Trofimova Физика для бакалавров. Учебник Рецензент ы др физ мат наук, проф
 Скачать 4.33 Mb.
|
Для описания свойств и поведения элементарных частиц им при- писываются известные уже характеристики, такие как масса, среднее время жизни, электрический заряд, магнитный момент, спин, а также новые, характерные только для них квантовые характеристики. Существование античастицы электрона — позитрона — было предсказано П. Дираком (1928), а впоследствии обнаружено К. Ан- дерсоном (1932). В 1955 г. был обнаружен антипротон, а в 1956 г. — антинейтрон — античастицы протона и нейтрона. Согласно принципу зарядового сопряжения, для каждой эле- ментарной частицы должна существовать античастица. Экспе- рименты показывают, что за немногим исключением, каждая ча- стица действительно имеет античастицу. В настоящее время из- вестных элементарных частиц (вместе с античастицами) насчи - тывается порядка 450, большинство из них являются нестабильными (исключение — фотон, электрон, протон и нейтрон). Однажды на лекции студент спросил Э.Ферми о названии какой-то элемен- тарной частицы, на что ученый ответил: «Молодой человек, если 292 бы я мог запомнить название всех этих частиц, я бы стал ботани- ком». Из общих положений квантовой теории следует, что частицы и античастицы должны иметь одинаковые массы, одинаковые времена жизни в вакууме, одинаковые спины. Остальные характеристики, в том числе электрический заряд и магнитный момент, у частицы и античастицы равны по модулю, но противоположны по знаку. Античастицы обозначаются тем же символом, что и частицы, только с тильдой « ». Согласно предсказанию Дирака и экспериментальному подтверж- дению Ф. Жолио-Кюри (1933), при столкновении электрона и пози- трона они аннигилируют («исчезают»), превращаясь в 2 γ-кванта, причем энергия переходит в энергию фотона: 0 −1 e + 0 +1 e → 2γ. При этом выполняются законы сохранения электрического заряда, энергии (энергия обоих γ-квантов не может быть меньше суммы энергий электрона и позитрона: 2 ε γ ≥ 2m c c 2 ), импульса (фотоны раз- летаются в разные стороны) и момента импульса (спина). Рассмотренная реакция — пример взаимосвязи различных форм материи: в этих процессах материя в форме вещества превращается в материю в форме электромагнитного поля, и наоборот. Ф. Жолио-Кюри (1933) обнаружил процесс, обратный аннигиля- ции, — рождение пар — рождение электронно-позитронных пар при прохождении гамма-кванта большой энергии (большей или равной 2 m e c 2 ) вблизи атомного ядра. При этом возникшие электрон и пози- трон, согласно закону сохранения импульса, разлетаются в противо- положные стороны, а импульс фотона передается массивному ядру: γ → −1 0 e + +1 0 e. Как при аннигиляции, так и здесь при рождении пар выполня- ются законы сохранения электрического заряда, энергии, импульса и момента импульса (спина). § 172. Фундаментальные взаимодействия В середине XX века было установлено, что за все процессы в природе ответственны фундаментальные взаимодействия — ка- чественно различающиеся типы взаимодействий, которые не могут быть сведены к другим, более простым видам. Различают четыре типа фундаментальных взаимодействий: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Помимо качественных различий, фундаментальные взаимодей- ствия отличаются в количественном отношении по силе взаимо- действия, характеризуемой безразмерной константой взаимо 293 действия, определяющей вероятность процессов, обусловленных данным видом взаимодействия. Сильное, или ядерное, взаимодействие свойственно только частицам, называемым адронами (см. § 174), к которым относятся, в частности, протон и нейтрон. Оно обусловливает связь протонов и нейтронов в ядрах атомов и ответственно за устойчивость атомных ядер. Константа взаимодействия имеет значение порядка 1, а наи- большее расстояние, на котором проявляется сильное взаимодействие (радиус действия), составляет примерно 10 −15 м, т.