25 (Лекции кафедральные (PDF)), страница 2

В некоторых случаях распадтяжёлых резонансов (с массой > 3 Гэв) за счёт сильных взаимодействий оказывается подавленным и время жизни увеличивается до значений ~10-20 секВнутренними характеристиками (квантовыми числами) элементарных частиц являютсялептонный (символ L) и барионный (символ В) заряды; эти числа считаются строго сохраняющимися величинами для всех типов фундаментальных взаимодействий.Лептоны несут специфический лептонный заряд L =+1, для лептонных нейтрино и ихантичастиц L имеют противоположные знаки L = −1.Кроме того, в физике элементарных частиц для лептонов (и кварков) вводится понятие«поколение» как часть классификации элементарных частиц.

В каждом поколении два лептона(и два кварка). Два лептона - это один лептон с электрическим зарядом −1 (подобный электрону) и один нейтральный (нейтрино).Существует три поколения лептонов:первое поколение: электрон, электронное нейтрино;второе поколение: мюон, мюонное нейтрино;третье поколение: тау-лептон, тау-нейтрино.Каждый член следующего поколения имеет массу большую, чем соответствующая частица предыдущего. Все обычные атомы содержат частицы первого поколения. Второе и третьепоколения заряженных частиц не присутствуют в обычной материи и наблюдаются только вусловиях очень высоких энергий.

Нейтрино всех поколений пронизывают вселенную, но редковзаимодействуют с обычной материей.Для адронов L = 0, и это ещё одно проявление их отличия от лептонов. В свою очередь,значительные части адронов следует приписать особый барионный заряд В .Адроны с В = +1 образуют подгруппу барионов , для соответствующих античастицВ=−1. Адроны с В = 0 образуют подгруппу мезонов.Для лептонов В = 0. Для фотона В = 0 и L = 0.Для адронов характерно наличие особых квантовых чисел: «странности», «очарования»,«красоты». Обычные (нестранные) адроны - протон, нейтрон, π-мезоны. Барионы и мезоныподразделяются на совокупности: обычных (нестранных) частиц (протон, нейтрон, π-мезоны),странных частиц (гипероны, К-мезоны) и очарованных частиц.

Этому разделению отвечает наличие у адронов особых квантовых чисел: странности S и очарования (английское charm) Ch сдопустимыми значениями: S = 0, ±1, ±2, ±3 и Ch = 0, ±1, ±2, ±3. Для обычных частиц S = 0 и Ch3Семестр 4. Лекция 25.= 0, для странных частиц S ≠ 0, Ch = 0, для очарованных частиц Ch ≠ 0. Вместо странности часто используется квантовое число гиперзаряд Y = S + В.Уже первые исследования с обычными адронами выявили наличие среди них семействчастиц, близких по массе, с очень сходными свойствами по отношению к сильным взаимодействиям, но с различными значениями электрического заряда. Протон и нейтрон (нуклоны) былипервым примером такого семейства.

Позднее аналогичные семейства были обнаружены средистранных и среди очарованных адронов. Общность свойств частиц, входящих в такие семейства, является отражением существования у них одинакового значения специального квантовогочисла - изотопического спина I, принимающего, как и обычный спин, целые и полуцелые значения. Сами семейства обычно называются изотопическими мультиплетами. Число частиц вмультиплете N связано с I соотношением: N = 2I + 1. Частицы одного изотопического мультиплета отличаются друг от друга значением «проекции» изотопического спина IZ.

С точки зрениятеории изоспина, нейтрон и протон являются одной и той же частицей – нуклоном с изоспиномI=1/2 – в двух разных состояниях, различающихся проекцией вектора изоспина на выделеннуюось Iz в пространстве изоспина. Таких проекций для момента I=1/2 может быть только две:Iz=+1/2 (протон) и Iz = –1/2 (нейтрон).Важной характеристикой адронов является также внутренняя чётность Р, связанная соперацией пространственной инверсии (заменой пространственных направлений на обратные).Величина Р принимает значения ±1.Для всех элементарных частиц с ненулевыми значениями хотя бы одного из зарядов Q, L,В, Y, S и очарования Ch существуют античастицы с теми же значениями массы т, времени жизни t, спина J и для адронов изотопического спина 1, но с противоположными знаками всех зарядов и для барионов с противоположным знаком внутренней чётности Р.Частицы, не имеющие античастиц, называются абсолютно (истинно) нейтральными.

Абсолютно нейтральные адроны обладают специальным квантовым числом - зарядовой чётностью(т. е. чётностью по отношению к операции зарядового сопряжения) С со значениями ±1; примерами таких частиц могут служить фотон и π0.Важное свойство элементарных частиц – их способность к взаимопревращениям в результате электромагнитных или других взаимодействий. Один из видов взаимопревращений так называемое рождение пары, или образование одновременно частицы и античастицы (в общем случае - образование пары элементарныех частиц с противоположными лептонными илибарионными зарядами). Возможны процессы рождения электрон-позитронных пар e-e+, мюонных пар µ+µ− новых тяжелых частиц при столкновениях лептонов, образование из кварков cc- иbb-состояний. Другой вид взаимопревращений элементарных частиц - аннигиляция пары пристолкновениях частиц с образованием конечного числа фотонов (γ-квантов).

