Б.С. Ишханов, И.М. Капитонов, Н.П. Юдин - Частицы и атомные ядра (1120562), страница 17
Текст из файла (страница 17)
Летальное изучение свойств лептонов показывает, что они группируются парами. Кажлая пара состоит из отрицательно заряженного лептона и нейтрино. Таким образом, 6 лептонов образуют 3 поколения (или семейства): Лептоны имеют спин,Т = 1/2 и участвуют в слабых взаимодействиях. Заряженные лептоны (е, р, т ) участвуют в электромагнитных взаимодействиях. Все лептоны участвуют в гравитационных взаимодействиях. Каждый лептон имеет античастицу. Это позитрон е+, положительно заряженный мюон (зэ, положительно заряженный таон г+ и три типа антинейтрино й„йл, йг.
Они также обьелинены в три поколения: 90 Глава 3. Фи<домели<и<ы<ые частицы С<пиидарлн<ои модели т' Разумеется, лепгоны лолжны обладать хорошо известнымн из курсов обшей физики характеристиками — внутренним моментом количества лвижения — спином, массой, зарядок<, магнитным моментом и, возмо кно, какими-то лругими характеристиками 1например, размерами). Хотя кажется, что эти характеристики не требуют спепиальных комментариев, в лействительности зто не так.
Возьмем хотя бы размеры лептонов. Если эти объекты являются фундамснтальнымн 1злеь<снтарнь<ми), за которыми нет никакой структуры, то они должны быть точечными, т, е. не имеющими размеров. Тогда естественно возникает вопрос„а что такое внутренний вращательный момент частицы и ее магнитный моменту Аналогичный вопрос можно поставить и в отношении массы. Масса опрслеляет внутреннюю энергию частицы — энергию покоя. А что такое внутренняя энергия точечной' частицы? На эти вопросы привычная классическая физика не имеет ответа. Таким обрак<м, хотя перечисленные вполне «о <евилные» характеристики частиц легко воспринимаются на слух, следует признать их непростую природу и отнести их происхождение к законам квантового мира или, точнее, к законам квантовой теории поля, являющейся теоретическим фунламентом Стандартной модели.
1.1.,электрон, электронное нейтрино Знакомство с лептонами начнем с лептонов первого поколения. В табл. 3,1 приведены основные характеристики электрона. Набор квантовых чисел. приведенных в табл. 3.1, определяет взаимолействие электрона с лругими частицами. То, что электрон является самой легкой отрицательно заряженной частиней, приводит к его стабильности. Время жизни электрона, по крайней мере, больше 4,6 10<< лет. На исследовании электромагнитных свойств электрона основаны фундаментальные эксперименты по проверке квантовой электролинамики. Поэтому, в частности, такие характеристики электрона, как заряд, масса, магнитный момент измерены с максимально возможной точностью.
Эти проверки проведены вплоть до энергий, соответствующих расстояниям 10 " см. В результате этих проверок не было обнаружено никаких отклонений от предсказаний квантовой электродинамики. Поэтому считается, что размер электрона меньше, чем 1О " см. Другой частипей, вхоляшей в первое поколение лептонов, является нейтрино. Согласно теоретическим опенкам сечение взаимодействия нейтрино с энергией несколько МзВ с веществом должно быть ш 1О "" смз. Поэтому для их регистрации необходимы большие потоки нейтрино, большие обьемы вещества, в котором происходят взаимодействия, и большое 91 91.
Пептоны Таблица 3.1 Основные характеристики электрона время измерения. По этой причине в течение длительного времени после предсказания нейтрино прямая регистрация этой частицы была невозможна. Были выполнены эксперименты, которые лигць косвенно указывали на существование нейтрино. Так была измерена энергия отдачи ядра т1л, образующегося в реакции захвата ядром тВе атомарного электрона (так называемый е-захват): Ве + е — 11 + ие (3.1) На нуклонном уровне эта реакция сводится к слелуюшему внутриядерному процессу: р+е и+ и,.
(3.2) Так как в конечном состоянии в реакции (3.1) образуются две частицы — ядро '1з и нейтрино, то на основе законов сохранения энергии и импульса можно было рассчитать энергию ядра тЬ. Она должна была составлять 57 эВ. Эксперименты подтвердили, что ядро отдачи действительно имеет такую энергию. Прямое наблюдение нейтрино стало возможным лишь с появлением интенсивных источников нейтрино.
Доказательством существования электронного антинейтрино явилось наблюдение реакции рт+р->и +и. (3.3) Для наблюдения реакции (3.3) необходимы интенсивные потоки антинейтрнно. Такие потоки были получены в атомных реакторах в середине прошлого столетия. Образующиеся в реакторе продукты (осколки) леления ядер как правило 13 -радиоактивны. В результате гэ' -распада осколков образуется большое количество антинейтрино, которые и предполагалось зарегистрировать в реакции (3.3). Серия соотастствуюших опытов была проведена Ф.
