151081 (Фізика напівпровідників), страница 8

Електромагнітна взаємодія – менш інтенсивна і характеризується параметрами , ; зокрема, ця взаємодія відповідальна за зв’язок електронів з ядрами в атомах і – атомів в молекулах.

Слабка взаємодія теж – короткодіюча, її параметри – , ; вона відповідальна за повільні процеси розпаду квазістабільних часток, час життя яких лежить в межах 10–6 – 10–14с.

Гравітаційна взаємодія – універсальна, але, в зв’язку з малими масами елементарних часток, на характерних для них відстанях ~10–15м вона помітної ролі не грає; , ; однак, вона може стати суттєвою на відстанях ~10–35м.

Слід відмітити, що відносна роль різних взаємодій змінюється з ростом енергії часток. Проте, різні властивості симетрії сприяють розділенню взаємодій до досить значних енергій. Лише в границі самих великих енергій поділ взаємодій на види, мабуть, втрачає зміст.

В залежності від участі в тих чи інших взаємодіях елементарні частинки ділять на класи: фотон, лептони (“легкі” частинки), адрони (“сильні” частинки) з підкласами мезонів (“середніх” часток) та баріонів (“важких” часток), гравітон.

Фотони є квантами електромагнітного поля зі спіном j=1; вони приймають участь лише в електромагнітній взаємодії, але не зазнають сильної і слабкої взаємодії.

Групу лептонів складають електрон е–, м’юон , тау-лептон , відповідні нейтрино та їх античастинки. Спін всіх цих частинок j=1/2, тобто вони є ферміонами (підкоряються статистиці Фермі-Дірака); m , . Лептони приймають участь у слабкій взаємодії (заряджені – також і в електромагнітній), але не зазнають сильної взаємодії.

Підгрупу мезонів складають піони , каони , -мезон, деони ; , , . Всі вони – нестабільні: розпадаються за рахунок слабкої і електромагнітної взаємодії, приймають участь також у сильній взаємодії. Спін мезонів j=0, тобто вони є бозонами (підкоряються статистиці Бозе-Ейнштейна).

Підгрупа баріонів об’єднує нуклони (р, n) і гіперони ( , маса яких ~1,2~1,8 mp. Спін баріонів j=1/2, тобто вони, як і лептони, є ферміонами. Баріони приймають участь у всіх видах взаємодій. Відкриті на прискорювачах резонанси, список яких все збільшується, є сильновзаємодіючими короткоживучими частинками ( ). Вони трапляються з цілим і напівцілим спіном, тому, відповідно, відносяться до мезонів або баріонів.

Гравітони (гіпотетичні кванти гравітаційного поля) – частинки зі спіном j=2, приймають участь лише у гравітаційній взаємодії.

Кожна елементарна частинка описується сукупністю дискретних значень певних фізичних величин, що її характеризують (квантових чисел). Загальними характеристиками всіх елементарних часток є маса m, час життя , спін j, електричний заряд Q. В залежності від часу життя елементарні частинки діляться на стабільні, квазістабільні і нестабільні. Стабільними вважаються електрон, протон, фотон, нейтрино. До квазістабільних відносяться частинки, які розпадаються за рахунок електромагнітної і слабкої взаємодії. Нестабільними є резонанси, які розпадаються за рахунок сильної взаємодії. Спін частинки j, що характеризує її власний момент імпульсу, може бути цілим або напівцілим кратним величини – постійної Дірака. В цих одиницях у відомих часток j набуває значень 0, , 1, … Електричний заряд Q частинки є цілим кратним елементарного заряду е; у відомих елементарних частинок Q .

Було помічено, що квантові числа елементарних часток пов’язані з законами збереження, які відображають певні симетрії природи. Наприклад, закони збереження енергії Е, імпульсу , момента імпульсу відображають властивості симетрії простору-часу. Відповідні закони збереження (а також закон збереження електричного заряду) є точними. вони виконуються у всіх видах взаємодій. Разом з цим, елементарні частинки характеризуються ще рядом квантових чисел, пов’язаних з так званими “внутрішніми” симетріями.

