С. Трейман - Этот странный квантовый мир (1129358), страница 41
Текст из файла (страница 41)
Теория правильно предсказывала, что нейтрино взаимодействуют с веществом очень слабо. Прямое наблюдение было зафиксировано в результате героического эксперимента, проводимого на сильном нейтринном источнике, Строиегельные элементы 163 в качестве которого использовался мощный ядерный реактор в Джорджии. По мере этих открытий в середине 30-х годов ХХ века постепенно повышался интерес к природе сил, удерживающих в ядре протоны и нейтроны.
Кулоновские силы не могли этого сделать. Они не действуют на нейтроны, поскольку у нейтронов нет электрического заряда. Кроме того, они приводят к отталкиванию пары протонов. Более того, ядерные силы должны быть значительно сильнее, чем кулоновские, хотя бы на очень коротких расстояниях: ядерное ядро оказывается обычно более компактным, чем область, занятая электронами в атоме; это происходит потому, что ядерные составляющие собираются вместе в обьеме, который значительно меньше размера атома.
В 1934 г, японский физик Хидеки Юкава сделал новый шаг, введя теоретико-полевое понимание ядерных сил. Теория привела к предсказанию двух новых частиц; положительных и отрицательных пионов, яг и я, как их обозначают. Одна из них является античастицей к другой и обе имеют одинаковую массу. Теория Юкавы установила связь между массой частиц и масштабом ядерных сил. По оценке Юкавы, сила между протоном и нейтроном соответствует потенциалу т где д — константа «связигч Л вЂ” характерный масштаб ядерного взаимодействия.
Из-за наличия экспоненты потенциал начинает спадать на расстояниях г » Л. В этом смысле говорят, что потенциал действует на масштабе Л. В теории Юкавы масса пиона т связана с характерным размером как пг, с' где с — скорость света. Зная данные по характерным размерам ядра, Юкава смог грубо оценить массу пиона: пт = 200 т„где те — масса электрона. В течение нескольких лет после этого, начиная с экспериментов с космическими лучами, было показано существование заряженных частиц с массами, промежуточными между электроном и протоном. Они и рассматривались как возможные кандидаты на роль пионов Юкавы. Эти заблуждения длились около десяти лет.
Эти частицы были нестабильны, что было неплохо. Их массы, первоначально определенные не очень точно, соответствовали грубой оценке Юкавы. Но остальные свойства не имели смысла. Во-первых, их время распада оказалось значительно больше, чем ожидалось. Во-вторых, что более важно, характеристики поглощения при прохождении их через вещество были неожиданными: получаемое из этого взаимодействие пионов оказывалось очень слабым. В 1947 г.
был найден выход из этой ситуации: мезоны Юкавы существуют, но они распадаются на другие частицы, которые живут 164 Глава 8 дольше и взаимодействуют слабее, Именно эти частицы и преобладали на низких высотах, на которых вначале исследовались космические лучи. Следовательно, эти дочерние частицы и наблюдались в эксперименте. Для проверки этого предположения, начиная с этого момента, экспериментальная ситуация стала меняться, переходя к исследованию космических лучей на больших высотах и используя для записи треков заряженных частиц фотоэмульсию. Было необходимо учесть два различных типа заряженных частиц: пионы Юкавы и= и частицы, более легкие по массе, и~, которые называют мюонами (у+ является анти- частицей к и ).
Это утверждение скоро подтвердилось и с помощью нового ускорителя частиц, введенного в строй вскоре после Второй мировой войны. Сейчас мы знаем, что пионы вж распадаются на мюон и нейтрино. При последующем распаде мюоны распадаются по схеме р~ --~ е+ + нейтрино+ антинейтрино. Символ г~ используется для позитрона, а е — для электрона. Среднее время жизни пиона составляет около 2,6 10 з с, его энергия массы покоя т сз = 140 Мэв. Время жизни мюона равно 2,2 10 ь с, энергия массы покоя — тиса = 106 Мэв. Для сравнения, энергия массы покоя электрона гп,.сз = 0,511 Мэв, протона — 938 Мэв. В дальнейшем мы будем опускать слова «энергия массы покоя» на более короткое слово лмасса», так что массы всегда будут измеряться в энергетических единицах. Заметим также, что, говоря о времени жизни частицы, мы подразумеваем среднее время жизни, измеренное в системе покоя.
Массы и времена жизни, упомянутые выше, записаны только с несколькими знаками, хотя они известны с гораздо большей точностью. Протоны и нейтроны, составляющие атомных ядер, совместно называются иуклонами. Интерес к силам взаимодействия между нуклонами (протон-протон, нейтрон-нейтрон, протон-нейтрон) интенсивно возрастал в 30-е годы ХХ века после открытия нейтрона и предсказания мезона Юкавы. Незадолго до мезонной гипотезы распада было сделано предсказание нейтрального двойника х+, так называемого л~-мезона (нейтрального мезона). Он был открыт в 1950. Как и предсказывалось, его масса оказалась близка к массе заряженного мезона.