Райнесом и К. Коуэном в период 1953-1959 гг. Схема нх установки показана на рис. 3.1. 92 Глава 3. Фундоменглмьные чогтлицм Сглондарглной модело Рис. ЗЛ. Схема установки Ф. Райнсса и К. Коуэиа Плотность потока антинейтрино реактора составляла 1О" см т с '. Антинейтрино вступали в реакцию с протонами мишени. Последняя представляла собой два бака по 200 литров каждый, заполненных раствором хлористого кадмия в воде (СдС!з + НзО).
Возникающие в результате реакции 13.3) позитроны регистрировались по двум аннигиляционным у-квантам, образующимся при взаимодействии позитронов с электронами вещества мишени: е +е - 2у. 13.4) Образующиеся в результате аннигиляции два у-кванта вызывали световые вспышки в жидких сцинтилляторах (3 емкости по 1 200 литров каждая, расположенных по обе стороны от протонных мишеней), которые регистрировались 100 фотоумножителями. Совпадение между импульсами от двух т-квантов служило критерием их возникновения в акте е е+-аннигиляции н позволяло значительно уменьшить фон в установке.
Образующиеся в реакции (3.3) нейтроны замедлялись в мишени до тепловых энергий и поглощались кадмием. Зачем нужно было замедлять э 1. Леляолы нейтроны? Дело в том, что рождающиеся в реакции нейтроны имели энергии ю 1 МэВ. Нейтроны таких энергий называют быстрыми. Сечение взаимодействия быстрых нейтронов с вешеством — !О' '4 смз = ! бари.
Замедление нейтронов происходило в результате их столкновений с атомными ядрами мишени. Наиболее эффективно они замедлялись, сталкиваясь с протонами — ядрами атомов водорода, вхолившими в состав молекулы волы (НзО). При олпом таком столкновении энергия нейтрона уменьшается в среднем в 2 раза. В результате большого количества столкновений в мишени энергия нейтрона уменьшается до нескольких десятков электронвольт. И здесь в действие вступали ядра Сб, растворенные в воде. Сечение взаимолействия нейтронов с энергией десятки электронвольт с ядрами Сс! достигает ю !О" бари.
т.е. увеличивается в миллион раз по сравнению с сечением для быстрых нейтронов. Захваченные ядрами Сд нейтроны приволилн к возбуждению образовавшегося изотопа Сг!', которое снималось затем в результате испускания им от 3 до 5 Т-квантов: Сс!+и- Сд' — Сд+(3-5)у. Такая реакция называется реакцией радиационного захвата нейтрона. Срелнее время замедления нейтронов в водородосодержашей среле -10 мкс. Таким образом, для идентификации антинейтрино, во-первых, регистрировались аннигиляционные Т-кванты и. во-вторых, — образуюшиеся приблизительно через 10 мкс Т-кванты из реакции ралиационного захвата нейтрона на ядрах кадмия.
В результате опытов было обнаружено. что антинейтрино действительно взаимодействует с протоном с образованием в конечном состоянии нейтрона и позитрона. Таким образом, было доказано сушествование процесса (3.3) и самого электронного антинейтрино. О сложности выполненного эксперимента можно судить по слелуюшим цифрам. В результате первой серии измерений, длившихся 200 часов, было зарегистрировано 56?событий, вызванных взаимодействием антинейтрино с протоном, при этом фон составлял 209 событий. Для величины сечения реакции захвата антинейтрино протоном было получено значение т(й,р) 1О см, что находилось в хорошем согласии с предварительными теоретическими оценками.
Для выяснения вопроса, являются лн и, и й„тождественными (или, как говорят, истинно нейтральными) частицами или нет, был поставлен эксперимент по регистрации реакции (3.5) й, + и - р + е . Если и, и й, являются тождественными частицами, то реакция (3.5) должна наблюдаться. Это следует уже из того, что определенно имеет место реакция и,+и- р+е, (3.6) 94 Глава 3. Фундаментгьтьные ностицы Стандартной модели являющаяся обращением во времени существующего процесса (3.2). Обе реакции ((3.5) и (3.6)) при тождественности и, и Р;должны идти с одним и тем же характерным для нейтрино (антинейтрино) сечением - !О "смз.
Так как в природе нет нейтронных мишеней, эксперимент можно было поставить только на нейтронах, входящих в состав атомного ядра. В 1946 г. Б. Понтекорво предложил использовать для этой цели реакцию: Р + С1- Аг+е . 37 37 (3.7) о,„„(Р, + и — р+ е ) ( 0,25 ° 10 см, что почти в 45 раз меньше, чем, если бы нейтрино и антинейтрино были бы тождественными частицами. Таким образом, из опыта следовало, что и, и Р, разные частицы.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
