belonuchkin-zaikin-tsipenyuk-kvantovaya-fizika (1) (810753), страница 44
Текст из файла (страница 44)
Чтобы найти константу взаимодействия в других случаях, введем формально ядерный заряд д д, слабый заряд д, и гравитационный гудр и аналогично кулоновскому взаимодействию запишем потенциалы этих взаимодействий в виде Ч,Уг, опустив множитель 4хеп (так 2 записывается кулоповское взаимодействие в системе СГСМ).
Гравитационный заряд легко найти из сравнения «электромагнитного» взаимодействия гравитационных зарядов двух протонов и их гравитационного взаимодействия: угпз д~ (12.4) где у = 6,67 10 з смзу'(г сд) -- гравитационная постоянная. Отсюда д~„= = упг-,, и получаем 2 2 '2 ~~Р Р 7 10-39 (12.5) Йс Ьс В случае сильного (ядерного) взаимодействия ядерный заряд можно оценить из средней энергии связи на нуклон в ядре Е„10 МэВ и радиуса ядра тт д = 10 '~ см: 2 Чяд (12.6) Ляд Итак, мы получаем для константы сильного взаимодействия величину Чдзд ЕддЛдд 1,6 10 ' 10 (12.7) лс Лс Гй — зг 3 Гйш Выше приводились данные, свидетельствующие о том, что интенсивность слабого взаимодействия составляет 10 ы сильного.
Так как интенсивности 170 Г'1 10 элементАРные чАстицы (вероятности) процессов пропорциональны силовым константам, то отсюда сразу можно получить следующее соотношение для слабого заряда 9 л,111110) 10 — и (12.8) 17~я7'160) В силу полученной для сильного взаимодействия оценки (12.7) окончательно имеем в (12.9) Итак, хорошо известное электромагнитное взаимодействие по интенсивности лишь в 137 раз меньше сильного. Гравитационное взаимодействие в этом ряду стоит на последнем месте. Оно почти в 1000 раз слабее сильного, но им обладают все элементарные частицы. Конечно, во взаимодействиях между элементарными частицами оно никогда не учитывается, но взаимодействие частиц с макроскопическими толами -- экспериментально установленный эффект. Так, например, искривление траектории пучка медленных нейтронов в поле земного тяготения неоднократно наблюдалось непосредственно.
Ясно, что в тех обстоятельствах, когда возможны и сильные, и слабые взаимодействия, преобладание сильных —. подавляющее. Слабые процессы обнаруживают себя только там, где законы сохранения запрещают осуществление сильных взаимодействий. Поэтому слабым взаимодействиям раньше отводилась роль мусорщика., выметиощего осколки после высокоэнергетических столкновений, отданных на откуп сильным взаимодействиям.
Задача слабых взаимодействий -- удалять нестабильные продукты путем распадов. Однако именно в этих «скучных» продуктах были обнаружены нарушения фундаментальных физических законов —.- законов сохранения пространственной и комбинированной чстностей. О нарушении зеркальной симметрии при Д-распаде мы уже говорили раньше. Обсуждая ядерное взаимодействие, цементирующее нуклоны в ядре, мы подчеркивали, что в квантовой теории поля взаимодействие частиц рассматривается как рождение или поглощение одной свободной частицей других (виртуальных) частиц, иначе говоря, каждая частица окружена облаком виртуальных частиц.
С точки зрения классической физики это невозможно, но в квантовой механике в соответствии с соотношением неопределенностей частица может испустить виртуальную на короткое время 1х1; 11)ЬЕ, где ЬЕ неопределенность в энергии, примерно равная энергии покоя виртуальной частицы гисз. Если считать скорость движения виртуальной частицы равной скорости света с, то радиус действия возникающих таким образом обменных сил должен быть порядка Б(тс, т. е.
порядка комптоновской длины волны виртуальной частицы. Переносчиком сильного взаимодействия является х-мезон, сильно взаимодействующая частица наименьшей массы, и радиус действия ядерных сил составляет примерно 10 1з см. Эксперименты показывают, что радиус действия слабого взаимодействия 10 ' см, т. е. масса ответственных за него виртуальных частиц должна быть 100 ГэВ. Как следовало из теории, у слабого взаимодействия должно существовать три переносчика:нейтральный Я0- и заряженные И''1 — и И' -промежуточные бозоны. В 1983 г.
