goldin-novikova-vvedenie-v-kvantovuyu-fiziku-2002 (810754), страница 86
Текст из файла (страница 86)
Продолжим обсуждение свойств слабого взаимодействия. До его обнаружения были известны три типа взаимодействий: гравитационное, электромагнитное и ядерное. Все они носят универсальный характер. Гравитационное и электромагнитное взаимодействия проявляются не только на малых, по и на сколь угодно больших расстояниях. Опи первыми были обнаружены и исследованы.
Их свойства хоро!Ло известны. Последнее из них — ядерное — является проявлением с и л ь н о г о в з а и м о д е й с т в и я (подробнее о соотношении сильного и ядерного взаимодействия мы поговорим в $85). На малых расстояних (на расстояниях порядка ядерных) оно чрезвычайно сильно, а на больших не действует вовсе. За распад нейтрона ответственно четвертое, — с л а б о е взаимодействие, которое действует на все частицы, включая нейтрино. Можно было бы подумать, что слабое взаимодействие из-за своей слабости не является уж очень важным.
Но это не так. Оно, в частности, является необходимым участником С о л и е ч н о г о Ц и к л а, который ГЛАВА 16 426 поддерживает температуру Солнца, а вместе с ней и нашу жизнь. Этот цикл состоит из следуюшего ряда реакций: р Ч- р — ~г 1) -1- е г -. 'и -1- 0,4 М э В, г(з 1-р ~Не+ у 5,5 МэВ, ззНе — зНе 4Не -1- 2Р 12,9 МэВ. (16.2) (16.3) (16.4) Все эти реакции могут происходить лишь в том случае. если участвующие в них заряженные частицы (два протона в первой реакции, дейтрон и протон во второй и два ядра гелия в третьей) могут достаточно близко подойти друг к другу. Этому мешает их кулоновскос отталкивание, которое на малых расстояниях чрезвычайно сильно. Поэтому эти реакции могут происходить лишь при огромных температурах и давлениях.
Онн относятся к т е р м о я д е р и ы м реакциям. Во внутренних областях Солнца условия для осуществления таких реакций имеются. Первая из этих реакций происходит под действием трех взаимодействий; сильного, ответственного за начало реакции и за образование дейтерия, электромагнитного и слабого (генерация позитрона и нейтрино).
Если было бы возможно «выключить» слабое взаимодействие, «погасло» бы наше Солнце и не было бы нас с вами... ф 81. Сильное взаимодействие. Кварки. Цвет и аромат кварков. Фундаментальные частицы первого поколения Кварки. Приступая к рассмотрению сильного взаимодействия, мы начнем с кварков. Говоря о магнитных моментах нуклонов, мы уже обращали внимание читателя на аномальные значения их магнитных моментов, Даже электрически нейтральный нейтрон обладает заметным магнитным моментом; — 1,91ргг, Это послужило нам первым указанием на сложный состав нейтрона (и протона).
Но представление о кварках возникло после того, как были открыты гх-частицы (дельта-частицы) и л-мезоны (пи-мезоны). В настоящее время твердо установлено, что протоны и нейтроны состоят из некоторых составных частей, которые получили название к в а р к о в. Это не значит, что нуклоны могут быть разделены на кварки. Мы уже говорили о том, что ни протон, нн цейтрон ни ца какие составляющие разделены быть пе могут.
Кварки в свободном состоянии получить нельзя. Однако, только теория кварков (Стандартная Теория) позволила объяснить основные свойства известных оарионов и мезонов, и предсказать существование других, еще не открытых. э 81 Сильное ьзлнмодвйствие. КВАРки 427 Существует несколько разновидностей кварков. Мы рассмотрим сначала самые легкие кварки — кварки п е р в о г о п о к о л е н и я. Таких кварков два: верхний, который принято обозначать как и-кварк, или ир-кварк (произносится ап-кварк от англ, ир — верхний) и нижний г(-кварк, или г)ошп-кварк (произносится даун-кварк от англ. г1огои— нижний). Их заряды равны —,2/Зе у верхнего и -1/Зе у нижнего кварков.
Спины кварков всех типов и поколений равны 1/2. Протон состоит из двух верхних кварков и одного нижнего: р = (ииг(). Соответственно, его заряд равен 2 х 2/3+( — 1/3) = +1 (в ед. е). Нейтрон состоит из двух нижних кварков и одного верхнего: и = (иЫ). Гго заряд равен нулю. Кварки и лептоны объединяют общим названием фундаментальных частиц. К фундаментальным частицам первого поколения относятся не только ир — и Йчоа-кварки и уже знакомые нам лептоны — электрон е и электронное нейтрино и„но также и их античастицы: аитикварки й и г(, позитрон ет и антинейтрино й». На этом список частиц первого поколения заканчивается. До сих пор мы говорили просто о нейтрино.
