25 (Лекции кафедральные (PDF))

Семестр 4. Лекция 25.Лекция 25. Элементарные частицы.Основные характеристики. Типы взаимодействий. Классификация частиц. Лептоны и адроны.Кварковая структура адронов. Симметрия и законы сохранения в мире элементарных частиц.Элементарная частица - собирательный термин, относящийся к микрообъектам в субъядерном масштабе, которые невозможно расщепить на составные части. В современной физикетермин «элементарные частицы» используют в более широком смысле: так называют мельчайшие частицы материи, подчиненные условию, что они не являются атомными ядрами и атомами (исключение составляет протон); иногда по этой причине элементарные частицы называютсубъядерными частицами.

Некоторые элементарные частицы (электрон, фотон, кварки и т. д) наданный момент считаются бесструктурными и рассматриваются как первичные фундаментальные частицы. Другие элементарные частицы (так называемые составные частицы - протон, нейтрон и т.д.) имеют сложную внутреннюю структуру, но, тем не менее, по современным представлениям, разделить их на части невозможно. Строение и поведение элементарных частицизучается физикой элементарных частиц.Наиболее важное квантовое свойство всех элементарных частиц - их способность рождаться и уничтожаться (испускаться и поглощаться) при взаимодействии с др. частицами. Вэтом отношении они полностью аналогичны фотонам. Элементарные частицы — это специфические кванты материи, более точно - кванты соответствующих физических полей.

Все процессы с элементарными частицами протекают через последовательность актов их поглощения ииспускания.Распад нестабильных элементарных частиц на более лёгкие частицы, сопровождаемыйвыделением энергии, отвечает той же закономерности и является процессом, в котором продукты распада рождаются в момент самого распада и до этого момента не существуют. В этом отношении распад элементарных частиц подобен переходу возбуждённого атома в основное состояние с испусканием фотона.На сегодня достоверно известно существование четырех фундаментальных взаимодействий: гравитационного, электромагнитного, сильного, слабого. При этом электромагнитное ислабое взаимодействия являются проявлениями единого электрослабого взаимодействия.Различные процессы с элементарными частицами заметно отличаются по интенсивностипротекания.

В соответствии с этим взаимодействия элементарных частиц можно феноменологически разделить на несколько классов: сильные, электромагнитные и слабые взаимодействия.Все элементарные частицы обладают, кроме того, гравитационным взаимодействием.Сильные взаимодействия выделяются как взаимодействия, которые порождают процессы, протекающие с наибольшей интенсивностью среди всех остальных процессов. Они приводят и к самой сильной связи элементарных частиц. Именно сильные взаимодействия обусловливают связь протонов и нейтронов в ядрах атомов и обеспечивают исключительную прочностьэтих образований, лежащую в основе стабильности вещества в земных условияхЭлектромагнитные взаимодействия характеризуются как взаимодействия, в основе которых лежит связь с электромагнитным полем.

Процессы, обусловленные ими, менее интенсивны, чем процессы сильных взаимодействий, а порождаемая ими связь элементарных частицзаметно слабее. Электромагнитные взаимодействия, в частности, ответственны за связь атомных электронов с ядрами и связь атомов в молекулах.Слабые взаимодействия, как показывает само название, вызывают очень медленно протекающие процессы с элементарными частицами. Иллюстрацией их малой интенсивности может служить тот факт, что нейтрино, обладающие только слабыми взаимодействиями, беспрепятственно пронизывают, например, толщу Земли и Солнца. Слабые взаимодействия обусловливают также медленные распады так называемых квазистабильных элементарных частиц.Времена жизни этих частиц лежат в диапазоне 10-8-10-10 сек, тогда как типичные времена длясильных взаимодействий элементарных частиц составляют 10-23-10-24 сек.1Семестр 4.

Лекция 25.Гравитационные взаимодействия, хорошо известные по своим макроскопическим проявлениям, в случае элементарных частиц на характерных расстояниях ~10-13 см дают чрезвычайно малые эффекты из-за малости масс элементарных частиц.Ведутся поиски других типов фундаментальных взаимодействий, как в явлениях микромира, так и в космических масштабах, однако пока существование какого-либо другого типафундаментального взаимодействия не обнаружено.Классификация элементарных частиц.По величине спина все элементарные частицы делятся на два класса: фермионы - частицы с полуцелым спином (например, электрон, протон, нейтрон, нейтрино); бозоны - частицы сцелым спином (например, фотон, глюон, мезоны).По видам взаимодействий элементарные частицы делятся на основные группы.Первую составляют переносчики взаимодействий - калибровочные бозоны - частицы, посредством обмена которыми осуществляются взаимодействия.

