Мартинсон Л.К., Смирнов Е.В. Квантовая физика (1185135), страница 71
Текст из файла (страница 71)
был обнаружен нейтральный к~-мезон. В 1956 г. Ф. Райнес и К. Коуэн в потоке частиц, идущих от ядерного реактора, обнаружили электронное антннейтрино 9,. С начала 1950-х годов основным инструментом в исследовании элементарных частиц стали ускорители. В 1955 г. группой Э. Сегре был открыт антипротон р, а в 1956 г. был обнаружен 467 аитинейтрон й. Начиная с 1960-х годов с помощью ускорителей было открыто большое число элементарных частиц с временем жизни 10 ...10 с.
Эти частицы получили название резонансов, онн составляют наиболее многочисленную часть всех открытых к настоящему времени элементарных частиц. В 1962 г. было обнаружено мкюнное нейтрино ц„, а в 1975 г. был открыт самый тяжелый из лептонов — т-лептон.
В 1968 г. на Стэнфордском линейном ускорителе были обнаружены партоиы — точечные объекты внутри протона, обладающие свойствами кварков. В 1983 г. К. Руббиа и С. Ван дер Мер в экспериментах на протон-антипротонном коллайдере (установке для столкновений встречных пучков ускоренных частиц) открыли самые тяжелые из всех элементарных частиц — промежуточные векторные 1т' - и 2 -бозоны, подтвердив тем самым теорию электрослабых взаимодействий. В 1995 г. в лаборатории им. Э. Ферми был обнаружен последний (шестой) г-кварк.
В 2000 г. в этой же лаборатории было открыто т-нейтрино ч, Классифякация элементарных частиц. Элементарные частицы обычно подразделяют на четыре класса (табл. 7.2). Первый класс образуют переносчики взаимодействий. Второй класс составляют лептоны, третий — мезоны и четвертый — барионы. Таблица 7.2 К переносчикам взаимодействий относятся фотон, 1У - и У -бозоны, а также глюоны. Как уже отмечалось, фотон является 468 + переносчиком электромагнитного взаимодействия, а И' и У~-бозоны переносят слабое взаимодействие. Глюоны отвечают за сильное взаимодействие, более подробно о них рассказано далее.
Леииюны. Лептонами (от др.-греч. Хаятоз — легкий) называются элементарные частицы, не участвующие в сильном взаимо- 1 действии и имеющие спин, равный —, т. е. лептоны являются 2 ферми-частицами. К лептонам относятся: электрон е, мюон )г, т -лептон, все виды нейтрино (электронное и„мюонное ч „, т-лептонное т ), а также их античаспщы.
Все лептоны участвуют в слабом взаимодействии. Лептоны, имеющие электрический заряд (электроны, мюоны и т-лептоны), наряду со слабым испытывают также электромагнитное взаимодействие. Для лептонов была введена новая физическая величина — лептонный заряд Ь (лептонное квантовое число). По определению, для всех лептонов Е = 1, для антилептонов Ь =-1, для всех остальных частиц Ь = О. На первый взгляд может показаться, что такое введение лептонного заряда носит чисто формальный характер. Однако, как показывает опыт, для лептонного заряда выполняется закон сохранения: и всех взаимо ействиях элемента ны части лептонный за остается постоянным.
Поэтому, например, реакция у, + р -+ и+ е+, Е,: — 1+ 0 = О+(-1), в которой суммы лептонных зарядов часпщ до взаимодействия и после взаимодействия равны, разрешена и реально протекает (в нижней строчке приведены лептонные заряды частиц). А реакция ч, + р -,ч и+ е+, 1,: 1+0=0+( — 1), в которой лептонный заряд не сохраняется, запрещена и нн разу не наблюдалась в эксперименте. 469 Отметим, что на самом деле для лептонов вводится не один, а три лептонных заряда. Для электрона е и электронного нейтрино ч, вводится лептонный заряд 2, Он равен единице для е и ч„минус единице для их античастиц и нулю для всех остальных частиц. Аналогично для мюона р и мюонного нейтрино ч, вводится лептонный заряд 1„, а для т-лептона т и т-лептонного нейтрино у,, — лептонный заряд У„.
Внутренняя структура лептонов к настоящему времени экспериментально не обнаружена, поэтому их можно отнести к истинно элементарным частицам. Масса мюона и„= 105,66 МэВ, среднее время жизни т„=2,2 10 с. Масса т-лептона е =1,782 ГэВ, среднее время -6 жизни т,,=3,5 10 ~ с. Чрезвычайно актуальным является вопрос о массе нейтрино. Первоначально полагали, что масса покоя всех видов нейтрино равна нулю.
Однако в дальнейшем это предположение было поставлено под сомнение. В настоящее время после многочисленных опытов удалось установить лишь верхние ограничения на массу нейтрино. Так, для электронного нейтрино т„<3 эВ. Если окае жется, что хотя бы один из типов нейтрино имеет массу порядка 10 эВ, это приведет не только к существенным поправкам в картине микромира, но и может иметь фундаментальные космологические и астрофизические последствия. Например, в этом случае из модели горячей Вселенной следовало бы, что общая масса нейтрино во Вселенной превосходит общую массу остального вещества.
