Б.С. Ишханов, И.М. Капитонов, Н.П. Юдин - Частицы и атомные ядра (1120562), страница 43
Текст из файла (страница 43)
Адрины Внл структурной функции: Состав протона: олин аалентный кварк три свободных валентных кварка три связанных валентных кварка г'з(х) три связанных вазентных кварка морские кварки х 1 3 Рис.4.20. Гипотетический вил структурной функнии нуклона в зависимости от его состава пытаемся спрогнозировать ее вил. Это прозпе всего сделать методом последовательных приближений (рис.
4.20). Если считать, что нуклон состоит из одного валентного кварка, то этот кварк иеликом несет импульс нуклона и внд Рз(к) дается верхним рисунком. Если нуклон состоит из трех свободных валентных кварков одного типа, то на каждый из ник при- В 9. Электрон-нуклонное рассеяние и струнтзую адрона 217 1,2 0,9 0,6 0,3 0 0,2 0,4 0,6 О,Я 1,0 Рнс. 4.21. Структурная функция Уа(х) нуклона и импульсные распределения х /(х) валентных (оа1епса) и морских (аеа) кварков ходится 1/3 импульса нуклона (второй рисунок сверху). При взаимодействии этих кварков возникает возкюжность перераспределения импульса нуклона между ними и импульсное распределение кварков размывается с сохранением максимума при х = 1/3 (третий рисунок сверху).
Морские кварки, являясь виртуальными частицами, рождаются преимущественно с малыми импульсами и должны смешать максимум структурной функции в область х — 0 (нижний рисунок). Вид структурной функции нуклона и импульсные распределения в нем валентных и морских кварков, извлеченные изданных экспериментов по глубоконеупругому рассеянию, в целом согласуются с вышеприведенными предсказаниями (см. рис.
4.21). Морские кварки действительно дают вклад в структурную функцию лишь при малых х. Их импульсное распределение х ° /(х) быстро падает с ростом х и практически заканчивается к х — 0,35. Распределение для валентных кварков имеет максимум при х-0,2 испадаеткнулю при х- 1 и х- О.Этораспределениесильно уширено за счет движения кварков внутри нуклона (так называемого фермиевского движения). При х — 1 структурная функция приближается к нулю.
Таким образом, практически невозможна ситуация, когда один кварк несет значительную часть импульса нуклона. Важно отметить, что помимо глубоконеупругого рассеяния электронов на нуклонах, которое впервые дало убедительные свидетельства кваркового строения адронов, было выполнено большое число экспериментов по глубоконеупругому рассеянию других лептонов (мкюнов, нейтрино 2!8 Глава 4.
Адроны и антинейтрино) на нуклоне. Мкюны заряжены и точечны, как и электроны, но могут быть получены с существенно ббльшими энергиями. Что касается нейтрино и антинейтрино (они также могут быть получены с энергиями, многократно превышающими энергии электронов), то эти нейтральные частицы взаимодействуют с кварками лишь посредством слабых сил, т. е, обменом И'ь-бозонами. Как известно, пучки нейтрино (антинейтрино), сталкиваясь с нуклонами, за счет избирательного обмена И'-бозонами способны отличать одни типы кварков от лругих, а также кварки от антикварков. Это существенно обогащает информацию о кварковой структуре, извлекаемую из опытов по глубоконеупругому рассеянию. Многочисленные эксперименты по глубоконеупругому рассеянию нуклонами различных лептонов с энергиями вплоть до 200 ГэВ лали полностью аналогичные результаты. Все они подтвердили партонную (т.
е. кварк-глюонную) структуру адронов. Интегрирование по к импульсных распределений кварков, извлеченных из опытов по глубоконеупругому рассеянию, позволяет найти долю импульса нуклона, которая приходится на кварки различного типа. Так, доли импульса нуклона, которые несут и- и г(-кварки и антикварки (т.е. валентные и морские вместе), лаются выражениями (4.1!б) Для протона эксперимент дает (4.!!7) е„ = 0,36, еа = 0,18, что полностью согласуется с его кварковым составом — ппг!. Остальные морские кварки (а и с) дают очень малый вклад. Поэтому для доли глюонов в суммарном импульсе протона получаем (4.118) е = 1 — е„ вЂ” ел = 0,4б.
Таким образом, на долю глюонов приходится около половины импульса (и массы) нуклона. Опыты по глубоконеупругому рассеянию позволяют также определить заряды и спины партонов внутри нуклона. Результаты опытов пц глубоконеупругому рассеянию лептонов на нуклонах можно резюмировать следующим образом: !. Внутри нуклона обнаружены точечноподобные объекты — партоны, в которых сосредоточена вся масса (внутренняя энергия) нуклона. Размер партонов < 10 '" см. б 9. Электрон-нуклонное рассеяние и структура едрена 219 2.
Заряженные партоны имеют все характеристики кларков — их спин 1/2, а заряды в единицах е либо +2/3, либо — 1/3. 3. Нейтральные партоны, отождествляемые с глкюнами, несут около половины внутреннего импульса (энергии) нуклона. Рис.4.22. Внутри протона. Темными кружками (ци4>ры 1, 2, 3) отмечены валситиые кварки. Светлые и заштрихованные кружки — виртуальные (морские) кварки и аитикварки. Пружинки, соединяющие кварки, — глкюиы В целом результаты этих исследований подтверждают, что нуклон это частица, состоящая из трех валентных кварков, виртуальных морских кварков-антикварков и глюонов.
