И.М. Капитонов - Введение в физику ядра и частиц (1120452), страница 19
Текст из файла (страница 19)
Их можно рассматривать как возбуждения стабильных (каазистабютьных) частиц. Квазистабильные частицы распадаются «медленно» (т > 10 зо с) и их распады вызваны электромагнитным илн слабым взаимодействием. Большинство (более 450) взвествых частиц юьеют размеры ре 1Фм и состоят из двух юш трех кларков. Они называются адронами к участвуют во всех видах взаитвщействий (сильных, электромагнитных и слабых). 129 Шесть лептонов (е, и, г, и„и„, г ) вместе с шестью кварками (4, о, е, с, 6, г) на совремейвом уровне знаний точечны (бесструктурвы).
Их размер < 10 'е см. Существование кварков твердо установлено, хотя в свободном состоянии они никогда не наблюдались. 4. Экспериментальное исследование структуры частиц Форму частицы, ее размеры, распределение электрического заряда и магнитного момента (намагниченности) по объему частицы изучают тем же методом упругого рассеяния электронов, который был столь продуктивен в случае атомного ядра (Лекция1), Нацомвим, что дифференциальное сечение упругого рассеяния электрона, например на протоне, имеет вид ( — ") =(,— ",)' ды~', ( ) где ( — ) — моттовское сечение (описывающее в данном при- с г мере рассеяние релятивистского электрона на точечной бесспиновой мишени с зарядом протона); Рр(у) — зависящий от переданного импульса д форм-фактор протона, в котором заключена вся информация о распределении заряда и намагниченности протона по его объему.
Эксперимент по рассеянию электронов на любой протяженной частице (адроне) можно выполнить так, чтобы разделить в его форм-факторе вклады за счет чисто кулоновского взаимодействия электрона и мишени и за счет их магнитного взаимодействия (взаимодействия магннтньпг моментов). Соответствующие форм-факторы носят название кулояовского и жаенищиого.
Так, из кулоновского форм-фактора протона и нейтрона получены распределения плотности электрического заряда в них, приведенные на рис.1.10, 1.11, Эти данные свидетельствуют о том, что нуклои «размазав» в пространстве, не имеет четкой гранины и его характерньгй размер (гиз)г~э ге 0.8 Фм, т. е. около одного ферми.
Аналогичные размеры имеют и остальные алро- Адровы, будучи протяженными, имеют внутреннюю структуру (состоят вз двух илв трех кварков) в должны иметь возбужденные состояния (резонансы). Первое возбужденное состояние элементарной частицы было открыто Ферми в 1961 г.
в реакции рассеяния положительных пионов (гг+) на протонах: х+ + р -+ Ь++ -. + т+ + р. 130 Лекция 8 Протон состоит из трех кварков. Присоединяя за счет сильного взаимодействия пион, он переходит в трехкварковое состояние с заряком +2е и большей энергией, обозиачазеяое Ь++, которое затем распадается ва первоначелъвые частицы, В сечении этой реакции вознвкает широкий резонанс, называемый Ь-резонансом. Максимум этого резонанса, который мо:кет отвечать раюшчным зарядовым комбавацням трех кварков, наблюдается прв кинетической энергии пиона Т„ы 200 МэВ. При атом энергия возбуждения в трехкварковой системе Е' эз 300 МэВ, а массе резонанса озд = 1 232 МэВ/сз.
Одной ю зарядовых разновидностей этого резонанса является 1-е возбужденное состояние щютона, обозначаемое Ь+. Ь+-Резонанс удобно проиллюстрировать с помощью реакции поглощения протоном фотона: 7+у ~р где р' означает возбуждение протона. На рнс.8.1 показано зксперименталъно полученное сечение поглощения фотонов е: ядром эВе в широкой области энергий фотонов (от 10 до 400 МэВ). Величина этого сечения разделена на число нуклонов в ядре А (вертикальная шкала соответствует от/А, где А = 9), т.е.
показывает, какая часть сечения приходится на один нуклон. Это нормированное экспериментальное сечение демонстрирует два максимума — нюкоэнергичный при Е., ш 20-ЬОМэВ и высокоэвергичный при Ет ш 200-400МэВ. Ннзкоэнергичный резонанс присущ всем ядрам с А ) 2, н это не что иное как коллективное ядерное возбуждение — гигантский днпольный резонанс — отвечающее колебаваю всех протонов относительно всех нейтронов ядра (об этом возбуждении рассказано в Лекции 7). В процессе этвх возбужкевий сами вуклоны остаются в невозбужденном (основном) состоянии. Верхний резонанс с максимумом при Е в 300 МэВ отвечает ситуации, когда фотон поглощается не всем ядром, а отдельным ауглоном, вызывая внутреанее возбуждаяие этого вуклопа.