е. взаимодействие является короткодействующим, внутриядерным. Сильное взаимодействие выступает исключительно в качестве сил притяжения. Частицей-переносчиком сильного взаимодействия яв- ляется глюон — электрически нейтральная частица с нулевой массой и спином, равным 1 (в единицах ћ). Эти частицы заперты внутри адронов и в свободном состоянии не существуют. Электромагнитное взаимодействие возникает только между электрически заряженными частицами и телами. По интенсивности оно уступает только сильному взаимодействию (константа взаимо- действия равна 1/137 ≈ 10 −2 ). Электромагнитные силы могут быть как силами притяжения (между разноименно заряженными частицами), так и силами от- талкивания (между одноименно заряженными частицами). Радиус электромагнитного взаимодействия равен бесконечности, т. е. данное взаимодействие имеет дальнодействующий характер. Из-за дальнодействия и значительной интенсивности электро- магнитное взаимодействие — самое распространенное в окружающей нас природе, а также широко используемое в современном быту и технике. Этим типом взаимодействия объясняется большинство макроскопических свойств вещества (например, существование сил упругости и трения). Этот тип взаимодействия играет большую роль в микромире. Так, стабильность атомов обусловлена электромагнитным взаимодей- ствием ядер с электронами, а атомы могут соединяться в молекулы с образованием различного количества химических соединений. Электромагнитное взаимодействие, например, ответственно за про- цессы аннигиляции и рождения электронов и позитронов, излучение и поглощение фотонов, комптоновское рассеяние и т. д. Частицей-переносчиком электромагнитного взаимодействия яв- ляется фотон — квант электромагнитного поля с нулевой массой и распространяющийся в вакууме со скоростью света. Спин фотона равен 1 (в единицах ћ). Слабое взаимодействие характерно для большинства элемен- тарных частиц, за исключением фотонов. Этот тип взаимодействия ответственен, например, при электронном β-распаде нейтрона, за все процессы взаимодействия нейтрино с веществом, а также за многие распады элементарных частиц. В последние годы изучаются процессы 294 рассеяния нейтрино и антинейтрино, что очень важно, поскольку они являются единственными элементарными частицами, участвую- щими только в слабом взаимодействии. Слабое взаимодействие по интенсивности уступает не только сильному, но и электромагнитному взаимодействию (в 100 000 раз слабее сильного и в 730 раз — электро- магнитного). Радиус действия весьма мал — 10 −18 м. Частицами-переносчиками слабого взаимодействия являются про межуточные векторные бозоны (векторными называются частицы со спином, равным 1) — W + , W − , а также электронейтральный бо- зон Z 0 (обнаружены в 1982 г. на протонно-антинейтронном коллай- дере в ЦЕРНе (близ Женевы)). Гравитационное взаимодействие — универсальное и самое сла- бое из всех взаимодействий природы, в котором участвуют все тела и все элементарные частицы. Однако в процессах микромира данный вид взаимодействия не играет ощутимой роли и его эффекты в процессах взаимодействия элементарных частиц, как правило, не учитываются (константа взаимодействия порядка 10 −39 ). Радиус гравитационного взаимодействия равен бесконечности, т. е. данное взаимодействие имеет дальнодействующий характер. Гра- витационные силы проявляют себя только как силы притяжения. Частицей-переносчиком гравитационного взаимодействия счита- ется гравитон — квант гравитационного поля с нулевой массой и нулевым электрическим зарядом, а также спином, равным 2 (в еди- ницах ћ). В табл. 6 приведены основные сведения (по порядку величин) по фундаментальным взаимодействиям. § 173. семейство лептонов В настоящее время элементарные частицы классифицируют в за- висимости от видов фундаментальных взаимодействий, в которых эти частицы участвуют. Первоначально классификация элементар- Т а б л и ц а 6 Тип взаимодействия Относительная интенсивность Радиус действия, м Сильное 1 10 −15 Электромагнитное 10 −2 ∞ Слабое 10 −5 10 −18 Гравитационное 10 −39 ∞ 295 ных частиц осуществлялась по их массе, что и получило отражение в названиях типов частиц ( лептоны — легкие, мезоны — средние, барионы — тяжелые, адроны — крупные). Открытый (1975) τ-лептон оказался почти в два раза тяжелее протона, а промежуточные векторные бозоны (1983) — почти в 100 раз. Поэтому первоначальное распределение элементарных частиц по массе потеряло свой смысл, отражая лишь становление физики элементарных частиц. Например, для современной классификации не важно, что «тяжелая» частица протон (относится к семейству адро- нов, см. § 174) почти в два раза легче «легкого» τ-лептона (относится к семейству лептонов). Лептоны — семейство элементарных частиц, не участвующих в сильном взаимодействии и имеющих спин ћ/2 (являются фер- мионами). Такое название связано с тем, что массы первых извест- ных лептонов были меньше масс известных частиц. Элементарные частицы и их свойства приведены в табл. 7. Согласно таблице, лептонов всего шесть. Каждому из трех за- ряженных лептонов (они участвуют в электромагнитном и слабом взаимодействиях) соответствует нейтральная частица — нейтрино ( ν e ν µ , ν τ ), участвующая только в слабом взаимодействии. Таким образом, имеется три семейства лептонов: электронный ( e − , ν e ), мюонный ( µ − , ν µ ) и таонный ( τ − , ν τ ) дуплеты. Каждому из них соответствует дуплет антилептонов: (e + , ν е ), ( µ + , ν µ ), ( τ + , ν τ ), где ν е , ν µ , ν τ — соответственно электронное, мюонное и таонное антинейтрино. Лептонам (и только им!) приписывают лептонный заряд L. Для лептонов L = 1, для антилептонов L = −1, для частиц, не являющихся лептонами, L = 0. Различают электронный лептонный заряд L e (электрон, электронное нейтрино), мюонный лептонный заряд L µ (мюоны, мюонное нейтрино), таонный лептонный заряд Т а б л и ц а 7 Название частицы Символ Электри- ческий заряд [ e] Масса [ m e ] Спин [ћ] Время жизни [c] Электрон e − 1 1 Стабилен Электронное нейтрино ν e 0 0? Стабильно Мюон µ − 1 206,8 2,2 ⋅10 −6 Мюонное нейтрино ν µ 0 0? Стабильно Тау-лептон τ − 1 3 487 3,5 ⋅10 −13 Таонное нейтрино ν τ 0 0? Стабильно 296 L τ (таон, таонное нейтрино). В табл. 8 приведены лептонные заряды для частиц семейства лептонов. При всех процессах взаимопрев- ращаемости элементарных частиц лептонный заряд сохраняется, в этом заключается закон сохранения лептонного заряда. Лептонный заряд не связан ни с какими полями, а просто является средством учета количества лептонов при взаимопревращении элементарных частиц. Например, для реакции 1 0 n → 1 1 p + −1 0 e + 0 0 ν e (173.1) выполняется закон сохранения лептонного заряда (0 = 0 + 1 − 1). Следствием закона сохранения лептонного заряда является то, что в реакции (173.1) вылетает антинейтрино, а при распаде 1 1 p → 1 0 n + + +1 0 e + 0 0 ν e — нейтрино. Так как у электрона и нейтрино L = +1, а у позитрона и антинейтрино L = −1, то закон сохранения лептонного заряда выполняется лишь при условии, что 0 0 ν е возникает вместе с электроном, а 0 0 ν е — с позитроном. Для реакции распада мюона и τ-лептона µ ν ν µ − − → + + 1 0 0 0 0 0 e е ; τ µ ν ν