И.Е. Иродов - Квантовая физика. Основные законы (1129341), страница 36

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 36)

Адроны подразделяют на мезоны и барионы. Мезоны — это адроны с нулевым или целочисленным спинам ( т. е. бозоны). К ним относятся я-, К- и ~)-меэоны„а также множество мезонных резонансов, т. е. мезонов с временем жиз- - 10 Барионы — это адроны с полуцелым спнном ( т. е. фермионы) и массами, не меньшими массы протона. К ним относится Элемввтэримечастацм нунлоны (протоны и нейтроны), гинероны и множество барионных резонвнсов. За исключением протона, все барионы нестабильны.

Нестабильные барионы с массами, большими массы протона, и большим временем жизни (сравнительно с ядерным - 10 зз с) называют гинеронами. Зто гипероны А, Е, В и (г. Все гипероны имеют спин 1/2, за исключением й, спин которого 3(2. За время т - 10 1э + 10 гэ с они распадаются на нуклоны и легкие частицы (я-мезоны, электроны, нейтрино, у-кванты). Сведем для наглядности основную систематику элементарных частиц в табл. 9,2. Таблица 9.2 Более подробно классификация элементарных частиц приведена в Приложении.

Пояснения к некоторым характеристикам частиц в этой таблице будут даны в дальйшем по мере надобности. 5 9.3. Античастицы Частицы и античастицы. Существование античастиц является универсальным свойством элементарных частиц. Каждой частице соответствует своя античастица: например, электрону е — позитрон е', протону р' — антипротон р, нейтрону и— антинейтрон л и т.

д. Позитрон и антипротон отличаются от электрона и протона прежде всего знаком электрического заряда. Антинейтрон отличается от нейтрона знаком магнитного момента. В общем случае античастица отличается от частицы только знаками так называемых зарядов (электрического, барионного„ лептонного, странности), с которыми связаны определенные законы сохранения (подробнее об этом в следующем параграфе). Глаза 9 232 Такие же характеристики как масса, спин, время жизни у них одинаковы. В некоторых случаях античастица совпадает со своей частицей, т.

е. все свойства частицы и античастицы одинаковы. Такие частицы называют истинно нейтральными. К ним относятся, например, фотон у, к'-мезон и д'-мезон. Понятия частицы и античастицы относительны, Электрон считают частицей, а позитрон — античастицей только потому, что во Вселенной преобладают именно электроны, а позитроны более экзотические частицы. Условившись считать электрон и протон частицами, далее с помощью законов сохранения можно однозначно установить, чем является каждая элементарная частица — частицей или античастицей (см.

пример в следующем параграфе). Аннигиляция и рождение пар. При встрече электрона с позитроном происходит их аннигиляция, т. е. превращение их в у-кванты, например так: е- + е' -+ у + у. Заметим, что один у-квант при этом излучиться не может: в этом случае нарушался бы закон сохранения импульса.

Это легко понять, если рассмотреть процесс в Ц-системе, где суммарный импульс электрона и позитрона равен нулю. Существует процесс, обратный аннигиляции, — рождение лор: у-квант может породить пару е+е . Для этого необходимо, чтобы энергия у-кванта была не меньше собственной энергии пары 2гл,сз. Этот процесс может происходить только в поле атомного ядра, иначе нарушался бы закон сохранения импульса. В самом деле„в Ц-системе суммарный импульс образовавшейся пары был бы равен нулю, тогда как импульс породившего ее у-кванта отличен от нуля. При наличии атомного ядра импульс у-кванта будет восприниматься ядром без нарушения закона сохранения импульса.

Пример. Определим наименьшую энергию у-кванта, е, при которой возможно рождение пары электрон-позитрон на покоившемся протоне: у+р -+ р+ е + е'. Злвмевтэрвые частваы Воспользуемся ивварнавтвостью выражения (П.З'), т. е. Е' — р' = т', записав левую часть равенства в Л-системе, а правую — в Ц-системе: (а„„„+ тр) — с~„р = (тр + 2т,)~, где учтена, что р, = а,, и тот факт, что все трв частицы в Ц-системе должны покоиться при с = с„„„. После раскрытия скобок в сокращения соответствующих слагаемых получим: а„„„= 2т,(1 + т,/тр) ~ 2т, = 1,02 МэВ. Аннигилируют не только электрон с позитроном, но и любая другая частица со своей античастицей.

Однако при аннигиляции тяжелых частиц и античастиц возникают преимущественно я-мезоны (доля у-квантов весьма мала). Это обусловлено проявлением различных типов взаимодействий: аннигиляция электрона с позитроном вызывается электромагнитнылр взаимодействием, тогда как аннигиляция более тяжелых частиц — адронов — сильным взаимодействием. 5 9.4.

Законы сохранения Роль ааконов сохранения. Законы сохранения играют особо важную роль в физике элементарных частиц. Это обусловлено следующими двумя обстоятельствами. 1. Они не только ограничивают последствия различных взаимодействий, но определяют также все возможности этих последствий, и поэтому отличаются высокой степенью предсказательности. 2. В этой области открытие законов сохранения опережает создание последовательной теории. Многие законы сохранения для элементарных частиц уже установлены из опыта, а соответствующие фундаментальные законы их поведения еще неизвестны. Поэтому законы сохранения играют здесь главенствующую роль и позволяют анализировать процессы, механизм которых еще не раскрыт.

