Д.В. Сивухин - Общий курс физики. Том 5. Атомная и ядерная физика (1121281), страница 193
Текст из файла (страница 193)
Эти антинейтрино и взаимодействовали с протонами вещества. Примеры (108.1) и (108.2) показывают, чго нейтрино (как электронное, так и мюонное) не тождественны своим античастицам. В 1962 г. было установлено (в частности, по отсутствию реакции ря + п — г е' + р), что и, и ы„-- разные частицы. После этого и были введены разные лептонные заряды 7 е и 1 о. Аналогично обстояло дело с введением т лептонов и таонных нейтрино н„р и соответствующего им лептонного заряда 1,. 4. Из закона сохранения барионного заряда следует, что протон не может превратиться, например, в позитрон и фотон, хотя при таком превращении не нарушались бы ни закон сохранения энергии, ни другие уже рассмотренные выше законы сохранения.
Если бы такое превращение было возможно, то оно неизбежно привело бы к аннигиляции атомов вещества, так как образовавшиеся позитроны аннигилировали бы с электронами атомных оболочек. Из того же закона следует, что антибарион может рождагься только в паре со своим барионом. Так, антипротон рождается в реакции р+р — г р+р+р+р.
При столкновении двух протонов могут возникнуть и два антипротона. Но тогда появятся и два новых протона -- всего получится шесть частиц, а это значительно повысит порог реакции (см. З 107, п.4). Аналогично, среди продуктов распада бариона должен обязательно присутствовать также барион. Могут появиться и несколько барионов, но совместно с антибарионами, число которых будет на единицу меньше. Все сказанное относится и к лептонам. Не исключено, что барионный заряд не всегда строго соблюдается. В так называемой теории великого объединения допускается возможность распада протона на более легкие частицы., например р — г по+е+.
Такой распад был бы связан с изменением барионного заряда. Экспериментально распад протона пока не обнаружен. На опыте установлено, что время жизни протона т ) 10эз лет. ЗАДАЧИ 1. Определить порог рождения антипротона: а) при соударении электрона с покоящимся протоном; б)при соударении электрона с покоящимся электроном; в) пря соударенви фотона с покоящимся протоном; г) при соударении фотона с покоящимся электроном.
~Гл. ХЧ! Элелгентарньге частицьг 752 Указание. Задачи решаются аналогично задаче из 3 107, п. 4. При выборе соответствующей реакции необходимо руководствоваться законом сохранения барионного заряда. В частности, надо учесть, что антипротон всегда рождается в паре с протоном. В соответствии с этим надо выбрать реакции: а) е +р — ле -~р~-рт-р, (108.3) б) (108.4) е -Ле — ле -!-е -!-Рер, 7+Р ~7+Р' Р+Р (108.5) в) г) 74-е -~74-е 4-р '-р.
(108.6) При рассмотрении реакций с участием 7-квантов надо использовать соотношение Рт = — рт. Порог реакции соответствует случаю, когда энергия 7-кванта после реакции стремится к нулю. Пороги приведенных реакций соответственно равны: а) 4тр -~- 2т, = 3,754 !"эВ, 2тр (трггт, + 2) = 3446 ГэВ, б) (108.4а) в) (108.5а) 1108.6а) 4тр — — 3,753 ГэВ, 1) гпр — — 1724 1'эВ. г) 2 (т,!т, 4- 2. Определить порог реакции Р гр ~Р+Р+Я . 1108.7) О т в е т. 2 т р 2т р -~- — =- 284 МэВ. 2тр (108. 7а) гл, -1- 3 -э тк.
Для мюона Наконец, для нейтрино Р„ =- 3 . Из этих трех уравнений однозначно получаелг (так как йр ~ г" ) 2 тк 2 ' 2тк г тк плр 2 2гпк Итак, более легкая частица (нейтрино) получает меныпую энергию. Не противоречит ли это известному утверждению, что при распаде неподвижной 3. К~-мезоньг распадаются по схеме К э р~ + ью По мере уменьшения скорости мезона в среде след его становится все более извилистым и запутанным — частица начинает беспорядочно блуждать между атомами.
Наконец, след обрывается из-за остановки частицы. Из точки остановки исходят две частицы — д~ и рю Заряженный мюон р~ оставляет след, нейтрино следа ие оставляет. По следу заряженной частицы и можно судить о характере процесса. Рассчитать энергию мюона и нейтральной частицы в точке, из когорой они исходят. То же самое сделагь, заменив К~-мезон я~-мезоном, т.е. для распада я~ — л р" +рю Решение. Полная энергия остановившегося мезона равна его массе тк, . Если йе и 3„— полные энергии мкюна и нейтрино в момент их образования, то 3 109) Другие законы сохранения и квантовые числа 753 частицы большая энергия уносится меньшей частицей? Нет, не противоречит. Это утверждение относится не к полной, а к кинетической энергии. Кинетические энергии частиц будут бп"" — — — — — + т„1 — — — — — - =- 132 МэВ, ткч 7 ти 2т..
