Г.С. Ландсберг - Элементарный учебник физики (том 3). Колебания и волны. Оптика. Атомная и ядерная физика (1120574), страница 122
Текст из файла (страница 122)
Одно из таких событий, полученное на встречных пучках протонов н антипротонов при огромной доступной энергии 540 ГэВ, уже приводилось на рис. 423. Кварковые ароматы не являются строго сохраняющимися квантовыми числами, и они могут меняться в слабых взаимодействиях. Слабые распады адронов поэтому обусловлены переходами кварков с одними ароматами в кварки с другими ароматами (см. 6 239, пункт 5).
Например, наблюдается распад странных Л-гиперонов по каналу Лч-»р+и (см. фотографию иа рис. 419). Этот процесс на языке кварковой модели может быть описан в два этапа. Слабые взаимодействия приводят к переходу з-эи, в котором з-кварк превращается в и-кварк с другим ароматом. Происходит также «слабое» образование кварк-антикварковой пары с(и с разными ароматами кварков*). Таким образом, «) Подчеркнем енсе раз принципиальное отличие этого процесса от сильных взаимодействий, где может происходить только рождение кварк-аитикварковых пар с противоположными по знаку значеиинми одного и того же аромата. 430 первый этап гиперонного распада сводится к «слабому» переходу з и+«(+й.
Затем, на втором этапе, благодаря уже сильным взаимодействиям, происходит перегруппировка кварков с образованием двух адронов — протона и и -мезона: ~ай] — ]иг(или~ „„„„, (наг] + (иг(] (241 б) В»а«МОД««С~В«Я р я- « и«д г(- и+е +т„ '(исИ] — '(пил]+е + ч,. (241. 14) » Р Слабые силы, как видно из этого примера, изменяют инди- видуальность не только кварков, но и лептонов, образуя пару лептонов разных типов (о лептонах подробнее будет сказано в следующем параграфе).
й 242. Лептоны. Промежуточные бозоны. Единство всех взаимодействий. Бурное развитие физики элементарных частиц последних лет существенно изменило наши представления не только об адронах, но и о лептонах, т, е. частицах, обладающих только слабым и электромагнитным (заряжеиные лептоны) взаимодействиями. Помимо двух пар лептонов, известных ранее (электроны и электронные нейтрино и мюоны и мюонные нейтрино — см.
Я 231, 233, 234), был открыт еще один тяжелый заряженный лептон, получивший название тау-лептона (т ). Вместе с т-лептоном, по-видимому, должно существовать еще одно нейтрино — так называемое тау-нейтрино (т,). Правда, это последнее пока еще не наблюдалось в прямых экспериментах.
Тау-нейтрино могут появляться, например, прн распаде бз! Этот пример показывает, что сильные взаимодействия также играют определенную роль в слабых распадах адронов, осуществляя образование сильновзаимодействующих частиц в конечном состоянии. Однако в основе таких слабых распадов лежит слабый процесс, вызывающий превращения начальных кварков.
В заключение рассмотрим еще р-распад нейтронов и-+- — р+е +т„о котором уже нс раз говорилось (см. Ц 230, 233). Слабые взаимодействия вызывают здесь переход г(-кварка в и-кварк с образованием лептоиов е и т,: тау-лептонов или вылетать вместе с тау-лептонами в распадах более тяжелых частиц. У каждого лептона существует соответствующая античастица — антилептон. Многочисленные опыты показали, что вплоть до расстояний порядка 10 "см лептоны и антилептоны ведут себя как элементарные «точечные» объекты. Именно лептоны вместе с кваркамн и представляют собой, как сегодня думают, истинно элементарные, нли фундаментальные частицы (см.
табл. !4). Все процессы образования и распада лептонов (о некоторых из них говорилось раньше — см. й 233) могут быть объяснены, если считать, что у лептонов также есть определенные сохраняющиеся квантовые числа, называемые «лептонными зарядами» и напоминающие бариопный заряд. Сейчас известно три типа таких лептонных зарядов— электронный (1„), мюонный (1») и тау-лептонный (1,): !) у электронов е н электронных нейтрино ч» электронный лептонный заряд 1,=+1, у их античастиц (е', т,) 1,= = — 1, у всех других частиц 1,=0; 2) у мюонов р я мюонных нейтрино т мюонный лептонный заряд равен 1„=+1, у соответствующих антилептонов (р', ч„) 1„= — 1, у всех остальных частиц 1„=0; 3) у тау-лептона т и тау-нейтрино ч, 1,=+1; у антитау-лептонов (т«, т,) 1,= — 1; у всех других частиц 1,=0.
Во всех исследованных до сих пор процессах все три лептонных заряда сохраняются. В качестве упражнения читателям предлагается с помощью представления о сохраняющихся лептонных зарядах показать, что распады (233.!),(233,2) и реакции (233.3),(233.4)могут происходить в природе, а такие процессы, как»,+и- р+е, т„+и — р+ +е, р — е +у, т — р'+е +е, оказываются запрещенными, Действительно, эти и другие переходы, нарушающие законы сохранения лептонных зарядов, никогда не наблюдались ни в одном из многочисленных поисковых экспериментов. Барнонные заряды и кварковые ароматы у лептонов отсутствуют, т.
