И.М. Капитонов - Введение в физику ядра и частиц (1120452), страница 31
Текст из файла (страница 31)
Так же, как и в случае чармоивя, каждое состояние (уровень) боттомовия, наблюдающееся в виде узкого резонанса (рис. 11.14), это отдельный мазов с кварковой структурой ЬЬ. Сравнение схем уровней чармовия (сс), боттомония (ЬЬ) и позитровия (е .е+) выяюшет большое сходство между ними (если отвлечься от масштаба энергий) и показывает, что зти водородоподобные системы могут быть описаны на единой основе кек связанные состояния пар фермнон-антифермион.
При эхом хорошее воспроизведение спектра кварковия дает использование потенциала тапа воронки (см. рис. 11.3). Самое нижнее состояние боттомония с массой 9.4бГзВ/сз получило название ипселов (Т). По этой причине боттомоний иногда называют ипсилон-системой. 10 о э.е 10 вкб Рис. 11.1е Уровни чармовия и боттомовия, классифицируют также, как уровни позитрония, используя обозначения атомной спектроскопии. В настоящее время найдено 10 уровней чармония и 12 уровней боттомония. Все овв отвечают состояниям системы дд с относительными орбитальными момевтамв з = 0 (Я-состояние) или 1 (Р-состояние).
В табл. 11.1 даны характеристики упомянутых в тексте и ва рисунках состояний чармовия и боттомовия. Обращает ва себя вввмание малая ширина распада приведеивьгк в табл. 11.1 частиц, соответствующая времеви жизни т = й/Г ез 10 зес, характерному для быстрых электромагнитных распадов. Это объясняется тем, что распад систем сс и ЬЬ через промежуточную анввгиляцию в глюоны подавлен, так 201 как из-за точечности кварков требует их сближения до малых расстояний,при которых цветовое взаимодействие меяслу ними резко ослабевает (асимптотнческая свобода). По этой причине такой тип распада, хотя и остается главным для приведенных в табл.11.1 частиц (70% для У/ф), становится сравнимым с электромагнитными распадами, идущими через промежуточную аннигиляцию сс н ЬЬ в фотон (30% для,7/Ф). Таблица 11.1 Некоторые состояния чармония и боттомония Последний, шестой н самый тяжелый кварк гор был открыт в 1995 г.
в Еегпл1аЪ на рр коллайдере ТЕЧАТВОХ в экспериментах, которые параллельно выполняли две коллаборации СВР и .09. Осуществлялся поиск Г1-пар, рождавшихся в рр-столкновениях. В 90% случаев такие пары возникают в процессах дд -+ -+ гг, где д и 9 — кварк и антнкварк одного аромата, входящие в состав сталкивающихся протона и антипротона (рис.11.15). Топ-кварк распадается очень быстро (в покоящемся состоянии за время в10 ззс) и пара гг не 9 успевает образовать связанного состояния — топония (время жизни г-кварка значительно мень- Ряс.
11лэ ше времени оборота г вокруг г), 202 Лекцоя 11 Топ-кварк распада«тонна квант слабого-поля ЬР и,Ь-кварк: с- Ьр++Ь; Ь- Ьр +Ь. (11.14) Кварки Ь и Ь превращаются в струМ адронов, а Ьг так же быстро, как и г-кварк, распадается лвбсУ ва пару «заряженный пелтон †нейтри», либо ва пару кварк †автиква разного аромата, например ЬУ -+ р +Р„Ьу'+ -+ и+2.
(11.15) Пробег т-кварка (так же, как и уу") до распада слишком мал (< 1 Фм), чтобы его можно было заФкксировать в виде трека. Кварки Ь, Ь, и и о также не вкдвы и, пролетев расстояние не более 1Фм, превращаются в струи адронов. Таким образом, Ь кварк «вырывается» из невидимой зоны в Форме адронных струй и лелтонов. В рассматриваемом варианте рождения Г-кварка, представленном на рис.
11.16, его следом являтотся 4 адронные струи, мюон н мюонное антннейтрвно. струя струя Р,р (( % рас. ыле Сложная детекторная система.абщвм весом б 000 тонн с пентральной трековой камерой в магнитном поле записывает тра екторию каждой конечной заряженной частицы, определяет ее заряд и энергию. Нейтрино ие оставляет трека и о его присутствии судят по недостатощей энергии, поскольку полная энергия рр.столкновения известна. 20З Вероятность рождения 1-кварка в столкновении р и р с энергиями около 1ТэВ (1 000 ГэВ) 10 э-10 'с, н потребовалось несколько месяцев непрерывной работы, чтобы убедиться в устойчивом наблюдении Ф-кварка и определить его массу из~се и ширину распада Г~.' гп,с =174кбГзВ; Г~ж2ГзВ.
Как уже отмечалось время жизни топ-кварка т = Ь/Г~ —— = 3 ° 10 зз с слишком мало, чтобы он мог входить в состав связанных систем кварков (мезонов и барионов),поэтому адронов с квантовыми числами Тор не существует. В заключение приведем табл. 11.2 тяжелых кварков с указанием года их открытия, массы, времени жизни и основного канала распада. Таблица 11,2 Тяжелые кварки 204 Лекция 12 Лекция 12 1. Слабые езаимодсесктеил. Летквонкые зазитды. Типы неОприно Я.
