151682 (Елементарні частинки та їх застосування), страница 2

Спін елементарних частинок являється цілим кратним від величини . В цих одиницях спін р- і К-мезонів дорівнює нулю, у протона, нейтрона і електрона J= 1/2, у фотона J = 1. Існують частинки і з більш високим спіном.

Елементарні частинки крім того характеризуються ще рядом квантових чисел , які називаються внутрішніми . Лептони несуть специфічний лептонний заряд L двох типів :електронний (L_e) і мюонний (L_m); L_e = +1 для електрона і електронного нейтрино , L_m= +1 для від'ємного мюона і мюонного нейтрино. Важкий лептон t і зв'язаний з ним нейтрино являються носіями нового типу лептонного заряду L_t. Для адронів L = 0, і це ще одна відмінність від лептонів. В свою чергу , значній частині адронів належить баріонний заряд В (|Е| = 1). Адрони з В = +1 утворюють підгрупу баріонів(сюди відносяться протон, нейтрон, гіперони, баріонні резонанси), а адрони з В = 0 – підгрупу мезонів(р- і К-мезони, бозонні резонанси). Останні дослідження показали , що маси баріонів і мезонів можна співставити. Для лептонів В = 0 .Для фотонів В = 0 і L = 0. Баріони і мезони поділяються на звичайні частинки (протон, нейтрон, р-мезони), дивні частинки (гіперони, К-мезони) і зачаровані частинки.

Для всіх елементарних частинок з нульовими значеннями хоча б одного із зарядів існують античастинки з тими самими значеннями маси , часу життя ,спіну, але з протилежними знаками всіх зарядів. Частинки , які не мають античастинок , називаються абсолютно нейтральними. Прикладом таких частинок служить фотон.

В наведеній нижче таблиці вказані всі відомі елементарні частинки (за винятком так званих резонансів) і дано деякі їх характеристики. Частинки в таблиці розміщені в порядку зростання їх мас . Частинки з масами, які не перевищують 207 електроних мас (крім однієї з них), складають групу легких частинок – лептонів, частинки з масами понад 207 електронних мас, але меншими за масу протона, входять до групи мезонів(середніх частинок), протон і більш масивні частинки складають групу баріонів. Особливе місце посідає в таблиці фотон.

При розгляді таблиці 1 звертають на себе увагу такі факти. По-перше, лише три з елементарних частинок – електрон, протон і нейтрон є основними: з них побудовані атоми і відповідно весь навколишній речовинний світ. Заряд елементарної частинки (виражений в елементарних зарядах) дорівнює або +1, або -1, або ж 0;дво- і багатозарядних частинок немає. Більшість елементарних частинок є нестійкими і мають дуже малий період життя. Кожній частинці (крім фотона і пі-нуль-мезона) відповідає античастинка. У 1964 році австрійським фізиком Дж. Цейгом і незалежно від нього американським фізиком М. Гелл-Манном запропонована гіпотеза про існування в природі невеликої кількості більш фундаментальних,” справді елементарних частинок ”, названих кварками . Згідно з цією гіпотезою, всі мезони і баріони побудовані з кварків і антикварків, з'єднаних між собою в різних комбінаціях. Найбільш дивна(майже неймовірна) властивість кварків пов'язана з їх електричним зарядом – припускається , що кварки мають дробове зна- чення елементарного електричного заряду. Нині в багатьох фізичних лабораторіях світу ведуться експерементальні пошуки кварків.

Елементарні частинки і квантова теорія поля

Для опису властивостей і взаємодій елементарних частинок в сучасній теорії суттєве значення має поняття фізичного поля, яке ставиться у відповідність кожній частинці . Поле – це специфічна форма матерії ; воно описується функцією, яка задається у всіх точках (x) простору-часу, яка характеризується певними трансформаційними властивостями по відношенню до групи Лоренца (скаляр, спінор, вектор і т.д.)і груп “внутрішніх” симетрій (ізотопічний скаляр, ізотопічний спінор і т.д.). Електромагнітне поле , яке характеризується властивостями чотирьох вимірного вектора А_m(х) (m = 1, 2, 3, 4), – історично перший приклад фізичного поля. Поля , які можна співставити з елементарними частинками , мають квантову природу, тобто їх енергія і імпульс складаються із багатьох окремих порцій–квантів, причому енергія і імпульс кванта зв'язані співвідношенням спеціальної теорії відносності : E_k² = p_k²c² + m²c². Кожний такий квант і є елементарна частинка із заданою енергією, імпульсом і масою .Квантами електромагнітного поля являються фотони , кванти інших полів відповідають всім іншим відомим елементарним частинкам. Поле є фізичне відображення існування безкінечної сукупності частинок – квантів. Спеціальний математичний апарат квантової теорії поля дозволяє описати народження і знищення частинки в кожній точці x.

