physics_saveliev_3 (535941), страница 80
Текст из файла (страница 80)
(97.10) Для объяснения особенностей протекания процессов с участием лептонов приходится ввести квантовое число 7„получившее название лептонного заряда нли л е п т о н н о г о ч и с л а. Лептонам приписывается Е = +1, антилептонам ь = — 1, всем остальным частицам Ь = О. При этом условии во всех без исключения процессах наблюдается сохранение суммарного лептонного заряда рассматриваемой физической системы. Преобразование всех величин, описывающих физическую систему (волновых функций, уравнений и т.
п.), при котором все частицы заменяются античастицами (например, электроны позитронами, а позитроны электронами и т. д.), называется вар ядов ы м со и р я ж ен нем. Какую из двух зарядово-сопряженных частиц считать частицей, а какую — античастицей, является, вообще говоря, делом чисто условным.
Однако, сделав выбор для одной пары зарядово-сопряженных частиц, выбор для других пар нужно делать так, чтобы в наблюдающихся взаимодействиях сохранялись барионный и лептонный заряды. Принято считать электрон и протон частицами, а позитрон и антипротон — античастицами. При этом условии выбор для остальных барионов и лептонов делается однозначным.
Так, например, для сохранения барионного заряда в ходе процесса (87.5) необходимо считать частицей нейтрон. Результаты, к которым приводит. учет требований сохранения В и Е для других частиц, приведены в табл. 9. В этой таблице указаны все известные в настоящее время частицы, за исключением резонансов. Смысл обозначений т, и тя будет выяснен в 9 1О!. Теперь мы имеем возможность объяснить, почему частицу, участвующую в распаде (90.5) или (87.5), следует рассматривать как антинейтрино, а частицу, участвующую в распаде (!)0.6),— как нейтрино. Лептонное число электрона и нейтрино равно + 1, а позитрона н аитинейтрино — 1 Поэтому электрон может возникать вместе с антинейтрино, а позитрон — вместе с нейтрино.
494 Приписав электрону Т. = +1, мы должны в соответствии со схемой распада (89.5) отрицательному мюону также приписать Л = +1, т. е. считать 1з- частицей, а положительный мюон рассматривать как античастицу и приписывать ему значение Т. = — 1.
Рекомендуем проверить, что в процессах распада п-мезонов [скк (89.3) и (89.4)) также сохраняется лептонный заряд, 9 98. Изотопический спин Протон и нсйтрон обнаруживают гораздо больше сходства, чем различий. Действительно, спин обеих частиц одинаков, массы очень близки, в сильном взаимодействии опи участвуют равным образом (см. в 9 89 о зарядовой независимости ядерных сил). Это дает основание рассматривать протон и нейтрон как два различных состояния одной и той же частицы — нуклона.
Если «выключить» электромагнитное взаимодействие, то оба эти состояния полностью совпадут (небольшое различие масс протона н нейтрона обусловлено электромагнитным взаимодействием). Заметим, что «выключение» спин-орбитального взаимодействия (т, е, взаимодействия между спиновыми и орбитальными моментами электронов) привело бы к совпадению уровней 'Рй и 'Р а, образующих вместе дублет (см, рис. 204). Эта аналогия послужила основанием для того, чтобы назвать протон и нейтров зарядовым и у л ь т и п л е т о м (дублетом) . Другие частицы также объединяются в зарядовые мультиплеты. Так, например, Л'-гиперон образует синглет (см.
табл, 9), а и-мезоны— триплет (при выключении электромагнитного взаимодействия все три п-мезона становятся неразличимыми). Каждому спектральному мультиплету соответствует определенное значение спина 5 (число компонент в мультиплете равно 25 + !), Отдельные компоненты мультиплета отличаются значениями проекции спина на ось г.
По аналогии с обычным спином каждому зарядовому мультиплету приписывается определенное значение изотопического сп и на ') Т, выбранное так, что ') Более правильное название — изобарическнй спюь Изотопнче. скип спин был впервые ввслеи в рассмотрение В, Геизснбергоы в 1932 г. лля описания протона н нейтрона как различных состояний нуклона.
2Т+ 1 дает число частиц, образующих данный мультиплет. Отдельным частицам приписываются различные значения Т, — проекции изотопического спина на некую ось г в воображаемом изотопичес ком нлн зарядово'м п р остр а н стае. Например, для нуклонов Т = 1/з, протону соответствует Т, = + 1!з, нейтрону Т, = — '/з. Для и-мезонов Т = 1, проекции Т, равны +1, 0 и — 1 для я'-, и'- н л--мезона соответственно. Во избежание недоразумений отметим, что квантовое число Т, названное нзотопнческим спином, не имеет никакого отношения ни к изотопам, нн к обычному спину (который, как мы знаем, представляет собой момент импульса). Слово «изотопический» появилось в названии квантового числа Т потому, что протон и пейтрон образуют различные <разновидностн» нуклона, подобно тому как действительные изотопы образуют разновидности данного химического элемента.
