17 (Лекции Лунева PDF)

Семестр 4. Лекция 17.Лекция 17. 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 всубъядерном масштабе, которые невозможно расщепить на составные части.

В современнойфизике термин «элементарные частицы» используют в более широком смысле: так называютмельчайшие частицы материи, подчиненные условию, что они не являются атомнымиядрами и атомами (исключение составляет протон); иногда по этой причине элементарные частицы называют субъядерными частицами. Некоторые элементарные частицы (электрон, фотон, кварки и т.

д) на данный момент считаются бесструктурными и рассматриваютсякак первичные фундаментальные частицы. Другие элементарные частицы (так называемые составные частицы - протон, нейтрон и т.д.) имеют сложную внутреннюю структуру, но, тем неменее, по современным представлениям, разделить их на части невозможно. Строение и поведение элементарных частиц изучается физикой элементарных частиц.Наиболее важное квантовое свойство всех элементарных частиц - их способностьрождаться и уничтожаться (испускаться и поглощаться) при взаимодействии с др. частицами. В этом 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 и испускания.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 и слабое 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 основекоторых 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.1Семестр 4.

Лекция 17.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.Гравитационные взаимодействия, хорошо известные по своим макроскопическимпроявлениям, 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 с целым 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,или квант 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.  - лёгкий), участвующие только в электромагнитных и слабых взаимодействиях. Известно 6 лептонов: электрон, электронное нейтрино, мюон, мюонное нейтрино, тяжелый τ-лептон (тау-лептон) и соответствующее -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, спинаи других характеристик, но отличающаяся знаком электрического заряда. Существуют позитрон (e+) - античастица по отношению к электрону, положительно заряженный мюон (μ+) и тритипа антинейтрино (  e ,   ,   ), которым приписывают противоположный знак особого квантового числа, называемого лептонным зарядом.Третья группа элементарных частиц - адроны, они участвуют в сильном, слабом иэлектромагнитном 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 возбуждённые состояния адронов.К барионам (от греч. βαρύς - тяжёлый) относят протон и нейтрон. Из протонов инейтронов построены все атомные ядра, именно сильное взаимодействие обусловливает связьэтих частиц между собой. В сильном взаимодействии протон и нейтрон имеют одинаковыесвойства и рассматриваются как два квантовых состояния одной частицы - нуклона с изотопическим спином ½ћ. Барионы включают и гипероны - элементарные частицы с массой большенуклонной: Λ-гиперон имеет массу 1116 МэВ, Σ-гиперон - 1190 МэВ, Θ-гиперон - 1320 МэВ, Ωгиперон - 1670 МэВ.2Семестр 4.

Лекция 17.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.Резонансы (резонансные частицы) - короткоживущие возбуждённые состояния сильновзаимодействующих адронов.