Л.Л. Гольдин, Г.И. Новикова - Квантовая физика. Вводный курс (1129347), страница 87
Текст из файла (страница 87)
Первая из этих реакций происходит под действием трех взаимодействий; сильного, ответственного за начало реакции и за образование дейтерия, электромагнитного и слабого (генерация позитрона и нейтрино). Если было бы возможно «выключить» слабое взаимодействие, «погасло» бы наше Солнце и не было бы нас с вами... ф 81. Сильное взаимодействие. Кварки. Цвет и аромат кварков.
Фундаментальные частицы первого поколения Кварки. Приступая к рассмотрению сильного взаимодействия, мы начнем с кварков. Говоря о магнитных моментах нуклонов, мы уже обращали внимание читателя на аномальные значения их магнитных моментов, Даже электрически нейтральный нейтрон обладает заметным магнитным моментом; — 1,91ргг, Это послужило нам первым указанием на сложный состав нейтрона (и протона).
Но представление о кварках возникло после того, как были открыты гх-частицы (дельта-частицы) и л-мезоны (пи-мезоны). В настоящее время твердо установлено, что протоны и нейтроны состоят из некоторых составных частей, которые получили название к в а р к о в. Это не значит, что нуклоны могут быть разделены на кварки.
Мы уже говорили о том, что ни протон, нн цейтрон ни ца какие составляющие разделены быть пе могут. Кварки в свободном состоянии получить нельзя. Однако, только теория кварков (Стандартная Теория) позволила объяснить основные свойства известных оарионов и мезонов, и предсказать существование других, еще не открытых. э 81 Сильное ьзлнмодвйствие. КВАРки 427 Существует несколько разновидностей кварков.
Мы рассмотрим сначала самые легкие кварки — кварки п е р в о г о п о к о л е н и я. Таких кварков два: верхний, который принято обозначать как и-кварк, или ир-кварк (произносится ап-кварк от англ, ир — верхний) и нижний г(-кварк, или г)ошп-кварк (произносится даун-кварк от англ.
г1огои— нижний). Их заряды равны —,2/Зе у верхнего и -1/Зе у нижнего кварков. Спины кварков всех типов и поколений равны 1/2. Протон состоит из двух верхних кварков и одного нижнего: р = (ииг(). Соответственно, его заряд равен 2 х 2/3+( — 1/3) = +1 (в ед. е). Нейтрон состоит из двух нижних кварков и одного верхнего: и = (иЫ). Гго заряд равен нулю. Кварки и лептоны объединяют общим названием фундаментальных частиц.
К фундаментальным частицам первого поколения относятся не только ир — и Йчоа-кварки и уже знакомые нам лептоны — электрон е и электронное нейтрино и„но также и их античастицы: аитикварки й и г(, позитрон ет и антинейтрино й». На этом список частиц первого поколения заканчивается. До сих пор мы говорили просто о нейтрино. Но сейчас мы знаем, что к фундаментальным частицам первого поколения относятся именно электронное нейтрино и электронное антинейтрино. Сравнительно недавно (в начале 60-х годов) выяснилосгч что разновидностей нейтрино существует несколько.
Остальные нейтрино не относятся к частицам первого поколения и о них речь пойдет ниже. Возвратимся снова к распаду нейтрона. !'1реобразование нейтрона в протон сводится к замене одного нижнего кварка на верхний. Изменение заряда компенсируется генерацией электрона, а вместе с ним возникает и электронное антинейтрино.
Возникает естественный вопрос о массах кварков. Этот вопрос не имеет простого ответа. Как уже пояснялось, кварки не могут быть получены в свободном виде и поэтому не имеют определенной массы в обычном смысле этого слова. Обы ~но и-кварку приписывают массу 5 МэВ, а г(-кварку — массу 7 МэВ. То обстоятельство, что кварки невозможно выделить из элементарных частиц, называют английским словом «конфайнмент» (от соп(1петегг! — удержание, заточение).
Кварки в элементарных частицах находятся «в пожизненном заточении». Глюоньг. Обратимся теперь к переносчикам взаимодействий. Переносчиком электромагнитного взаимодействия является электромагнитное поле, на квантовом языке — фотоны. Переносчиком гравитационного взаимодействия является гравитационное поле и, соответственно,— гравитоны.
Переносчиков сильного взаимодействия называют г л ю он а м и (от англ. с»(ие — клей). Рассмотрение природы ядерных сил мы снова отложим до дальнейшего. 428 ГЛАВА 16 Переносчики электромагнитного и гравитационного взаимодействий, фотоны и гравитоны, — из-за слабости взаимодействия — легко отрываются от источников соответствующих зарядов и могут существовать отдельно, При сильном взаимодействии это не так; оторвать глюоны от элементарных частиц не удается. При этом, конечно, затрудняются построение и наглядность теории.
