mukhin-fizika-elementarnykh-chastits

К.Н. Мухин ЭКСП ЕРИМ ЕНТАЛ ЬНАЯ ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА 6 96ух книгах Рекомендовано Комитетом по высшей школе министерства науки, выошей школы и технической политики Российской Федерации б-е издание, переработанное и дополненное книга 2 физика элементарных частиц МОСКВА ЗНЕРГОАТОМИЗДАТ 1993 ББК 22.38 М92 УДК 539.14.01. (075.8) Рс цен зон ты: чл.-кор.

РАН И. И. Гуревич, доктор физ.-мат. наук П. А. Крупчицкнй Настоягцес издание является второй книгой учебника по экспериментальной ядерной физике. Рассмотрены Аэч-взаимодействия, ядерные силы, теория дейтрона. структура нуклонов, свойства лептонов, л-мезонов. странных, очарованных н прелестных частиц и резонансов, физика античастиц, систематика адронов. элементы кванговой хромолннамики и физики электрослабых взаимодействий.

5-е издание (4-с вышло в 1983 гэ переработано и дополнено новым. современным материалом. для студенэов физических специальностей икжснерно-физических, физико-тсхнических институтов. университетов. 1б04080000-045 М вЂ” 14-9! 051(01)-93 ББК И.38 1БВ)х1 5-283-04076-3 (Кн, 2) 18ВХ 5-283-03964-1 г "Энсргоатомиздат, 1983 Автор. 1993. с иэмснсниями Мухин К. Н. М92 Экспериментальная ядерная физика: Учеб. дпя вузов.

В 2 кн. Кн. 2. Физика элементарных частиц.— 5-е изд., перераб. и доп.— Мл Энергоатомиздат, 1993.— 408 с. 1ВВХ 5-283-04076-3 ПРЕДИСЛОВИЕ Вторая книга учебника является непосредственным продолжением первой. Обе книги имеют единую нумерацию частей, глав, параграфов, рисунков и полное оглавление.

Первоначально предполагалось издать весь учебник для удобства читателя в виде одного тома, однако это оказалось невозможно по техническим причинам и пришлось издать учебник в двух книгах, а первую книгу в двух частях. Разделение материала между книгами было сделано по аналогии с предыдущим двухтомным изданием. В первую книгу отнесен весь материал, касающийся экспериментальной физики атомного ядра, во вторую — экспериментальной физики элементарных частиц. В частности, во второй книге рассмотрены основы теории дейтрона, свойства ядерных сил, нуклон-нуклонные взаимодействия при низких, высоких и сверхвысоких энергиях, форм- факторы нуклонов и ядер, свойства антинуклонов и антнядер, свойства лептонов, п-мезонов, странных, очарованных и прелестных частиц, резонансов, систематика адронов на основе унитарной симметрии и кварковой модели, дополнительные вопросы физики слабых взаимодействий: универсальная (г'-А )- теория и элементы теории электрослабого взаимодействия„ открытие слабых нейтральных токов и И'ь- и Уе-бозонов, вопрос о массе нейтрино н связь его с нейтринными осцилляциями и двойным безнейтринным р-распадом и др.

Подробнее о содержании обеих книг, а также об общих принципах построения учебника, характере его переработки в связи с новыми открытиями и т. п. рассказано в предисловии к первой книге. В заключение автор еще раз благодарит А. П. Александрова, С. Т. Беляева, Д. П. Гречухина, И. И. Гуревича, В. Г. Кириллова-Угрюмова и Б.

А. Никольского за помощь при подготовке предыдущих изданий и особенно И. И. Гуревича и П. А. Крупчицкого за ценные советы и замечания, сделанные нми при рецензировании рукописи настоящего издания. С глубокой благодарностью автор подчеркивает важную роль своего учителя И. И. Гуревича при подготовке всех изданий книги, включая ее переводы на иностранные языки. Автор будет признателен читателям за любые критические замечания и советы. Часть третья ФИЗИКА НУКЛОНОВ И АНТИНУКЛОНОВ И ПРОБЛЕМА ЯДЕРНЫХ СИЛ Глава Х1Ч НУКЛОН-НУКЛОННЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПРИ НИЗКИХ ЭНЕРГИЯХ И ЯДЕРНЫЕ СИЛЫ ф 81. Вввдвиив Одной из центральных задач ядерной физики является выяснение природы сил, удерживающих протоны и нейтроны внутри атомного ядра,— так называемых ядерных сил.

Ядерные силы отличаются от сил всех других известных видов. Они не могут иметь электрическую природу, так как проявляются не только между заряженными, но и между нейтральными частицами (например, между нейтроном и протоном в дейтроне; это,не магнитные силы, так как взаимодействие между магнитными моментами нуклонов слишком мало; это тем более не слабые и не гравитационные силы, так как те и другие чрезвычайно слабы. Огромная интенсивность ядерных сил, проявляющаяся, например, в том, что они удерживают внутри ядра одноименно заряженные протоны, выделяет их в особый класс сильного ядерного взаимодействия.

