Б.С. Ишханов, И.М. Капитонов, Н.П. Юдин - Частицы и атомные ядра (1120562), страница 51
Текст из файла (страница 51)
Поэтому стабильными стали бы все гиперядра с любым числом Л-гиперонов. В ялре смогли бы сушествовать и каоны К+ и К«, если бы только они притягивались к нуклонам сильным взаимодеЙствием. Отрицательные мюоны смогли бы заменять частично или полностью электроны в атоме, причем размеры атомов с мюонными оболочками были бы в двести раз меньше обычных. Стали бы стабильными различные водородоподобные системы, такие как е — я«, е — з,+, я — р+, е+ — К и т.д. (но, конечно, не к — р, К вЂ” К+ и даже не я~ — К, К вЂ” р).
Мы видим, что с атомной и макроскопической точек зрения отсутствие слабых взаимодействий не изменит сушествуюших структур вешества, но сделает их более разнообразными. Включение слабых взаимодействий «всего лишь» лишает стабильности одни формы вешества, не затрагивая другие. Таким образом, основной «профессией» слабых взаимодействий является не создание сил, а осушествление распадов частиц, Но если частица подвержена распаду, то она может и возникнуть в результате подходвшей реакции. Однако, если интенсивность взаимодействия мала, то его несравненно легче обнаружить в распале, чем в реакции.
Лействительно, масштабом времени жизни для элементарных частиц является характерное время пролета, имеюшее порядок !О ы-1О ы с. И если это время за счет малой интенсивности взаимодействия вырастет даже на 25 порядков, то и тогда оно останется легко доступным наблюдению (несколько часов). Но уменьшение на 20-25 порядков сечения реакции делает наблюдение этой реакции исключительно трупным. Поэтому вызываемые слабыми взаимодействиями распады интенсивно изучались с самого рождения ядерной физики, а первая реакция, происхоляшая за счет слабых взаимодействий, была зарегистрирована лишь в пятидесятых годах прошлого века.
Посмотрим теперь, в каких ситуациях можно ожидать распааы, обусловленные слабыми взаимолействиями. Прежде всего, тут действует правило: для того чтобы частица (или ядро) заметным образом распадалась за счет слабых взаимодействий, обычно необходимо, чтобы ее распад под влиянием сильных или электромагнитных взаимодействий был запрещен.
Например, у нейтрального пиона равны нулю все заряды и странность. Поэтому он может распадаться за счет электромагнитных взаимодействий либо на два фотона, либо на электрон-позитронную пару. Он и распадается в основном на 2 фотона с временем жизни ш ГО и с. Быть может, у нейтрального пиона и сушествуют какие-либо слабые распады, но они происходят столь медленно и тем самым редко, что их практически не удается наблюдать.
Единственным исключением из только что приведенного з 8. О роли слабых взаимодействий в окружающем мире 265 правила являются )з-распадные процессы для очень тяжелых ядер. Все эти ядра нестабильны относительно процессов а-распада и спонтанного деления, обусловленных конкуренцией сильных и электромагнитных взаимодействий. Но из-за кулоновского барьера эти процессы настолько подавлены, что для многих ядер В-распадные процессы оказываются более вероятными. Во всех остальных случаях (в частности, для всех частиц) правило «распад может идти за счет слабых взаимодействий только тогда, когда за счет сильных или электромагнитных он идти не может» лействует безотказно. Это правило необходимо, но, конечно, не достаточно.
Протон не распадается под влиянием сильных и электромагнитных взаимодействий, но и слабые взаимодействии вызвать распад протона не могут. Чтобы слабый распад был возможен, необходимо, чтобы он был разрешен всеми законами сохранения. Поэтому слабые распады будут наблюдаться там, где они запрещены при сохранении странности и разрешены при ее нарушении. Например, Л-гиперон является самой легкой частицей с барионным зарядом В = ! и странностью в = — 1. Поэтому сильные н электромагнитные взаимодействия не могут вызвать распад этой частицы.
Масса Л-частицы больше суммы масс протона и отрицательного пиона — системы, у которой а = О, но все заряды такие же, как и у Л. Поэтому за счет слабых взаимодействий возможен и действительно идет распад Л вЂ” р+я . Заметим, что законы сохранения четности и зарядовой четности не приводят к существованию частиц, нестабильных относительно слабых взаимодействий и стабильных относительно более интенсивных.
