И.Е. Иродов - Квантовая физика. Основные законы (1129341), страница 37
Текст из файла (страница 37)
При этом странность в сильных и электромагнитных взаимодействиях сохраняется, а в слабых может меняться на +1. Злемеатарньм частвяы Представим сведения о барионных зарядах В и странности В адронов в табл. 9.3. Для соответствующих античастиц В и Я имеют противоположные знаки.
Таблица 9.3 ~ Мез Заряды ' 0 8 !О+ В реакции (9.5) протоны, будучи обычными частицами, странностью не обладают, их Я = О. Таким образом, 0 + 0 -+ 0 -1 +1, т. е. странность при рождении пары странных частиц сохраняется. Распады же странных частиц на обычные (у которых Я = 0) происходит с нарушением закона сохранения странности. Этим нарушением и объясняется медленность распада странных частиц. Шарм (очарование) С и красота (прелесть) Ь. Эти квантовые числа являются аналогами квантового числа странности 8. Они сохраняются только в сильных и электромагнитных взаимодействиях.
Поскольку квантовые числа С и Ь присущи немногим, причем экзотическим, частицам (В- и Р-мезоны, Лс-, Лз-барионы), мы этим и ограничимся. Ф 9.б. Четность Понятие четности возникает в связи с операцией инверсии. Мы знаем, что состояние микрочастицы описывается в квантовой теории 'У-функцией. Выясним, как может вести себя эта функция при так называемой иространстсекной инверсии, т. е. при переходе к координатам х', у', з', связанными с х, у, г как х'= — х, у' = — у, з'= — г, илн г' = — г.
Такие преобразования, как видно из рис. 9.1, представляют собой переход от правовинтовой системы координат к левовинтовой, и наоборот. Другими словами, пространственная инверсия состоит из зеркального Глаза 9 г отражения относительно плоскости, проходящей через начало координат О (ва рисунке — это « Х Ху-плоскость), и последующего поворота ва 180' вокруг оси, пер- У Х певдикулярвой этой плоскости (ва рисунке — это ось Я). В результате правый «вивт» (п) превращается в левый (и'). Особенностьпростравствеввой инверсии обусловлена зеркальным отражением. В связи с этим ее часто называют зеркальным отражением. Можно показать, что при пространственной инверсии в любой момент времени Ч'-фувкция или ве изменяется совсем, или у вее изменяется только знак. В первом случае состояние, описываемое функцией Ч'(г, Г), называют четным, во втором — нечетным.
Поведение Ч'-фувкции при инверсии зависит от внутренних свойств частиц, описываемых этой функцией. Говорят, что частица обладает соотзетственво положительной или отрицательной внутренней четкостью (Р = +1 или Р = — 1). Ввутреввяя четиость характеризует именно внутреннее свойство частицы наряду с такими величинами как масса, электрический заряд и спин. Четными являются, например, электроны, протоны и нейтроны. К нечетным относятся, например, л-мезовы. Отметим, что четвость, как величина сугубо квантового происхождения, ие имеет классического аналога. Четиость является важной физической величиной благодаря симметрии трех Фундаментальных взаимодействий (сильвого, электромагнитного и грзвитациоивого) по отношению к зеркальным отражениям.
Все фундаментальные взаимодействия (за исключением слабого) происходят одинаково как в физических системах, так и в системах, являющихся их зеркальными копиями. Это называют также инеариантноетью фундаментальны~ взаимодействий (за исключением слабого) относительно простраиствеивой инверсии. Данную симметрию выражает закон сохранения четкости: Четноеть неантозозо состазнил не зависит от времени при условии, что влияние слабых взаимодействий пренебрежимо мало. Существеиво отметить, что как зеркальная симметрия, так и выражающий ее закон сохранении четности справедливы с точностью до эффектов, обусловленных слабыми взаимодействиями. Но из-за «слабости» последних ими можно пренебречь для подавляющего большив- Эземевтараые чаетэяы ства микрочастиц, и в этих случаях четность является достаточно добротным квантовым числом. Однако в процессах, где основным аффектом являются слабые взаимодействия (например, ()-распад ядер, или процесс Кз -+ х'+ л ), наблюдается несохранение четности, т.
е. физическое неравноправие левого и правого по отношению к этим взаимодействиям. Теоретически зто предсказали Ц. Ли и Ч. Янг (1956). Они также предложили идею опыта, который был осуществлен Ву Цзянь-сун и ее сотрудниками. Суть идеи в следующем: если правое и левое в природе неразличимы, то при 8-распаде вылет электронов в направлении спина ядра и в противоположном направлении должен быть равновероятен. Действительно, при зеркальном отраже- нии ядра направление его »вращения», т. е. направление спина, изменится на противоположное (рис.
9.2, где направление спина пока- а) ззно двойной стрелкой). Если ядро испускает электроны с равной вероятностью в обоих направлениях (рнс. 9.2, а), то зеркальное отраженке ядро (спин) — электроны будет неотличимо от самой системы (они лишь повернуты относительно друг друге не 180' вокруг оси, перпендикулярной зеркзлу 3). Если же электроны испускэются преимущественно в одном направлении (рис.
