Б.С. Ишханов, И.М. Капитонов, Н.П. Юдин - Частицы и атомные ядра (1120562), страница 44
Текст из файла (страница 44)
В правой части рис. 5.3 пунктирными линиями показаны нейтральные частицы, которые не оставляют треков в пузырьковой камере. Присутствие и характеристики нейтральных частиц устанавливаются по трекам заряженных частиц на основе законов сохранения. На рис. 5.4 также приведен кварковый состав образующихся в результате распада частиц. Распял Й происходит за счет слабых сил, что следует уже из его времени жизни 0,3 Гб '" с. При этом не сохраняется ни странность, ни изо- 223 в 1.
Распады адронов Рис.5.4. Цепочка распадов й -гиперон» спин, ни его проекция. В процессе этого распада один из трех странных кварков й -гиперона преврашается в и-кварк: в- и+И' — и+В+И- и+я (йИ). (5.4) В слабых распадах странность может изменяться не более чем на 1, поэтому распад й -гнперона приводит к образованиго цепочки последовательных распадов с появлением а конечном состоянии стабильных частиц. табаиаа 5.1 Каналы распада й -гиперона с изменением странности на 2 224 Глава 5.
Распады адронов Показанный на рис. 5.3 и 5.4 распад П не является единственно возможным способом (каналом) его распала. Другие возможные каналы распада этой частицы перечислены в табл. 5.1 с указанием их относительной вероятности. $2. Распады 2Г-мезонов и заряженных каонов Рассмотрим распалы заряженного пиона (т+). Так как те-мезон является самым легким положительно заряженным адроном, он должен распадаться на легкие заряженные лептоны е~ нли р+ и соответствуюшие нейтрино и,(и„) или антинейтрино й,(йн).
Этот распад происходит за счет слабого взаимодействия, поэтому т~-мезон имеет характерное для слабого взаимодействия время жизни т(т~) = 2,6 10 "с. В табл. 5.2 приведены относительные вероятности различных каналов распада т+ -мезона. Так как т+ и т являются частицей и античастицей, они имеют одинаковые времена жизни и зарядовосопряженные (т.е. с заменой всех частиц на античастицы) каналы распада. Мы видим, что доминирует канал распада т+-мезона на мюон и мюонное нейтрино (5.5) Этот факт на первый взгляд является удивительным, поскольку сушествует не запрещенный никакими законами сохранения распад, аналогичный (5.5), но на пару лептонов первого поколения: (5.б) т — е +и„ который идет со значительно ббльшим энерговыделением (масса е~ меньше массы 1е* в 207 раз), Однако происходит он в !О" раз реже. При прочих равных условиях распал тем вероятнее, чем больше энергия распала 9 Таблица 5.2 Каналы распада т" -метана (т = 2,б ° 10 " с) 225 э 2.
Распады х-мезонов и зарязкенных каоное и» Рве. 5.5. Диаграммы распада к+ — р» + ин н х» -» е+ + ю (за счет большего числа доступных конечных состояний образующихся частиц или, как часто говорят, большего фазоеого облома). Энергии распада О для сравниваемых процессов (5.5) и (5.6) составляют соответственно (т„— т„)сз = 34 МэВ н (т« — гп,)сз = 139 МэВ. Таким образом, сушествует какой-то механизм, который подавляет процесс (5.6).
Рассмотрим причину подавления распада (5.6). Оба сравниваемых распада слабые и идут через промежуточный заряженный бозон (И'~). Диаграммы этих распадов показаны на рис. 5.5 и имеют одинаковый вид (в дальнейшем для определенности будем говорить о распаде я+ ) и содержат по два узла, характеризуемых одинаковой константой слабого взаимодействия»з .
Пион — частица с нулевым спииом. Поэтому законы сохранения углового момента и импульса требуют, чтобы лептоны в системе покоя пиона летели в противоположные стороны с противоположно направленными спинами (1, + 1„«« —,' + -,' = 0). При этом, поскольку нейтрино левополяризовано (спиральность 1з„= — 1), то сравниваемые распады выглядят так, как показано на рис. 5.6.
епнн Рис. 5.6. Ориентация спиноз и импульсов конечных частиц прн расо»де н+-мезона Заряженные лептоны также вылетают левополяризованными, но эта поляризация для них является «неправильной», так как ультрарелятивистские е" и р+ в слабых процессах с заряженными слабыми токами рождаются правополяризованными. Эта «неправильная» поляризация в данном случае навязана е+ и Р+ определенной спиральностью нейтрино.
Для качественного объяснения эффекта подавления распада зг+ -» е+ р« по сравнению с распадом я+ - р~ин достаточно вспомнить, что е+ и р+ рождаются в слабых процессах со спиральностью Ь = о/с, т. е. в/с всех рожааюшнхся е+ и р«должны быть правополяризованными (эту поляризацию мы называем «правильной»). Соответственно 1 — о/с положительно 16 з»к. зв 22б Глава 5. Распады адронов %блина 5.3 Каналы распада я»-мелоне (т = 0,84 10 '" с) Тэблнца 5.4 Каналы распела К+-мелоне (т = 1,24 ° 10 "с) заряженных лептонов будут левополяризованными, т.
