Б.С. Ишханов, И.М. Капитонов, Н.П. Юдин - Частицы и атомные ядра (1120562), страница 23
Текст из файла (страница 23)
Они как бы склеивают кварки в адронах (название глюона происходит от пнгл. В1ие — клей). При испускании или поглошении глюона кварки могут изменить свой цвет (при этом остальные квантовые числа кварка и его аромат не изме- з Д няются). Поэтому глкюны облалают цветом. Однако цаетовая структура глюона отличается от цветовой структуры кварка. Она более сложная. Ее можно установить. используя за- кон сохранения цвета. рассмотрим сильное взаимодействие двух цветных кларков — красного (к) и зеленого (з). Могут быть лва варианта этого взаилюдействия — с обменом цветом (верхняя часть рис.
3.14) и без обмена цветом (нижняя часть рнс. 3.14). Будем считать, что красный кварк испускает глюон (ф или ф') в точке 1, а зеленый его поглошает в точке 2. Такилг образоч, понимая под х' и я" иветовые заряды (цвета) глюонов, можно. используя сохранение цвета, записать для верхней диаграммы Рие.
3.14. Варианты силь ного взаиыолействия крас наго и зеленого кварков точка 1: к =-я'+з. точка 2: з+л' = к, (3.53) для нижней диаграммы тОЧКа 1: К = дн + К, тОЧКа 2: З+ ян = З. (3.54) Откуда получаем цветовую структуру глюонов М' и дл: ( кк, е=кз, й =г (зз, (3.55) т.е,глюон облалаетдвумя цветовыми признаками — цветом и антииветом. Глюон е' явно окрашен, а глюон лл несет так называемый скрытый цвет. Каждый глюон имеет пару цветовых зарялов — ивет и антицяет. Всего из трех цветов (к, с, з) и трех лнтицвстов (к, с, з) можно для глюоноя составить девять возможных парных комбинаций цвет — аитиивет (табл. 3.9).
Эти 9 парных комбинаций ивет — антицвет разбиваются на 6 нелиагональных явно окрашенных и 3 диагональных, облалаюших скрытым цветом: кк, зз и сс. Цветовые заряды, как и электрические, сохраняются. Поэтому б нелиагонвльных явно окрашенных пар не смешиваются между собой, Что касается трех диагональных пар, то сохранение цветового заряда не препятствует перехолам типа кк зз сс, т. е. диагональные пары смешиваются. В результате этих переходов вместо трех цветовых 121 в 3. Кллибровочныв бозоны Парные комбинации пвет-антнивет сочетаний кк, зз и сс возникают три других, являюшихся их линейнымн комбинациямн. Стандартные требования симметрии, ортогональности н нормировки, примененные к глюонным состояниям, позволяют получить вид трех недостающих глюонов со скрытым цветом.
Опуская эту, требующую достаточно подробных комментариев процедуру, приведем конечный результат. Три глюона со скрытым цветом прелставляют собой следующие цветовые комбинации: 1 1 1 — (кк — зз), — (кк+ зз — 2сс), — (кк+ за+ сс). (3.56) ч/2 ъ'6 хг 3 Последняя комбинация является симметричной комбинацией цвета и антицвета. В ней все три цвета и три антицвета смешаны поровну. Пользуясь языком классической оптики, можно сказать, что такая смесь бесцветная или белая. Такая лишенная цвета линейная комбинация цветов— антицветов не может играть роль цветного глюона, реализующего сильное взаимодействие и переносящего цвет от олного кварка к другому.
Таким образом, после исключения комбинации (кк+ зб+ сс)/ьгЗ остается 8 глюонов. Перечислим их: 1 1 кз, кс, зк, зс, ск, сз, — (кк — зз), — (кк+аз — 2сс). (3.57) ъг2 ъ'6 Эти восемь глюонов переносят сильное взаимолействие между кварками. Пример. Показать, по кварк, испустив глхюн, не может перейти в антнквврк. Регвенне. Пусть кварк имеет красный цвет Тогла диаграмма прелполагаемого усло- вием залачи пропесса имеет вид: Поскольку имеет место закон сохранения цвета, то цветовая структура глюона х может быль получена из следующих равенств: к=с+я, к= к+я, к=э+я, 122 Глава 3. Фундаментильные чистины Стандартной модели х Рис.
