17 (Лекции Лунева PDF), страница 3

для отделения кварков друг от друга требуется бесконечно большая энергия. Необычные свойствасильного взаимодействия приводят к тому, что одиночный кварк не может удалиться на какоелибо заметное расстояние от других кварков, а значит, кварки и антикварки не могут наблюдаться в свободном виде (явление, получившее название конфайнмент). Разлететься могутлишь «бесцветные» комбинации кварков - адроны.Нейтральный пи-мезон является суперпозицией состояний 0 Законы сохранения в мире элементарных частицКвантовые числа разделяются на точные (т.

е. такие, которые связаны с физическимивеличинами, сохраняющимися во всех процессах) и неточные (для которых соответствующиефизические величины в части процессов не сохраняются).При всех типах взаимодействия выполняются следующие законы сохранения (точные).Закон сохранения энергии.Закон сохранения импульса.Закон сохранения момента количества движения.Закон сохранения электрического заряда.Закон сохранения лептонного заряда.Закон сохранения барионного заряда.Установлено, что каждый закон сохранения связан с какой-либо симметрией в окружающем нас мире.

Так законы сохранения энергии и импульса связанны с однородностью времени и пространства. Закон сохранения момента количества движения связан с симметрией пространства относительно вращений. Законы сохранения зарядов связаны с симметрией физических законов относительно специальных преобразований, описывающих частицы.Изоспин I - определяет число частиц, входящих в один изотопический мультиплет.Зарядовая четность C (зарядовое сопряжение). Операция зарядового сопряжения переводитчастицы в античастицы, т.е. меняет знаки зарядов, оставляя неизменными пространственныепеременные, импульс и момент импульса.Временная четность T соответствует инверсии времени (направление течения времени меняется на обратное).Комбинированная чётность CP — комбинированная инверсия CP является последовательнойкомбинацией С и Р преобразований.CPT-четность - последовательная комбинация С, Р и Т преобразований.G-четность - это квантовое число, соответствующее симметрии относительно одновременнойоперации зарядового сопряжения и изменения знака третьей компоненты Iz изоспина.Спин связан со строгим законом сохранения момента количества движения и потому является точным квантовым числом.

Другие точные квантовые числа: Q, L, В; по современнымданным, они сохраняются при всех превращениях. Стабильность протона есть непосредственное выражение сохранения В. Однако, большинство квантовых чисел адронов неточные. Изотопический спин, сохраняясь в сильных взаимодействиях, не сохраняется в электромагнитных ислабых взаимодействиях. Странность и очарование сохраняются в сильных и электромагнитных взаимодействиях, но не сохраняются в слабых взаимодействиях. Слабые взаимодействияизменяют также внутреннюю и зарядовую чётности.

С гораздо большей степенью точности сохраняется комбинированная чётность СР, однако и она нарушается в некоторых процессах,обусловленных слабыми взаимодействиями. Сохранение или несохранение тех или иных квантовых чисел - одно из существенных проявлений различий классов взаимодействий элементарных частиц.6Семестр 4. Лекция 17.CPT-инвариантность - это фундаментальная симметрия физических законов при преобразованиях, включающих одновременную инверсию заряда, чётности и времени. Подтекст CPTсимметрии состоит в том, что зеркальное отображение нашей Вселенной - импульсы и положения всех объектов отражены в мнимой плоскости (что соответствует инверсии чётности P), всяматерия заменена на антиматерию (что соответствует инверсии заряда C), и обращена во времени (T) - будет вести себя так же, как и наша вселенная.

В любой момент соответствующихвремён две вселенные будут идентичны, и преобразование CPT запросто превратит одну в другую. CPT-симметрия считается фундаментальным качеством физических законов.ХарактеристикаСильноеЭлектрический заряд, QЭнергия, EИмпульс, pУгловой момент, JБарионный заряд, BЛептонный заряд L.Странность, SОчарование, ChКрасота, bИстина, tИзоспин, IПроекция изоспина, IZПространственная четность, PЗарядовая четность, CВременная четность, TКомбинированная четность, CPCPT-четностьG-четность++++++++++++++++++ВзаимодействиеЭлектромагнитное++++++++++++++++-Слабое+++++++-Создание единой теории фундаментальных взаимодействийПервой из теорий взаимодействий стала теория электромагнетизма, созданная Максвеллом в 1863 году. Затем в 1915 г.

Эйнштейн сформулировал общую теорию относительности,описывающую гравитационное поле. Появилась идея построения единой теории фундаментальных взаимодействий (которых на тот момент было известно только два), подобно тому какМаксвеллу удалось создать общее описание электрических и магнитных явлений. Такая единаятеория объединила бы гравитацию и электромагнетизм в качестве частных проявлений некоегоединого взаимодействия.В течение первой половины XX века ряд физиков предприняли многочисленные попытки создания такой теории, однако ни одной полностью удовлетворительной модели выдвинутоне было. Это, в частности, связано с тем, что общая теория относительности и теория электромагнетизма различны по своей сути.