Для элементарных частиц выполняется гораздо больше законов сохранения, чем для макроскопических процессов. Все эти законы подразделяются на точные и приближенные. Точные законы сохранения выполняются во всех фундаментальных взаимодействиях, а приближенные — только в некоторых. Глава 9 Точными являются законы сохранения энергии, импульса и яолгента импульса. Точными являются и законы сохранения всех зарядов (речь о них ниже).

Происхождение этих законов пока не устаыовлено. Ясно только одно: каждый из этих зарядов характеризует некое внутреннее свойство частицы. Необходимость введения зарядов (кроме электрического) было продиктовано многочисленными экспериментальыыми фактами, объяснить которые оказалось возможным только при допущении, что существуют заряды неэлектрической природы, которые также сохраняются. Установлено пять зарядов: электрический 9, барионный В, и три лептонных, Ь„Ь„и Л,. У всех элементарных частиц эти заряды имеют только целочисленные значеыия (заряд Я вЂ” это число единиц элементарного заряда). Барионный заряд.

Если барионам и антибарионам приписать барионный заряд В такой„что /+1 для барионов (нуклонов и гиперонов), '( — 1 для антибарионов, а всем остальным частицам — барионный заряд В = О, то для всех процессов с участием барионов и антибарионов суммарный барионный заряд будет сохраняться. Это и называют законом сохранения барионного заряда. Барионный заряд, как и все другие заряды, аддитивеы: для сложной системы частиц заряд каждого вида равен сумме зарядов того же вида всех частиц системы. Например, барионный заряд ядра атома равен сумме всех барионных зарядов нуклонов данного ядра. Другими словами, барионный заряд ядра равен его массовому числу А.

Согласно закону сохранения барионного заряда частицы с В = +1 или — 1 не распадаются только на частицы с В = О. Например, протон р ые может превратиться в позитроы е+ и фотон у, хотя это не запрещено законами сохраыения энергии, импульса, момента и электрического заряда. Запрет на это превращение связан с нарушением закона сохранения барионного заряда В: у протона В =+1, а у позитрона и у-кванта В = О. Если бы такое превращение было возможно, то зто неизбежно привело бы к аннигиляции атомов вещества, так как образовавшиеся позитроны аннигилировали бы с атомными электронами. Элемеятервме чеетяцм Из того же закона следует, что антибарион может рождаться только в паре со своим барионом.

Например, антипротон рождается в реакции Р+Р ер+Р+РеР Могут возникнуть и два антипротона, но тогда появятся и два новых протона. Лептоиные заряды. Существуют три вида лептонных зарядов: электронный А, (для е н «,), мюонный Ь„(для р н «„) н таонный Ь, (для т и «,). Здесь «„«„, «, — электронное, мюонное и таонное нейтрино. Из эксперимента следует, что зто разные нейтрино. С помощью лептонных зарядов легко интерпретируется установленный экспериментально закон, согласно которому в замкнутой системе при любых процессах разность между числом лептонов и антилептонов сохраняется (это же относится и к барионам).

Условились считать, что (+1 для лелтонов(е,«„р,«„; т,«, ); ~е 1'« '(-1 для антилеитонов (е,«,; р ',«„; т',«, ). Для всех остальных элементарных частиц лептонные заряды принимаются равными нулю. Закон сохранения лептонного заряда требует, чтобы при распаде, например, нейтрона (9.2) и — ер+е +«, вместе с электроном рождалось электронное антинейтрино, так как суммарный лептонный заряд этих двух частиц равен нулю. Тем самым мы уточнили выражения (8.1) и на стр. 20б: в них вместо «должно фигурировать «,. Вместе с тем из этого превращения (9.2) следует, что поскольку протон р — частица (В = +1), то частицей является и нейтрон л (тоже В = +1). Законом сохранения лептонного заряда объясняется невозможность следующих процессов: (9.3) «, + р е+ + н, «„ + р ч р+ + и, Глава 9 хотя другими законами сохранения они разрешены.

Процессы же (9.4) в, + р -ь е'+ и, г„+ р -ь р++ и, удовлетворяющие закону сохранения лептонного заряда, наблюдали экспериментально. Эти два примера показывают, что нейтрино (как электронное, так и мюонное) не тождественны своим античастицам. После того, как было установлено, что в, и г„— разные частицы, и были введены разные лептонные заряды Ц и 1.„.

Аналогично обстояло дело и с введением таонного лептонного заряда Ь,. Странность 8. Было обнаружено, что гипероны рождаются при столкновениях адронов высоких энергий. Значит их рождение связано с сильным взаимодействием, и время жизни гиперонов должно быть порядка 10 зз с (время, характерное для процессов, обусловленных сильным взаимодействием).

На опыте же было найдено, что их время жизни в 1019 раз больше. Такое поведение гиперонов представлялось странным. Оказалось также, что гипероны в этих процессах рождаются не поодиночке, а только парами. Например, при столкновении протонов: р + р -+ р + Лс + К', (9.5) причем Лэ-гиперон появляется только совместно с Х'-мезоном или с Е'-гипероном, но никогда не появляется вместе с К -мезоном или Б -гипероном.

Гипероны и К-мезоны назвали странными частицами. После рождения эти частицы медленно и независимо друг от друга распадаются за счет слабого взаимодействия. Для количественного описания парного рождения и медленного распада странных частиц было введено квантовое число 8 — странность. Поведение странных частиц можно объяснить, если считать, что частицы Лэ, Е и К имеют странность Я = — 1, частицы" — 8 = -2 и ь) -гиперон — 3 = — 3. У соответствующих античастиц странность одинакова по модулю, но противоположна по знаку.

Характеристики

Список файлов книги