Вихман Э. Квантовая физика (1185110), страница 90
Текст из файла (страница 90)
24В, где показана зависимость от энергии для эффективного сечения рассеяния пионов протонами. Эффективное сечение для положительно заряженных пионов имеет характерный максимум в начале кривой и «горб» при больших энергиях. Для отрицательно заряженных пионов мы видим три относительно четко разрептенных максимума. Можно ли считать, что все эти максимумы отвечают частицам? В настоящее время многие физики склонны дать положительный ответ на этот вопрос.
Массы этих «частиц» (?) просто равны значениям абсцисс в максимумах кривых. 25. Возникает вопрос: как провести границу между частицей и нечастицей? Нельзя, конечно, считать, что каждый небольшой «горб» на кривой зависимости эффективного сечения от энергии отвечает частице. С другой стороны, любой критерий, согласно которому резонанс «достаточно» узок, чтобы связывать его с частицей, будет весьма произволен.
Иными словами: чтобы данный объект 35% можно было считать частицей, его время жизни не должно быть слипуком малым, но какой малостью следует ограничиться? Придется пересмотреть наши цели. По-видимому, мы ничего не добьемся, пытаясь дать точное и общее определение частицы. Такие попытки привели нас к таблице, состоящей из миллионов качественно весьма различных частиц, В эту таблицу входят, например, пионы и молекулы белка. Лингвистически все эти объекты можно называть частицами, но вряд ли мы узнаем что-либо существенное о «рундаментальных взаимодействиях, если будем считать пионы и молекулы белка одинаково важными объектами нашей теории г/г Рис. 2«В.
Результаты измерения эфФективного сечения рассеянна протонами положительных и отрицательных пионов. По оси ординат отложеяо эффективное сечение, по оси абсцисс — полная энергия пиона н протона в с стеме центра масс. Таная система отсчета удобна тем, что положение максимума дает непосред. отвеяно массу ечастнцыэ или резонансного состояния. Рассмотрим основной максимум при энергии около 1,233 ГэВ. Она соответствует в лабо.
раторной системе коордмнат кинетической энергии пиона 193 МэВ н покоящемуся протону. Мы обозначаем резонанс при энергии 1,238 ГэВ символом Дг,, В литературе ои та*ге сто обозначается Д и »3811 у2 гб ую О Иассалр-сасагагаы, г"ей Некоторые частицы являются несомненно составными, сложными системами, и такими мы должны описывать их в нашей теории. Мы должны «объяснить» их с точки зрения взаимодействий между образующими их более элементарными составляющими.
Практический подход к проблеме заключается в установлении иерархии частиц по степени их «элементарности». В зависимости от рассматриваемых физических явлений наши представления об «элементарных» составных частях сложной системы будут меняться. Мы считаем, что молекулы являются связанными состояниями атомов, атомы — связанными состояниями ядра и электронов, а ядро— связанным состоянием протонов и нейтронов.
Мы не можем, однако, сказать, что протоны, нейтроны и электроны являются связанными состояниями чего-то другого. Их можно считать предельно элементарными частицами. В качестве таковых они представляют особый интерес для фундаментальной теории. 26. Попытаемся создать новую таблицу частиц, которые в настоящее время можно считать (истинно?) элементарнь.ми, Прежде всего следует исключить из этой таблицы частицы, о которых заведомо известно, что они «очевидно сложные». В гл. 1 были перечислены некоторые экспериментальные критерии сложности или элементарности частицы. Не вызывает сомнения, что все атомы, все молекулы и все ядра тяжелее протона являются сложными частицами, и поэтому они не включены в новую таблицу. Тогда Т а блица 26Л. Лентоны Масса, Мэн ' Масса, мэн Заряд Частиц Частица Заряд 0,511 в е-нейтрино 0,5!1 т е-антинейтриио 0 О 0 0 е- электрон е+ позитрон +е , ~ тпо-н.г !а ! Мса".:' табчтьны.