е. соответствующие квантовые числа равны нулю. Это связано с тем, что лептоны вообще не участвуют в сильных взаимодействиях. В табл. 14 мы поместили те частицы, которые сегодня считаются истинно элементарными. Адроны в нее не входят, так как их сложное внутреннее строение установлено вполне надежно, и доказано, что именно кварки, «склеенные» обменом глюонов, являются теми структурными элементами, из которых состоят адроны. Однако эту таббз« лицу надо дополнить еще другими элементарными частицами.
Это прежде всего фотоны — кванты электромагнитного поля, которые осуществляют электромагнитные взаимодействия между заряженными частицами. Сюда же мы поместили глюоны, осуществляющие взаимодействия между кварками и вместе с кварками осужденные к «пожизненному заключеник» внутри адронов. Очень важную роль в физике элементарных частиц играют и слабые взаимодействия. Как уже отмечалось, это единственное взаимодействие в природе, которое может менять индивидуальность фундаментальных частиц — лептонов и кварков — и вызывать взаимное превращение между такими частицами (подчнняясь, однако, при этом законам сохранения барионного н лептонных зарядов).
Давно уже обсуждался вопрос о том, каков же механизм действия слабых сил. Высказывались предположения, что эти силы обусловлены обменом особыми квантами поля слабых взаимодействий, которые получили название промежуточных бозонов. В отличие от глюонов, промежуточные бозоны, как и фотоны, должны существовать в свободном состоянии. Теория позволила предсказать существование трех таких промежуточных бозонов: Ятэ- н У«-частиц.
И вот, наконец, в 1982 — 1983 гг. промежуточные бозоны были обнаружены, и это открытие явилось настоящей сенсацией. Промежуточные бозоны были зарегистрированы в сложнейших опытах на ускорителе-накопителе со встречными протон-антипротонными пучками, при энергии каждого из сталкивающихся пучков 270 ГэВ (сейчас эта энергия увеличена уже до 450 ГэВ).
Это самая высокая энергия, полученная искусственным путем. Общий вид одной из двух огромных установок, на которых было сделано это замечательное открытие, показан на рис. 422, а на рнс. 425 приведен снимок с дисплея ЭВМ, на котором зарегистрировано событие образования и распада промежуточного )Р'-бозона, Массы промежуточных бозонов оказались очень большими — они почти в 100 раз превышают массы нуклонов (см.
табл. 14). Это — самые тяжелые частицы, созданные в лаборатории. Открытие промежуточных бозонов завершило очень важный цикл исследований, который показал, что слабые и электромагнитные силы, несмотря на свое кажущееся различие, тесно связаны между собой и по существу оказываются проявлениями одного и того же взаимодействия, получившего название электрослабого. В настоящее время предпринимаются усиленные попытки установить связи между 633 1м взаимодействием и сильны м, а в дальней~~~~~р~~~бы~ вза сил, которые существуют в природе— типов сил, ко р равитацнонных. электромагнитн ~, ьх, слабых и г не о единстве сильных, э , электромагнитных и редставление б ействий вступает в п нием фу ф ндаментальных частиц на в !лае тте' тат.1е ( " ! ействиями, и л ептоны, которые такими в " обладают.
О некоторой общности заимодеиствиями не сюзтм~~~. ю~м нов, возможно, говорит их раз кварков и лептонов, ст кт ру. ак . К видно из табл. гру ну~ ы, имеющие сходную ру у 14, можно говорить о трех т ру таких г ппах, или, к 434 ие и аспад промежуто ьчых боз анан. Показан б Г тъжались мб~~ы за етн- ЗВМ, на ко~арой а ра жтъ ис 422У П чки протонов и ант— ~мекай таза ы ой камеры к изоб аженной на дисплее.
П бы установки, слематически изо р ежуточный бо, я ката юм образуется тяжелый проме я мдн я, ! зан ~'. На снимке зарегистр р отнвспатожнач аспид Чт-тр -, 'ти: мюои —- п льсом. Нейтрнно выл т е средственно но идентижет наблюдаться н па направлении. Оно не мо фицируется по кинематике события, так как тн ун и зывают, поколениях, фундаментальных частиц: легкие и-, «1-кварки и легкие лептоны е, ч, образуют первое такое поколение; более тяжелые с- и з-кварки вместе с мюонами и мюонными нейтрино составляют второе поколение; и, наконец, самые тяжелые кварки (1 и Ь) и лептоны (т, ч,) входят в состав третьего поколения. По-видимому, должны существовать какие-то процессы, в которых кварки переходят в лептоны, а различные типы лептонов (е, )«, т) также испытывают взаимные превращения.
Поиски таких явлений, в которых, хоти и с очень малой вероятностью, но все же имеет место несохранение барионного и лептонных зарядов, представляют огромный интерес для современной науки. Например, сейчас во многих лабораториях мира интенсивно ведутся поиски распадов протонов на более легкие частицы (р -е++у; р-»е'+и»; р — »(»'+п«и т, д.). Из-за большой массы протона в таких распадах должна выделяться значительная энергия, Поиски распада протонов проводятся на сложных установках с большими «чувствительными объемами» вещества. Термин «чувствительный объем» означает, что если какой- нибудь нуклон в этом объеме распадается на легкие частицы, то такой распад будет зарегистрирован. Чувствительные объемы существующих и строящихся сейчас установок содержат в себе 10" — 10" нуклонов, а экспозиции на этих установках длятся годами.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