Обычно образуются 2 фотона при нулевом суммарном спине сталкивающихся частиц и 3 фотона - при суммарном спине, равном 1 (проявление закона сохранения зарядовой четности).При определенных условиях, в частности при невысокой скорости сталкивающихся частиц, возможно образование связанной системы - позитрония e-e+ и мюония µ+e-.

Эти нестабильные системы, часто называемые водородоподобными атомами. Их время жизни в веществе вбольшой степени зависит от свойств вещества, что позволяет использовать водородоподобныеатомы для изучения структуры конденсированного вещества и кинетики быстрых химическихреакций.Кварковая модель адроновДетальное рассмотрение квантовых чисел адронов с целью их классификации позволилосделать вывод о существовании особых структурных единиц, из которых построены адроны, –кварков.Гипотеза о том, что адроны построены из специфических субъединиц, была впервые выдвинута М.Гелл-Манном и, независимо от него, Дж.

Цвейгом в 1964 году. Слово «кварк» былозаимствовано Гелл-Манном из романа Дж. Джойса «Поминки по Финнегану», где в одном из4Семестр 4. Лекция 25.эпизодов звучит фраза «Three quarks for Muster Mark!» (обычно переводится как «Три кваркадля Мастера Марка!»).В настоящее время известно 6 типов кварков. Спин всех кварков ½ (фермионы). Барионный заряд 1/3. Кварки естественным образом группируются в три поколения. В каждом поколении один кварк обладает электрическим зарядом +2/3, а другой −1/3.СимволЭлектрическийзарядНазваниеМасса(в долях е)русскоеанглийскоеПервое поколениеdнижнийdown−1/3~ 5 МэВ/с²uверхнийup+2/3~ 3 МэВ/c²Второе поколениеsстранныйstrange−1/395 ± 25 МэВ/c²cочарованныйcharm (charmed)+2/31,8 ГэВ/c²Третье поколениеbпрелестныйbeauty (bottom)−1/34,5 ГэВ/c²2tистинныйtruth (top)+ /3171 ГэВ/c²Каждому кварку приписываются определённые квантовые числа, называемые ароматами.

Так кварк s имеет ненулевое квантовое число странности S=1, кварк c - ненулевое числошарма Ch=1, кварк b – квантовое число прелести (красоты) b=1, кварк t – квантовое число истинности (правды) T=1. Кваркам d и u приписывается аромат – проекция изоспина. Для d этапроекция равна Iz=−1/2, а для u Iz=+1/2 соответственно.Каждому кварку соответствует антикварк с противоположными квантовыми числами.Кроме того постулируется, что кварки обладают и дополнительной внутренней характеристикой, задаваемой квантовым числом «цвет». Цвет кварка может принимать три значения:жёлтый, красный и синий (голубой), смесь которых является бесцветной.Согласно постулату бесцветности все наблюдаемые в природе адроны бесцветны (кварки в адронах образуют бесцветные комбинации). Соответственно, антикварками приписываетсяантицвет.

Сильное взаимодействие вызывает притяжение либо двух частиц с противоположнымцветом (цвет и антицвет), либо трех частиц с определенной комбинацией цветов, которая всумме дает «белый» цвет. Из-за такой аналогии с восприятием цвета и был выбран такой термин для данного квантового числа.Цветовое взаимодействие между кварками осуществляется посредством обмена глюонами.Глюон (англ.

glue - клей) - безмассовая элементарная частица со спином, равным 1, являющаяся переносчиком сильного (цветового) взаимодействия между кварками, которое склеивает их в адроны. Всего существует восемь видов (цветовых комбинаций) глюонов. Глюоныявляются квантами векторного поля в квантовой хромодинамике.Кварки участвуют в сильных, слабых и электромагнитных взаимодействиях. Сильныевзаимодействия (обмен глюоном) могут изменять цвет кварка, но не меняют его аромат. Слабыевзаимодействия, наоборот, не меняют цвет, но могут менять аромат, т.е.

все ароматы квантовыхчисел сохраняются при сильном и электромагнитном взаимодействиях, но не сохраняется прислабом взаимодействии.Каждый барион состоит из трёх кварков, поскольку только в этом случае суммарный барионный заряд равен единице В=1.Пример. Протон состоит из двух u-кварков и одного d-кварка p = uud ( ↑↓↑ ) . Стрелками показаны ориентации спинов. Нейтрон состоит из одного u-кварка и двух d-кварков n = udd ( ↑↓↑ ) .У мезонов барионный заряд В=0, поэтому они состоят из пар кварк и антикварк.Пример.