При этом Вселенная оказалась бы замкнутой. Образование галактик и скоплений галактик на ранней стадии развития Вселенной могло бы происходить нз "конденсаций" нейтринного газа, а затем к таким нейтринным сгусткам стягивалось бы все остальное вещество. Это могло бы объяснить "скрытую" массу галактик, на существование которой указывают результаты наблюдений, а также ряд других астрофизических "загадок".
В итоге физики приходят к интересному заключению: от деталей структуры микрочастиц, в частности от массы нейтрино, зависят 470 наши представления о процессах, протекающих во Вселенной, т. е. в мегамнре. Мезоны. Как уже отмечалось, элементарные часпщы, участвующие в сильном взаимодействии, называются адронамн. Адроны, в свою очередь, подразделяются на два класса: мезоны и барионы. Мезонами (от др.-греч. раооз — средний, промежуточный) называются адроны, обладающие левым или елочисленн м олином.
К их числу относятся я-, К-, ц-мезоны, а также мезонные резонансы, т. е. мезоны с временем жизни порядка 10 с. Все мезо т -ч Они получили такое название в связи с тем, что значения масс первых открытых мезонов (я- и К-мезона) занимали промежуточное положение между массами протона и электрона. В дальнейшем были обнаружены и другие мезоны, причем у некоторых из них масса оказалась больше массы протона. Мезоны участвуют в сильном, электромагнитном (если имеют электрический заряд) и слабом взаимодействиях. ж Бивав ~ р.- Р ь~ь — ю ются адроны, обладающие пол елым спином. Самым легким из барионов является протон, который, как известно, в 1836 раз тяжелее электрона.
Вс оны являются е ми-части ами. К барионам относятся нуклоны (протон и нейтрон), гипероны и барионные резонансы. Гиперонами называются нестабильные барионы, масса которых больше массы протона, а время жизни велико по сравнению с 10 с. За время т - 10 ...10 с гипероны распадаются с образованием нуклонов и легких частиц (я-мезонов, элек- 1 тронов, нейтрино, у-квантов). Спин всех гиперонов равен —, исклю- 2 3 чением является лишь Й -гиперон, спин которого составляет —. 2 Для барионов вводится барионный заряд В (барионное квантовое число) аналогично тому, как был введен лептонный заряд для лептонов. Считается, что для барионов В = 1, для антибарионов В= — 1, для всех остальных частиц 8=0.
Опыт показывает, что и всех взаимо ействиях элемента ных част нный за яд остается постоя . Это означает, что в микромире выполняется закон сохранения барионного заряда. 471 Все барионы, за исключением протона, нестабильны. Они распадаются на нуклоны и легкие частицы. Однако в связи с созданием различных моделей единой теории поля (Великого объединения), включающей в себя сильные, электромагнитные и слабые взаимодействия, стабильность протона поставлена под сомнение.
В частности, согласно одной из моделей Великого объединения, предсказывается возможность распада протона, например, по каналу р-+е++и со временем распада порядка 10 ...10 лет. Напомним, что, согласно экспериментальным данным, время распада протона составляет более 5 10~~ лет. Нестабильность протона, будь она обнаружена, явилась бы подтверждением теории Великого объединения. Кварковая модель адронов. Большое количество и разнообразие адронов не могло не вызвать сомнения в их "элементарности". Поэтому были предприняты поиски более фундаментальных, первичных частиц, нз которых могли быть образованы адроны. В 1964 г.
М. Гелл-Манн и Д. Цвейг выдвинули гипотезу, согласно которой все адроны построены из кварков. Гипотеза кварков позволила не только понять структуру уже известных адронов, но и предсказать существование новых частиц. В настоящее время установлено, что существуют шесть типов 1 кварков: и, И, л, с, Ь и г. Спин всех кварков равен — (кварки 2 1 являются фермионами), а барионный заряд В = —. Остальные ха- 3 рактеристики кварков приведены в табл. 7.3. Таблица 7.3 472 Кварк з является носителем квантовой характеристики— странности Я, кварк с — шарма (очарования) С, кварк Ь— красоты Ь, кварк г — правдивости (истинности) ь Соответствующие квантовые числа для этих величин приведены в табл.
7.3. Следует отметить, что кварки существенно отличаются от всех известных частиц — они обладают дробным электрическим (в единицах е ) и дробным барионным зарядами. Наличие дробных электрических зарядов у кварков было подтверждено в опытах по прямому просвечиванию нуклонов (и других адронов) быстрыми электронами. Результаты экспериментов показали, что внутри адронов электроны рассеиваются на точечных объектах с электрическими зарядами +2/Зе и -1/Зе.
С точки зрения кварковой модели каждый барион состоит из трех кварков, поскольку только в этом случае барионный заряд составной частицы В =1. Так, протон состоит из двух и-кларков и одного И-кварка: р =вид(ТИ). Стрелками здесь отмечена ориентация сливов кварков. В итоге, каки следовало ожидать, электрический заряд протона равен е, а 1 спин —. Нейтрон состоит из одного и-кварка и двух д-кларков: 2 л = и Ы (ТИ). Такой кварковый состав обеспечивает электронейтральность ней- 1 трона и спин, равный —. 2 У мезонов барионный заряд В = О, поэтому ясно, по образовывать мезоны могут только пары кварк — антикварк.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