Но сейчас мы знаем, что к фундаментальным частицам первого поколения относятся именно электронное нейтрино и электронное антинейтрино. Сравнительно недавно (в начале 60-х годов) выяснилосгч что разновидностей нейтрино существует несколько. Остальные нейтрино не относятся к частицам первого поколения и о них речь пойдет ниже. Возвратимся снова к распаду нейтрона. !'1реобразование нейтрона в протон сводится к замене одного нижнего кварка на верхний. Изменение заряда компенсируется генерацией электрона, а вместе с ним возникает и электронное антинейтрино. Возникает естественный вопрос о массах кварков. Этот вопрос не имеет простого ответа.
Как уже пояснялось, кварки не могут быть получены в свободном виде и поэтому не имеют определенной массы в обычном смысле этого слова. Обы ~но и-кварку приписывают массу 5 МэВ, а г(-кварку — массу 7 МэВ. То обстоятельство, что кварки невозможно выделить из элементарных частиц, называют английским словом «конфайнмент» (от соп(1петегг! — удержание, заточение). Кварки в элементарных частицах находятся «в пожизненном заточении». Глюоньг. Обратимся теперь к переносчикам взаимодействий.
Переносчиком электромагнитного взаимодействия является электромагнитное поле, на квантовом языке — фотоны. Переносчиком гравитационного взаимодействия является гравитационное поле и, соответственно,— гравитоны. Переносчиков сильного взаимодействия называют г л ю он а м и (от англ. с»(ие — клей). Рассмотрение природы ядерных сил мы снова отложим до дальнейшего. 428 ГЛАВА 16 Переносчики электромагнитного и гравитационного взаимодействий, фотоны и гравитоны, — из-за слабости взаимодействия — легко отрываются от источников соответствующих зарядов и могут существовать отдельно, При сильном взаимодействии это не так; оторвать глюоны от элементарных частиц не удается. При этом, конечно, затрудняются построение и наглядность теории. Мезоны.
Познакомимся с некоторыми другими частицами, построенными из кварков первого поколения, Это, прежде всего, т-мезоны или пионы. Существует три разновидности этих частиц: и, гг и яомезоны. Название «мезоны» происходит от греческого слова тезоз— средний, промежуточный. И, действительно, и-мезоны обладают массой, которая лежит между массой электронов и нуклонов. В настоящее время известны мезоны с очень большими массами. Назяание «мезоны», однако, сохраняется и для них. По современной терминологии м е з о н а м и и а з ы в а ю т ч астицы, состоящие из кварка и анти кварка, независимо от массы частиц и от того, о каких кварках идет речь, о верхних или нижних, о кварках первого или следующих поколений.
Приведем кварковый состав х-мезонов: Из состава я~-мезона следует, что часть времени он проводит в состоянии вй, а часть — в дд-состоянии. Масса всех и-мезонов составляет около 140 МэВ. т~.-мезоны, как и все частицы, состоящие из кварков, относятся к сильно взаимодействующим частицам.
Заряженные и-мезоны живут 2,6 10 з с, а по-мезон— 8,4 10 "с В главе ХТГ при обсуждении ядерных реакций был введен термин «адроны» для ядерноактивных частиц. Выше мы ввели термин «барионы» и только что — термин «мезоны». Теперь эти термины следует уточнить. Барионами называют частицы, состоящие из трех кварков или трех антикварков (антибарионы).
Лдронами называют все частицы, способные к сильному взаимодействию, тоесть все частицы, состоящие из кварков и антикварков.Кадронам,таким образом, относятся как барионы, так и мезоны, Эти определения следует запомнить, з 81 Сильное ьзАимодейстВие. КВАРки Вернемся к свойствам я-мезонов. Начнем с яо-мезона.
Из его состава ясно, что этот мезон принадлежит к истинно нейтральным частицам: у него нет никаких квантовых чисел (кроме спина). Поэтому он может распадаться на гамма кванты, что он и делает; по -е 27, В его распаде не принимают участие нейтрино и вообще не участвуют силы слабого взаимодействия. Поэтому время его жизни так мало. Два других я-мезона являются частицей и античастицей. Один из способов распада и '-мезона — это распад на позитрон и нейтрино: (16.6) г'е Другой способ распада приводит к образованию мюона (лептон с массой 106 МВВ, принадлежащий ко второму поколению фундаментальных частиц): я — ц ' м„. (16.7) Здесь мы впервые встретились с еще одним типом нейтрино — с мюонным нейтрино ию Подробный рассказ о фундаментальных частицах второго поколения мы отложим до следующего параграфа. Большое время жизни заряженных я-мезонов (2,6 10 з с) связано с тем, что их распад может происходить только под действием снл слабого взаимодействия.
Распад ()6.7) (и аналогичный распад я -мезона) является основным источником мюонов в космических лучах и на ускорителях. Мюоны, как и другие лептоны (за исключением электронов и позитронов), непосредственно не генерируются и возникают только как продукты распада тех или иных адронов (прямая генерация происходит, но крайне редко). Познакомимся с еще одним типом частиц, состоящих из кварков первого поколения. Речь идет о Ь-барионах.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
