Д.В. Сивухин - Общий курс физики. Том 5. Атомная и ядерная физика (1121281), страница 188
Текст из файла (страница 188)
Из формулы видно, что для проникновения на расстояние 10 'ь см требуется энергия, превышающая примерно 100 ГэВ, Именно энергия такого порядка потребовалась, например, для получения промежуточных векторных базанов «)гг и Яо. 4. Наиболее характерным свойством элементарных частиц, связанным по современным представлениям с корпускулярно-волновым дуализмом, является их способность рождатьсл и взаимопревращатьсл друг в друга при столкновениях. Р!ри этом полная (релятивистская) энергия сохраняется,т.е.полная энергия всех частиц до столкновения равна полной энергии всех частиц после столкновения. Например,при столкновении движущегося протона с неподвижным протоном может происходить реакция й 104) Что такое элементарные частицы 73а системой в ее поступательном движении и не участвует в реакции (см.
задачу 3 к 3 108). Вторая характерная черта элементарных частиц состоит в том, что подавляющая часть их нестабильна. Частицы самопроизвольно распадаются. Среднее время жизни т частицы в свободном состоянии меняется в широких пределах -- от 10 а« с до бесконечности (для протона, например, экспериментально установлено, что т ) 10га лет). Распад элементарных частиц и их взаимопревращаемость друг в друга ставят под сомнение сам смысл вопроса: «Из чего состоит частица7» Например, при распаде нейтрона (и — » р+ е + р,) возникают новые частицы: протон, электрон и антинейтрино. Но это не означает, что нейтрон состоит из таких частиц.
На опыте констатируется только, что эти частицы роээсдалотсл в результате распада нейтрона. Нейтрон в той же мере элементарен, что и протон. Новые частицы могут рождаться и при распадах и взаимодействиях других частиц. Частицу можно считать сложной, построенной из нескольких других частиц в том случае, когда энергия связи каждой из составляющих частиц много меньше ее энергии покоя. Именно в чаком смысле надо понимать утверждение, что атомное ядро состоит из протонов и нейтронов. 5.
В 3 63 1п. 9) уже говорилось, что все процессы и явления в природе осуществляются в результате четырех взаимодействий: сильных, электромогнитвых, слабых и гравитациашгых, Сравнение интенсивностей этих взаимодействий приобретает определенный смысл только тогда, когда точно указаны условия,при которых происходит сравнение. В 3 63 проводилось сравнение при условии, что средние кинетические энергии сталкивающихся частиц порядка 1 ГэВ. Сильное взаимодействие вызывают процессы, протекающие наиболее быстро по сравнению с другими процессами.
Оно обеспечивает и самую сильную связь элементарных частиц. В частности, связь между нуклонами в атомных ядрах обусловлена сильным взаимодействием. Им объясняется исключительная прочность атомных ядер, лежащая в основе стабильности вещества в земных условиях. Электромагнитное взаимодействие сводится к взаимодейсгвню электрических зарядов (и магнитных моментов) частиц с электромагнитным полем. Процессы, связанные с электромагнитным взаимодействием, протекают значительно менее быстро, чем процессы, вызываемые сильным взаимодействием. Электромагнитное взаимодействие обеспечивает связь электронов в атомах, ионов в кристаллах, атомов в молекулах.
Электромагнитное взаимодействие (наряду с тяготением) играет основную роль в окружающем нас макроскопическом мире. Это связано с тем, что радиус действия сильных взаимодействий порядка 10 гэ см и на больших расстояниях сильное взаимодействие фактически исчезает. Электромагнитное же взаимодействие 1и тяготение) характеризуется бесконечным радиусом действия. Слабое взаимодействие, как показывает само название его, вызывает очень медленно протекающие процессы с элементарными частицами. Хорошей иллюстрацией этого может служить исключительная слабость взаимодействия нейтрино низких энергий с веществом (см.
3 74). [!'л. ХЪ'1 Элементарные частицы 736 Ведь нейтрино свойственно одно только слабое взаимодействие. Со слабым взаимодействием связана также относительная медленность распада квазисзабильных частиц. Время жизни большинства этих частиц лежит в диапазоне 10 "— 10 ш с, тогда как время жизни сильно взаимодействующих частиц составляет 10 зз — 10 и с. Интенсивность слабого взаимодействия растет с энергией (в системе центра масс). При Мш слабое взаимодействие сравнивается с электромагнитным. Гравитационное взаимодействие доминирует в случае больших макроскопических масс (планет, звезд).
Но в мире элементарных частиц, ввиду малости их масс, даже на самых малых характерных для них расстояниях порядка 10 ш см это взаимодействие ничтожно. В физике элементарных частиц при современном ее состоянии гравитационное взаимодействие не учитывается. Оно, возможно, существенно лишь на расстояниях порядка 10 зз см.
В 105. Классификация элементарных частиц 1. Все частицы (в том числе и неэлементарные частицы и квазичастицы) разделяются на бвзопы и фермиоиы. Бозонами (или бозе-частицами) называются частицы или квазичастицы, обладающие нулевым или целочисленным спинам. Вазоны подчиняются статистике Бозе- Эйнштейна (отсюда и происходит их название). К бозонам относятся: гипотетический гравитон (спин 2), фотон (спин 1), промежуточные векторные бозоны (спин 1), глюопы (спин 1), мезоны и мезониые резонансы, а также античастицы всех перечисленных частиц. Частицы или квазичастицы с полуцелым спинам называются фермиона.ми (или ферми-частицами).
