М.Г. Иванов - Как понимать квантовую физику (1129349), страница 7
Текст из файла (страница 7)
Недостающую массу можно рассматривать как массу глюонных струн, скрепляющих кварки. На малыхрасстояниях кварки внутри адронов ведут себя практически как свободныечастицы (асимптотическая свобода).Квантовая теория сильного взаимодействия — квантовая хромодинамика (КХД, QCD) — постепенно сложилась, начиная с 1960-х годов, в процессе совместной работы и взаимодействия многих отечественных и иностранных физиков.1.1.6. АдроныРис. 1.7. Джеймс Чедвик (1891–1974). WЧастицы, участвующие в сильном взаимодействии, называются адронами. Адроны состоят изкварков. Все адроны — составные частицы.
Свободных (не входящих в состав составных частиц) кварков на эксперименте не наблюдается.Всем кваркам приписывается барионный заряд+ 13 , а антикваркам — − 13 . Барионный и электрический заряды свободной частицы всегда целые.Частицы с нулевым барионным зарядом — мезоны.Частицы с положительным барионным зарядом — барионы, с отрицательным — антибарионы.Суммарный барионный заряд сохраняется.Пока не обнаружено какого-либо взаимодействия, источником для которого был бы барионный1.1. В ГЛУБЬВЕЩЕСТВА13заряд.
Не обнаружено и фундаментальных причин, по которым этот зарядбыл бы обязан сохраняться. Поэтому, возможно, его лучше называть простобарионное число.Самые лёгкие барионы — это нуклоны (протон p = uud — 938,2726 МэВи нейтрон n = udd — 939,565 МэВ).Протон — ядро обычного (лёгкого) водорода. В химических реакциях часто появляется как положительный ион водорода H + . Нейтрон оченьпохож на протон, но не несёт электрического заряда.
Нейтрон был открытДж. Чедвиком в 1932 году, после чего стало ясно, что атомное ядро состоитиз протонов и нейтронов (до того думали, что ядро состоит из протонови электронов).Поскольку нейтрон тяжелее, чем протон и электрон вместе взятые, свободному (не входящему в атомное ядро) нейтрону энергетически выгодноразвалиться на протон, электрон и электронное антинейтрино. При этомодин из u-кварков превращается в d-кварк за счёт слабого взаимодействия.Процесс этот весьма медленный: время жизни свободного нейтрона 886 с(период полураспада — 614 с).Кварки скрепляются в адронах с помощью виртуальных глюонов.
Приэтом взаимодействие столь сильно, что попытка вырвать из адрона отдельный кварк приводит к рождению пары кварк–антикварк, в результате чегоснова получаются сложные частицы с целым барионным зарядом.Известные на сегодняшний день мезонысостоят из пары кварк–антикварк, а барионы —из трёх кварков. Однако теория допускает существование и более сложных частиц, например, пентакварк должен состоять из четырёхкварков и одного антикварка, а глюбол вообщене должен содержать кварков, а только самодействующие глюоны.1.1.7.
ЛептоныСамый простой лептон — это электрон8 .Его заряд был измерен уже в 1911 годуА. Ф. Иоффе (из-за задержки с публикациейраньше вышли результаты более поздней ра- Рис. 1.8. Абрам ФёдоровичИоффе (1880–1960). Wботы Р. Милликена 1912 года). Как свободнолетящая элементарная частица на заре ядерной физики электрон также былизвестен как β-частица (поток бета-частиц — бета-лучи).8 Нейтриноещё проще, но его ловить трудно.14ГЛАВА 1Заряженные лептоны — электрон (e), мюон (μ) и тау-лептон (τ ) —можно считать тремя разновидностями электрона с различной массой(0,511, 105,658 и 1777 МэВ соответственно).
Электрон стабилен (ему нево что распадаться, т. к. он самый лёгкий из заряженных частиц). Мюони тау-лептон распадаются благодаря слабому взаимодействию (время жизни 2,19 × 10−6 и 2,9 × 10−13 с).Благодаря тому, что мюон не очень тяжёл и распадается только посредством слабого взаимодействия, его время жизни сравнительно велико.За это время мюон может успеть притянуться к какому-либо атомному ядруи образовать мюонный атом. Поскольку мюон в 200 раз тяжелее электрона,радиус его орбиты оказывается в 200 раз меньше орбиты электрона. Сидя на низкой орбите, мюон экранирует одну единицу заряда ядра, и дляэлектронов ситуация выглядит так, будто атомное ядро временно (пока живмюон) потеряло одну единицу заряда.Образование мюонного атома (мезоатома) может использоваться в физике твёрдого тела для создания имитации внедрения в кристаллическуюрешётку атома с номером меньшим на 1.Возможны не только мюонные атомы, но и мюонные молекулы (мезомолекулы), размеры которых также в 200 раз меньше размеров их электронных аналогов.
В мезомолекулярном ионе, состоящем из двух ядер водорода (дейтерия, трития9 ) и одного отрицательного мюона ядра водорода сближены на расстояние, которое в обычной плазме соответствовалобы температуре порядка 3 × 107 K. В результате за время много меньшеевремени жизни мюона (порядка 10−9 –10−12 c) в ионах тяжёлого водорода DDμ, T T μ, DT μ происходит слияние ядер (термоядерная реакция),после чего мюон может успеть образовать новую мезомолекулу и сновавызвать слияние ядер. Поскольку мюоны, вызывая ядерную реакцию, самипрактически не расходуются, этот процесс называется мюонным катализом. Процесс длится до тех пор, пока мюон не распадётся или не будетсвязан ядром гелия10 .