) 2 2ткч В случае реакции с к~-мезоном справедливы те же формулы, если сделать замену тк г — ч т . Для этого случая получается Рп " —— — 4,36 МэВ, Р„""" =- =- 29,8 МэВ. Так как согласно общему правилу (107.4): ткэ»> тп, т г > > то, то всегда получается р","" > р~"". Найденные числа поучительны еще в одном отношении. Кинетическая энергия мюона в соучае распада Кт-мезона равна 162 МэВ, тогда как в случае распада кч-мезона оиа составляет всего 4,36 МэВ.
Отсюда следует, что трек мюона при распаде останавливающегося Кч-мезона должен быть во много рвз длиннее трека мюона при распаде к~-мезоиа. Это позволяет отличить один распад от другого. 9 10Я. Другие законы сохранения и квантовые числа 1. Было замечено, что гипероны интенсивно рождаются при столкновениях адронов высоких энергий. Это указывает на го, что их рождение связано с сильно~ми взаимодействиями. Поэтому казалось бы, что время жизни гиперонов должно быть порядка 10 ~г с, что характерно для процессов, связанных с сильными взаимодействиями. Это время жизни примерно в 10чз раз меньше найденного экспериментально для гиперонов.
Это казалось странным. Проблема указанного странного поведения частиц была решена на основе гипотезы парного рождения частиц, подтвержденной на ускорителях. Было установлено, что при столкновениях х-мезонов и нуклонов с нуклонами гипероны всегда рождаются парами, или большими группами совместно с К-мезонами или другими гиперонами. Ранее наблюдалось совместное рождение только частиц с античастицами. Здесь же парами рождались совсем другие частицы.
Например, при столкновении протонов наблюдалась реакция р+ р р+ Ло+ К- (109.1) причем Ло-гиперон появлялся только совместно с К '-мезоном или Е~-гипероном, но никогда не появлялся вместе с К -мезоном или Е -гипероном. Гипероны и К-мезоны были названы страни ми частицами. Для К-мезонов также характерны относительно большие времена жизни (и даже на 1 — 2 порядка большие, чем у гиперонов). Это время, как и для гиперонов, того же порядка, что и у заряженных пионов.
Но последние распадаются в результате слабого взаимодействия главным )Гл. ХИ Элелгенторниге частицы 754 образом по схеме (109.2) — гге е ~и гг — гге +рр. Это наводит на мысль, что гипероны и К-мезоны распадаются также за счет слабого воагглгодег1ствил. Все факты свидетельствуют, что это действительно твк. В частности, относительная вероятность слабых взаимодействий в исследуемой области энергий на 12 — 14 порядков меньше вероятности сильных взаимодействий. Это и ведет к увеличению времени жизни примерно в то же число раз. 2. Для количественного описания парного рождения и истолкования относительно большого времени жизни странных частиц ГеллМанн (р.
1929) и независимо от него Нишиджима (р. 1926) ввели новое квантовое число Я, которое было названо странностью. Новедение странных частиц можно объяснить, если предположить, «то частио — о цы Л, Х4, Е, Е~, К, К имеют странность — 1, частицы Л, Е, Š— — -о е., К, К странность+1, частицы Б, Б странность — 2, частицы Й, Й вЂ” странность +2, частица й — странность — 3, а нуклоны, пионы и г1 -мезоны лишены странности. Далее, надо предположить, что странность аддитивна, в сильных и электромагнитных взаимодействиях она сохраняется, а в слабых может меняться на ~1.
Странные частицы рождаются в сильных взаимодействиях. Так как при этом странность не меняется, то странные частицы могут рождаться только парами частиц с противоположными странностями. Вот почему в реакции (109.1) появляются две частицы Л и Кг с противоположными странностями, но не частицы Ло и К, имеющие странности, знаки которых совпадают. В реакции + -о+ + Ко+ К-г (109.3) одновременно вместе с частицей Во, странность которой равна -2, появляются два странных мезона К и К+, суммарная странность которых равна+1+ 1 = 2. В процессах распада странных частиц меняется странность продуктов распада. Это указывает на то, что эти процессы не вызываются сильными и электромагнитными взаимодействиями.
В противном случае странность не менялась бы. Значит, за распад странных частиц ответственны слобьге силы. Вот почему скорость распада уменьшается в 10~~ — 10ге раз по сравнению со скоростями распадов, вызываемых сильными взаимодействиями. Сильные взаимодействия не способны вызывать распад странных частиц. Масса странных частиц (язонов, Ло, Е~, Во, Е, й -гиперонов) такова, что распады их с сохранением странности на более мелкие частицы невозможны; таким образом, эти распады не могут происходить благодаря сильному взаимодействию, в котором странность сохраняется. Например, если бы было Мгг > Ми + М„.г, то мог бы происходить распад Е+ -э и + я+.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