Слово «спин» появилось в названии вследствие того, что математический аппарат, описывающий квантовое число Т, оказался точно таким, как н математический аппарат обычного спина. В остальном между изотопическим и обычным спинами нет никакого сходства.
Может показаться странным, что в случае п-мезонов в одном зарядовом мультиплете объединяются и частица (и+) и ее античастица (и ), в то время как, например, Ло-гиперон н анти-Л'-гиперон образуют два различных зарядовых мультнплета. Объяснение заключается в том, что в зарядовый мультиплет объединяются частицы, отличающиеся только величиной нли знаком электрического заряда; все остальные величины, характеризующие частицы, должны быть одинаковыми '). Гипероны Ле н Ле отличаются значением барионного числа и поэтому не могут входить в один мультиплет. Барионное число всех и-мезонов равно нулю, остальные квантовые числа также одинаковы; следовательно, нет никаких препятствий для объединения их в одном мультиплете. Рассмотрим два зарядовых мультиплета, отличающихся тем, что частицы, образующие один мультиплет, являются античастицами по отношению к частицам, ') Различие заряженных и нейтральных частиц, обусловленное злектромагнитным взаимодействием, например небольшое различие в массе, не принимается во внимание.
!7 И. В. Савельев, т, П! 497 входящим в другой мультиплет. Изотопические спины обоих мультиплетов, очевидно, одинаковы /2Т+! дает число частиц в мультиплете). Что касается проекций нзотопического спина Т„то для частицы и античастицы они отличаются знаком. Так, для протона Т, +'/м для антипротона Т, — '/и, для нейтрона Т, = — '/м для антинейтрона Т, = +'/а. В табл. 10 приведены значения Т н Т, различных частиц. Каждая строка в этой таблице дает зарядовый мультиплет, Следовательно, если, например, для нуклона имеется две строки, то зто означает, что нуклоны образуют два зарядовых мультиплета.
Таблица 1О Проекции нзотопнаеского саина Га Изотопи- аескиа спин и Частица ГЗ но н-мезон К !. Ка !/ уа К-мезон Ка К !/а !/а Нуклон Ло Л-гиперои а Х-гиперон уа уа и-гиперон м-гиперон Понятие изотопического спина сыграло большую роль в установлении систематики элементарных частиц. В частности, оно натолкнуло американского физика М. ГеллзМаниа и независимо от него японского физика К. Нишиджиму на мысль объединить частицы в зарядо- 498 вые мультиплеты и привело их затем к понятию стра н.
ности (см. следующий параграф). При сильных взаимодействиях сохраняется как изотопический спин Т, так и его проекция Т,. При электромагнитных взаимодействиях сохраняется только Т„сам же изотопнческий спин Т не сохраняется. Слабые взаимодействия протекают, как правило, с изменением изотопического спина. $99. Странные частицы К-мезоны и гипероны (Л, Х, Е) были обнаружены в составе космических лучей в начале 50-х годов. Начиная с 1953 г. их получают на ускорителях.
Поведение эгих частиц оказалось столь необычным, что они были названы с т р а н н ы м и. Необычность поведения странных частиц заключалась в том, что рождались они явно за счет сильных взаимодействий с характерным временем порядка 10-" сек, а времена жизни их оказались порядка 1О ' — 10-м сел. Последнее обстоятельство укааывало на то, что распад частиц осуществляется в результате слабых взаимодействий.
Было совершенно не понятно, почему странные частицы живут так долго, что мешает им распадаться за счет сильного взаимодействия, в результате которого они возникают. Действительно, один из процессов рождения странных частиц имеет, например, вид: (99, 1) и +р- К +Л~, а распад Л~-гиперона идет по схеме: Л~-+я + р (99.2) (па рис.
271 приведена фотография треков частиц, полученная в пузырьковой камере с жидким водородом), Поскольку и в рождении, и в распаде Л'-гиперона участвуют одни и те же частицы (и--мезон и протон), представлялось удивительным, что скорость (т. е, вероятность) обоих процессов столь различна.
Дальнейшие исследования показали, что странныв частицы всегда рождаются только парами [см. (99.1)), Это навело на мысль, что сильные взаимодействия нв могут играть роли в распаде частиц вследствие того, что для их проявления необходимо присутствие двух !7' л!1В странных частиц, По той же причине оказывается запрещенным одиночное рождение странных частиц. В основе запрета каких-либо процессов всегда лежит некоторый закон сохранения. Так, распад свободного протона на нейтрон, позитрон и нейтрино (р — и + ~„зйя Рис. 27!.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