ачи распадаются по ст мс ых — ееыетеа [Одна нэ сатрнва являем. т ыа (ц.-.е.грена(, другое — электр нг ыч (е а (грт ~а(1 Ор дча» воюю ткитни мюата рт,.; Кб (б ' с Остэтьэые л птт ~ы степаны Все»в ~ юг югсппн. '»авпыб ( 1асг а ° 130,60 н ус р 2.61 1О-» з;. (снные пнсн(с 0,89 1О ть 77 1»е-е- н' нерп;:пан (й пион 134.08 433.8 , '1.23 10-' К»4 зари ..снные К.тнзоны 0 87.10 — эо ! 417,г( 5,68 !О 548,6 --2,5 10 т! эта-незси ! ! У»вы ные адесь м эа ы кнсют спин, равныа нулю, и барианвое число, рваное пулю. два не«трельных К-метана (К' и К»! ведут себя прн распаде тан, как если бы а и были «смесью» двух частиц К и К с различными врелгенами жизни и слегка раэлвчнымн массами т и 1Н Зак.
(тт 105,7 ~ у р-нейтпиио !05,7 ~!т „ ы-аитинейтрино Т ба и ц а 26В. Главный мезонный октет Ко ~ н пи, альп; е 'т -назон» Ко~ !К 0 0 0 1 0 ненадэ н-,н-, о нцт нес 77 нолоно ;то7„ н, гт-гто н'а 7 Т а б л и ц а 26С. Главный барионный октет Среднее время жизня. с исыы !тас- и гдо Частица Масса.
Мэп 938.256 93»! 550 стабильный 1,01 10» р протон и нейтрал /УЛ лло Л лнмбда-гиперон 25! !О та !!15,58 0 81 !Π— зо ч /эл ' пп 1189,47 с 10-'» Лт !192,56 сигма-гипероны !197 44 1 65 !О 3,0 10-'о !314,7 -о каскадные частицы 7, !О-эо ~ Дп- 1321,2 Спи.* сося эта частиц рлвси !/2, а барио нас число расоо л 1. Суп»сот:,гт оятст нотлбарноион, с.ставлснныг из саотяатствужжит аятячаспж, Члены этога ант,т| нэ ог тг жс массы, спины и срсд.пс зря ына жизни, но заряды н бар нплгыя числа пртлясмггм:ог~,ого анана 362 в ней остается около ста частиц, составной характер которых «не очевиден».
Это протон, нейтрон, антипротон и антинейтрои, долгоживущие гипероны и антигипероны, пионы, К-мезоны, мюоны, нейтрино, электрон с позитроном и фотон. За исключением протона, антипротона, электрона. позитрона, фотона и нейтрино, все эти частицы нестабильны. Однако в свете сказанного выше нельзя, конечно, считать непременным условием «элемептарностня абсолютную стабильность.
Элементарные частицы можно разделить на четыре группы. Фотон является единственным членом первой из нпх. Остальные группы частиц носят общие названия лвпптвнвв, л/взвнов и барионвв (включая и аптибарионы). В табл. 26А -. 26С указаны некоторые свойства лептонов и наиболее характерных мезонов и барионов (см. также табл. С приложения). 27. Перечисленные в табл. 26В, 26С мезоны и барионы показаны также на рис.
27А и 27В, которые сильно напоминают схемы уровней из гл. 3. Каждая частица представлена на диаграммах короткой чертой, ордината которой равна массе покоя частицы, а абсцисса соответствует ее электрическому заряду. (Заряд указан против середины черты.) По современным представлениям, приведенные диаграммы полностью аналогичны схемам уровней атомов. Каждая диаграмма относится к емультиплету» частиц, которые можно считать различньцш состояниями одной частицы, «общей» для всего мультиплета.
ал(= л Кала оз бо' ю ~К1- ярд~ за те+ зе «7о С— -/ а' зуоеео,сечеаееа" злое а -У х тезтлаааеаеао за~я77 Рис. 27д. спектр чысс длз мюонного октета, к которому првнадлемат пионы и к-мезоньс Все частицы октеза имеют бариопнос число и спин, равные нулю. Мессы нейтральных мезе. нов К' и К', обозначенных ва схеме двойной лвнней, равны.
Частицы н античастицы располо. н.сны симметрично по отношенвю к вертикали, проходящей через нулевой заряд; и'- и Ч-мазаны идентичны со сеонмн античастицами; К'-мсзон является античастице» Кюмезона Рис. 27 В. Спектр масс барнопното октета, к которому принадлежат протон и нейтрон. Все частицы октета имеют спин, равный Ч,, и барионпое число, равное + С Приведенную схему уранией можно рассматривать как схе )у восьми различных состояний одной частицы, образующей мультиплет 1.!а рцс.