Идея мюонного катализа была высказана А. Д. Сахаровым в 1940-х годах.Мюон иногда называют мю-мезоном, однако мезоном, в соответствиис современной классификацией, он не является.Три разновидности нейтрино называются по именам соответствующихзаряженных лептонов — электронным, мюонным и тау-нейтрино.9 Дейтерий и тритий — тяжёлые изотопы водорода. Ядро дейтерия — дейтрон состоит изпротона и нейтрона D = pn, ядро трития — тритон состоит из протона и двух нейтроновT = pnn.10 См. обзор Герштейн С. С., Петров Ю.
В., Пономарёв Л. И. Мюонный катализ и ядерныйбридинг // УФН. — 1990. — Vol. 160(8). — P. 3–46.1.1. В ГЛУБЬВЕЩЕСТВА15Электрону, мюону, тау-лептону и соответствующим нейтрино приписывается лептонное число (лептонный заряд) +1, соответствующим античастицам приписывается лептонное число −1. Суммарное лептонное числосохраняется.Какого-либо взаимодействия, источником для которого был бы лептонный заряд, также не обнаружено. Не обнаружено и фундаментальныхпричин, по которым этот заряд был бы обязан сохраняться. Поэтому и еголучше пока называть просто лептонное число.Все нейтрино участвуют только в гравитационном и слабом взаимодействиях.
По этой причине они очень слабо взаимодействуют с веществом. Нейтрино может (с вероятностью близкой к единице) пролететь насквозь звезду типа Солнца.Как показали опыты по наблюдению осцилляций нейтрино, они имеют ненулевую массу, причём нейтрино «на лету» периодически меняет свойсорт превращаясь из электронного в мюонное и обратно. Из-за этого потокэлектронных нейтрино, идущий от Солнца, вдвое ниже теоретически предсказанного без учёта осцилляций нейтрино11 .Очень важной проблемой для астрофизики является оценка плотностиэнергии, содержащейся в нейтрино низких энергий. Такие нейтрино несутслишком низкую энергию, чтобы их можно было зарегистрировать по вызываемым ими ядерным реакциям, поэтому они могут незаметно для астрономов обладать энергией, сравнимой с энергией всего «обычного» веществаво Вселенной.
Нейтрино должны давать вклад в тёмную материю — неизвестное вещество, обнаруживаемое астрономами только по гравитационным эффектам, составляющее большую часть (порядка 34 ) массы галактики свободно проходящее сквозь галактики при их столкновении.1.1.8. Поле Хиггса и бозон Хиггса (*)В квантовой теории поля безмассовые частицы описываются проще,чем массивные. В частности, наличие массы у истинно элементарных частиц (лептонов, кварков, калибровочных W и Z бозонов) нарушает некоторые симметрии, естественные для стандартной модели физики элементарных частиц.По этой причине большой популярностью среди современных физиков пользуется механизм Хиггса образования масс фундаментальных элементарных частиц.11 Отталкиваясь от факта недостачи солнечных нейтрино, Артур Кларк написал в 1986 годунаучно-фантастический роман «Песни далёкой Земли» («The Songs of Distant Earth»; не путать с одноимённым рассказом!), в котором предполагается, что недостаток нейтрино связанс предстоящей вспышкой Солнца как новой звезды.16ГЛАВА 1Масса частицы связана с её энергией покоя знаменитым соотношениемE = mc2 .Можно сказать, что масса — это и есть энергия покоя, только пересчитаннаяв единицы массы (делённая на c2 ).Гипотеза Хиггса предполагает, что все истинно элементарные частицы«на самом деле» безмассовы, а их энергия покоя (наблюдаемая масса) — этопотенциальная энергия в поле Хиггса.Поле Хиггса — это гипотетическое поле, потенциал которого, как правило, постоянен и отличен от нуля во всём пространстве.
(Почему потенциал Хиггса оказался отличен от нуля мы обсудим в следующем разделе 1.1.9. «Вакуум».) Потенциальная энергия взаимодействия частицы с полем Хиггса определяется произведением потенциала Хиггса на некоторуюконстанту взаимодействия, характерную для данного сорта частиц (эта константа пропорциональна наблюдаемой массе частицы)12 .Следует специально отметить, что данный механизм относится только к истинно элементарным частицам.
Для протонов и нейтронов, которыеобразуют большую часть массы обычного вещества, подавляющую частьмассы составляют не массы образующих их кварков, а энергия соединяющих кварки глюонных струн13 .Как и всякое физическое поле, поле Хиггса должно быть квантовым.На фоне упомянутого выше постоянного (фонового) потенциала Хиггсавозможны возбуждения (волны).
Кванты этих возбуждений представляютсобой ещё один сорт элементарных частиц — бозон Хиггса (или частицаХиггса, или просто хиггс).Механизм Хиггса пока что является гипотезой, не подкреплённой достаточными экспериментальными доказательствами, однако популярностьэтой гипотезы столь велика, что её опровержение вызовет в сообществе физиков намного большее удивление, чем её подтверждение.
(Впрочем, и наэтот случай физики уже подготовили несколько альтернативных гипотез.)Бозон Хиггса и прессаЕщё не будучи открытым бозон Хиггса приобрёл бешеную популярность (с элементами истерии) в прессе, где его величают «частицей Бога»12 В лагранжиане фермиона массе соответствует член вида 1 ψ̄mψ, который по форме похож2на взаимодействие поля ψ, описывающего частицу, с некоторым полем m. Мы представляемm = m0 Φ, где Φ — поле Хиггса, а m0 — константа взаимодействия, и получаем стандартныйпо форме трёхчастичный член 12 m0 ψ̄Φψ.13 Напоминаем, что суммарная масса кварков для протона — 11 МэВ, а его полная масса —938 МэВ; суммарная масса кварков для нейтрона — 13 МэВ, а его полная масса — 939,5 МэВ.1.1.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
