Мартинсон Л.К., Смирнов Е.В. - Квантовая физика (2004), страница 72

Дждж. Томсоном в составе катодных лучей. Экспериментальное доказательство существования фотона было дано в опытах Р. Милликена по фотоэффекту в 1912— 1915 гг., а также в опытах А. Комптона по рассеянию рентгеновских лучей на электронах в 1922 г. Протон был обнаружен Э. Резерфордом в 1919 г. в экспериментах по исследованию взаимодействия а-частиц с атомными ядрами. Нейтрон впервые наблюдался в 1932 г. Дж. Чедвиком в опытах по столкновению а-частиц с ядрами бериллия. Дальнейшее исследование элементарных частиц в 30 — 40-х годах ХХ в. было связано с изучением космических лучей. В 1932 г.

в их составе К. Андерсоном была открыта первая античастица— позитрон е. В 1936 г. К. Андерсон и С. Неддермейер обнаружили в космических лучах мюоны с различными знаками электрического заряда: р+ и и . В 1947 г. группой С. Пауэлла в составе космических лучей были открыты заряженные я~-мезоны, а в 1950 г. был обнаружен нейтральный к -мезон. В 1956 г. Ф.

Райнес и К. Коуэн в потоке частиц, идущих от ядерного реактора, обнаружили электронное антинейтрино 9,. С начала 1950-х годов основным инструментом в исследовании элементарных частиц стали ускорители. В 1955 г. группой Э. Сегре был открыт антипротон р, а в 1956 г. был обнаружен 467 ке антинейтрон л.

Начиная с 1960-х годов с помощью ускорителей было открыто большое число элементарных частиц с временем жизни 10 ...10 с. Эти частицы получили название резонансов, они составляют наиболее многочисленную часть всех открытых к настоящему времени элементарных частиц. В 1962 г. было обнаружено мюонное нейтрино и„, а в 1975 г. был открыт самый тяжелый нз лептонов — т-лептон. В 1968 г. на Стэнфордском линейном ускорителе были обнаружены партоны — точечные объекты внутри протона, обладающие свойствами кварков.

В 1983 г. К. Руббиа и С. Ван дер Мер в экспериментах на протон-антипротонном коллайдере (установке для столкновений встречных пучков ускоренных частиц) открыли самые тяжелые из всех элементарных частиц — промежуточные векторные Ж - и У~-бозоны, подтвердив тем самым теорию электрослабых взаимодействий. В 1995 г. в лаборатории им. Э. Ферми был обнаружен последний (шестой) 1-кварк. В 2000 г. в этой же лаборатории было открыто т-нейтрино ц . Классификация элементарных частиц.

Элементарные частицы обычно подразделяют на четыре класса (табл. 7.2). Первый класс образуют переносчики взаимодействий. Второй класс составляют лептоны, третий — мезоны и четвертый — барионы. Табпица 7.2 К переносчикам взаимодействий относятся фотон, )У - и о У -бозоны, а также глюоны. Как уже отмечалось, фотон является 468 переносчиком электромагнитного взаимодействия, а )У~ и У -бозоны переносят слабое взаимодействие.

Глюоны отвечают за сильное взаимодействие, более подробно о иих рассказано далее. Лептоны. Лептонами (от др.-греч. Хелоз — легкий) называются элементарные частицы, не участвующие в сильном взаимо- 1 действии и имеющие спин, равный —, т.

е. лептоны являются 2 ферми-частицами. К лептонам относятся: электрон е, мюон и, т -лептон, все виды нейтрино (электронное ч„мюонное у,„, т-лептонное ч ), а также их античастицы. Все лептоны участвуют в слабом взаимодействии. Лептоны, имеющие электрический заряд (электроны„мюоны и т-лептоны), наряду со слабым испытывают также электромагнитное взаимодействие. Для лептонов была введена новая физическая величина — лептонный заряд Е (лептонное квантовое число). По определению, для всех лептонов Е,=1, для антилептонов Ь = — 1, для всех остальных часпщ Е=О. На первый взгляд может показаться, что такое введение лептонного заряда носит чисто формальный характер.

Однако, как показывает опыт, для лептонного заряда выполняется закон сохранения: и всех взаимо ействиях элемента ных час лептонный за остается постоянным. Поэтому, например, реакция ч, + р -э л+ е+, Ь: — 1+ 0 =О+( — 1), в которой суммы лептонных зарядов часпщ до взаимодействия и после взаимодействия равны, разрешена и реально протекает (в нижней строчке приведены лептонные заряды частиц). А реакция ч, + р ~ч л+ е+, Е,: 1+0=0+( — 1), в которой лептонный заряд не сохраняется, запрещена и ни разу не наблюдалась в эксперименте. 469 Отметим, что на самом деле для лептонов вводится не один, а три лептонных заряда. Для электрона е и электронного нейтрино ч, вводится лептонный заряд 1, Он равен единице для е и ч„минус единице для их античаспщ и нулю для всех остальных частиц. Аналогично для мюона 1г и мюонного нейтрино ч, вводится лептонный заряд 1,„, а для т-лептона т и т-лептонного нейтрино ч,, — лептонный заряд 1 .