3.15. Процессы с участием только глюонов откуда Х = кк, хз >и>и кс. чти. очевидно. невозможно лля глюоня, поскольку последний лояжеи иметь структуру вьет-антицвет. Отметим, что процесс «кварк — ь аитикнарк ь глюон» запретен также законом сохранения бариаиного заряла. Так как глюоны обладают цветоныч зарядом, то в отличие от электрически нейтральных фотонов для них возможны процессы испускания (поглошения) глюоном гчюона (рис. 3.15, слева) и рассеяния глюона на глюоне (рис.
3.15, справа), Взаиь>одействие глюонов ответственно за удержание кнарков внутри аарона. Особенности этого нзаимолействия таковы, что величина (константа) сильного взаимолействия растет с увеличением расстояния между кварками. Экспериментально глюоны наблюдались в ниле узких адронных струй, возникающих при взаимодействии частиц высоких энергий. Глюоны играют суглественную роль в формировании внутренней структуры алронов. Из процессов глубоконеупругого рассеяния частиц на нуклонах следует, что примерно половина энергии нуклона прихолится на глюоны.
Пветовые зарялы кварков являются источниками цветовых глюонных полей. На этом основании кварки часто называют материей, а глюоны просто полями. Эта терминология, однако, имеет ограниченный смысл; цветные заряды глкюнов также могут быть источниками глюонов и кварков. Глюон электрически нейтрален. Поэтому он может порождать кварки только парами — кварк — антикнарк. 3.2. Фотои Переносчиком электромагнитного взаимодействия между заряженными частицачи является фотон — нейтральная частица с нулевой массой. Фотон также может быть источником пар фермион-антифермион.
Правла, в отличие от глюонов, которые могут быть источниками цвета, фотон не может быть источником электрического заряда (суммарный электрический заряд частиц, рожленных фотоноч, всегда нулевой). Фотон не может быть источником других фотонов и участвонать н процессах, подобных изображенным на рис. 3.15. 3.3. ьйг- и 2-бозоивт Переносчиками слабого взаимолсйствия являются бозоны И''ь, Иг Я, которые часто называют нромезкуточныыи.
Такое назнание имеет исто- 123 й 3. Калиброванные баданы рические корни. Дело в том, что эти бозоны были предсказаны теоретически задолго до их экспериментального обнаружения именно как «промежуточные» частицы, передающие слабое взаимолействие. Слабое взаимодействие, так же как и электромагнитное, передается частицами со спинам ,г = 1. Однако, в отличие от электромагнитного взаимолействия, кванты Иг~, переносящие слабое взаимодействие, являются заряженными частицами. Иг~-бозон является античастицей И' -бозона. Распалы Иг~-базанов с испусканием лептонов показаны на диаграммах 1 и 2 рис. 3.16. Диаграмма 3 описывает слабые взаимодействия фермионов (они обозначены ~ькз 4) посрелством обмена заряженным промежуточным бозоном Иг. Диаграмма 4 показывает случай рассеяния электронного нейтрино на электроне.
Возможны слабые процессы, в которых происходит обмен нейтральным бозоном Я-баданом. В этом случае электрические зарялы взаимодействуюших лептонов не изменяются (диаграмма 5). Слабые процессы, осушествляемые обменом заряженными квантами слабого поля И'"-бозонами, называют зарллгеииыии слабыми токами. Если слабое взаимодействие реализуется обменом нейтральным промежуточным бозоном Я, то говорят о нейтральных слабых таках, Рис. 3.1б. Характерные лиаграммы процессов с участием промежуточных бизонов Пример. Нарисовать простейшие диаграммы Фейнмана взаимодействия реактор- ного аитинейтриио с веществом.
