Б.С. Ишханов, И.М. Капитонов, Н.П. Юдин - Частицы и атомные ядра (1120562), страница 19
Текст из файла (страница 19)
Тип Железо м ю ю Д С С 2 л, иа,й, Ве я Р !5 ГэВ ЧС Бетон Рис. 33. Эксперимент по летектированию мкюниого нейтрино 100 Глава 3. Фундаментальные частицы Стандартной модели заряженной частицы, пролетавшей сквозь искровые камеры (мюон или электрон), определялся по характеру искрового пробоя. Общая масса нейтринного детектора составляла 10 тонн. В результате эксперимента было показано, что при взаимодействии нейтрино, образующихся в распаде я+-мезонов, с протонами и нейтронами детектора рождались только мкюны и не появлялись электроны, т, е. наблюдались реакции н»+и- р +р и Р„+р-~ р++ и (3.!9) и не наблюдались реакции з„+и- е +р и Р»+р-ье +и. Этот и последующие эксперименты показали.
что в природе существуют по крайней мере два различных типа нейтрино — электронное и, и мкюнное и», т. е. и» ф и, и Р» ф Р,. Кроме того, было показано, что Р» Ф и». На основе этих данных были установлены два типа лептонных чисел — электронное А, и мюонное з». Электронным лептонным числом наделены только лептоны первого поколения е-, и, (и их античастицы е~, Р,), а мюонным — только лептоны второго поколения )з, и» (и их античастицы р+, Р„). Для мюонного лептонного заряда (числа), так же как и для электронного, имеет место закон сохранения. Заков сохранения митиного лептоииого заряда В замкнутой системе згнюнный яентонный заряд Х ., сохряняется Не представляет труда приписать знаки мюонного лептонного заряда лептонам второго поколения. Из существования процессов (3.13), (3.14), (3.18), (3.19) и закона сохранения мюонного лептонного заряда следует, что внутри каждой пары лептонов и, и» и )з~, Р» число Ь».
должно быть одним и тем же, но эти пары должнй отличаться знаком Ь». Решение о том, какой паре этих лептонов приписать какой знак, может быть любым. Удобно сохранить тот же принцип, как и в случае лептонов первого поколения — за частицами закрепить значение мюонного числа +1, а за античастицами — 1. В итоге у»()з, и») = +1 з»(ззч Р») = 1, Х»(е" ны е" йе) = 0 У~е(р и» )з~, Р») = О.
Основные характеристики мюонного нейтрино приведены в табл.3.4. Пример. Какие из приведенных ниже реакций пол действием антииейтрино возможны, какие запрещены и почему: 1) Р» + р ~ и + !з 2) й,+и- р+р 3) Р„+о-.р+и-т 0' !. Лелгломы Чьблица ЗЛ Основные характеристики мкюиного нейтрино Харакгаерисщака гтасгеммае змачемае Решение, Реакции происходят в результате слабого взаимодействия.
Определим изменения электрического заряда О, лептонного электронного Хч и мюонного Х„ чисел в этих реакциях: 1. р„+ р — ° и+и О+ ! -м О+ ! Хг(2 = О, Х„: О+О-~0+0 ГЬХ„=О, Х: -!+О-мΠ— 1 ЬХ =О. I ' м Реакция возможна, так как все рассмотренные законы сохранения выполнены. 2. й,.ьп - р+р 0+0 ! -1 Хы2 =О, Хч: -!Ч-О- О+О Ы, =1, Хм: О+О О+! Ы Реакция невозможна, так как не сохраняются электронное и мюонное лептонные числа. р„+»-р+р- О+О-м! †! О+О-мО+О -!+о о+! (2: сз!'„! = О, Хч: сьХч = О, Хм.
ХзХгм — — 2. Реакция немззможна, так как не сохраняется мюонное лецтонное число, 1.3. Тау-леитон, тау-нейтрино Третье поколение лептонов образуют т-лептон и т-нейтрино; т-лептоны можно получить в реакции: е +е+- т +т+. (3.20) Основные характеристики т -лептона приведены в табл. 3.5. 102 Глава 3.
Фундаментальные частицы Стандпртной модели таблица 3.5 Основные характеристики тат-лептона е+ Рис.3.4. Диаграмма Фейнмана реакции (3.20) т -пелтон заряжен отрицательно, т+ — положительно. Они являются соответственно частицей и античастнцей. Основные каналы распада т: т — ь е + Ре + иг 17 84% (3.21) т -и 1е + рн + и„ 17,36 %, т — аароны+ и, б3%, Диаграмма Фейнмана распада т -лептона с образованием в конечном состоянии электрона (е ), мюона (и ) и кварков (д,й) показана на рис. 3.5. ч, и' р„(ч „,Й) е (И,д) Рне. 3.5. Диаграмма Фейнмана распада т -лептона (03 В !.
Леллюны т -пелтон в результате слабого взаимолействия, которое происходит пол действием И' -бозона, превращается в т-нейтрино и,. И'=бозон распадается, превращаясь в одну из следующих пар частиц: ° электрон е, электронное антинейтрино р„ ° отрицательно заряженный мкюн !у, мюонное антинейтрино Рл, ° кварк гг, антикварк б. Так как кварки и антикварки в свободном состоянии не наблюдаются, а входят в состав адронов, в точке распала И'=бозона образуются адроньк которые и наблюдаются в результате распала т -лептона. г -лептон имеет времяжизни т 2,9 !О '!с и поэтому, как правило, регистрируется по каналам его распада. Для наблюдения реакции (3.20) на фоне большого количества адронов целесообразно отбирать те каналы распада т-лептонов, в которых образуются лептонные пары е р" или е«р, т.е.