Попытаемся теперь, основываясь на изложенном материале, «заглянуть» внутрь протона. То, что мы увидим, зависит от пространственного разрешения, определяемого длиной волны виртуального Фотона Л = Ь/д, где д — импульс виртуального Фотона. Энергии современных ускорителей отвечают разрешению 0,01 Фм, При таком разрешении видны отдельные составляющие протона — партоны.
Прежде всего это три валентных кварка. Валентные кварки окружены испускаемыми и поглощаемыми ими виртуальными глюонами, реализующими межкварковое сильное взаимодействие. Глюоны рождают виртуальные кварк-антикварковые пары, аннигилирующие затем вновь в глюоны. Эти виртуальные пары образуют множество морских кларков. Наблюдаемая внутренняя картина протона условно представлена на рис. 4.22.
Глава 5 Распады адронов ф 1. Распады адронов Все адроны за исключением протона являются иестабильньеии чагепицами и характеризуются способом распада и средним временем жизни т. Определяюшим для скорости распада является то, какое фунламентальное взаимодействие лежит в глубинной основе преврашения адрона. Быстрее всего — за характерные времена ге 10 ю с — происхолят распады за счет сильного взаимодействия. Следуюшими по скорости являются распады за счет злектромагнитного взаимодействия. Обычно их времена больше !0 н с. Наконеи, медленнее всего совершаются распады с участием слабых сил.
Слабые распады идут в тех случаях, когда запрешены сильные и злектромагнитные распалы. Обычно время слабых распадов > 10 " с. Помимо типа фундаментального взаимодействия на вероятность раслада оказывает влияние ряд других факторов. Так, с ростом знергии, освобождавшейся при распаде, его вероятность растет, Чтобы разобраться в роли различных факторов в распаде адронов, рассмотрим несколько примеров. Вначале обсудим механизм распада адронов, протекаюший по слабому взаимодействию.
Непускание 1т'-бозона, которое необходимо для протекания слабого распада, происходит на кварковом уровне. Позтому в своей основе слабые распады адронов вьоываются межкварковыми силами. На рис. 5.1 изображена кварковая диаграмма распала нейтрона. Рис. 5.1. Кварховая диаграмма распада нейтрона в !. Расиады адронов Механизм его следующий: нейтрон представляет собой конфигурацию трех конституэнтных кварков игЫ. Один из его И-кварков испускает виртуальный И'-бозон и превращается в и-кварк.
Затем И"-бозон превращается в электрон и электронное антинейтрино. Адроны, распадающиеся по слабому взаимодействию, являются наиболее далгоживушими, что обусловлено малостью эффективной константы слабого взаимодействия. Среди них нейтрон является чемпионом- долгожителем: его время жизни т„900 с. Все остальные адроны живут гораздо меньше. Для нейтрона распад (5.1) — единственный распад, допустимый законами сохранения энергии, электрического, барионного и лептонного зарядов. Долгожительство нейтрона обусловлено двумя причинами.
Во-первых, поскольку при его распале излучается электрон и электронное антинейтрино, то процесс распада протекает по слабому взаимодействию и должен быть достаточно медленным. Во-вторых, вероятность слабого процесса пропорциональна Д', где Я вЂ” энергия, выделяющаяся при слабом распаде. При распаде нейтрона зта энергия (гп„с' — пг„сз — т,сз — трс') всего лишь около 0,8 МэВ, что в адронных масштабах является очень малой величиной. Распад нейтрона протекает по слабому взаимодействию, потому что при этом испускается нейтрино, участвующее только в слабом взаимодействии. Существуют, однако, слабые распады адронов, которые происходят без испускания нейтрино (антинейтрино). Для того чтобы убедиться, что и в этом случае за распад отвечают слабые силы, необходимо проанализировать кварковые квантовые числа адронов — проекцию изоспина, странность, очарование и боттом. Если эти квантовые числа в процессе распада изменяются, то такой распад происходит только в результате слабых взаимодействий.
В качестве примера приведем распад Е -гиперона (время жизни 1,5 !О '" с): Š— и+я (5.2) Фейнмановская диаграмма распада Е -гиперона приведена на рис. 5.2. Видно несохранение странности. Не сохраняются также изоспин и проекция изоспина. На рис. 5.3 показана фотография образования й -гиперон» в пузырьковой камере в реакции К +р- й +К +К+ (5.3) и его последующего распада с расшифровкой наблюдаемых треков. Так как реакция происходит в результате сильного взаимолействия, странность сохраняется. Поэтому рожление й -гиперона со странностью в = -3 сопровожлается появлением Кв- и К+-мезонов с положительной странностью в(Кв) = в(К+) = +1.
Странность К -мезона равна — 1. 222 Глава 5. Распады адроиов Рис.5.2. Кварковая ливгрвмма распвпв Е -гипероив Рис. 5,3. Фотография рожлсиия и распада гг -гипсроив в пузырьковой камере и расшифровка этого события Образовавшиеся в результате реакции (5.3) частицы й, Кс и К+ распадаются на другие частицы (иепочка распадов показана на рис. 5.4).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
