С. Трейман - Этот странный квантовый мир (1129358), страница 42
Текст из файла (страница 42)
Это открытие было случайным, совершенно неожиданным и привело лишь к короткому сообщению о результатах. Но после этого поиски резко интенсифицировались. Стали открывать все больше и больше новых частиц: сначала несколько лет поиск частиц происходил исключительно в экспериментах с космическими лучами, использующих либо конденсационную камеру, либо фотоэмульсию, затем постепенно поиск перешел на ускорители высоких энергий, в которых он стал обычной операцией.
Тоненькая струйка открытий стала половодьем. Сейчас идентифицировано около трех сотен различных частиц! Почти все они нестабильны по отношению к спонтанному распаду. Г!оэтому лучше всего изучены стабильные типы частиц, к которым относятся электрон, протон и их античастицы; фотон, нейтрино и их античастицы. Остальные, если не разрушаются при столкновениях, то, в конце концов, все равно распадаются на набор стабильных частей либо непосредственно, либо через промежуточные частицы.
Слова «в конце концов» на самом деле мокнут означать очень короткое время, меньше, чем 10 ~~ сек для некоторых частиц. Даже нейтрон, если он находится вне ядра, оказывается нестабильным, хотя, находясь в стабильном ядре, он энергетически стабилен по отношению к распаду. 167 Столкновения и расаады частиц Этот обзор последовавших открытий позволяет сделать шаг к открытию нового субъядерного мира. Компоненты нашей повседневной жизни — фотоны, электроны, протоны и нейтроны — иногда объединяются в широких рамках в набор равноправных частиц, большинство из которых преходящи.
Большим вызовом было и остается исследование их свойств и взаимодействий между ними, направленное на открытие фундаментальных законов, определяющих их существование н поведение. Для наших целей история о строительных элементах может быть выделена в несколько различных, хотя и перекрывающихся эпох. Первая начинается с античности и приводит к появлению атомной гипотезы и открытию электрона и заканчивается в 40-х годах ХХ века.
Эта эпоха привела к установлению составных частей атомов и их ядер, а также к другим составляющим нашего списка. Некоторые, хоть и были открыты чуть позднее, все же были постулированы на основе убедительных экспериментальных или теоретических свидетельств. Вторая эпоха начинается с появления того потока открытий, который описан чуть ранее. Она прошла в постоянных открытиях не только новых частиц, но и новых закономерностей и свойств, проявляющихся в данных. В отдельных областях произошел прогресс на очень глубоком уровне, в частности, в квантовой электродинамике, но было достигнуто понимание и в других направлениях.
В конце 60-х годов, ознаменовавших третью эпоху, были поняты различные странности и все построения стали собираться вместе в правила полной квантовой теории поля, которую сегодня называют стандартной моделью. Импульс для ее появления был получен из разных источников; прежде всего, из некоторых очень надуманных идей, которые чуть раньше привели к созданию специального класса квантовых теорий поля, так называемых калибровочных теорий. Жизненно важным, особенно для настоящей линии развития, было введение в начале 60-х кварковой гипотезы. С экспериментальной стороны важную начальную роль сыграли эксперименты, проведенные в конце 60-х по рассеянию электронов очень высокой энергии на протонах и нейтронах.
В последующие годы теоретическая картина уточнялась и объединялась, руководимая последовательностью дальнейших, часто драматических, экспериментальных подтверждений и открытий. Стандартная модель в настоящее время полностью подтверждена, хотя при всех ее успехах это еше не конец пути. Сейчас мы находимся в четвертой эпохе, которая уводит нас глубже и глубже, Стоянновения и распады частиц Природа проявляет себя не только через частицы, которые существуют, но и через связанные с ними явления. С частицами происходят два широких класса явлений. 0) Те из них, которые нестабильны (а таких большинство), спонтанно распадаются, превращаясь в набор других, 168 Глава 8 дочерних частиц. Особенно для тяжелых нестабильных частиц может существовать множество конкурирующих реакций распада.
