Д.В. Сивухин - Общий курс физики. Том 5. Атомная и ядерная физика (1121281), страница 195
Текст из файла (страница 195)
ХЪЧ Элементарные частицы 758 зарядам. Законы сохранения допускают возможность реакции а э с+д+Ь. (109.6а) (109.7) и — > р+е +Ре. Перенесем антинейтрино Р, справа налево, заменив его на нейтрино и,. Получим и,+п-эр+е (109.8) Мы получили реакцию взаимодействия нейтрино с нейтроном с образованием протона р и электрона е Возьмем, далее, процесс комптоновского рассеяния кванта на элек- троне у+е э у+с (109.9) Здесь частица 7 совпадает со своей античастицей. Перенесем ее слева направо, а электрон с соответствующей заменой — справа налево. Возникнет процесс е +е э у+у, (109.10) выражающий аннигиляцию пары е+е с испусканием двух 7-квантов.
Более интересен следующий пример. Процесс распада Е -э р+е +Р, в принципе возможен, но его не наблюдают, так как идет распад Ев — э — э Лв + 7, который на 12 — 13 порядков более вероятен. Однако взаимодействие, приводящее к этому процессу, можно изучать в нейтринных опытах: и,+рэЕ +с~, ил + р — 1 Е~+ рт. 8 110. Кварковая модель адронов 1.
Обилие уже открытых и вновь открываемых адронов (в том числе резонансов) наводит на мысль, что все они построены из какихто других, более фундаментальных частиц. С наибольшим успехом эта идея реализована в кварковой модели адронов. Кварковая модель объясняет не только систематику, но и динамику адронов. Она приводит Вообще, если какую-либо частицу или группу частиц перенести из одной части равенства в другую, заменив их античастицами, то получигпсл соотношение, выразюающее возмозюную новую реакцию. При доказательстве не использованы законы сохранения энергии, импульса и момента импульса. Но их и не надо было учитывать, так как эти величины характеризуют не сами частицы, а состояние их движения.
А эти состояния могут изменяться в широких пределах, определяемых не законами сохранения, а начальными условиями. Аналогично, при переносе частиц из-за вращения изоспинов в изотопическом простравсгве получатся состояния с требуемыми суммарными изоспинами. Приведем примеры. Возьмем реакцию распада яейтрона 1ПО) Кварновал модель адронов 759 и, с,1 (заряд 2/3); е1, в, Ь (заряд — 1/3).
(П0.1) Кварк в является носителем странности, с очарования, Ь красоты (прелести). Протон состоит из двух и-кварков и одного д-кварка (р — е иид), нейтрон состоит из одного и-кварка и двух е1-кварков (и -е ие1а). Их античастицы построены из антикварков: р †> и и а,и †> и е1е1. 2. Мезоны построены из двух частиц: кварка и антикварка. Поэтому их барионное число равно нулю. Посмотрим, какие комбинации из двух таких частиц могут быть составлены из трех самых легких кварков и, е1, и и их антикварков и, е1, ей Очевидно, всего таких комбинаций будет девять: иа, ив, сЫ, дв, ии, (110.
2) Кварки и антикварки могут входить в эти (и всякие другие) комбинации с различными орбитальными угловыми моментами. Спины кварков и антикварков могут различно ориентироваться друг относительно друпм Общий угловой момент составленной нз кварков и антикварков частицы (античастицы) найдется по правилу векторного сложения спинового и орбитального моментов. к массе оправдывающихся предсказаний и в настоящее время считается общепризнанной. В 1964 г. Гслл-Манном и независимо от него Цвейгом (р. 1937) была выдвинута гипотеза, подтвержденная дальнейшими исследованиями, что все адроны построены из более фундаментальных частиц, которые, по предложению Гелл-Манна, были названы яварнами, На основе кварковой гипотезы не только была понята структура уже известных адронов, но и предсказано существование новых.
Ниже дается понятие о кварковой модели без каких-бы то ни было претензий на полноту и обоснованно полученных результатов. К настоящему времени установлено существование пяти разновидностей (или так называемых ароматов) кварков; и, д, в, с, Ь. Их массы: т. — 5 МэВ, тв = 7 МэВ, т, — 150 МэВ, т, = 13 ГэВ, ть — 5 ГэВ. На эти данные надо смотреть как на оценочные и грубо ориентировочные, так как кварки в свободном состоянии не наблюдались и поэтому их массы нельзя было измерить прямыми методами (см. п. 7). Неоднократно поступали предварительные сообщения об открытии 1-кварка (гп, > 22 ГэВ), но окончательно существование 1-кварка еще не установлено. Каждому кварку соответствует свой антикварк. Все кварки имеют спин 1/2 и барионный заряд 1/3.
Кварки и, с, 1 называют верхними, так как они имеют дробный электрический заряд +2/3. Остальные кварки д, в, Ь с электрическим зарядом — 1/3 принято называть нижни и. В соответствии с этой терминологией кварки можно расположить в таблице: ) Гл. ХУ1 Элементарные частицы 760 Допустим, что все кварки не обладают орбитальными угловыми моментами; все их моменты чисто спиновые.
Допустим, далее, что спины кварка и антикварка направлены прогивоположно. '!огда каждая комбинация представляет мезон со спинам l = О. Наиболее легкие заряженные мезоны предптавляются комбинациями ие1 и ди. Это— к-мезоньп (110.3) Нейтральный ка-мезон состоит из таких же кварка и антикварка. Но он представляет собой линейную суперпозицию состояний ии и ей1. Он с равной вероятностью может находиться в состоянии ии и в состоянии сй. Более тяжелые К-мезоны содержат кварк е и антикварк й: К =ие, К =ага, К:О=ее1, К' =еи.