Це, перш за все,– баріонний заряд В. Для всіх баріонів В=+1, для антибаріонів В=–1, для останніх часток В=0; має місце закон збереження баріонного заряду; вважається, що він може порушуватися.

По-друге,– лептонний заряд L. Для всіх лептонів L=+1, для антилептонів L=–1, для останніх часток L=0; має місце закон збереження лептонного заряду; вважається, що і він може порушуватися.

При розгляді адронів було помічено, що вони розбиваються на групи часток близьких за масою з подібними властивостями, якщо “виключити” електромагнітну взаємодію (зарядові мультиплети). Для характеристики цього було введене квантове число ізотопічного спіну І, яке пробігає цілі і напівцілі значення. Число часток у мультиплеті N=2I+1, вони відрізняються значенням “проекції” ізоспіну Із і величиною електричного

заряду (заряд часток у мультиплеті Q=Iз+В/2). Наприклад, для нуклонів І=1/2, тому (протон, нейтрон). Має місце закон збереження ізоспіну, порушується електромагнітною і слабкою взаємодією.

Важливою характеристикою адронів є так звана внутрішня парність , яка описує симетрію правого і лівого; порушується слабкою взаємодією. Нею ж порушується так звана зарядова парність яка описує симетрію часток та античасток і вводиться для абсолютно нейтральних часток.

Поняття античастинки ввів П. Дірак (1928 р.). Він встановив квантово-релятивістське рівняння для електрона, яке, при заданому імпульсі частинки р, дає власні значення енергії

, (7.43)

тобто одержуються дві області значень енергій, розділені забороненим проміжком шириною 2mec2 (мал.7.6).

В класичній теорії переходи в стани з від’ємною енергією заборонені, оскільки енергія змінюється неперервно. В квантовій теорії, де енергія квантується, такі переходи можливі. Але частинка з від’ємною енергією має від’ємну масу, що – нефізично. Дірак висунув гіпотезу, що стани з від’ємною енергією не спостерігаються, оскільки вони заповнені електронами. Збудження системи зводиться до переходу електрона з заповнених рівнів на вільні; внаслідок цього виникає вільний електрон і вакансія в системі заповнених рівнів – “дірка”. Ця вакансія веде себе як електрон з додатніми масою і зарядом, вона одержала назву позитрон. Для виникнення пари електрон-позитрон потрібна мінімальна енергія Е=2mec2. Процес

(7.44)

являє собою процес народження пари фотоном; із-за необхідності виконання законів збереження енергії та імпульсу він повинен відбуватись в полі частинки Х. Можливий і зворотній процес

, (7.45)

процес аннігіляції пари; він не вимагає присутності сторонньої частинки, оскільки народжуються два фотони.

У 1932 р. позитрони були виявлені в космічних променях; напротязі 1955–1956 р.р. були відкриті антипротон і антинейтрон . Античастинки існують і у бозонів: , наприклад, є античастинкою для . Існують і абсолютно нейтральні частинки ( . Вони нездатні аннігілювати, але можуть перетворюватися в інші частинки.

Найбільша група елементарних часток – адрони діляться на звичайні, дивні, “чарівні”, “красиві”, “істинні” частинки. Цьому поділу відповідає наявність у адронів екзотичних квантових чисел: дивності S, чарівності С, краси b, істинності t; вони зберігаються у сильній та електромагнітній взаємодіях, але не зберігаються у слабкій взаємодії.

Таким чином, кожне квантове число описує певний вид симетрії часток і взаємодій з відповідним законом збереження, який може бути точним чи наближеним. Вивчення цих симетрій привело до класифікації елементарних часток і спроб побудови єдиної теорії фундаментальних взаємодій.