Д.В. Сивухин - Общий курс физики. Том 5. Атомная и ядерная физика (1121281), страница 190
Текст из файла (страница 190)
Позитроний — нестабильная частица, так как позитрон и электрон быстро аннигилируют с образованием 7-квантов. Парапозитроний аннигилнрует в два 7-кванта за время 1,25 10 ш с, а ортопозитроний в три 7-кванта за время 1,4. 10 7 с. Позитроний -- простейшая система, связанная чисто электромагнитными силами (без участия сильных взаимодействий). Поэтому изучение познтрония представляет особый интерес для проверки квантовой электродинамики. 4. В 1955 г. на ускорителе протонов в Беркли (максимальная энергия 6,3 ГэВ) группой американских физиков были открыл ы антипротоны.
Согласно закону сохранения барионного заряда (см. 6 108) антипротон может образоваться только в паре с протоном (или нейтроном, если позволяет закон сохранения электрического заряда). Антипротоны получались при столкновениях ускоренных прогонов с протонами же, входящими в состав ядер медной мишени. Пороговая энергия протонов (в лабораторной системе отсчета, где мишень покоится) равна 5,6 ГэВ (см. з 107, п. 4).
Система отклоняющих магнитов отбирала отрицательно заряженные частицы, подавляющее большинство которых составляли х -мезоны. Выделение антипротонов на подавляющем фоне х -мезонов и представляло главную трудность эксперимента (например, при энергии 6,2 ГэВ на 62000 х -мезонов приходился один антипротон). Массы частиц определялись измерением нх импульса (по отклонению в магнитном поле) и скорости.
Последняя определялась двумя независимыми способами: по времени пролета между двумя люмннесцентными счетчиками н счетчиками Черенкова. Черенковский счетчик был от ьюс"гирован так, что он регистрировал только частицы со скоростями, равными скорости антипротонов, а более быстрые хмезоны не регистрировал. На современных ускорителях получаются пучки антипротонов, содержащие до 106 частиц в пучке. Через год после открытия антипротона был получен и антинейтрои.
Антинейтроны получались перезарядкой антипротонов, т. с. в результате реакции р+р — > и+и. (106. 1) Элементарные частицы 742 Появление антинейтрона обнаруживалось наблюдением его аннигиляции с нуклонами. Будучи нейтральным, антинейтрон не ионизует атомы вещества, через которое он пролетает.
По этой причине антинейтрон не оставляет следа в детекторе. Однако при аннигиляции антинейтрона возникает несколько заряженных частиц, следы которых выходят из одной точки (звезда). б. Г!оскольку позитрон и антипротон так же стабильны, как и соответствующие им частицы, наряду с обычным веществом физика допускает существование и антивещества. Ядра атомов антивещества построены из антипротонов и антинейтронов. Их оболочки состоят из позитронов.
Первое антилдро — антидейтрон д — было получено в 1966 г. в ускорителе группой американских физиков под руководством Ледермана (р. 1922). В 1969 г. на ускорителе в Серпухове (76 ГэВ) под руководством Ю.Д. Прокошкина (р. 1929) было зарегистрировано ядро антигелия зНе, состоявшее из двух антипрогонов и одного антинейчрона. В 1974 г. там же было получено ядро антитритил зН. Оно состоит из одного антипротона и двух антинейтронов. Во Вселенной антивещество астрономами не обнаружено.
Не исключено, что во Вселенной антивещества и нет. (В первичных космических лучах число регистрируемых антипротонов примерно в 104 — 10 раз меньше числа протонов.) Причину такой асимметрии, если она существует, надо искать в происхождении и эволюции Вселенной. Аннигилируют не только электрон с позитроном, но и всякая частица со своей античастицей. Однако при аннигиляции тяжелых частиц и античастиц возникают не столько 7-квантьц сколько другие легкие частицы. Причина этого в том, что аннигиляция позитрона с электроном происходит в результате электаромагпитного взаимодействия, тогда как аннигиляция более тяжелых частиц и античастиц, являющихся адронами, вызывается сильным взаимодействием. Так, при аннигиляции протона с антипротоном доля появляющихся 7-квантов ничтожна по сравнению с долей н-мазанов.
Аннигиляция же с испусканием нескольких (больше двух) н-мезонов более вероятна, чем двухмезонная. Среднее число всех и-мезонов (заряженных и нейтральных), появляющихся при аннигиляции одного медленного протона с одним антипротоном, равно приблизительно 4,8, а одних заряженных 3,1. 8 107.
Законы сохранения энергии и импульса и их приложения 1. Законы сохранения в физике элементарных частиц играют значительно ббльшую роль, чем в макроскопической физике. Нам известны точные динамические законы, управляющие макроскопическими явлениями более детально, чем законы сохранения. Правда, и в макроскопической физике часто можно более быстро получить ответ с помощью одних только законов сохранения, не вникая в механизм явления. Но сами законы сохранения в макроскопической физике являются следствиями З 107) Законы сохранения энергии и импульса и их прилоэкения 743 динамических законов, так что здесь в принципе можно обойтись и без законов сохранения.