Для опису процесів , що відбуваються з елементарними частинками , необхідно знати , як різні фізичні поля пов'язані один з одним, тобто знати динаміку полів . У сучасному апараті квантової теорії поля повідомлення про динаміку полів містяться в особливій величині, яка виявляється через поля–лагранжіана (L).Знання L дозволяє в принципі розраховувати ймовірність переходів від однієї сукупності частинок до іншої під впливом різних взаємодій .

Таблиця 1

В період 50-70-х років був досягнутий значний прогрес в розумінні струк- тури лагранжиана , який дозволив істотно уточнити його форму для сильних і слабких взаємодій. Вирішальну роль в цьому відіграло вияснення тісного взаємозв'язку між властивостями симетрії взаємодій елементарних частинок і формою лагранжиана.

Симетрія взаємодій елементарних частинок знаходить своє відображення в існуванні законів збереження певних фізичних величин і ,відповідно, в збереженні звязаних з ними квантових чисел елементарних частинок. Точна симетрія , яка має місце для всіх класів взаємодій, відповідає наявності у елементарних частинок точних квантових чисел ; наближена симетрія , характерна лише для деяких кла- сів взаємодій (сильних, електромагнітних), приводить до неточних квантових чисел. Якщо симетрія точна , то маса кванта поля дорівнює нулю. Для наближеної симетрії маса кванта векторного поля відмінна від нуля.

Тепер перейдемо до питання про взаємодію кварків в нуклоні. Експерименти по розсіюванню нейтрино і антинейтрино на нуклоні показали , що імпульс нуклона лише частково (приблизно на 50%) переноситься карками , а інша його частина переноситься іншим видом матерії, яка не взаємодіє з нейтрино. Передбачається , що ця частина матерії складається із частинок , якими обмінюються кварки і за рахунок яких вони утримуються в нуклоні. Ці частинки одержали назву “глюонів” (з англійської glue - клей). З викладеної вище точки зору на взаємодію ці частинки рахують векторними. В сучасній теорії їх існування пов'язується з симетрією , що зумовлює появу “кольору” у кварків.

Отже , на рівні елементарних частинок фактично відсутні істотні відмінності між речовиною і полем як видами матерії .І електрон , і позитрон , і протон , і фотон є як елементарними частинками речовини, так і квантами відповідних полів. Про відносність поділу матерії на рівні елементарних частинок на частинки речовини і частинки поля переконливо свідчить взаємоперетворюваність частинок речовини й поля . Наприклад, у 1934 році було встановлено , що при зіткненні електрона з позитроном відбувається їх перетворення в два фотони, тобто відбувається перетворення частинок речовини в частинки електромагнітного поля. Можна також говорити про перетворення квантів електронно-позитронного поля в кванти електромагнітного поля. Можливий також і зворотний процес перетворення фотона великої енергії під час зіткнення з ядром в пару електрон –позитрон. У цьому випадку частинка поля–фотон–перетворюється в частинку речовини (електрон–позитрон). Природно , під час цих перетворень виконується всі закони збереження. Так , маса фотона виявляється точно рівною сумі мас частинок , які утворилися. Тому не може бути й мови ні про яке “знищення” або “створення” маси , а тим більше матерії в цих процесах.

Дослідження показали , що перетворення в фотони і створення за рахунок фотонів спостерігається для всіх заряджених частинок і античастинок: протона й антипротона ,м-- мезона й м+ -мезона , р+ - мезона і р-- мезона , К- - мезона і К+ - мезона , а також для нейтрона і антинейтрона. Як і у випадку перетворення пари електрон– позитрон , під час всіх цих процесів перетворення частинок речовини в частинки електромагнітного поля (фотони) і зворотно зберігаються маса, енергія , імпульс і деякі інші характеристики частинок.

Застосування елементарних частинок