е. поляризованными «неправильно». Распад с *правильно» поляризованными е+ и р+ запрещен законом сохранения углового момента. Поэтому распад я+ идет с «неправильно» поляризованными е+ и р+, а доля таких распадов равна 1 — в/с. Так как в распаде 1г — еи электроны (позитроны) ультра- релятивистские, то е,/са ! и ! — и,/се О. В распаде я- )гр мюоны нерелятивистские, вл/с сравнительно мало и ! — в„/с довольно велико, т.е.
вероятность рождения «неправильно» поляризованных мвонов значительна. Поэтому вероятность распада я - рн за счет этого эффекта во много раз превосходит вероятность распада я - егт. З 2. Распады я-мезанав и заряженных хаанав .я б) И' Рве. 5.7. Кварковые диаграммы некоторых распадов К+ -мсзона Распад ке-мазана происходит в результате электромагнитного взаимодействия. Поэтому время жизни яе-мезона (т(ка) = 0,84 10 и с) много меньше времени жизни заряженных пионов. Основные каналы распада яе-мезона перечислены в табл. 5.3.
К-мезоны, так же как и заряженные а--мезоны, распадаются за счет слабых взаимодействий. Их время жизни 1О ' — !О гв с. Каналы распада К+-мезона приведены в табл. 5.4. Так же как и в случае распадов к+-мезонов, подавление каналов распада с+и, по сравнению с р+ни происходит из-за того, что в слабых распадах ультрарелятивистские лептоны рождаются левополярнзованными, а антилептоны правополяризованными. На рис. 5.7 приведены диаграммы Фейнмана некоторых распадов К+-мезона. 228 Глава 5.
Распады адромов Анализ кварковых диаграмм распаля К~-мезонов показывает, что все распады вызваны слабыми силами и плут при участии виртуального У!г-бозона. Распады И'-бозона различными способами объясняют многообразие каналов распала К*-мезонов. В распаде К+ — явках ь в результате сильного взаимодействия глюон рождает дополнительную пару ии и образовавшиеся 3 кварка и 3 антикварка образуют 3 х-мезона (см. нижнюю диаграмму рис. 5.7).
Все распалы К~-мезонов сопровождаются распадом странного кварка, т. е. исчезновением странности. Анализ большого числа каналов образования и распада странных частиц позволяет сформулировать закон сохранения странности (квантового числа а). ф 3. Правила отбора для слабых распадов адронов Для слабых распадов адронов с изменением странности удалось подметить три интересных правила.
Первое из них сформулировано в конце предыдущего параграфа и состоит в том, что абсолютное значение странности при распале может изменяться не более чем на единицу; )Ьа! =- О или !. (5.7) Лдя распадов каонов и гиперонов Л, Е~ это правило выполняется, так как злесь (а! = ! лля распадающейся частицы и а = О для всех продуктов распала.
Следствием правила (5.7) является запрет распадов гиперонов со странностями а = -2 и -3 сразу на нестранные частицы, Например, Б; и+я, й ' и+я, р+е +рг (58) Эти и им подобные распады до сих пор не наблюдались. Если принять, что распад адрона с изменением странности обусловлен элементарными диаграммами распада странного кварка типа а -ь и+ я (иЫ) или а — в+ е + гт, (примеры подобных и заряловосопряже нных им распадов приведены на рис.
5.2 и 5.7), то правило )Ьа( = ! будет выполняться автоматически, поскольку для распада !Ьа~ = 2 потребуется два виртуальных И'-бозона, т. е. четыре слабых узла, так что соответствующая вероятность распала получится ничтожно малой. Э 3. Правила отбора длл слабых раевадов адронов 229 Второе правило отбора состоит в том. что изоспин при распаде с изменением странности изменяется только на 1/2: )Ы) = 1/2. (5.9) Это правило подсказывается соотношением (3.46) Гелл-Манна и Нишиджимы; 1~ = 1з+(В+ в)/2, согласно которому при изменении странности на единицу проекция изоспина должна изменяться на 1/2; (5.10) )Ыз~ = !/2.
Но из (5.!0) получается, что сам изоспин может измениться не только на !/2, но и, например, на 3/2. Поэтому (5.9) является ограничением, дополнительным к (5.10). Наконец, третьим заслуживающим упоминания правилом отбора является соотношение гав = зв (5.!1) для распадов адронов с участием лептонов. Здесь через Щ обозначено изменение при распале суммарного электрического заряда адронов (полный электрический заряд всех частиц измениться не может). Это правило также диктуется соотношением Гелл-Манна и Нишиджичы. Им, в частности, разрешаются распады К вЂ” в~+и,+я „Š— и+е +й„, Б»- Еэ+с +й, (5!2) и запрещаются сходные распады К -~ е + й„+ в~, Ев а+е++и„Б~- Е +ев+ и,.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