27С показан мультиплет антибарнонов, состоящий из восьми частиц, каждая из которых является антнчастицей соответствующего бариона на рис. 27В. Античастицы мезонов для рис. 27А приведены на том же рисунке. Мы говорим, что октет мезонов само- сопряжен. Отрицательный пион, таким образом, является античастицей положительного пиона, а отрицательный К-мезон — античастицей положительного К'-мезона. Частицы, обозначенные К' и К', образуют пару античастиц. Что касается нейтрального пиона и 7)-»7еэпна, тО Они тожДЕствЕНны своиМ античастнцам 11а рис. 270 показан мультпплет из десяти барионов, в который входят резонансы, обозначенные символом ту' а на рис. 24В.
Природа этих резонансов еще, пожалуй, не ясна, но многие физики предпочитают включать их в число элементарных частиц. 28. Существующие в природе взаимодействия разделяются на силь77ыг (частным случаем тзких взаимодействий явля7отся ядерные силы), злектродйагнитныг, слабые н гравитай(ионныг взаимодействия. Мезоны, барионы и антибарионы сильно"взаимодействуют ап Зак. Му 363 друг с другом. Фотоны и лептоны не обладают сильным взаимодействием; их поведение определяется электромагнитными и слаоыми взаимодействиями. Сильно взаимодействующие частицы (для них предложено общее наименование ггадроногв) могут участвовать как в электромагнитных, так и в слабых взаимодействиях.
Многие гг У,а lЮ Е сэ 1- Е ж7 Вг ) я- мла уг — у гу ег' Электриаеауай: гаргд а +у ЭЛейлричеаеай еарргу Рис. 27С. Спектр масс энтнбарнонпого октета, который образован античастицами о..-етз, приведенього аа рнс. 27В. Все частицы аюибзрнон«ого октета имеют бариовное число --1 и спин. равньпг ', отразив бараонную диагр|мму вокруг вертикали, проходвщей через ьг: ь заряда, получим аитнбарвонвую диаграмму. и наоборот Рис. 27П.
Схема уровней мультиплета издесюп Сарионов, включающая розог анс. е состоя вия, образующиеся при пион-вуклоином рассеянии 1сы. рис. 21В, где показан хэд эФбзектнваого сечения с энергией). Резонансы иа днаграыме обозначены сиывочом йз ... Все показанные настин 1 имеют спин ';, н барионаое число + 1. Ка этой диаграмме порвя ест строгая закономерность. обнзружнваемая в свойсююх част~за, хотя иногие детали сгпе г .:; нятны. Принципы симметрии.
известные под названием восьлгерьчного пути, позволак т понять, почему пион-нуклонные резонансы входят в состав дсиаплета Сугцествовавпе С--частицы было сперва предсказано па основание этих принципов, а затем ее удалось об..аружить экспернтгюгтаггьно. Ее среднее время жизни разно 1.5 !бьы с. Все пстальньы,. тины де. лаплета веют крайне палое время жвзнн нестабильные адроны распадшотся благодаря слабым взаимодействиям, и именно поэтому их времена жизни оказываются очень большими н ядерной шкале времени.
Взаимодействия элементарных частиц управляются рядом очень строгих законов сохранения и принципов симметрии. Один из таких законов сохранения заключается в том, что полный электрический заряд сохраняется при всех взаимодействиях "). Существует аналогичный закон сохранения бариоиного числа. Если фотону, лептонам и мезонам приписать барионное число, равное нулю, барионам из табл. 26С вЂ” барионное число, равное +1, *) Сохранеаие заряда является фундаментальным принпипом электромагнитной теории (см.
том Н этого курса: Подсели Э. Электричество и магнетизм.— З.е нзд.— М.: Наука, 1983). Збб а соответствующим ьытибарионам — барионное число — 1, то можно утверждать, что при любых взаимодействиях полное число барионов сохраняется. Такой закон сохранения «объясняет» стабильность протона. Поскольку это самый легкий из барионов, его распад иа более легкие частицы (которые не могут быть барионами) означал бы нарушение закона сохранения бариоиного числа. 29. Два упомянутых выше.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
