С. Трейман - Этот странный квантовый мир (1129358), страница 45

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 45)

Поэтому теперь надо рассматривать с + а — а + о. Как и для обращения импульса и спина, это преобразование надо дополнить поворотом. Тогда на основе комбинирования принципов инварианты относительно обращения времени и поворотов, получаем: а+6-нс+й и с+г)-на+6.

Сейчас мы знаем, что, хотя симметрия относительно преобразования четности и обращения времени выполняется в так называемых сильных и электромагнитных взаимодействиях, она нарушается в слабых, Зарядовое сопряжение Один из глубоких принципов симметрии квантовой теории поля состоит в том, что каждая частица, которая имеет электрический заряд, или любой из нескольких типов зарядов, которые мы будем обсуждать, имеет отличную от нее античастицу, знаки всех зарядов которой имеют другой знак, но одинаковую массу. Если частица нестабильна, то античастица имеет то же время жизни. Об одной из этой пары (частица-античастица) можно говорить, что она зарядово сопряжена к другой, Обычно она обозначается той же буквой, но у античастицы ставят сверху черту.

Так, если протон обозначать как р, то антипротон — р. Но в такой записи много исключений. Например, для электрона и позитрона вместо е и е пишут е и с"; аналогично пишут я и г+ для заряженных пионов. Частицы, у которых отсутствуют какие-либо заряды, такие как Т и пион яо, являются античастицами сами к себе. Их называют самосопряженными. Обозначение пар частица-античастица восходит к квантовой теории Дирака для релятивистского электрона. Из этой теории, после некоторой первоначальной путаницы, ясно следовало равенство двух масс.

Последующее развитие квантовой электродинамики автоматически привело к далеко идушей симметрии, известной как инвариантность относительно сопряжения заряда. Она стала восприниматься как общий принцип для физики субъядерных частиц, Зарядовая инвариантность предполагает, что законы природы инвариантны относительно замены частиц и античастиц. Для большей наглядности можно сказать, что этот принцип инвариантности предполагает, что поперечное сечение для любого процесса столкновения или скорость любого 178 Глава 8 процесса распада не изменяются, если все участвующие в нем частицы заменить на античастицы (частица на античастицу, или наоборот).

Так, для процессов я + р — ~ та + гг и и" + р — ~ яо + Гг можно предсказать одно и то же поперечное сечение. При этом мы использовали то, что яп при сопряжении не меняется, поскольку он является самосопряженной частицей. Как и для принципов симметрии относительно преобразований четности и обращения времени, мы знаем, что инвариантность относительно зарядового сопряжения выполняется при сильных и электромагнитных взаимодействиях, но нарушается в слабых. Инвариантность относительно преобразований четности и зарядового сопряжения была установлена в 50-е годы ХХ века, а для обращения времени — спустя почти десятилетие.

Важно то, что, хотя четность Р, обращение времени Т, и зарядовое сопряжение С при слабых взаимодействиях нарушаются, комбинированная симметрия СР7' остается. Действительно, ее выполнение заложено глубоко в основах квантовой теории поля. Помимо всего прочего, она гарантирует равенство масс и времен жизни для частиц и античастиц. Сильные, электромагнитные, слабые взаимодействия В этом разделе мы дойдем до кварков и глюонов, но сначала остановимся на частицах, которые действительно можно «наблюдатьь и изучать в лабораториях. Кварки и глюоны дают ключ к разгадке, но они никогда не появлялись и не наблюдались как отдельные частицы, по крайней мере, до сих пор.

Распад мюона (мю-лептона) на электрон, нейтрино и антинейтрино происходит значительно медленнее, чем очень похожий на него распад тау-лептона на электрон, нейтрино и антинейтрино. Пока что существует хороший довод в пользу того, что внутренние интенсивности этих реакций одинаковы. Причина в том, что мю-лептон значительно легче тау-лептона, поэтому при его распаде выделяется меньше энергии. В общем случае, независимо от того, рассматривается ли поперечное сечение для случая реакций столкновения или распада, интенсивность любой конкретной реакции зависит от двух факторов.

Один из них, фактор фазового пространства, определяется энергией, доступной при реакции. Если доступная энергия мала, то мала и возможность возникновения реакции. Такой фактор не зависит от деталей основополагающей теории и легко вычисляется. Другой фактор является квадратом абсолютной величины того, что в квантовой механике называют амплитудой перехода. Собственно эта амплитуда перехода и определяет меру интенсивности реакции. Она существенно зависит от деталей основополагающей теории. Уже в середине ХХ столетия было известно, что появляющиеся реакции частиц можно разделить в соответствии с их интенсивностью 179 Свойства и закономерности на три класса; сильные, электромагнитные и слабые.