Это и есть резонанс в системе трех квархов, обнаруженный Ферми. Положение и форма этого ауклощзжо резонанса, возбуждаемого в ядрах фотонами с энергией в ЗООМэВ, почти не зависят от типа ядра (на рис. 8.1 приведены также данные для ядер Си и РЬ). Наиболее отчетливо ауклонные резонансы проявляются на свободных вукловах. На рис. 8.1 в области больше 100 МэВ сплошной павией показано для сравнения сечение реакции на 131 свободном протоне у + р -у р'. Это сечение демонстрирует наличие у протона не только состояния, обнаруженного Ферми, но и еще более высокоэнергичвых резонансов (в районе 600 и 1 000 МэВ). Таким образом, получен целый спектр внутренних возбуждений протона.
О.б 0.2 10з гоз го" го' гог ш' сблзсгь -1- возбувявннй 1вблзсть возбуждений нузлонв нЯРЗ Рис. 8.1 В настоящее время обнаружено множество состояний нуклонов и других адронов. Рисунок 8.1 показывает, что ядерные возбуждения «вымирзют» к энергии в 100 МэВ и выше этой энергии начинаются возбуждения адронов (в том числе и нуиюнов). Большинство этих возбуждений имеет время жизни зз 10 гг— 10 г~ с и, с точки зрения принятой в физике частиц терминологии, являются резонансаии. Найденный Ферми резонанс (сг-резонанс) с массой 1 232 МзВ есть самое нижнее (1-е) возбужденное состояние системы трех кварков. Протон состоит из трех кварков, каждый из которых имеет спин г/г. В основном состоянии протона у одного из кварков глин противоположен спину двух другшс и полный спин протона г/г В первом возбужденном состоянии свины всех кварков ориентированы одинаково и полный спнн этого состояния становится равным з/з.
Таким образом, при самом низком возбуждении вуклона происходит «переворот» спнна того кварка, который в основном состоянии нуклона был ориентирован прсь тивоположно спину двух других. На такой «переворот» требуется затратить энергию ш 300 М»В. Из рис. 8.1 видно, что ширина на половине высоты Ь-резонанса Гд 120 МэВ, откуда для времени жизни этого резонанса получаем гд ш л/Га зз 3 10 гз с. Лекция 3 132 б. Уелэии в физике частиц. Типы взаимодействий частиц, Константы и радиусы взаимодействий Как известно существует четыре типа фундаментальных взаимодействий — сильное, эпектромагннтвое, слабое и гравитационное. Наиболее су|цествеввы в физике частиц первые три.
Граннтациоввое вэавмодействие, в силу его исключительной слабости, для большинства процессов с участием элементарных частиц можно не учитывать. Лвшь при экстремально бопъшнх енергияк (в101е ГэВ) роль гравитационных сил не менее важна, чем осталъвых. В данном курсе мы огранвчимся рассмотрением сальных, электромагнитных и слабых взаимодействий элементарных частиц. Лля описания процессов, происходящих в мире частиц, служит релятивистская квантовая теория или квантовая теория поля. Наиболее известный и разработанный вариант этой теории применяется для описания электромагнитных взаимодействий и носит название кеакшоеоб элеюкродокамикк (КЭЛ). КЭЛ— наиболее продвннутел из всех известных физических теорий. Она обеспечивает рекордную точность предсказаний (на уровне 10 е-10 'е) и пока не обнаружено ви одного факта, противоречащего этой теории.
Приведем в качестве примера величины магнитного момента электрона и, (в магнетонах Бора), рассчитанные в рамках КЭЛ и полученные экспериментально н е = 1.0011696622(03) ж 27 КЭЛ, (8.3) 1.00116966218(7)х 4 эксперимент. Точность данных относится к влфрам в скобках. За создание КЭЛ Фейвмаву, Швиигеру и Томонаге в 1965 г. была присуждена Нобелевская премия. В настоящее время создана теорвя1 объединюощая электромагнитное н слабое взаимодействие (в так назъшаемое мекшрослабое). Эта теория, описывазэщая электромагнитные и слабые взаимодействия кварков и лептонев и включазэщая КЭД как составную часть, носит название элеюпрослабоб модели (ЭСМ) и подтверждена экспериментально.
За ее создание Глэшоу, Саламу и Вайнбергу в 1979 г. присуждена Нобелевская премия. Для описания сильных взаимодействий кварков построена теория, называемая кеакшовоб аролодикамккоб (КХЛ). Таким образом, ЭСМ и КХЛ совместно описывают сильное, ~ электромагнитное и слабое взаимодействие кварков и лептонов и образуют теоретическую схему, называемую стандартной моделью. Эта модель содержит, в частности, объяснение возникновения массы элементарных частиц в рамках механизма слон- ~ таплого нарушения симметрии, предложенного Хнггсом.
Стан-~ дартная модель (а также. КЭЛ, ЭСМ, КХЛ) слишком сложна, чтобы налагаться в данном курсе. Мы ограничнмся некоторы- ~ ми качественными представлениями, о которых начнем говорить уже в следующем разделе, посвященном диаграммам Фейнмана. Яиаграммм Фейнмана являются удобной иллюстрацией процессов, происходюцнх в мире частиц.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