Действительно, если какой-либо быстрый, т.е. электромагнитный или сильный, распад запрещен только сохранением четности или зарядовой четности, то всегда будет разрешен аналогичный быстрый распад с испусканием дополнительного достаточно мягкого фотона, уносящего отрицательную четность. Законы сохранения квантовых чисел в, с, 6, 1 в сильных и электромагнитных взаимодействиях и нарушение их в слабых взаимодействиях не являются единственной причиной существования слабых распадов. Второй (и последней) причиной является то, что нейтрино подвержены только слабым (если не считать гравитационных) взаимодействиям.
Поэтому, если распад, даже с сохранением странности, возможен только с участием нейтрино, то он будет слабым. Например, отрицательный пион имеет нулевую странность. Продуктами его распада могут быть только более легкие частицы, т.е. мкюны, электроны, нейтрино и нейтральный пион. Один из продуктов распада должен иметь отрицательный электрический заряд, т, е, быть мюоном или электроном. Обе эти частицы имеют спин половина и тем самым уносят только полуцелый момент. Так как спин отрицательного пиона целый, то наряду с мкюном (или электроном) одним из продуктов его распада должна быть электрически нейтральная частица с полуцелым спином. Единственными легкими частицами.
удовлетворяющими этому условию, являются нейтрино. Поэтому распад отрицательного пиона должен быть слабым. И действительно, эта частица живет очень долго (2,6.10 з с) и распалается в основном на мюон и мюонное антинейтрино. 266 Глава 5, Распады адронов Обший вывод: распад является слабым при выполнении хотя бы одного из двух условий: а) нарушение сохранения квантовых чисел а, с, Ь, П б) наличие нейтрино среди продуктов распада. Характерно, что соблюдение обоих условий не делает распад сверхслабым. Так, положительный каон с вероятностью 2! % распадается на два пиона: К+ — » а ~ + зга (21%), т.е.
с нарушением странности и без участия нейтрино, и с вероятностью 63% на мюон и мюонное нейтрино; К вЂ” и + ия (63%), т, е. с нарушением странности и с участием нейтрино. Слабое взаимодействие возникает как результат поглошения и испускания или обмена носителями этого взаимодействия — И'- и 7- бозонами. Оно является более универсальным, чем электромагнитное — только глюоны и фотоны непосредственно не взаимодействуют с И"- и Я-частицами. В то же время реальный объем физических явлений, относяшихся к физике слабого взаимодействия, оказывается намного меньшим объема злектродинамических явлений.
Это связано с тем, что почти все объекты, которые могли бы сформировать обширную физику слабого взаимодействия, являются нестабильными и в природе не сушествуют. Поэтому нет, например, физики И'- и Я-бозонов, аналогичной физике фотонов, и при рассмотрении слабых взаимодействий приходится ограничиваться изучением главным образом распадных процессов, либо взаимодействий нейтрино с материей. Для дальнейшего сушественно, что константа ст слабого взаимодействия И'-бозонов с лептонами является безразмерной и определяется выражением а (5.55) 51П о«« где а« = 1/137 — константа электромагнитного взаимодействия, а 䫫— угол Вайнберга или угол смешивания, являюшийся одним из основных параметров единой теории электрослабого взаимодействия.
Клк следует из экспериментальных данных, з1п' дж — — 0,23. Хотя слабое взаимодействие, как видно из (5.55), характеризуется по порялку величины такой же константой, как и электромагнитное, столкновительные слабые процессы не играют в нашем мире практически никакой роли. Это связано с огромной массой И'- и Я-бозонов, вследствие чего они не сушествуют в окружаюшем мире. Поэтому в течение длительного времени основным способом изучения слабых сил было исследование распадов либо нестабильных ялер, либо получаемых на ускорителях нестабильных частиц. Рассмотренная в данном разделе роль слабых сил в окружаюшем мире проанализирована с помошью воображаемого сценария «выключения» слабого взаимодействия в уже сформировавшемся мире, который э 8.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
