Учебник - Как понимать квантовую механику - Иванов М.Г. (1238820), страница 7
Текст из файла (страница 7)
В ГЛУБЬВЕЩЕСТВА11превращения частиц. Характерное расстояние, на котором работает слабое взаимодействие, — 10−16 см (размер протона ∼ 10−13 см, размер атома ∼ 1 Å = 10−8 см).Слабое взаимодействие — единственное, которое позволяет детектировать нейтрино (нейтрино также участвует в гравитационном взаимодействии, но гравитационное взаимодействие для отдельного нейтрино слишком слабо).Объединённая теория электромагнитного и слабого взаимодействий,описывающая их как проявления электрослабого взаимодействия, была создана около 1968 года Глэшоу, Саламом и Вайнбергом.Сильное взаимодействиеВ сильном взаимодействии участвуют только кварки и глюоны (сильное взаимодействие нелинейно), а также построенные из них составныечастицы.
Сильное взаимодействие удерживает кварки в адронах, а нуклоны(протоны и нейтроны) в атомных ядрах. Все истинно элементарные сильновзаимодействующие частицы несут специальный заряд — «цвет». В отличие от обычных зарядов, цвет трёхмерен. Все частицы, которые можнонаблюдать в свободном состоянии, цвета не несут. Глюоны имеют спин 1и не имеют массы, поэтому они имеют две спиновых поляризации, однакопомимо спиновой поляризации они имеют ещё цветной заряд, из-за чего общее число поляризаций существенно больше.
Сильное взаимодействие неимеет малого параметра, по которому можно было бы разлагать его в ряд(параметр есть, но он порядка 1), из-за чего что-либо аналитически посчитать в рамках квантовой хромодинамики (так называется теория сильноговзаимодействия) очень сложно. Однако теоретические расчёты и численныевычисления убедительно подтверждают справедливость теории.Хотя глюоны не имеют массы, нелинейные эффекты (то, что самипереносчики взаимодействия несут цветной заряд) приводят к тому, чтоглюоны, как и кварки, не могут вылетать из атомного ядра (конфайнмент).
На сравнительно больших расстояниях (порядка размеров нуклона ∼ 10−13 см) глюоны образуют протяжённые конфигурации — глюонные струны, натяжение которых не зависит от длины. Таким образом, потенциальная энергия сильного взаимодействия для частиц, соединённыхглюонной струной, растёт на «больших» (∼ 10−13 см — размер нуклона) расстояниях линейно ∼ r.
Когда расстояние увеличивается настолько,что струне становится энергетически выгодным разорваться с образованием на новых концах пары кварк-антикварк, струна становится неустойчивойи рвётся. Каждая частица, образовавшаяся в результате такого распада, ненесёт цветного заряда и имеет целый электрический заряд.12ГЛАВА 1Адроны не несут цветного заряда, между нимине образуется глюонных струн, но действует остаточное сильное взаимодействие. Энергия остаточного сильного взаимодействия мала по сравнениюс массами адронов, поэтому, например, масса ядраблизка к сумме масс образующих его бесцветныхнуклонов (протонов и нейтронов).
Первая теориясильного межнуклонного взаимодействия, созданнаяХидэки Юкавой (1935 г.), описывала его через обРис. 1.6. Хидэки Юка- мен массивными частицами промежуточной междува (1907–1981). Wэлектроном и протоном массы (пи-мезонами). Эффективный потенциал (потенциал Юкавы) для такой модели отличается откулоновского потенциала экспоненциальным множителем ∼ exp(−r/r0 )/rс характерным расстоянием порядка размера нуклона r0 ∼ 10−13 см.Внутри адронов (и, в частности, нуклонов) сильное взаимодействиенамного сильнее: сумма масс всех входящих в адрон цветных кварков существенно меньше массы самой частицы.