Слабые распады. Константа слабоео езаимодеястпсил Д Зарлхсенные и нсбтвральныс слабые твоих 4. Закон сохранение чептностви. Р-симлытприя. Лесоаранение четпностпи е иеабых езаимодеястпеилх б. Свиральноспы ч 1, Слабые взаимодействия. Лептонные зардды. Типы нейтрино Третий важный в физике частид вид взаимодействия (помимо сильного и элехтромагвитного) — слабый. Ею хонстанта а аз 10 е (а, ти 1, а, аз 10 э). Радиус слабых сил очень мал (зз 10 ыси). Слабое взаимодействие осуществляется обменом промежуточными бозонами тз'х, Я. В слабых взаимодействиях участвуют лептоны и кварки (адровы). Несмотря на «слабость» слабого взаимодействия его роль в нашем мире н в физике велиха.
Оно выделяется, вс-первых, эхзотвчностью. Многие законы сохранения нарушаются именно слабыми силами. Кроме того, без слабых,сил не светило бы Солнце. Ключевым процессом, отхрывающим цепочку ядерных реахций на Солнце и в других звездах, является реахпия р+рь зН+ «++ р„ (12.1) идущая за счет слабых сил. Одним из признаков слабого взаимодействия является появление нейтрино (автинейтриво). Эти частвцы входят в группу лептовов — точечных фундаментальных фермионов со спинам т1з, не участвующих в сивашах взаимодействиях (в них не участвуют тахже кванты слабого поля Итк т Я н квант электромагнитного поля — фотон).
Харахтеристихи лептонов даны в табл. 12.1. Характеристики антилептонов получаются изменением знаков всех зарядов и заменой в схемах распада частиц на античастицы. Лептонный заряд, или лептовное квантовое число, было введено в физику частиц в 19ббг., когда появились эксперименты, ухазывающие на нетождественность тт и р. Выл известен распад 206 нейтрона п -+ р+ е + р,. Дэвис поставил опыт по обнаружению реакции р, + ~~г~С! -~ ДАг+ е (12.2) которел соответствовала внутри ядра процессу р, + л -+ р+ е Необходимые для этой реакции Р, брались из реактора, т.е. от распада нейтронов. Реакция (12.2) не была обнаружена. Наиболее естественный способ объяснения этого состоял в приписывании электрону и антинейтрино нового (лептонного) квантового числа Ь„равного по величине и противоположного по знаку (условились полагать для электрона и нейтрино Е, = +1, а для позитрона и антинейтрино Ь, = — 1).
Тогда реакция (12,2) нарушает закон сохранения лептонного заряда и поэтому не должна идти, Таблица 12.1 Характеристики лептоиоэ (сини г/г) В 1962 г. был открыт новый тип нейтрино — мюонное нейтрино и„. Мюон распадается следующим образом: (12.3) В то же время распад (12.4) ,и-+с+ у, 206 Ленчик 12 не запрещенный ни одним из известных в то время законов сохранения,не наблюдался, так же, как и распад р -~ Зе (вероятность распада (12.4) в полном распаде юоона по современным данным < 6 10 ", а вероятность распада р -+ Зе меньше 10 'з).
Наиболее простой способ объяснить отсутствие 7-распада мюона (также как и распада на Зе) состоял в введении нового закона сохранения: закона сохранения мюонного лептонного заряда Е„, отличного от электронного лептонного заряда Ь,, Тогда в распаде (12,4) нарушаются законы сохранения Ь„и Ь„а распад (12.3) должен быть записан в следующем виде (если распадается д ): "+ е + ре + ~'я (12.6) В 1962 г.
был поставлен специальный эксперимент, доказывающий отличие и, от э„. Выделялся чистый пучок рв нз распада н -+ р + Ра и бьгло показано, что с этим пучком идет реакция рэ+я-Ф,Я +и и не идет реакция рв + р -+ е+ + и. В то же время последняя реакция идет с электронным антинейтрино Г,. В 1976 г.
группа физиков под руководством Перла на еееколлайдере ЗРЕАК (Я АС, Стэнфорд, США) открыла т-лептон, и в физике частиц появились тау-лептонное квантовое число Ь и тау-лептонное нейтрино и . Таким образом, шесть лептонов подразделяются на три обособленные группы по два лептона, один из которых заряженный, а другой нейтральный: е, в„,и > э„; т, и,. Эти группы, как уже отмечалось в Лекции 9, входят вместе с кварками в состав трех повелений фундаментальных фермионов (табл.
12.2). Таблица 12.2 207 Второе и третье поколения являются как бы копиями первого, и причина существования подобных копий пока не ясна. Окружающий нас мир состоит из фундаментельных фермионов 1-го поколения. Остальные поколения обнаружены в экспериментах на ускорителях. Есть веские основания полагать (о них мы скажем в конце курса), что этими тремя поколениями исчерпывается набор фундаментальных фермнонов.
Следует подчеркнуть, что лептоны и кварки одинаково взаимодействуют с переносчиком слабого поля бозоном И~, т.е. можно говорить о том, что все фундаментальные фермионы наделены одинаковым слабым зарядом. Это явление называют яворе-легилояноб унаеерсаяьиосшью. Типы кварков различают по ароматам. Можно расширить значение этого термина, включив в него и шесть типов лептонных ароматов. В этой связи часто говорят не о различных типах нейтрино, а о нейтринных ароматах. В заключение этого пункта отметим, что несмотря на то, что существующие экспериментальные данные свидетельствуют в пользу существования нейтрино и антинейтрнно и выполнения закона сохранения лептонного заряда, нельзя исключить и такого варианта, когда нейтрино и антинейтрино (по крайней мере некоторые из них) на самом деле истинно нейтральны, т.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
