Б.С. Ишханов, И.М. Капитонов, Н.П. Юдин - Частицы и атомные ядра (1120562), страница 6
Текст из файла (страница 6)
Вначале считалось, что это и есть предсказанный Юкавой мезон. Однако более детальное исследование свойств этой частицы показало, что обнаруженные в космических лучах частицы взаимодействуют с нейтронами и протонами недостаточно сильно, как это должно быть для переносчиков ядерного взаимодействия. Они не захватывались атомными ядрами, а распадались с испусканием электронов. Первоначальный энтузиазм сменился некоторым разочарованием.
Однако в !947 г. также в космических лучах была обнаружена еще одна частица, которая сильно взаимодействовала с протонами и нейтронами. Она и была той самой частицей, которую предсказал Юкава. Ее назвали к-мезоном или пионом. Существует три разновидности к-мезонов: отрицательно заряженный к -мезон с массой 140 МэВ„его положительно заряженная античастица к+-мезон, и нейтральный к"-мезон с массой 135 МэВ. Они одинаковым образом недуг себя относительно ядерных взаимодействий. Пионы, нейтроны и протоны принадлежат к одному классу частиц, называемых адромаии. Их отличительная черта — участие в ядерных взаимодействиях. Частица, обнаруженная в 1937 г., была названа мкюном.
Упомянутых выше частиц вполне достаточно для описания молекулярной, атомной и в значительной степени ядерной структуры вещества, а также явления радиоактивности. Описание всех происходящих в природе явлений имело вполне замкнутый вид, яЗлементарными» частицами к 1950 г, были протон, нейтрон, электрон, пион, фотон, нейтрино и мюон.
Из протонов и нейтронов состояло атомное ядро. Пионы нужны были для того, чтобы связать протоны и нейтроны в атомном ядре. Для построения атома к атомному ядру необходимо было добавить электроны. б 12. Странные частицы Фотоны появлялись при переходе атома из одного состояния в другое. 2)ля объяснения 15-распада необходимо было нейтрино. Но его пока не удавалось обнаружить. Некоторые нелоумения вызывал лишь мюон, который по своим взаимодействиям очень напоминал электрон, но только был в 200 раз тюкелее.
Как стало ясно позднее, электрон, мюон и открытый в 1975 г, таон вместе с соответствуюгдими им нейтрино и„ин, р, образуют совершенно обособленный класс частиц, не участвующих в сильных взаимодействиях. Эти частицы были названы лентанами. Лептоны — частицы, которые участвуют только в электромагнитных и слабых взаимодействиях (о гравитационном взаимодействии, в котором участвуют все частицы, мы здесь не упоминаем).
Вся совокупность информации, которой мы располагаем о лептонах, говорит о том, что эти частицы не имеют внутренней структуры и размер их меньше !О " см. 5 12. Странные частицы р+р р+Л+К, в которой рождались две странные частицы — Л-частица и К~-мезон. Образовавшиеся странные частицы затем распадались на мюоны, нуклоны, пионы и нейтрино К+- р +ит К+ -1.
я~ + я, р+я, Л -~- п + а' . Вторая особенность поведения странных частиц — их большое время жизни — поставила перед физиками новую загадку. В результате распада Л-частиц образуются сильно взаимодействуюшие частицы р и я или и и ла. Поэтому казалось, что время жизни странных частиц должно быть 10 м — 10 "с.
На самом же деле их время жизни оказалось т 1О '~ с, что характерно для слабого взаимодействия. Слабое взаимодействие продолжало преподносить сюрпризы. Для того чтобы объяснить такое повеление странных частиц, было высказано предположение, что странная частица является носителем еще одного нового квантового числа, которое было названо етраннастгч В течение 1О лет, последовавших за открытием пиона в 1947 г., в космических лучах и в экспериментах на вновь построенных ускорителях высоких энергий стали обнаруживать новые частицы и таблица элементарных частиц начала быстро пополняться.
За это время их было открыло свыше 30. Первыми из открытых частиц были К-мезоны или каоны, частицы с массой -500 МэВ. Затем были обнаружены частицы тяжелее протона — Л и Е. Была обнаружена странная особенность поведения вновь открытых частиц — они рождались парами, хотя не были частицей и античастицей. Здесь была какая-то другая неизвестная до сих пор закономерность. Так, например, при столкновении двух протонов происходила реакция Глава 1. Элсиенлгарные часлгияы л ~'/ При взаимолействии я -мезона с протоном в пузырьковой камере образуются две нейтральные странные частицы Л и Ка: -+ ~+ТГо Они распадаются а результате слабого взаимодействия: Л к +Р и я +И +рю Образующийся отрицательный мюон в свою очередь также в результате слабого взаимодействия распалается; д — е +Г,+и„.
Траектории заряженных частиц искривляются под действием приложенного магнитного поля. Особенно это отчетливо видно у электрона, радиус кривизны траектории которого уменьшается, по мере того как он теряет энергию. Нейтральные частицы, которые не оставляют следов я пузырьковой камере, показаны штриховыми линиями. б 13. Резонансы, Возбужденные сосглояния нуклояо 31 и сформулирован еще один закон сохранения.