9.2, о), то»левое» и ° правое» становятся различимыми. » В опыте Ву спины ядер б-активного кобальта зэСо ориентировались с помощью мэгРис. 9.2 нитного поля в одном направлении. Оказалось, что электроны испускаются преимущественно в нзправлении, противоположном направлению ядерных спинов. Так была доказана экспериментально неравноправность правого и левого при слабых взаимодействиях (которыми обусловлен б-распад). 9 9.6. Изотопнческнй спин Оказывается, что сильно взаимодействующие частицы (адроны), весьма близкие по своим физическим свойствам„можно разбить на группы, называемые изотопическими мулътиплетами (дублеты, триплеты и т. д.). В каждом мультиплете частицы одинаковым образом участвуют в сильных взаимодействиях, имеют примерно равные массы и одинаковые бариоииый заряд, спин, внутреннюю четность, странность, отличаясь друг Глава 9 от друга электрическим аарядом.
В отсутствии электромагнитных и слабых взаимодействий все свойства таких частиц были бы одинаковыми. Эту по существу независимость от электрических зарядов называют изотопической (или зарядовой) независимостью сильных взаимодействий. Так, протон и нейтрон объединяют в изотопическнй дублет. Зти две частицы рассматриваются как различные квантовые состояния одной и той же частицы — нуклона. Изотопнческие трнплеты — это, например, (и, ко, к') и (Е, 2о, Е+). Существуют и одиночные частицы, не входящие в мультиплеты, их называют синглетами (т)-мезон, Л- и Г)-гнпероны).
По аналогии с обычным спинам каждому зарядовому мультиплету приписывают определенное значение изотопического спина (короче изоспина) Т. Значение Т выбирают так, чтобы 2Т + 1 было равно числу частиц в мультиплете. Отдельным частицам мультнплета приписывают различные значения Т,— проекции изоспина на ось Я в воображаемом изотопнческом пространстве. Причем частице с ббльшим электрическим зарядом — большее значение Т,. Например, для нуклонов Т = 1/2, у протона Т, =+1/2, у нейтрона Т, = — 1/2; для и-мезонов* Т = 1, тогда для и', ио, н соответственно Т, равно +1, О, — 1.
С изоспином связан закон сохранения. При сильных взаимодействиях сохраняется как изоспин Т, так и его проекция. При электромагнитных — только Т„сам же нзоспнн Т не сохраняется. Слабые взаимодействия протекают как правило с изменением изоспина Т. Понятие изоспина оказалось весьма плодотворным.
На основании изотопической инвариантности удается предсказать существование, массу и заряд новых частиц. Именно так были предсказаны существование и свойства частиц но, Еэ, Ео по известным ис, Х* и Б . В заключение заметим, что понятие изос- пина плодотворно используется не только по отношению к эле- ментарным частицам, ио и к атомным ядрам. Тот факт, что в случае х-мезонов в одном зарядовом мультиплете объединяются частица (з') и античастица (л '), объясняется тем, что частицы, входящие в мультинлет, должны отличаться только величиной нли знаком злектрического заряда.
Все остальные величины частиц мультиплета должны быть одинаковыми, что н имеет место для всех трех компонент данного триплета. Элемевтервые чае»вам б 9.7. Кнарковая модель адронов Кварки. Большое разнообразие адронов заставило усомниться в их «элементарности» и побудило к поиску более фундаментальных, первичных частиц, нз которых они могли бы быть построены. Б настоящее время внутренняя структура не обнаружена только у фотона и лептонов. А составной характер адронов уже доказан (теоретически и подтвержден экспериментально).
Первоначально гипотеза о том, что все адроны построены из частиц, названных кваркаэ«и, была выдвинута Гелл-Манном и Цвейгом в 1964 г. На основе кварковой гипотезы была не только понята структура уже известных адронов, но и предсказано существование новых. Ниже кварковая модель адронов будет представлена в своем современном виде. К настоящему времени установлено существование пяти типов (или ароматов) кварков: и, «(, э, с, Ь. Все кварки имеют спин 1/2 и барионный заряд В = 1/3.
Остальные свойства этих частиц (т. е. соответствующих квантовых чисел) приведены в табл. 9.4. Таблица 9.4 Таким образом, кварки разительно отличаются от всех известных до сих пор частиц дробностью своих зарядов 9 и В. Кварк з является носителем странности, с — шарма (очарования), Ь вЂ” красоты. Соответствующие антикварки отличаются от кварков знаками зарядов 9, В, Я, С и Ь. Глава 9 Сравнивая заряды кварков с зарядами мезонов и барионов, мы приходим к выводу, что каждый мезон является парой кварк — антикварк, а каждый барион состоит нз трех кварков. Действительно, только кварк-антикварк имеет В = 0 н только три кварка образуют частицу с полуцелым спинам и барионным зарядом В = 1.
В табл. 9.5 приведен кварковый состав некоторых адронов, спин которых указан в скобках. «Ориентация» спиноз кварков н антикварков здесь показаны условно стрелками. Таблица 9.5 з»(0) ' е (О) р(1/2) н(1)2) ~ й (312) Частицы Г 1 Состав иг)()'«) , 'йг)(т«) ииб(т«1) иЩГ«Г) ~ гзг(111) Заметим попутно, что истинно нейтральный лс-мезон состоит из таких же кварка н антикварка.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