(й) Когда две или более частиц сближаются при столкновении, они могут рассеяться, не изменившись, и дополнительные частицы не появляются. Но, в зависимости от энергии, они могут преобразоваться в другой набор частиц. При высоких энергиях обычно бывает множество таких конкурирующих реакций. Мы начнем с широкого класса явлений рассеяния. В качестве простого примера рассмотрим, что произойдет, если столкнутся два протона. Если энергия очень мала, основной реакцией является «упругое» рассеяние, р+р- р+р, при котором набор частиц на входе и на выходе одинаков. При более высоких энергиях возможны различные реакции, при которых в компании с выходящими нуклонами появляются один или больше пионов, в некоторых случаях протон заменяется на нейтрон.
При повышении энергии появляется все больше и больше конкурирующих каналов (множество частиц, образующихся при каждой специальной реакции образует канал). То же самое можно сказать и о любой реакции с любым начальным набором частиц, например, электроны н позитроны, пионы и протоны и т.д. При наивысших энергиях ускорителей, которые сегодня достигнуты, протоны и антипротоны сталкиваются во встречных пучках с энергией около триллиона эв каждый. При таких огромных энергиях открыты многие сотни конкурирующих каналов, при этом каждая из многих частиц может превращаться в сотню новых! Поперечное сечение рассеяния Количественно реакции рассеяния принято описывать в терминах поперечного сечения рассеяния.
В качестве иллюстрации рассмотрим налетающую частицу, падающую на первоначально покоящуюся частицу мишени, скажем пион, налетающий на протон. При любых достаточно малых энергиях всегда возможно упругое рассеяние. Но при более высоких энергиях возможно появление более сложных каналов. Вероятность любой частной реакции может быть выражено через поперечное сечение, определенное следующим образом. Вообразим диск, соответствующий частице-мишени, на котором рассеиваются падающие. Частицу-мишень можно рассматривать как точку, находящуюся в центре диска, а падающую как точечную частицу, распространяющуюся по прямой линии, перпендикулярно поверхности диска.
Если линия пересекает диск, то можно сказать, что произошла реакция. Если нет, то нет. Такой диск можно связать и с падающей частицей: если движугцийся диск проходит через частицу-мишень, то происходит реакция. Как бы мы ни рассматривали этот процесс, площадь диска определяет поперечное сечение в данной реакции частиц. Если имеется известный поток падающих частиц, а также известна плотность частиц-мишеней, то, зная поперечное сече- Столкновения и расаады частиц !69 ние, можно вычислить скорость, с которой будут происходить события реакций данно~о типа. Наоборот, поперечное сечение можно получить экспериментально, измеряя скорость реакции.
Каждая конкурирующая реакция имеет свое собственное характеристическое сечение рассеяния. Различные сечения рассеяния в общем случае зависят от энергии столкновения. Для данной пары сталкивающихся частиц полное сечение рассеяния получается как сумма всех конкурирующих поперечных сечений. Последнее определяет полную скорость событий любого типа. Эта дископодобная концепция не должна восприниматься буквально как действительное соответствие с физическим сталкивающимся объектом, связываемом либо с мишенью, либо с налетающей частицей. Скорее, поперечное сечение является лишь наглядным способом охарактеризовать возможность осуществления различных реакций.
Чем больше поперечное сечение, тем больше возможность появления этой реакции. Для протон-протонных столкновений с энергией!О Гэв полное поперечное сечение составляет ои,л„= 4 10 ззсмэ. Это соответствует гипотетическому диску радиусом около 10 'з см. Можно заметить, что такое полное поперечное сечение является типичным при данной области энергий для широкого класса сталкивающихся частиц, включая пион-нуклонные, нуклон-нуклонные, нуклон-антинуклонные и другие (напомним, что нуклоны — это общее название протонов и нейтронов).
Существует другой класс процессов рассеяния, которые при сравнимых энергиях имеют заметно меныпее поперечное сечение; например, столкновение электронов и протонов. Кроме того, есть и другие процессы, в которых поперечное сечение еше меньше. Мы еще вернемся к этим случаям различной интенсивности. Число возможных различных столкновений, которые можно вообразить, очень велико. Для Я различных частиц всего возможно Х(Дг + 1)/2 пар сталкивающихся частиц. Очень большое число частиц означает, что Х не очень отличается от 300. Более того, для любой пары сталкивающихся частиц может существовать множество конкурирующих каналов, число которых резко увеличивается при возрастании энергии столкновения.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
