гэв, а электрический заряд 1 q и 0. Подстановка масс этих частиц в формулу (2.8) дает для ра- диуса слабого взаимодействия значение 18 10 R м, которое и представлено в табл. 2.1. Переносчиками сильного взаимодействия являются во- семь электрически нейтральных ( 0 q ) и безмассовых ( 0 m ) глюонов i g . Связь между радиусом сильного взаимодействия и массой его переносчиков оказывается гораздо более слож- ной, чем в других случаях. Поэтому, несмотря на то, что 0 g m , радиус сильного взаимодействия является ограничен- ным. Наконец, гипотетическими переносчиками гравитацион- ного взаимодействия на основе теоретических предсказаний являются нейтральные ( 0 q ) и безмассовые ( 0 m ) гравито- ны G , имеющие спин 2 J . Экспериментальное обнаружение гравитонов пока не представляется возможным. Для наглядного представления фундаментальных взаи- модействий используется метод диаграмм, предложенный Фейнманом. Согласно Фейнману, взаимодействие между дву- 41 мя частицами схематически изо- бражается на плоскости координа- та (x) - время (t) в виде рис. 2. Здесь внешними изломанными линиями изображаются мировые линии взаимодействующих частиц до и после взаимодействия. Они выходят из и уходят в (из прошлого в будущее). Внутренней волнистой линией изобра- жается виртуальная частица (переносчик взаимодействия). Сам процесс взаимодействия изображается точкой пересече- ния внешней линии с внутренней (вершина диаграммы). Пред- ставленная диаграмма описывает взаимопревращение частиц согласно реакции d b c a . (2.9) Виртуальная частица X является переносчиком данного взаимодействия. 2.3. Объединение фундаментальных взаимодействий Важнейшей особенностью констант фундаментальных взаимодействий является зависимость их значений от энергии взаимодействия. Принципиально и то, что эта зависимость проявляется по-разному. Если константа сильного взаимодей- ствия, имеющая наибольшее значение ( 1 s ), уменьшается с ростом энергии взаимодействия, то константы электромагнит- ного E , слабого W и гравитационного G взаимодействий возрастают с ростом энергии. Это означает, что при некоторых значениях энергии константы двух, трех и даже четырех взаи- модействий могут оказаться равными друг другу. В 60-х годах прошлого столетия впервые была разрабо- тана теория электрослабого взаимодействия, объединившая электромагнитное и слабое взаимодействия. В соответствии с этой теорией объединение взаимодействий происходит при энергиях 100 ГэВ, что соответствует температуре K 15 10 Рис.2. 42 Теория предсказала существование трех промежуточных бозо- нов _ ,W W и 0 Z , являющихся переносчиками данного взаи- модействия. В 1983 году эта теория получила эксперименталь- ное подтверждение после обнаружения на ускорителе этих трех промежуточных бозонов, время жизни которых оказалось 25 10 с. Теория, объединяющая сильное, слабое и электромагнит- ное взаимодействия, получила название теории великого объ- единения (ТВО). Объединение данных взаимодействий насту- пает при энергиях 15 10 ГэВ ( K 28 10 ). Константа объединен- ного взаимодействия 40 / 1 , а переносчиком взаимодейст- вия является лептокварк с массой 14 10 ГэВ. Согласно ТВО лептоны могут переходить в кварки и наоборот, что приводит к нарушению закона сохранения барионного заряда, а следова- тельно, под сомнением оказывается стабильность протона. Теоретическая оценка времени жизни протона составляет 3 30 10 p лет, что даже превышает возраст жизни Вселенной. В настоящее время поиск распада протона ведется во многих странах, его обнаружение имело бы принципиальное значение, свидетельствуя о правильности ТВО. Наконец, существует теория образования единого фун- даментального взаимодействия, получившая название теории Супергравитации (суперсимметрии). Согласно этой теории объединение происходит при энергии взаимодействия 19 10 ГэВ. Переносчиками этого взаимодействия являются гравитоны - частицы с нулевой массой и со спином равным двум. Гравитон – это квант флуктуирующего (изменяющегося) единого пространства-времени. Экспериментальное подтверждение ТВО и Суперграви- тации явилось бы важнейшим шагом на пути познания тайн микромира. |