Тяготение описывается искривлением пространствавремени, и в этом смысле гравитационное поле нематериально, в то время как электромагнитное поле является материей.Во второй половине XX столетия задача построения единой теории осложнилась необходимостью внесения в неё слабого и сильного взаимодействий, а также квантования теории.В 1967 году Саламом и Вайнбергом была создана теория электрослабого взаимодействия, объединившая электромагнетизм и слабые взаимодействия. Позднее в 1973 году былапредложена теория сильного взаимодействия (квантовая хромодинамика). На их основе была7Семестр 4. Лекция 17.построена Стандартная Модель элементарных частиц, описывающая электромагнитное,слабое и сильное взаимодействия.Экспериментальная проверка Стандартной Модели заключается в обнаружении предсказанных ею частиц и их свойств.

В настоящий момент открыты все элементарные частицы Стандартной Модели, включая хиггсовский бозон.Бозон Хиггса, или Хиггсовский бозон - теоретически предсказанная элементарная частица, квант поля Хиггса, с необходимостью возникающая в Стандартной Модели вследствиехиггсовского механизма спонтанного нарушения электрослабой симметрии.

Хиггсовский бозонобладает нулевым спином. В рамках Стандартной Модели бозон Хиггса отвечает за массу элементарных частиц. Существование бозона предсказано Питером Хиггсом в 1960 году. Работы,проводимые на Большом Адронном коллайдере в 2011 году, привели к открытию бозонаХиггса. 4 июля 2012 года на семинаре в ЦЕРНЕ было доложено об обнаружении бозона Хиггса- последней элементарной частицы Стандартной модели.Частица Хиггса так важна, что нобелевский лауреат Леон Ледерман назвал её «частицейбогом».

Однако, в средствах массовой информации бозон Хиггса «обозвали» как «частица Бога».Стандартная модель в значительной степени рассматривается скорее как теория временная, а не действительно фундаментальная, поскольку она не включает в себя гравитацию и содержит несколько десятков свободных параметров (массы частиц и т. д.), значения которых невытекают непосредственно из теории. Возможно, существуют элементарные частицы, которыене описываются Стандартной моделью - например, такие, как гравитон (частица, переносящаягравитационные силы) или суперсимметричные партнёры обычных частиц.Таким образом, в настоящее время фундаментальные взаимодействия описываются двумя общепринятыми теориями: общей теорией относительности и Стандартной Моделью.

Ихобъединения пока достичь не удалось из-за трудностей создания квантовой теории гравитации.Для дальнейшего объединения фундаментальных взаимодействий используются различныеподходы: теории струн, петлевая квантовая гравитация, а также М-теория.АнтичастицыАнтичастицы - элементарные частицы, имеющие те же значения масс, спинов и др. физ.характеристик, что и их «двойники» - «частицы», но отличающиеся от них знаками некоторыххарактеристик взаимодействия (например знаком электрического заряда).Существование античастиц было предсказано П. A. M. Дираком.

Полученное им в 1928квантовое релятивистское уравнение движения электрона с необходимостью содержало решения с отрицательными энергиями. В дальнейшем было показано, что исчезновение электрона сотрицательной энергией следует интерпретировать как возникновение частицы (той же массы)с положительной энергией и с положительным электрическим зарядом, т. е. античастицей поотношению к электрону.

Эта частица - позитрон - открыта в 1932 году.В последующих экспериментах было установлено, что не только электрон, но и всеостальные частицы имеют свои античастицы. К настоящему времени античастицы наблюдалисьпрактически для всех известных частиц. Между частицей и её античастицей возможна аннигиляция.Аннигиляция пары частица-античастица (от латинского annihilatio - уничтожение, исчезновение) - один из видов взаимопревращения элементарных частиц. Термином аннигиляцияпервоначально был назван электромагнитный процесс превращения электрона и его античастицы - позитрона при их столкновении в электромагнитное излучение (в фотоны).

Однакоэтот термин неудачен, т. к. в процессах аннигиляции материя не уничтожается, а лишь превращается из одной формы в другую.Существование и свойства античастиц определяются в соответствии с фундаментальнымпринципом квантовой теории поля - её инвариантностью относительно СРТ-преобразования. ИзCРТ-теоремы следует, что масса, спин и время жизни частицы и её античастицы должны бытьодинаковыми. В частности, стабильным (относительно распада) частицам соответствуют ста8Семестр 4. Лекция 17.бильные античастицы (однако в веществе сколько-нибудь длительное существование их невозможно из-за аннигиляции с частицами вещества).

Состояния частиц и их античастиц связаны операцией зарядового сопряжения.Поэтому частица и её античастица имеют противоположные знаки электрическихзарядов (и магнитных моментов), имеют одинаковый изотопический спин, но отличаютсязнаком его третьей проекции, имеют одинаковые по величине, но противоположные познаку странность, очарование, красоту и т. д. Преобразование комбинированной инверсии(CP) связывает спиральные состояния частицы с состояниями античастиц противоположнойспиральности.

Частицам и их античастицам приписываются одинаковые по величине, но противоположные по знаку барионное и лептонное числа.Вследствие инвариантности относительно зарядового сопряжения (С-инвариантности)сильного и электромагнитного взаимодействий связанные соответствующими силами составные объекты из частиц (атомные ядра, атомы) и из античастиц (ядра и атомы антивещества)должны иметь идентичную структуру.