(110.4) К~ и К являются часгицей и античастицей по отношению друг к дру- — 0 гу. То же относится к Ка- и К -мезонам, которые, таким образом, не являются истинно нейтральными частицами: Ка-мезон отличается — Π— 0 от своей античастицы К странностью. У К -мезона странность +1, а у Ка-мезона странность — 1. С этим связано то, что Ка в отличие — а от К слабо поглощаюгся веществом.
Дело в том, что странность всех барионов отрицательна или равна нулю. Поэтому поглощение Ка веществом может происходить лишь с несохранением странносги, т. е. из-за слабого взаимодействия. Масса К+-мазанов равна 493,7 МэВ, нейтрального Ка-мазана 497,7 ЫэВ. Частицы, содержащие е-кварк, являются странными, а сам е-кварк называется странньые кварком. Диагональные члены иа, ен1, ее соответствуют нейтральным мезонам. Линейная суперпозиция двух первых из них, как уже отмечалось выше, представляет ка-мезон. Двум остальным линейным суперпочициям ии+ ей4 и ей соответствуют истинно нейтральные частицы: 9- и г1'-мезоны с массами соответственно 548,8 и 957,6 МэВ.
Допустим по-прежнему, что орбитальных угловых моментов у кварков и антикварков нет, но их спины направлены параллельно. В этом случае возможны те же девять комбинаций кварков с антикварками. Однако спин каждой комбинации будет 1. Этим комбинациям соответствует дева гь более тяжелых мезонов: 3. Обратимся теперь к барионам. Спин их полуцелый. Следовательно, если кварки не обладают орбитальными моментами, то барионы должны быть построены из нечетного числа частиц. Рассмотрим случай, когда такими частицами являются кварки и, д, е. Спин бариона может быть равен либо 1/2 (когда спины двух кварков параллельны, а спин третьего направлен противоположно), либо 3/2 (когда спины 6 По) Кварковал модель адронов 761 всех кварков параллельны).
В первом случае образуется октет (восьмерка) барионов: р(ииа), п(иай), А~(иаг), Х (Йаг), Х~(иаг), Е '(ииг), Б 1йвг), Б~(илг). Барионы со спинам 3/2 образуют декуплет (десятку) барионов: Й -гиперон, находящийся в вершине этого перевернутого треугольника, был предсказан на основании кварковой модели барионов и обнаружен экспериментально в 1964 г. Были предсказаны и его свойства— масса, странность, время жизни; все это подтвердилось на опьгге.
4. Триумфом кварковой модели является открытие очарованных частиц. Первая очарованная частица была открыта в 1974 г. двумя группами экспериментаторов независимо друг от друга: на протонном ускорителе в Брукхейвене (США) при бомбардировке протонами ядер Ве и на ускорителе со встречными электронно-позитронными пучками в Стэнфорде (США). Первая группа назвала открытую частицу мезоном д, а вторая — мезоном гр. Поэтому обнаруженный мезон и получил двойное название,У/ф. Его масса 3,096 ГэВ.
Замечательная особенность вновь открытой частицы состоит в се относительно большой долговечности. Ее ширина 60 кэВ, тогда как обычные ширины для частиц таких энергий 10 — 70 МэВ, что примерно на три порядка больше. Этот факт, как и в случае странных частиц, указывает на запрет по какому-то новому квантовому числу. В результате было введено квантовое число С, получившее название очарования, или шарма (по- английски сЬапп -- очарование).
Ему соогветствуег новый кварк с. В кварковой модели очарование определяется как разность между числом кварков (с) и антикварков (с). Частицы с очарованием, отличным от нуля, называются очарованными. Очарование подобно странности сохраняется при сильных и электромагнитных взаимодействиях, но не сохраняется при слабых. Распады очарованных адронов происходит за счет слабого взаимодействия, при этом очарование меняется на единицу, //р-мезон построен из кварка с и антикварка с (l/ф = сс). Его очарование равно нулю и относят его к числу мезонов со скрытьии очарованием. Скрытое очарование у частиц проявляется в том, что они легко распадаются на очарованные частицы, если распад не запрещен законами сохранения энергии и импульса, а распады на неочарованные частицы сильно подавлены (так как подавлена аннигиляция сс в более мелкие кварки), т.
е. происходят с малой вероятностью. [Гл. ХЪЧ Элементарные частицы 762 По своей структуре квантовая система сс, называемая чармонием, напоминает атом водорода (скорее, позитрония). Однако последний всегда называется а«номом водорода независимо от того, в каком из возбужденных состояний он находится. Напротив, различные возбужденные состояния чармония (и любых других кварковых систем) условились считать различными частицами и обозначать различными символами.
Мезон д,>«р является одним из воэбуэ>сдеп>«ь«х состолаий 'чармонил. После него было открыто несколько возбужденных состояний чармония. Были открыты и мезоны с явным очарованием; 1,> = Тг+ —,(В+5+ С+6). 1 (110.5) В частности, эта формула применима для нуклонов. У них Я = С = = Ь = О, В = +1, для протона Тг = +1>>2, для нейтрона Тз = — 1>>2. 6. Успешная классификация адронов на основе кварковой модели явилась веским аргументом в ее пользу. Другим аргументом являются опыты по прямому просвечиванию нуклонов и других адронов высокоэнергетическими электронами. Происходящий при этом процесс называется глубоконеупругим рассеянием. Теоретический анализ его привел к заключению, что внутри адронов электроны рассеиваются на точечных частицах с зарядами +2/3 и — 1,~3 и спинам 1>>2.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