Недостающую массу можно рассматривать как массу глюонных струн, скрепляющих кварки. На малыхрасстояниях кварки внутри адронов ведут себя практически как свободныечастицы (асимптотическая свобода).Квантовая теория сильного взаимодействия — квантовая хромодинамика (КХД, QCD) — постепенно сложилась, начиная с 1960-х годов, в процессе совместной работы и взаимодействия многих отечественных и иностранных физиков.1.1.6.
АдроныРис. 1.7. Джеймс Чедвик (1891–1974). WЧастицы, участвующие в сильном взаимодействии, называются адронами. Адроны состоят изкварков. Все адроны — составные частицы. Свободных (не входящих в состав составных частиц) кварков на эксперименте не наблюдается.Всем кваркам приписывается барионный заряд+ 13 , а антикваркам — − 13 . Барионный и электрический заряды свободной частицы всегда целые.Частицы с нулевым барионным зарядом — мезоны.Частицы с положительным барионным зарядом — барионы, с отрицательным — антибарионы.Суммарный барионный заряд сохраняется.Пока не обнаружено какого-либо взаимодействия, источником для которого был бы барионный1.1.
В ГЛУБЬВЕЩЕСТВА13заряд. Не обнаружено и фундаментальных причин, по которым этот зарядбыл бы обязан сохраняться. Поэтому, возможно, его лучше называть простобарионное число.Самые лёгкие барионы — это нуклоны (протон p = uud — 938,2726 МэВи нейтрон n = udd — 939,565 МэВ).Протон — ядро обычного (лёгкого) водорода. В химических реакциях часто появляется как положительный ион водорода H + . Нейтрон оченьпохож на протон, но не несёт электрического заряда. Нейтрон был открытДж. Чедвиком в 1932 году, после чего стало ясно, что атомное ядро состоитиз протонов и нейтронов (до того думали, что ядро состоит из протонови электронов).Поскольку нейтрон тяжелее, чем протон и электрон вместе взятые, свободному (не входящему в атомное ядро) нейтрону энергетически выгодноразвалиться на протон, электрон и электронное антинейтрино.
При этомодин из u-кварков превращается в d-кварк за счёт слабого взаимодействия.Процесс этот весьма медленный: время жизни свободного нейтрона 886 с(период полураспада — 614 с).Кварки скрепляются в адронах с помощью виртуальных глюонов. Приэтом взаимодействие столь сильно, что попытка вырвать из адрона отдельный кварк приводит к рождению пары кварк–антикварк, в результате чегоснова получаются сложные частицы с целым барионным зарядом.Известные на сегодняшний день мезонысостоят из пары кварк–антикварк, а барионы —из трёх кварков.
Однако теория допускает существование и более сложных частиц, например, пентакварк должен состоять из четырёхкварков и одного антикварка, а глюбол вообщене должен содержать кварков, а только самодействующие глюоны.1.1.7. ЛептоныСамый простой лептон — это электрон8 .Его заряд был измерен уже в 1911 годуА. Ф. Иоффе (из-за задержки с публикациейраньше вышли результаты более поздней ра- Рис. 1.8. Абрам ФёдоровичИоффе (1880–1960). Wботы Р.
Милликена 1912 года). Как свободнолетящая элементарная частица на заре ядерной физики электрон также былизвестен как β-частица (поток бета-частиц — бета-лучи).8 Нейтриноещё проще, но его ловить трудно.14ГЛАВА 1Заряженные лептоны — электрон (e), мюон (μ) и тау-лептон (τ ) —можно считать тремя разновидностями электрона с различной массой(0,511, 105,658 и 1777 МэВ соответственно). Электрон стабилен (ему нево что распадаться, т.
к. он самый лёгкий из заряженных частиц). Мюони тау-лептон распадаются благодаря слабому взаимодействию (время жизни 2,19 × 10−6 и 2,9 × 10−13 с).Благодаря тому, что мюон не очень тяжёл и распадается только посредством слабого взаимодействия, его время жизни сравнительно велико.За это время мюон может успеть притянуться к какому-либо атомному ядруи образовать мюонный атом. Поскольку мюон в 200 раз тяжелее электрона,радиус его орбиты оказывается в 200 раз меньше орбиты электрона.