Для них справедлив принцип Паули, и они подчиняются сзатистике Ферми-Дирака (отсюда и происходит их название). К фермионам относятся: лептвны, все барионы и баривнные резонансы, кварки (спин 1/2), а также соответствующие античастицы. 2. По времени жизни т различают стабильные, квазистаб льпые и резонансные частицы.
Последние для краткости называют просто резонансами. Резонансными называют частицы, распадающиеся за счет сильного взаимодействия с временем жизни 10 ~з с. Нестабильные частицы, время жизни которых превышает 10 гв с, распадаются за счет электромагнитного или слабого, но не засчет сильного взаимодействия. Эти частицы относят к квазистационарным. Время 10 вв с, ничтожное в обыденных масштабах, должно считаться большим, если его сравнивать с ядерным временем. Последнее есть время, требующееся свету на прохождение диаметра ядра (10 '~з см). Даже за время 10 ~в с свет успевает пробежать расстояние в 10з -10е нуклонных диаметров. За это время может совершиться еще много внутринуклонных процессов.
Вот почему частицы, названные нами квазистабильными, в справочниках называют просто стабильными. Впрочем, абсолютно стабильными частицами являются, по-видимому, только фотон 7, электрон е, протон р(?), электронное рм мюонное ри и таонное р нейтрино и их античастицы — распад всех этих частиц на опыте не зарегистрирован. й 105) Классификация элементарных частиц 737 Распады могут происходить по сильному, электромагнитному и слабому взаимодействиям. Наиболее быстро происходят распады по сильному взаимодействию таковы распады резонансов.
Квазистабильные частицы распадаются за счет слабого или электромагнитного взаимодействия. Они стали бы абсолютно устойчивыми, если бы можно было мысленно «выключитьу эти взаимодействия, оставив только сильное. Наиболее стабильными резонансами являются частицы,l/«р и Т, для которых т 10 го с. Они относятся к резонансам потому, что у них имеются каналы распада, обусловленные сильным взаимодействием, но эти распады подавлены законами сохранения очарования и красоты при сильных взаимодействиях (см.
З 110, пп. 4, 5). В силу малости времени жизни т, резонансы не обладают определенной массой. Это видно из соотношения неопределенносгей суй т = а. Резонансы описываются непрерывным спектром масс. Положение максимума этого спектра и называется массой резонанса. Ширина спектра Г определяется обычным соотношением Г = й)т. При очень малых временах жизни она бывает сравнима со значением самой массы резонанса. Именно ширина Г (а нс т) обычно и приводится в таблицах в качестве меры нестабильности резонанса. Так, при т = 10 ~з с получаем Г = 100 МэВ. Поэтому резонансами можно назвагь частицы с большой шириной спектра масс à — 100 МэВ. 3. Особую группу элементарных частиц составляют фотоны, являющиеся переносчиками электромагнитяого взаимодействия, и родсгвеиные им Чсх-, Хо-бозоны, являюп1иеся переносчиками слабого взаимодействия.
Эти четыре частицы образуют группу так называемых переносчиков взаимодействия. К переносчикам взаимодействия относятся и глюоньц а также гипотетические гравитоны. Все остальные частицы разделяются на лептоны и адроны. Лептонами называются частицы, не участвующие в сильных взаимодействиях и имеющие спин 1/2. В настоящее время установлено существование шести заряженных лептонов: электрон е ', тзоэитрог« е+, мюоны д~, тяэкелые лттзопы т ~ 1 твены), и соответствующих им шести нейтральных частиц; элекгаронное нейтрино и, и антинейтри~о ьм мюопнос пейтрипо ря и антинейтрино р„, таонное нейтрино и, и ангпинейтрино Р,. Нейтральные лептоны (нейтрино) не участвуют и в электромагнитных взаимодействиях. Все лептоны, на современном уровне знания, можно назвать истинно элеменпшрнъзми частицами, так как у них в отличие от адронов не обнаружена внутренняя структура.
В этом смысле лептоны называются точечными частиц ма. Мюоны были открыты в космических лучах Андерсоном вместе с Неддермайером в 1937 г. Наличие у мюонов собственного (мюонного) нейтрино было установлено позже — только в начале 60-х годов. т-лептоны были открыты в 1975 г. в Стэнфорде 1С111А) группой экспериментаторов во праве с Перлом (р. 1927) в опытах со встречными электрон — позитронными пучками. Тау-лептон получается в результате аннигиляции электрона и позитрона (е«+е — у т~+т ). Масса мкюна 24 д.в. Си«ухи«.
Т.у [Г . Х171 Элелгенторные частицы 738 ш„= 105,7 МэВ, время жизни т = 2,2 10 ь г, масса таона тг 1,8 ГэВ, время жизни г 5 10 ш с. Наши сведения о нейтрино очень неполные (см. и 74, п. 11). Особенно это касается д- и г-нейтрино. Даже в отношении электронного нейтрино нельзя категорически утверждать, равна ли масса этой частицы нулю или только очень мала. 4. Адронами называются элементарные частицы, участвующие в сильных взаимодействиях. Они, как правило, участвуют также и во всех других взаимодействиях электромагнитном и слабом. Эти частицы, в основном резонансы, составляют наиболее многочисленную группу элементарных частиц их насчитывается около 400. Адроны подразделяются на стабильные и квазистабильные адроны и резонансы. В свою очередь стабильные адроны подразделяются на эиезоны и барионы.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