Иное положение в физике элементарных частиц. здесь не существует сколько-нибудь законченной теории, тогда как законы сохранения хорошо соблюдаются. Некоторые из них встречаются и в макроскопической физике, но большинство являются новыми. Кроме того, в микромире законы сохранения приобретают новую особенность, не свойственную аналогичным законам в макромире. В макроскопической области явление может и не происходить, если оно даже удовлетворяет всем законам сохранения. Например, если на пути шара, катящегося по горизонтальной плоскости, поставить достаточно высокий барьер, для преодоления которого энергии шара недостаточно, то по классическим законам шар не может оказаться по другую сторону барьера, хотя это и не противоречит закону сохранения энергии и другим законам сохранения.
Подобных барьерных запретов не существует в области микромира, поскольку там действуют квантовые законы (см. 3 28, с. 163). В микромире все явления должны происходить обязательно, если только они удовлетворянгт всем законам сохранения. Вероятность явления может быть очень мала, но оно рано или поздно произойдет, если только при этом будут соблюдены все законы сохранения. 2. Как можно считать сейчас установленным, каждый закон сохранения связан с какой-либо си метрией законоо природы, хотя и не для всех законов эта симметрия выяснена. Так, в основе законов сохранения энергии ги импульса р и момента импульса. М лежат соответственно однородность времени, однородность и иоотропия прострагштва.
Разумеется, сами по себе пространство и время еще не включают понятий о различных физических величинах. Об этом уже говорилось в томе 1. Сейчас же, предполагая, что изучающий ядерную физику уже успел ознакомиться с аналитической механикой, добавим, что перечисленные свойства пространства и времени в классической механике надо понимать в смысле инвариантности функции Лагранжа (или Гам льтона) относительно изменения начала отсчета времени, переноса начала координат и поворота координатных осей.
Аналогично обстоит дело и в квантовой механике,но на этом вопросе мы не будем останавливаться. К точным законам сохранения, выполняющимся при любых взаимодействиях, относятся законы сохранен я энергии, импульса, момеггта импульса, элекгарического заряда, барионного заряда и трех лептон; ных зарядов. Остальные законы сохранения: странности, очарования, красоты, изотопического спина и некоторые другие являются приближенными и выполняются не при всех взаимодействиях. Впрочем, следует заметить, что сохранение барионного и лептонного зарядов является эмпирическим законом и не имеет столь глубоких осяований, как сохранение Р, р, М.
Поиски явлений с нарушением барионного и лептонного зарядов — - одно из важнейших направлений современных эксперимонтальных исследований (см. 3' 108, пп. 3, 4). 3. Рассмотрим в этом параграфе важнейшие законы сохранения энергии и импульса и некоторые их применения. (Гл. ХЛ Элелчентарные частицы 744 В физике элементарных частиц помимо энергии покоя энергия встречается только в двух формах: кинетической и потенциальной Полная энергия й равна их сумме и связана с релятивистской массой системы соотношением й = тр, с .
В этом разделе физики принято ,г пользоваться системой единиц, в которой скорость света с принимается за единицу (постоянная й также принимается равной единице). Тогда полная энергия частицы й = тр, с = гпрын а квадрат четырехмерно- ,2 го вектора энергии импульса принимает вид 2 Рг 2 (107.1) где под т понимается масса покоя частицы, часто называемая также инвариаятпой массой (обозначение то не применяется; полная масса обозначена через тр,л). Таким образом, энергия, масса и импульс в указанной системе единиц имеют одинаковую размерность. Их единицей обычно служит гигазлектронвольт. 4. С помощью законов сохранения энергии и импульса можно определять энергетический порог той нли иной реакции между частицами.
Рассчитаем, например, порог рождения антипротона в реакции столкновения двух протонов: Р+Р ~ Р+Р+Р+Р. (107.2) Один из протонов (мишень) покоится, другой налетает на него. Требуется определить минимальную энергию налетающего прогона, чтобы эта реакция стала возможной. Таким образом, реакция рассматривается в лабораторной системе отсчета.
Перейдем на мгновение в систему центра масс. Тогда протоны перед столкновением будут двигаться навстречу друг другу,так что их суммарный импульс будет равен нулю. Очевидно, необходимая минимальная энергия получится тогда, когда все четыре частицы после реакции будут находиться в состоянии покоя. Теперь можно вернуться в лабораторную систему отсчета.
В ней все четыре частицы будут двигаться с одной и той же скоростью, а следовательно, и с одним и тем же импульсом (так как массы частицы и античастицы одинаковы). Пусть кинетическая энергия налетающего протона равна К', а, следовательно, полная энергия системы до столкновения равна й + 2тр. Импульс налетающего протона Р равен импульсу всей системы до, а следовательно, и после столкновения. Но после столкновения получается система четырех частиц, полная инвариантная масса которой равна 4тр.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