Мезоны. Познакомимся с некоторыми другими частицами, построенными из кварков первого поколения, Это, прежде всего, т-мезоны или пионы. Существует три разновидности этих частиц: и, гг и яомезоны. Название «мезоны» происходит от греческого слова тезоз— средний, промежуточный. И, действительно, и-мезоны обладают массой, которая лежит между массой электронов и нуклонов. В настоящее время известны мезоны с очень большими массами. Назяание «мезоны», однако, сохраняется и для них.
По современной терминологии м е з о н а м и и а з ы в а ю т ч астицы, состоящие из кварка и анти кварка, независимо от массы частиц и от того, о каких кварках идет речь, о верхних или нижних, о кварках первого или следующих поколений. Приведем кварковый состав х-мезонов: Из состава я~-мезона следует, что часть времени он проводит в состоянии вй, а часть — в дд-состоянии. Масса всех и-мезонов составляет около 140 МэВ. т~.-мезоны, как и все частицы, состоящие из кварков, относятся к сильно взаимодействующим частицам. Заряженные и-мезоны живут 2,6 10 з с, а по-мезон— 8,4 10 "с В главе ХТГ при обсуждении ядерных реакций был введен термин «адроны» для ядерноактивных частиц.
Выше мы ввели термин «барионы» и только что — термин «мезоны». Теперь эти термины следует уточнить. Барионами называют частицы, состоящие из трех кварков или трех антикварков (антибарионы). Лдронами называют все частицы, способные к сильному взаимодействию, тоесть все частицы, состоящие из кварков и антикварков.Кадронам,таким образом, относятся как барионы, так и мезоны, Эти определения следует запомнить, з 81 Сильное ьзАимодейстВие.
КВАРки Вернемся к свойствам я-мезонов. Начнем с яо-мезона. Из его состава ясно, что этот мезон принадлежит к истинно нейтральным частицам: у него нет никаких квантовых чисел (кроме спина). Поэтому он может распадаться на гамма кванты, что он и делает; по -е 27, В его распаде не принимают участие нейтрино и вообще не участвуют силы слабого взаимодействия. Поэтому время его жизни так мало.
Два других я-мезона являются частицей и античастицей. Один из способов распада и '-мезона — это распад на позитрон и нейтрино: (16.6) г'е Другой способ распада приводит к образованию мюона (лептон с массой 106 МВВ, принадлежащий ко второму поколению фундаментальных частиц): я — ц ' м„. (16.7) Здесь мы впервые встретились с еще одним типом нейтрино — с мюонным нейтрино ию Подробный рассказ о фундаментальных частицах второго поколения мы отложим до следующего параграфа. Большое время жизни заряженных я-мезонов (2,6 10 з с) связано с тем, что их распад может происходить только под действием снл слабого взаимодействия.
Распад ()6.7) (и аналогичный распад я -мезона) является основным источником мюонов в космических лучах и на ускорителях. Мюоны, как и другие лептоны (за исключением электронов и позитронов), непосредственно не генерируются и возникают только как продукты распада тех или иных адронов (прямая генерация происходит, но крайне редко).
Познакомимся с еще одним типом частиц, состоящих из кварков первого поколения. Речь идет о Ь-барионах. Таких барионов четыре: 1--ь 1ч- 10 Спин этих частиц равен 3/2. Первый из них несет двойной электрический заряд и состоит из трех и-кварков (3 х 2/3), второй несет одинарный положительный заряд и состоит из двух и-кварков и одного г!-кварка (2 х 2/3 — 1/3), третий состоит из одного и-кварка и двух г(-кварков (2/3 ч- 2 х ( — 1/3)) н четвертый — из трех г)-кварков (3 х ( — 1/3)). Представление о кварках и здесь является решающим.
Опо позволяет понять, почему дельта — барионов четыре, и объяснить их зарядовые состояния. У внимательного читателя должен был возникнуть вопрос: как могут три кварка — три фермиона — находиться в одном и том же квантовом состоянии? Мы имеем в виду Ь+~ и Аь -частицы. Возникает естественное предположение, что у кварков есть еще одно квантовое число, и три фермиона в Ь-частицах могут различаться по этому квантовому 4ЗО ГЛАВА 16 числу. Такое квантовое число, действительно, есть. Оно носит название ц в е т а, хотя никакого отношения к цвету в оптическом понимании не имеет.
В качестве «цветов» обычно выбирают желтый, синий и красный, Чтобы продолжить аналогию с нашими чувствами, принято говорить, что кварки разных типов отличаются друг от друга а р о м а т о м. Цвета кварков являются источником сил сильного взаимодействия — источником глюонов. Выше мы попутно подготовили ответ еще на один вопрос, который не мог не возникнуть у читателя: почему барионы состоят именно из трех кварков, а мезоны из кварка и антикварка? Ответ ца этот вопрос заключается в следующем: в п р и роде могут су шест зоват ь в свободном состоянии только бесцветные комбин а ц и и к в а р к о в.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