Сюда относится фотон, иликвант электромагнитного излучения,- частица, переносящая электромагнитное взаимодействие.Переносчики электрослабого взаимодействия три промежуточных векторных бозона W+, W− иZ0, а также восемь глюонов - частиц, переносящих сильное взаимодействие. Сюда также следовало бы отнести гравитон - гипотетическую частицу, переносящую гравитационное взаимодействие. Однако существование гравитонов пока не доказано экспериментально.Вторая группа элементарных частиц – лептоны (др.-греч. λεπτοζ - лёгкий), участвующие только в электромагнитных и слабых взаимодействиях. Известно 6 лептонов: электрон,электронное нейтрино, мюон, мюонное нейтрино, тяжелый τ-лептон (тау-лептон) и соответствующее τ-нейтрино.Электрон считается материальным носителем наименьшей массы в природе me, равной9,1⋅10-31 кг (в энергетических единицах ≈0,511 МэВ) и наименьшего отрицательного электрического заряда e = 1,6⋅10-19 Кл.

Мюоны (µ−) - частицы с массой около 207 масс электрона (105,7МэВ) и отрицательным электрическим зарядом, равным заряду электрона; тяжелый τ-лептонимеет массу около 1,8 ГэВ. Соответствующие этим частицам три типа нейтрино - электронное(νe), мюонное (νµ) и τ-нейтрино (ντ) - легкие электрически нейтральные частицы. Все лептоныимеют спин ½ћ, т.е. являются фермионами.Каждому из лептонов соответствует античастица, имеющая те же значения массы, спина и других характеристик, но отличающаяся знаком электрического заряда.

Существуют позитрон (e+)- античастица по отношению к электрону, положительно заряженный мюон (µ+) и три типа антинейтрино ( ν e , ν µ , ν τ ), которым приписывают противоположный знак особого квантовогочисла, называемого лептонным зарядом.Третья группа элементарных частиц - адроны, они участвуют в сильном, слабом и электромагнитном взаимодействиях. Адроны и лептоны образуют вещество.Адроны представляют собой «тяжелые» частицы с массой, значительно превышающеймассу электрона. Это наиболее многочисленная группа элементарных частиц. Адроны делятсяна барионы - частицы со спином ½ћ, мезоны - частицы с целочисленным спином (0 или 1); атакже так называемые резонансы - короткоживущие возбужденные состояния адронов.К барионам (от греч. βαρύς - тяжёлый) относят протон и нейтрон.

Из протонов и нейтронов построены все атомные ядра, именно сильное взаимодействие обусловливает связь этихчастиц между собой. В сильном взаимодействии протон и нейтрон имеют одинаковые свойстваи рассматриваются как два квантовых состояния одной частицы - нуклона с изотопическимспином ½ћ. Барионы включают и гипероны - элементарные частицы с массой больше нуклонной: Λ-гиперон имеет массу 1116 МэВ, Σ-гиперон - 1190 МэВ, Θ-гиперон - 1320 МэВ, Ωгиперон - 1670 МэВ.Мезоны (от др. греч. μέσος - средний) имеют массы, промежуточные между массамипротона и электрона (π-мезон, K-мезон). Существуют мезоны нейтральные и заряженные (с положительным и отрицательным элементарным электрическим зарядом). Все мезоны по своимстатистическим свойствам относятся к бозонам.2Семестр 4.

Лекция 25.Резонансы (резонансные частицы) - короткоживущие возбуждённые состояния сильновзаимодействующих адронов. В отличие от др. нестабильных частиц, резонансы распадаются восновном за счёт сильных взаимодействий. Поэтому их времена жизни лежат в интервале10-22÷10-24 сек, что по порядку величины совпадает с характерным ядерным временем.Кроме того, в так называемой Стандартной модели с необходимостью присутствуетхиггсовский бозон, который, впрочем, пока ещё не обнаружен экспериментально.Основные свойства элементарных частицКаждая элементарная частица описывается набором дискретных значений физическихвеличин (квантовых чисел). Общие характеристики всех элементарных частиц - масса, времяжизни, спин, электрический заряд.В зависимости от времени жизни элементарные частицы делятся на стабильные, квазистабильные и нестабильные (резонансы).Стабильными (в пределах точности современных измерений) являются: электрон (времяжизни более 5⋅1021 лет), протон (более 1031 лет), фотон и нейтрино.К квазистабильным относятся частицы, распадающиеся вследствие электромагнитного ислабого взаимодействий, их времена жизни более 10-20 с.Резонансы распадаются за счет сильного взаимодействия, их характерные времена жизни имеют порядок характерного ядерного времени 10-22 – 10-24 с.