е РР р Рещеиие. Реактарное антинейтрино — электронное, т. е. Р,. Обычное вещество состоит из кварков первого поколения и, б и электронов. Все возможные диаграммы взаимодействия р, с этими частицами легко получить из диаграммы распада б-кварка, б -» в + е + р„ответственного за распад нейтрона и - р -ь е + й,: ! 24 Глава 3. Фуидаменлгальные часа!иии Смандара!най модели Из этой диаграммы получаел! диаграммы взаимодействия й, с и-кварком и электроном: ! Ин й, не булет взаимодействовать с д-кварком с участием И"-бозона (нельзя нарисовать двухузловую диаграмму такого процесса).
Однако й, может рассеиваться на д-аварке, с участием Я-бетона: ! ! у ! ! ! Аналогичный внл имеют диаграммы рассеянна й, на и-кварке и электроне. Промежуточные бозоны Игь, И', Я имеют слабый заряд — источник поля, переносчиками которого они являются. В этом отношении они аналогичны глюонам, имеющим цветной заряд. Поэтому промежуточные бозоны сами способны порождать другие промежуточные бозоны и рассеиваться друг на друге. Примеры ланы на рис.
3. (7. г Н' И' Рис. 3. (7. Примеры процессов с участием только проме:куточных базанов Существенно то, что кванты слабого поля — И'*- и Я-бозоны — массивные частицы. Кванты всех остальных фундаментальных полей безмассовы. Массивность квантов слабого поля является причиной короткодействия слабых сил.
125 З 3. Калибровочные бозоны Оценим радиус взаимодействия Л по массе пг частицы-переносчика этого взаимодействия, Появление массивной частицы-переносчика означает нарушение закона сохранения энергии на величину ДЛ - пас'. С точки зрения квантовой механики такие нарушения допустимы в пределах временного интервала При этом виртуальная частица-переносчик не может уйти от ее испустив- шей частицы на расстояние Я, большее чем Ьс Ь Л = сД1 = — = — —. гнсл гпс (3.58) Величина 7г/(пгс) называется комптонолской длиной волны частицы. Пример.
Исходя из характеристик переносчиков слабого взаимодействия И'л- и Я-бозонов определить радиус слабых сил. Решение. Массы $Р- и 8-бозонов: тв с' т 80 ГзВ, твс' = 91 ГзВ. Радиус действия слабых сил 22п связан с массой переносчиков взаимодействия И'- и 8-бозоиоа соотношением: Ьс Ьс Вп (3.59) тпе~ пзасз Откуда следует, что 0,2 ГзВ Фм -з Вн 2 1О ~Фч=2 1О ' см.
(80-90) ГзВ Промежуточные бозоны впервые наблюдали в 1983 г. в специально поставленном для этого эксперилвенте в БЕРНе. где Х вЂ” совокупность других частиц, рождающихся при рр-взаимодействии. Протон и антипротон состоят соответственно из трех кварков 3.4. Открытие %'- и 2-бозоиов И'- и Я-бозоны как переносчики слабого взаимодействия были предсказаны С. Вайнбергом, Ш. Глэшоу и А.
Саламом в злектрослабой теории, объединившей электромагнитное и слабое взаимодействие. Предсказанные массы И'- и Я-бозонов были соответственно в районе 80 и 90 ГэВ/с'. В 1976 г. было предложено для поиска И'- и Я-бозонов построить в БЕРНе (Женева, Швейцария) новый ускоритель, и в 198! г. такой ускоритель был создан под руководством С. Ван дер Меера. Этот ускоритель (суперсинхротрон Ярри) представлял собой протон-антипротонный коллайдер с энергиями сталкивающихся частиц по 270 ГэВ (в дальнейшем энергии частиц были увеличены до 315 ГзВ).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