Он распадается на два фотона со средним временем жизни около 10 гв с. Перед тем как вернуться к другим открытиям, которые произошли в ранние послевоенные годы, остановимся на той скромной коллекции строительных элементов, которую мы уже накопили: электроны, протоны, нейтроны и нх античастицы, фотон, нейтрино и аитинейтрино; заряженные и нейтральные пионы,мюоны (частицы и античастицы). В большинстве наук и технологий эффекгаивными строительными элементами являются электроны, фотоны и большой набор различных атомных ядер, состоящий из многих сотен. В большинстве случаев ядра могут рассматриваться как малые, почти точечные частицы, достаточно хорошо описывающиеся зарядом Уе, магнитным моментом и массой. Наиболее важным из этих параметров является зарядовое число У; оно отличает Строительные элементы 165 один химический элемент от другого.
Многие химические элементы на самом деле представляют набор изотопов, соответствующих ядрам с одинаковым зарядом Уе, но различными массами. После открытия нейтрона стало ясно, что ядра состоят из протонов и нейтронов, атомное зарядовое число Л является числом протонов, а атомная масса пропорциональна общему числу нуклонов (протонов н нейтронов). Это явилось большим успехом в концепции строения атомного ядра, позволившим понять, что обширное множество известных ядер может быть получено комбинацией всего двух строительных элементов: протонов и нейтронов. «Повседневныйь мир прн этом сводится к электронам, протонам, нейтронам и фотонам. Что можно сказать о других элементах из нашего списка? Антиэлектрон (позитрон), антипротон, антинейтрон вошли в этот список еще до того, как были открыты экспериментально. Они появились неожиданно из попыток Дирака построить собственное релятивистское уравнение для электронов. Нейтрино н антинейтрино были постулированы на основе некоторых феноменологических соображений как величины, которые должны были уносить энергию, которая, как казалось, теряется при процессах (У-распада.
Вообще, Д-распад явился первым объектом для приложений появившихся идей квантовой теории поля вне квантовой электродинамики. Сейчас нам известно, что существует по крайней мере три типа нейтрино и соответствующих им антинейтрино. В контексте квантовой теории поля появились и пионы вследствие попыток описать силы, действующие между нуклонамн, т.е. силы, определяющие свойства атомных ядер. Из всех частиц нашего списка лишь мюон не демонстрирует какой-либо очевидной «полезности«ы Как нам известно, мюон в некотором смысле подобен электрону, за тем исключением, что он примерно в 200 раз тяжелее и нестабилен.
Его время жизни в системе покоя составляет пару микросекунд. Здесь и далее, название «мюон«мы будем использовать для общего наименования как (ь«, так и р . Точно также название «электрон«, «нейтрино« «протон» мы будем использовать как для частиц, так и для античастиц.
Как уже говорилось, мюоны и заряженные пионы были открыты впервые в экспериментах с космическими лучами. Земля постоянно бомбардируется быстрыми частицами, идущими из космического пространства с энергиями, превосходящими 10 " эв. Существует отдельный поток с достаточно скромной энергией (порядка Мэв), состоящий нз протонов и нейтронов, идущий со стороны Солнца. Нейтрино практически не взаимодействуют ни с атмосферой, ни с веществом Земли, проходя ее насквозь. Космические лучи с наибольшей энергией приходят из далеких глубин Вселенной. Взаимодействие космических лучей в атмосфере в основном определяется протонной частью.
Падающие протоны сталкиваются с ядрами азота, кислорода и другими ядрами, вышибая из них нейтроны и протоны, с одновременным испусканием пионов и других 166 Глава 8 частиц. Испугценные нуклоны, пионы и другие частицы приводят ко вторичным столкновениям, хотя нестабильные продукты реакции могут распадаться и сами по себе на другие частицы. Например, заряженные пионы иногда распадаются на мюоны и нейтрино еше до того, как успеют испытать вторичное столкновение. Нейтральные пионы вообще живут слишком мало, чтобы успеть столкнуться. Возникнув в какой-либо реакции, они тут же распадаются на фотоны. Последние сталкиваются с ядрами элементов в атмосфере и, выбивая из них нуклоны, приводят появлению электрон-позитронных пар, пионов и других частиц.
Получившиеся позитроны могут снова аинигилировать с электронами атмосферы, приводя к появлению фотонов. И так далее — сначала первичное столкновение, потом вторичное, третичное; каждое приводит к некоторым процессам распада. В результате, атмосфера превращает в сцену сложных каскадов событий, в потоках которых присутствуют как частицы из нашего списка, так и многие другие. Атмосферные космические лучи блестяще использовались физикой высоких энергий многие и многие десятилетия, хотя для большинства (но не всех) разделов физики частиц они были заменены построенными людьми ускорителями частиц.
Такой переход стал происходить в начале 50-х годов ХХ века, после того, как с помощью космических лучей были сделаны основные открытия. В !947 году в конденсационной камере были зарегистрированы два события, свидетельствующие о существовании двух новых частиц: одна из ннх, нейтральная частица массой около 500 Мэв распалась на пару заряженных пионов тг« и х ; другая— заряженная частица примерно той же массы — распалась на заряженный и нейтральный пионы.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