В дальнейшем мы увидим, что сильное взаимодействие кроме нуклонов типично для я- и К-мезонов, гиперонов, резонансов и других частиц, а также их античастиц, которые в связи с этим вместе с нуклонами и антинуклонами получили общее название «адроны» (сильно взаимодействующие частицы), а сильное взаимодействие между ними — «сильное адронное взаимодействие». В гл. ХХ11 будет показано, что обе упомянутые выше разновидности сильного взаимодействия --ядерные силы между нуклонами и сильное адронное взаимодействие между адронами — на самом деле есть «внешнее» проявление еще более сильного «впутреннего» взаимодействия между цветными кварками, из которых состоят все адроны.

Это последнее взаимодействие в настоящее время называют просто сильным взаимодействием (иногда цветовым, истинно сильным, фундаментально сильным и т. и.). Чтобы пояснить различие между ядерными силами (и вообще сильным ядро иным у еь Зкеделке взаимодействием) с одной стороны и истинно сильным взаимодействием между кварками с другой, можно привести аналогию с молекулярными и электромагнитными силами: молекулярные силы также являются некоторым «внешним» проявлением гораздо более интенсивных «внутренних» электромагнитных сил между электронами и атомными ядрами.

В настоящей главе будет рассматриваться сильное взаимодействие только в самом узком смысле этого понятия, т. е. ядерные силы между нуклонами (сильное ядерное взаимодействие). Сильное взаимодействие между адронами (сильное адрониое взаимодействие) будет рассмотрено в главах, посвященных соответствующим адронам, истинно сильное взаимодействие между кварками — в главе, посвященной кварковой модели. В дальнейшем мы не всегда будем подчеркивать, о каком именно сильном взаимодействии идет речь (ядерные силы, сильное адронное взаимодействие или истинно сильное взаимодействие между кварками), считая, что это ясно из контекста.

Вместе с тем прилагательное «сильное» желательно использовать всегда (сильное ядерное взаимодействие, сильное адронное взаимодействие и т. д.), потому что нуклоны, атомные ядра, адроны, кварки участвуют также в электромагнитном и слабом взаимодействиях. Итак, ниже пойдет речь о ядерных силах. Напомним основные свойства ядерных сил, установленные в и дыдущих главах. 1". . Ядерные силы — это силы притяжения, что следует из существования стабильных ядер, состоящих из протонов и нейтронов.

2. Опыты Резерфорда по изучению рассеяния гг-частиц ядрами 'показали, что до расстояний примерно 10 гз см результаты опытов можно объяснить предположением о чисто кулоновском характере взаимодействия сг-частиц с ядрами. Это означает, что ядерные силь-.

относятся к короткодействующим. Их радиус действия во всяком случае меньше 10 'з см, Он может быть оценен как среднее расстояние между нуклонами, связанными в ядре ядерными силами: 5 ($/А)пз (4яйз/ЗА)цз 2.10-гз см 3. Ядерные силы — наиболее интенсивные силы природы*. Они значительно интенсивнее любых сил всех остальных ь Как уие упоминалось выше, в этой главе мы не касаемся истинно сильного взаимодействия меиду кваркамн, внешним (относительно более слабым) проявлением которого являются ядернме силы.

б Г;зава Х11г. Нуклоя-иЭклоииые взаимодействия яри иизкис эяергияк видов, в том числе н наиболее сильных из них — элекгромагнитных. Это следует из существования стабильных ядер, содержащих в своем составе одноименно заряженные протоны. Наглядное количественное сравнение сильного ядерного взаимодействия с электромагнитным можно получить, сопоставив среднюю энергию связи нуклона в ядре зНе (а = 7 МэВ) с энергией кулоновского отталкивания двух протонов этого ядра, отнесенной к одному протону: 1 е' 1 (4,8 ° 10 'о)з 2 8 г г.

1П- ээ 1,б. 1П-в 4. Постоянство средней энергии связи, рассчитанной на один нуклон„ для большинства ядер периодической системы указывает на то, что ядерные силы обладают свойством насыщения. 5. Существование в природе простейшего ядра — дейтрона, состоящего из нейтрона и протона с параллельно направленными спинами, и отсутствие аналогичного ядра с антйпараллелъными спинами у нуклонов указывают на спиновую зависимость ядерных сил. Об этом уже говорит эффект компенсации спинов, проявляющийся в разной устойчивости четноче~ных, нечетно-нечетных и нечетных ядер. 6. Наличие у дейтрона электрического квадрупольного момента указывает на центральный, тензорный характер ядерных сил, т.

е. на зависимость ядерных снл от взаимного расположения спинов нуклонов и «оси» дейтрона. 7. Наличие спин-орбитального взаимодействия (установленного при рассмотрении оболочечной модели ядра) свидетельствует о том, что на нуклон, движущийся внутри ядра, действуют силы, зависящие от скорости нуклона (точнее, от его импульса). Возможно, что такие спнн-орбитальные силы надо учитывать и при рассмотрении взаимодействия между двумя нуклонами, Сходство в структуре уровней некоторых легких ядер позволяет высказать гипотезу о зарядовой независимости (изотопической инвариантности) ядерных сил.