µ τ → + + − 0 0 0 0 также выполняется закон сохранения лептонного заряда: (1 = 1 − 1 + 1); (1 = 1 − 1 + 1). Семейство лептонов в настоящее время считают истинно эле ментарными (фундаментальными) частицами, поскольку современные эксперименты, включая столкновения в ускорителях частиц с огромнейшими энергиями, свидетельствуют о неделимости лептонов. § 174. семейство адронов Адроны — семейство элементарных частиц, участвующих наряду с электромагнитным и слабым, также в сильном взаимодействии. Семейство лептонов Частица Лептонный заряд L e L µ L τ Электронный дуплет e − ν e +1 +1 0 0 0 0 Мюонный дуплет µ − ν µ 0 0 +1 +1 0 0 Таонный дуплет τ − ν τ 0 0 0 0 +1 +1 Т а б л и ц а 8 297 Семейство адронов является наиболее многочисленным и включает порядка 450 частиц (вместе с античастицами). До открытия τ-лептона (1975) считалось, что адроны являются самыми крупными и тяжелы- ми из всех известных микрочастиц. К адронам относятся протон, нейтрон, пионы, каоны, гипероны и их античастицы (табл. 9). Для выделения адронов как группы эле- ментарных частиц вводится квантовое число — барионный заряд B. Т а б л и ц а 9 Группы частиц Название частицы Символ Заряд [e ] Масса [ m e ] Спин [ћ ] Лептонный заряд [L ] Барионный заряд [B ] ча стицы антича стицы А др оны Мезоны Пи-мезоны π 0 0 264,1 0 0 0 π + π − 1 273,1 0 0 0 Ка-мезоны K 0 K 0 0 974,0 0 0 0 K + K − 1 966,2 0 0 0 Эта-мезон η 0 0 1 074 0 0 0 Барионы Нуклоны Протон p p 1 1 836,2 1/2 0 +1 Нейтрон n n 0 1 838,7 1/2 − +1 Гипероны ламбда Λ 0 Λ 0 0 2 183 1/2 0 +1 сигма Σ 0 Σ 0 0 2334 1/2 0 +1 Σ + Σ + 1 2328 1/2 0 +1 Σ − Σ − 1 2343 1/2 0 +1 кси Ξ 0 Ξ 0 0 2573 1/2 0 +1 Ξ − Ξ − 1 2586 1/2 0 +1 омега Ω − Ω − 1 3273 3/2 0 +1 298 Адроны подразделяют на два больших подкласса: мезоны — под- группа адронов с B = 0 (их спин равен нулю) и барионы — подгруп- па адронов с B = 1 (их спин равен 1 2 ). Для всех барионов B = 1, для антибарионов — B = −1, для всех остальных частиц, не являющихся барионами, B = 0. Хотя мезоны и являются адронами, их барионный заряд равен нулю, равен нулю и их лептонный заряд, поэтому при взаимодей- ствиях элементарных частиц мезоны могут возникать и исчезать в любык количествах, но при этом должны соблюдаться законы со- хранения энергии, импульса, спина и электрического заряда. При любых реакциях и взаимодействиях элементарных частиц барионный заряд сохраняется, в этом заключается закон сохранения барионного заряда. Барионный заряд не связан ни с какими полями, а является лишь средством учета частиц — барионов в реакциях и процессах. Например, для реакции (173.1), для которой выполняется закон сохранения лептонного заряда, выполняется и закон сохране- ния барионного заряда (1 = 1 + 0 + 0). Адроны, согласно современным воззрениям, не элементарны и состоят из более мелких образований — кварков (см. § 176). Помимо законов сохранения лептонного и барионного зарядов, существуют и другие законы в мире элементарных частиц, которые, наряду с рассмотренными, ограничивают возможность протекания тех или иных превращений элементарных частиц. § 175. классификация элементарных частиц Систематика элементарных частиц прошла несколько этапов (см. § 173). Первоначально классификация отражала распределение частиц по массе. В настоящее время элементарные частицы классифициру- ют в зависимости от видов фундаментальных взаимодействий, в которых они участвуют (табл. 10). Т а б л и ц а 10 299 Помимо описанных элементарных частиц, остановимся более подробно на каждой из приведенных в табл. 10 группе частиц. Адроны составляют основную часть элементарных частиц. Как уже указывалось (см. § 174), адроны делятся на два больших клас- са — барионы и мезоны. К группе |