егг-пары, имеющие противоположные электрические заряды. Из распадов ( т -«е й,и, или р йли„ е +е (3.22) ~ г — е ихй«или р илЯ егг-распады являются наиболее подходящими для наблюдения г-лептонов, так как в этом случае не образуются адроны, которые трудно регистрировать и интерпретировать.
Нейтрино и антинейтрино, образующиеся в реакции (3.22), непосредственно не регистрируются. Тау-нейтрино и соответствующее антинейтрино были впервые зарегистрированы в 2000 г. на нейтринном летекторе РОМ!1Т (Р!тес! ОЬзегхаг!оп оГгпе !х!!3 Тац) в реакциях г, + и - г + р и р + р - т + п. (3.23) т я +х +я' +и«, т — х + я + я + х + л+ + и„, г х +х +х +х +~ +х +гч. (3.24) Из анализа следует верхняя оценка массы пг„, пг„,с ( !8,2 МэВ. (3.25) Нейтринный детектор РО!х!!3Т состоял из железных пластин, между которыми располагались слои фотоэмульсии. В результате взаимодействия таунейтрино с ялрами железа образовывалнсь т-лептоны, которые оставляли в фотоэмульсин слел ллиной ! мм.
В первом эксперименте в результате анализа !О' событий было належно вьщвлено 4 случая реакций (3.23). Основные характеристики тау-нейтрино ланы в табл. 3.6. Ограничения на массу и, получают из анализа кинематики распада т-лептона, рождающегося в е е+-соударениях: 104 Глава 3.
Фундаментальные частицы Стаидартиой модели Таблина 3.6 Основные характеристики тау-нейтрино Время жизни не измерено Лепт Легаонные числа Х„Ь„ Лептонные квантовые числа т-лептона и т-нейтрино следующие: й(т,и)=+1, [„(т,Р)= — 1, Гл(т, ис, т, Рг) = О, Ве(т, ие, т, ис) — О. Для таонного лептонного заряда (числа), так же как и лля электронного и мкюнного, имеет место закон сохранения.
Закон сохранения таонного леотонвого заряда: В замкнутой системе таоииый леятаяяый заряд Хг сохраняется 1.4. Свойства лептонов Лептоны — класс фунламентальных частиц Стандартной модели, не участвующих в сильных взаимодействиях. Массы лептонов е, р, т хорошо известны: гп,с' 0,511 МзВ, т„с 105,7 МзВ, т„с' - 1777 МэВ. (3.26) Напротив, массы нейтрино не измерены — из ланных по слабым распадам известны только нх постоянно уточняющиеся верхние пределы. В настоящее время эти пределы такояы: т„,с < 2 эВ, т,„с < 0,19 МэВ, т,,с' < 18,2 МэВ. (3.27) В то же время экспсрименты по нейтринным осцилляциям (гл.11) указывают на то, что массы нейтрино не нулевые. Все лептоны обладают полуцелым спином д = 1/2 и в соответствии с этим являются фермионами.
э" 1. Леллюны 105 Электрон — стабильная частица. Лептоны р, г являются нестабильными частицами и распалаются за средние времена гл — 2,19 1О с, г, — 2,9 10 с. Вопрос о нестабильности частиц имеет фундаментальное значение и заслуживает специального обсуждения. В самом деле, как понимать нестабильность фундаментальной' частицы? Эта нестабильность имеет квантовое происхождение и связана с принципиально неустранимыми квантовыми флуктуациями. Л юбой микрообъект за счет этих флуктуаций обязательно должен перейти в другое состояние, т.е. распасться на частицы меньшей массы покоя.
если нет специальных запретов на такой распад. Таким образом, нестабильность микрообъектов лолжна быть скорее правилом, чем исключением. Частота, с которой во флуктуациях встречаются различные конфигурации, соответствующие продуктам распада, зависит от интенсивности взаимодействий — сильного, электромагнитного и слабого,— которые связывают распадающуюся частицу с различными каналами ее распада. Причина, по которой частица не будет распадаться, может быть обусловлена тем, что у частицы для распада может просто не хватить либо энергии, либо момента количества движения.
Обе эти величины должны сохраняться при любых превращениях частиц. Однако имеются и лругие причины, догадаться о которых без данных опыта просто невозможно. Чтобы пояснить это, обсудим вопросы о стабильности электрона и протона. Почему электрон не распадается, например, на нейтрино и гамма- квант: е -~ и, +Т? Ответ очень простои: в этом процессе не сохраняется электрический заряд. Казалось бы, закон сохранения электрического заряда не препятствует распаду р- е++т, но, тем не менее, такой распад не происходит и протон живет вечно .
Причина, по которой не происходит этот распад, состоит в том, что он запрещен законами сохранения лептонного и барионного зарядов, которые запрещают появление в квантовых флуктуациях конфигураций, соответствующих таким распадам. Наиболее специфической квантовой характеристикой лептонов можно считать лептонный заряд. Каждому поколению лептонов следует приписать свой лептонный заряд. соответственно Ь„Ь„, Ь,. Этот заряд, как и обычный электрический заряд, является сохрпняюляимся и аддитивиым, т.е. заряд системы лептонов равняется сумме лептонных зарядов отдельных лептонов и должен быть одинаковым до и после завершения любого процесса. Эксперимент подтвержлает, что во всех процессах, происходящих в замкнутой системе в результате сильных, электромагнитных и слабых взаимодействий, каждое лептонное число Ь„Х„, Ь,. сохраняется порознь. Это позволяет объяснить, почему, например, происходят процессы Р,+р- п+е~, Рл + и -~?з + р, 7 зак.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