Сидя на низкой орбите, мюон экранирует одну единицу заряда ядра, и дляэлектронов ситуация выглядит так, будто атомное ядро временно (пока живмюон) потеряло одну единицу заряда.Образование мюонного атома (мезоатома) может использоваться в физике твёрдого тела для создания имитации внедрения в кристаллическуюрешётку атома с номером меньшим на 1.Возможны не только мюонные атомы, но и мюонные молекулы (мезомолекулы), размеры которых также в 200 раз меньше размеров их электронных аналогов. В мезомолекулярном ионе, состоящем из двух ядер водорода (дейтерия, трития9 ) и одного отрицательного мюона ядра водорода сближены на расстояние, которое в обычной плазме соответствовалобы температуре порядка 3 × 107 K.
В результате за время много меньшеевремени жизни мюона (порядка 10−9 –10−12 c) в ионах тяжёлого водорода DDμ, T T μ, DT μ происходит слияние ядер (термоядерная реакция),после чего мюон может успеть образовать новую мезомолекулу и сновавызвать слияние ядер. Поскольку мюоны, вызывая ядерную реакцию, самипрактически не расходуются, этот процесс называется мюонным катализом.
Процесс длится до тех пор, пока мюон не распадётся или не будетсвязан ядром гелия10 . Идея мюонного катализа была высказана А. Д. Сахаровым в 1940-х годах.Мюон иногда называют мю-мезоном, однако мезоном, в соответствиис современной классификацией, он не является.Три разновидности нейтрино называются по именам соответствующихзаряженных лептонов — электронным, мюонным и тау-нейтрино.9 Дейтерий и тритий — тяжёлые изотопы водорода. Ядро дейтерия — дейтрон состоит изпротона и нейтрона D = pn, ядро трития — тритон состоит из протона и двух нейтроновT = pnn.10 См. обзор Герштейн С. С., Петров Ю. В., Пономарёв Л.
И. Мюонный катализ и ядерныйбридинг // УФН. — 1990. — Vol. 160(8). — P. 3–46.1.1. В ГЛУБЬВЕЩЕСТВА15Электрону, мюону, тау-лептону и соответствующим нейтрино приписывается лептонное число (лептонный заряд) +1, соответствующим античастицам приписывается лептонное число −1.
Суммарное лептонное числосохраняется.Какого-либо взаимодействия, источником для которого был бы лептонный заряд, также не обнаружено. Не обнаружено и фундаментальныхпричин, по которым этот заряд был бы обязан сохраняться. Поэтому и еголучше пока называть просто лептонное число.Все нейтрино участвуют только в гравитационном и слабом взаимодействиях.
По этой причине они очень слабо взаимодействуют с веществом. Нейтрино может (с вероятностью близкой к единице) пролететь насквозь звезду типа Солнца.Как показали опыты по наблюдению осцилляций нейтрино, они имеют ненулевую массу, причём нейтрино «на лету» периодически меняет свойсорт превращаясь из электронного в мюонное и обратно. Из-за этого потокэлектронных нейтрино, идущий от Солнца, вдвое ниже теоретически предсказанного без учёта осцилляций нейтрино11 .Очень важной проблемой для астрофизики является оценка плотностиэнергии, содержащейся в нейтрино низких энергий.
Такие нейтрино несутслишком низкую энергию, чтобы их можно было зарегистрировать по вызываемым ими ядерным реакциям, поэтому они могут незаметно для астрономов обладать энергией, сравнимой с энергией всего «обычного» веществаво Вселенной. Нейтрино должны давать вклад в тёмную материю — неизвестное вещество, обнаруживаемое астрономами только по гравитационным эффектам, составляющее большую часть (порядка 34 ) массы галактики свободно проходящее сквозь галактики при их столкновении.1.1.8. Поле Хиггса и бозон Хиггса (*)В квантовой теории поля безмассовые частицы описываются проще,чем массивные.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
