17 (Лекции Лунева PDF), страница 2

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,время жизни, 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 (время жизни более 51021 лет), протон (более 1031 лет), фотон и нейтрино.К квазистабильным относятся частицы, распадающиеся вследствие электромагнитногои слабого 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.

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 являются лептонный (символ L) и барионный (символ В) заряды; эти числа считаются строгосохраняющимися 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 имезоны подразделяются на совокупности: обычных (нестранных) частиц (протон, нейтрон, 3Семестр 4. Лекция 17.мезоны), странных частиц (гипероны, К-мезоны) и очарованных частиц. Этому разделениюотвечает наличие у адронов особых квантовых чисел: странности S и очарования (английскоеcharm) Ch с допустимыми значениями: S = 0, 1, 2, 3 и Ch = 0, 1, 2, 3.

Для обычных частиц S = 0 и Ch = 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 квантового числа - изотопического спина I, принимающего, как и обычный спин, целые и полуцелыезначения. Сами семейства обычно называются изотопическими мультиплетами. Число частиц в мультиплете N связано с I соотношением: N = 2I + 1. Частицы одного изотопическогомультиплета отличаются друг от друга значением «проекции» изотопического спина IZ. С точки зрения теории изоспина, нейтрон и протон являются одной и той же частицей – нуклоном сизоспином I=1/2 – в двух разных состояниях, различающихся проекцией вектора изоспина навыделенную ось Iz в пространстве изоспина.

Таких проекций для момента I=1/2 может бытьтолько 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, временижизни t, спина J и для адронов изотопического спина I, но с противоположными знаками всехзарядов 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 0.Важное свойство элементарных частиц – их способность к взаимопревращениям врезультате 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 или барионными зарядами). Возможны процессы рождения электрон-позитронных пар ee+, мюонных пар μ+μ новых тяжелых частиц при столкновениях лептонов, образование изкварков cc- и bb-состояний.

Другой вид взаимопревращений элементарных частиц - аннигиляция пары при столкновениях 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 называют 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.4Семестр 4. Лекция 17.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 изэпизодов 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.СимволНазваниеЭлектрическийзарядМасса(в долях е)английскоеПервое поколениеdнижнийdown−1/3~ 5 МэВ/с²2uверхнийup+ /3~ 3 МэВ/c²Второе поколениеsстранныйstrange−1/395 ± 25 МэВ/c²2cочарованныйcharm (charmed)+ /31,8 ГэВ/c²Третье поколениеbпрелестныйbeauty (bottom)−1/34,5 ГэВ/c²tистинныйtruth (top)+2/3171 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 числоистинности (правды) T = 1. Кваркам d и u приписывается аромат – проекция изоспина. Для dэта проекция равна Iz= 1/2, а для u Iz=+1/2 соответственно.Каждому кварку соответствует антикварк с противоположными квантовымичислами.Кроме того постулируется, что кварки обладают и дополнительной внутренней характеристикой, задаваемой квантовым числом «цвет».

Цвет кварка может принимать тризначения: 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, антикваркам приписывается антицвет. Сильное взаимодействие вызывает притяжение либо двух частиц с противоположным цветом (цвет и антицвет), либо трех частиц с определённой комбинацией цветов, которая в сумме дает «белый» цвет.

Из-за такой аналогии с восприятием цвета и был выбран такойтермин 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. Сильные взаимодействия (обмен глюоном) могут изменять цвет кварка, но не меняют его аромат.Слабые взаимодействия, наоборот, не меняют цвет, но могут менять аромат, т.е.

все ароматыквантовых чисел сохраняются при сильном и электромагнитном взаимодействиях, но не сохраняются при слабом взаимодействии.Каждый барион состоит из трёх кварков, поскольку только в этом случае суммарныйбарионный заряд равен единице: В = 1.Пример. Протон состоит из двух u-кварков и одного d-кварка: p  uud    . Стрелками покарусскоезаны ориентации спинов. Нейтрон состоит из одного u-кварка и двух d-кварков n  udd    .5Семестр 4. Лекция 17.У мезонов барионный заряд В = 0, поэтому они состоят из пар кварк и антикварк.Пример. Положительный пи-мезон состоит из u-кварка и d-антикварка   ud    .Отрицательный пи-мезон состоит из u-антикварка и d-кварка   ud    .1uu  dd .2Cилы, действующие между кварками, не ослабевают с расстоянием, т.е.