эти частицы были зарегистрированы в экспериментах на встречных пучках, т. е. 12.2. ЗАКОНЫ СОХРАНЕНИЯ В МИКРОМИРЕ 171 на пучках ускоренных частиц, направленных навстречу друг другу. То, что переносчиком электромагнитного взаимодействия является фотон, мы уже неоднократно обсуждали. Переносчиком гравитационного взаимодействия, согласно существующим воззрениям, является гравитон, частица с нулевой массой, однако экспериментально оп до сих пор не обнаружен. 12.2. Законы сохранения в микромире Все многообразие законов., являющихся результатом многочисленных опытов и их теоретических обобщений, пронизано некими общими принципами, которые так или иначе содержатся в каждом законе. Физики называют эти единые законы фундаментальными, и к ним прежде всего относятся законы сохранения, т. е. утверждения о постоянстве во времени некоторых величин, характеризующих данный объект или систему объектов и зависящих только от начальных условий. Глубокий смьн:л законов сохранения состоит в том, что каждый из них связан с какой-либо симметрией законов природы.
Это утверждение носит название теоремы Э. Нетер, которая гласит: «Если свойства системы не меняются от какого-либо преобразования переменных, .то этому сс1отвстствует определенный закон сохранения». Как известно из классической механики, всеобщие законы сохранения энергии, импульса и момента импульса следуют из предположения об однородности и изотропности пространства-времени. В атомной физике закономерности периодической таблицы Менделеева связаны с инвариантностью относительно вращений.
Теория относительности полностью зиждется па идее лоренцинвариантности. Ядерная физика, и особенно физика элемегпарпых частиц, значительно обогатили наши представления о симметрии и ее связи с наблюдаемыми в микромире явлениями. Рассмотрим симметрии природы, связанные с возможностью замены правого на левое, частицы на античастицу и обращения времени. Оказывается, что все три операции --. зарядового сопряжения С (замены частиц античастицами), пространственной инверсии Р (замены координат г на — г) и обращения времени Т (замены времени ~ на — 1), взятые вместе, не являются совсем независимыми. Пространсгвенная инверсия эквивалентна операции зеркального отражения относительно одной из координатных плоскостей и повороту па угол 77 вокруг одной из осей, а так как любое физическое явление инвариантно относительно вращения системы отсчета, то ипвариантность физических законов относительно операции Р эквивалентна их зеркальной симметрии, иначе говоря, симметрии «левоеправоо».
Произведенные последовательно друг за другом, преобразования С, Р и Т обязаны не менять никаких следствий теории, т. е. природа должна быть инвариантна относительно одновременного проведения всех трех операций симметрии. Это утверждение носит название СРТ-теоремы. Из СРТ-теоремы, в частности, следует, что массы и времена жизни частицы и античастицы равны, магнитные моменты различаются только знаком, взаимодействие частицы и античастицы с гравитационным полем одинаково (нет «антигравитации»).
На опыте не обнаружено ни одного случая нарушения СРТ-инвариант- ности. Так, равенство масс частицы и античастицы в случае К и К справедливо с точностью Ьгп(7п = 10 ~~. Экспериментальное отношение д-факторов электрона и позитрона (фактически отношение магнитных моментов) 172 1Л. 12. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ также равно единице с очень высокой точностью д(е+) = 1 + (0,5 ~ 2,1) х 10 В то жс время мы тс',перь знаем, что в слабых взаимодействиях нарушаются как Р- и С-инвариантности, так и СР-инвариантность (комбинированная инверсия). Несохрацепие четности было обнаружено в 1957 г, в 13-распаде ввСо. Наиболее прямое нарушение зарядовой инвариантности проявилось при исследовании продольно поляризованных мюопов при распаде пионов на мюон и нейтрино.
В. Фитчем и Дж. Крониным были обнаружены СР- нечетные процессы (паруп1ение Т-инвариантности): они наблюдали распад долгоживущих нейтральных каонов на два пиона. Однако пе все симметрии природы оказывается возможным легко выявить и наглядно объяснить, поскольку они не обязателыю должны быть связаны со свойствами обычного пространства-времени. Осознание этого факта привело в последние десятилетия к открытию нового класса так называемых внутренних симметрий, возникающих за счет свободы преобразований тех или иных групп частиц в особых «внутренних пространствах».
Симметрийпый подход в физике элементарных частиц явился ключом к их классификации и основой теоретического описания их взаимодействий. Каждая элементарная частица описывается набором дискретных значений определенных физических величин своими характеристиками.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