Внутренняя структура лептонов к настоящему времени экспериментально не обнаружена, поэтому их можно отнести к истинно элементарным частицам. Масса мюона т„=105,66 МэВ, среднее время жизни т„ = 2,2 10 с. Масса т-лептона т =1,782 ГэВ, среднее время жизни тт =3,5.10 с. Чрезвычайно актуальным является вопрос о массе нейтрино.

Первоначально полагали, что масса покоя всех видов нейтрино равна нулю. Однако в дальнейшем зто предположение было поставлено под сомнение. В настоящее время после многочисленных опытов удалось установить лишь верхние ограничения на массу нейтрино. Так, для электронного нейтрино т <3 эВ. Если окажется, что хотя бы один из типов нейтрино имеет массу порядка 10 эВ, зто приведет не только к существенным поправкам в картине микромира, но и может иметь фундаментальные космологические и астрофизические последствия. Например, в этом случае из модели горячей Вселенной следовало бы, что общая масса нейтрино во Вселенной превосходит общую массу остального вещества.

При этом Вселенная оказалась бы замкнутой. Образование галактик и скоплений галактик на ранней стадии развития Вселенной могло бы происходить из "конденсаций" нейтринного газа, а затем к таким нейтринным сгусткам стягивалось бы все остальное вещество. Это могло бы объяснить "скрытую'* массу галактик, на существование которой указывают результаты наблюдений, а также ряд других астрофизических "загадок".

В итоге физики приходят к интересному заключению: от деталей структуры микрочастиц, в частности от массы нейтрино, зависят 470 наши представления о процессах, протекающих во Вселенной, т. е. в мегамире. Мезоны. Как уже отмечалось, элементарные частицы, участвующие в сильном взаимодействии, называются адронами. Адроны, в свою очередь, подразделяются на два класса: мезоны и барионы. ирр~н< ДР:ц .Р~ — Рд Ф, Р у В зываются адроны, обладающие левым или елочисленным олином. К их числу относятся к-, К-, ц-мезоны, а также мезонные резонансы, т.

е. мезоны с временем жизни порядка 10 с. Все мез т я Они получили такое название в связи с тем, что значения масс первых открытых мезонов (я- и К-мезона) занимали промежуточное положение между массами протона и электрона. В дальнейшем были обнаружены и другие мезоны, причем у некоторых из них масса оказалась больше массы протона. Мезоны участвуют в сильном, электромагнитном (если имеют электрический заряд) и слабом взаимодействиях.

Бр . Бам ( др..ри, р рб,— ются адроны, обладающие по елым сливом. Самым легким из барионов является протон, который, как известно, в 1836 раз тяжелее электрона. Вс оны являются ми-части ами. К барионам относятся нуклоны (протон и нейтрон), гипероны и барионные резонансы. Гиперонами называются нестабильные барионы, масса которых больше массы протона, а время жизни велико по сравнению с 10 с. За время т - 10 ...10 с гипероны распадаются с образованием нуклонов и легких частиц (я-мезонов, элек- 1 тронов, нейтрино, 7-квантов). Спин всех гиперонов равен —, исклю- 2 3 чением является лишь Й -гиперон, спин которого составляет —.

2 Для барионов вводится барионный заряд В (барионное квантовое число) аналогично тому, как был введен лептонный заряд для лептонов. Считается, что для барионов В = 1, для антибарионов В =-1, для всех остальных частиц В=О. Опыт показывает, что и всех взаимо ействиях элемента ных част нный за яд остается постоя . Это означает, что в микромире выполняется закон сохранения барионного заряда. 471 Все барионы, за исключением протона, нестабильны. Они распадаются на нуклоны и легкие частицы. Однако в связи с созданием различных моделей единой теории поля (Великого объединения), включающей в себя сильные, электромагнитные и слабые взаимодействия, стабильность протона поставлена под сомнение.

В частности, согласно одной из моделей Великого объединения, предсказывается возможность распада протона, например, по каналу р~е++я со временем распада порядка 10 ...10 лет. Напомним, что, согласно экспериментальным данным, время распада протона составляет более 5 10 лет. Нестабильность протона, будь она обнаружена, явилась бы подтверждением теории Великого объединения.

Кварковая модель адронов. Большое количество и разнообразие адронов не могло не вызвать сомнения в их "элементарности". Поэтому были предприняты поиски более фундаментальных, первичных частиц, из которых могли быть образованы адроны. В 1964 г. М. Гелл-Манн и Д. Цвейг выдвинули гипотезу, согласно которой все адроиы построены из кварков. Гипотеза кварков позволила не только понять структуру уже известных адронов, но и предсказать существование новых частиц.