Странность сохраняется в сильных взаимодействиях, но не сохраняется в слабых взаимодействиях. Это позволило сразу объяснить и парное рожление странных частиц в реакции сильного взаимодействия, и большое время их жизни в результате распада, происходящего за счет слабого взаимодействия. Так началась серия открытий, обнаруживших новую область явлений, проявляющихся в условиях, котла вешество подвергается воздействию с энергиями порядка нескольких сотен МэВ и больше.
Среди вновь открытых странных частиц оказались частицы, имеющие массу больше массы нуклона. Эти частицы были названы гинеронозги. К ним относятся Л, Е", Е, Е, Б".:-, !2 '. Схолство гиперонов с нуклонами состоит в том, что все гипероны с течением времени распадаются, превращаясь в конечном итоге в нуклоны. Так сохранение числа нуклонов, впервые обнаруженное в ядерных реакциях, перешло в сохранение числа нуклонов и гиперонов и затем, с открытием резонансов, — в сохранен ие ч иола бар ионов. ф 13. Резонансы.
Возбужденные состояния нуклона В начале 19бО-х гг. была открыта еще одна группа частиц, которая получила название резонансов. Резонансы — короткоживушие возбужденные состояния адронов, распадающиеся в результате сильного взаимодействия. Характерное врегия жизни резонанса !О гг-1О м с, Впервые резонансы наблюдались в сечении реакции взаимодействия к-мезонов с нуклонами (рис. !.7). Резонансы стали активно исследовать и открывать в связи с развитием метода водородных пузырьковых камер, в которых стало возможно непосредственно наблюдать продукты распада резонансов, Масса резонансной частицы пл определяется из релятивистского инварианта тс =(Š— ср)' где Е и р — суммарная энергия и суммарный импульс я-мезана и нуклона. Максимумы в сечении кглг-рассеяния интерпретируются как появление нестабильной частицы — резонанса с вполне определенными квантовыми характеристиками — массой, зарядом, спинам, изоспином и др, Нуклонные резонансы можно рассматривать как возбужденные состояния протона и нейтрона (рис.
1.3). Так, самый нижний по энергии резонанс в сечениях реакций к-р, возникающий при кинетической энергии пиона а! 90 МэВ, соответствует состоянию нуклона с энергией возбуждения 300 МэВ и спинам У = 3/2. Масса этого резонанса а ! 232 МэВ„ и ему соответствует квартет барионов гз, гз', г'.Л л, г.'л++, объединяемых зг Глава !. Элементарные чапницы Масса, Гэй/с' 800 тООО Елин Щ ьуаа Нуклон Рнс. Вт. Зависимость полных сечений реакций л-р от кннстичсской энергии пиона Рнс. 1.8. Воэбуждснныс состояния нуклонв 4 14.
Античастицы В течение длительного времени электрон и позитрон были единственно известными частицами, образующими пару частица (е ) и античастица (е+). Имеют ли другие частицы своих двойников — античастицы? Это был не праздный вопрос, так как электрон и позитрон не участвуют в сильных взаимодействиях, т.е. они входят в класс лептонов. Большинство же вновь открытых частиц входят в другой класс частиц — адронов.
Алроны— частицы, участвующие в сильных взаимодействиях. Поэтому необходимо было выяснить, есть ли у адронов античастицы. Наиболее удобной анти- частицей, для того чтобы ответить на этот вопрос, был антипротон. Свойства антипротона были предсказаны еще во времена открытия позитрона.
Однако, для того чтобы обнаружить эту частицу, необходимо было иметь протоны с кинетической энергией больше 6 ГэВ. Такой ускоритель был специально построен, и начались эксперименты по обнаружению названием тЗ-резонансы. Наличие нуклонных резонансов — зто свидетельство их сложной внутренней структуры. Низкорасположенные нуклонные резонансы в основном распадаются по каналу (и или р)+я. Время жизни резонанса определяется по ширине его распада Г, используя соотношение неопределенностей Г.т й.
Большинство известных адронов являются резонансами. 33 В !4. Античастицы м л!ъ л Рве. !.9. Образование пары ЛА при столкновении Р-Р в пузырьковой камере. Справа — фотография, слева — результат ее расшифровки антипротона и антинейтрона. В !955 г. удалось получить и идентифицировать антипротоны, образуюшиеся в реакции Р+Р Р+Хз+Р+Р. Античастицы обычно обозначакзт как частицы с черточкой наверху. В !95б г. был открыт антинейтрон. Пятидесятые голы завершились открытием антигиперонов (рис.!.9). Сейчас почти ни у кого не вызывает сомнения тот факт, что кажлая частица имеет «двойник໠— античастицу. Античастицы облалают рядом характеристик, имеюших те же численные значения, что и частицы.
и некоторые характеристики с противоположным знаком. Так, частица и античастица имеют одинаковые массы, времена жизни; противоположные знаки электрических зарядов, магнитных моментов и др. Схемы распада частиц и античастиц — зарядово-сопряженные, т.е. отличаются лишь заменой частиц на античастицы, например, и- р+е +йе, й- р+е++и,. В некоторых случаях частица и античастица тожлествснны.
Такие частицы называются истинно нейтральными частицами. Истинно нейтральными частицами являются 7-квант, яо-мезон и др. Наиболее сложной формой антивешества, полученной и идентифицированной в лабораторных условиях, являются антиядра трития и гелия. Эти эксперименты были выполнены на ускорителе в Протвино (Россия) в !970-х гг.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