Все это убеждает нас в том, что все многообразие явлений с частицами может быть сведено к некоторой основополагающей сущности, основанной на системе трех сил, — так же, как огромное разнообразие планетарных, космических и бейсбольных траекторий определяется простым законом гравитации Ньютона. Чтобы быть более точным, надо заметить, что внутри одного класса тоже может быть большое разнообразие интенсивностей реакций. Но, вооб!це говоря, электромагнитные процессы имеют сушественно меньшую амплитуду перехода, чем сильные процессы. При умеренных энергиях слабые процессы еще меньше по интенсивности, чем электромагнитные, хотя, как мы будем обсуждать это дальше, при высоких энергиях они сравниваются. Не вдаваясь в подробности, рассмотрим несколько примеров из практически неограниченного их числа в соответствии с этой классификациеи: (1) сильные: ~- + 7-н-+ о р+ — згч з- зг о (!1) электромагнитные: я +рнХ +ТСь+ и; зг — > с+ (и) слабые: Строго говоря, каждая из трех сил может играть некоторую роль в каждом из типов реакций.

Однако, если сильные взаимодействия позволяют происходить некоторой реакции, то они преобладают в ней, все остальные приводят лишь к поправкам (которые нас обычно и интересуют). В этом случае процесс классифицируется как сильный. Теперь рассмотрим процесс, который не может происходить только с участием сильного взаимодействия, но может происходить с помощью электромагнитных сил отдельно, а не в их комбинации с сильным.

В этом случае электромагнитные силы, используемые как привратник, контролируют порядок величины амплитуды перехода. Слабые силы вносят лишь небольшие изменения. В этом случае говорят, что процесс является электромагнитным. Наконец, это процессы, требующие участия слабых сил, которые могут действовать либо по отдельности, либо в комбинации с двумя остальными, Роль привратника, определяющего величину 180 Глава 8 амплитуды перехода, остается за слабыми силами. Поэтому говорят, что процесс слабый.

Подавляющее большинство всех частиц участвует в реакциях всех трех типов. Эти частицы называются адронами. Эта группа включает в себя нуклоны (протоны и нейтроны), пионы (я~, т"), и другие. Адроны делятся на две широкие группы: барионы и мвзоньи Барионы являются ферми частицами с полуцелым спином: 1/2, 3/2, ... Мезоны являются бозонами, т.е. имеют целый спин: О, 1,...

(мы измеряем спин в единицах постоянной Планка). Частицы, участвующие в электромагнитных и слабых взаимодействиях, но не участвующие в сильных, образуют значительно меньший класс. Прежде всего, это электромагнитный квант — фотон. Другие составляющие этого класса включают в себя так называемые слабые бозоны )т'м и заряженные лептоны е~, )л~, т~ 1электрон, мюон и тау-лептон). Оставшиеся частицы участвуют только в слабых взаимодействиях. В их число попадают нейтрино и их античастицы. Всего существует три различных пары: электронное нейтрино и„мюонное нейтрино, тау-лептонное нейтрино и и их античастицы (которые отличаются в обозначениях чертой сверху).

Нейтрино и их античастицы являются нейтральными членами лептонного семейства, заряженные же отмечены выше. Еще один участник слабого класса — это нейтральный слабый калибровочный бозон У. В дальнейшем мы будем смешивать этн классы, поскольку фотоны, как и глюоны, и слабые бозоны И'~ и У, в современной теории называются калибровояньгми бозонами. Вскоре мы дойдем до них и до кварков. Законы сохранения, точные н приближенные Электрический заряд является аддитивно сохраняющимся. Аддитивность здесь означает, что полный электрический заряд сохраняется до и после реакции.

Его удобно измерять в единицах заряда протона. С учетом такого соглашения часто говорят об электрическом квантовом числе частицы. Несколько примеров: протон р, положительный пион я позитрон ел — все они имеют квантовое число электрического заряда, равное +1; для антипротона, отрицательного пиона я и электрона это значение равно -1; для фотона, нейтрино, нейтрона, антинейтрона и нейтрального пиона квантовое число равно О. Реакция и ч-р — то + + п согласуется с законом сохранения электооического заряда и реально наблюдается в природе.

Реакция х + р — х -ьр будет нарушать закон сохранения заряда и наблюдаться не может. Пока не появились кварки, было принято считать, что электрический заряд должен выражаться целым числом 1положительным, отрицательным или равным нулю), 181 Свойства и закономерности Таблица 8.1. Кварки и лептоны. Значения масс очень приблизительны, особенно для легких кварков. Нейтрино подразумевается безмассовым, но существуют веские указания на то, что онн могут обладать ненулевой, хотя н достаточно малой массой.

умноженным на заряд протона. Как оказалось, кварки имеют дробные заряды. Здесь можно заметить, что вся Вселенная в целом, насколько нам известно, всегда была и остается электрически нейтральной. Барионное число является другой величиной, которая сохраняется адднтнвно. Как мы знаем, это выполняется с большой точностью. Это квантовое число не равно нулю только для барионов; его значение равно +1 для протона и нейтрона, Л-частицы, заряженных и нейтральных Е частиц, и многих других. Для античастиц оно равно — 1. Реакция распада р — е+ + хэ запрещена законом сохранения барионного числа, поскольку слева оно равно +1, а справа — О.

Характеристики

Список файлов книги