goldin-novikova-vvedenie-v-kvantovuyu-fiziku-2002 (810754), страница 90
Текст из файла (страница 90)
Соблюдение этого правила обеспечивает сохранение числа и аромата кварков. Верхние три линии, т.е два и-кварка и г(-кварк, составляют протон, а нижние две изображают выходящие и-кварк и г(Гкварк. Эти частицы образуют я+-мезон. На этом рисунке мы в первый раз столкнулись с ГЛАВА 16 петлей, образованной в нашем случае г(- и гг'-кварками. Петли всегда изображают рождение пар. Рис. 179. Диаграмма, иллюстрирующая поляризацию вакуума. Рассмотрим более сложную, чем па рис. 1?6, фейнмановскую диаграмму (рис. 179). Испущенный электроном фотон, прежде, чем поглотиться протоном, рождает виртуальную электрон-позитронную петлю. Такой процесс, действительно, существует и носит название и о л яр и з а ц и и в а к у у м а. Образование виртуальных пар, конечно, сказывается, на распределении электрического поля, окружающего рассматриваемый электрон, но обнаруживается только на малых расстояниях.
Г1рименим сказанное к адронам. Виртуальныс кварк-антикварковые пары возникают вокруг каждого из кварков, входящих в состав адронов, и на малых расстояниях от кварков уменьшают глюонное поле, ответственное за сильное взаимодейстяие. Внутри адронов действующие на кварки силы уменшаются. Это явление получило название а с и м и т от и ч е с к о й с в о б о д ы.
Кварки пе могут покинуть адрона, потому что на них действуют огромные силы притяжения — силы сильного взаимодействия, А внутри него они почти свободны, Интересно было бы исследовать это экспериментально. Однако «прощупать» пространство внутри адрона не так просто. Для этого нужно локализовать пробные частицы в пространстве внутри адрона (знатгь что пробная частица пролетела не возле, а именно внутри адрона), а для этого необходимы огромные энергии: чтобы локализовать частицы в некотором объеме, нужно, чтобы они имели соответственно малую длину волны, а значит большую энергию. По мере возрастания энергии ускорителей такие опыты постепенно становятся возможными.
Скажем несколько слов об электрослабом взаимодействии. Оно возникает в результате объединения электрического и слабого взаимодействий и при небольших энергиях проявляется слабо. Так, при распаде нейтрона оно приводит только к небольшим поправкам к формулам, но при энергии ЕЕР (205 ГВВ) уже сказывается в полную силу. б 85 Пягпносчики взлимодействий Для полноты изложения упомянем о В е л и к о м о б ъ е д и н енин и. По современным представлениям по мере возрастания энергии силы электромагнитного, слабого и сильного взаимодействия должны сближаться и смешиваться в одно взаимодействие.
Наблюдать Великое объединение на опыте, по-видимому, никогда не удастся (оно должно наступить при энергиях порядка 10гз ГэВ). ф 85. Переносчики взаимодействий. Ядерные силы. Таблицы фундаментальных частиц и переносчиков взаимодействий До сих пор мы рассматривали силы гравитационного, электромагнитного, ядерного, сильного и слабого взаимодействий, почти не обращая внимание на переносчиков этих сил.
В классической физике просто полагается, что на частицы действуют силовые поля — гравитационное и электромагнитное — других полей классическая физика не знает. В квантовой физике эти представления изменяются. За полями мы уже научились видеть истинных переносчиков взаимодействия — кванты этих полей. Для классических нолей — это гравитоны и фотоны.
Когда поля достаточно сильны и квантов много, мы перестаем различать их как отдельные частицы и воспринимаем просто как поле. Но истинными переносчиками взаимодействий являются, конечно, соответствующие частицы. В этой главе уже говорилось о том, что переносчиками сильных взаимодействий являются глюоны.
К сказанному следует добавить, что их число равно восьми, что их спин равен единице, а масса равна нулю. Мы сведем данные о переносчиках взаимодействий в таблицу в конце этой главы. А сейчас постараемся понять почему нх восемь. Мы уже говорили о том, что сильное взаимодействие возникает нз-за того, что кварки»югут быть «окрашены» в три цвета: «красый», «желтый» и «зеленый».
Глюоны являются переносчиками цвета. Это означает, что онн меняют один цвет кварка на другой, например, желтый на красный. То есть онн уничтожают желтый цвет н генерируют красный нлн любой другой из возможных Таких возможностеи девять. Так для желтого цвета это означает уничтожить желтый цвет и родить вместо него красный, зеленый нлн снова желтый.
И так с остальными двумя цветами. Из этих девяти преобразований три ничего не меняют. Они генерируют тот же цвет, что уничтожают. Дальнейший анализ показывает, что из них образуются две независимые комбинации со «скрытым» цветом, две вместо трех. Поэтому гшоонов не шесть н не девять, а восемь. В течение многих лет физики искали переносчиков слабого взаимодействия. Теоретические соображения показывали, что этих переносчиков должно быть три и что их массы должны быть очень больши- 446 ГЛАВА 16 ми. Они были обнаружены только в начале 80-х годов. Это И'~ч И' и Уо-бозоны. Иг+- и 1И -бозоны являются частицей и античастицей. Эти частицы имеют массу, равную 80,4 ГэВ.
Они неустойчивы и имеют много каналов распада. Многообразие этих каналов и приводит к тому, что слабое взаимодействие действует на все частицы. Эти бозоны способны распадаться как на адроны, так и на лептоны. (При этом, конечно, выполняются общие правила, и не только электрический заряд, но и барионное и лептонное числа всегда остаются неизменными).
Спин Иг+, И' и 2'о-бозонов равен единице, поэтому они подчиняются статистике Бозе. Их называют в е к т о р и ы м и б о з о н а м и. Время жизни этих частиц столь мало, что измерить его невозможно. Вместо этого измеряют и указывают в таблицах их энергетическую ширину (ширину линии генерации на половине высоты), которая, если нужно, может быть переведена во время жизни с помощью соотношения неопределенностей т— —. 6/Г, где à — ширина линии. Для И'-частиц à — — 2,12 ГэВ.
Уо-бовен имеет массу в1,2 ГэВ, что близко к массе И'-бозонов. Он тоже может распадаться как на адроны, так и на лептоны. Его полная энергетическая ширина à — —. 2,5!'эВ. Среди мод распада Яо-бовена 20Уг занимают распады, при которых видимые частицы не образуются, т.е. распады на нейтральные слабо взаимодействующие частицы, вероятнее всего, на нейтрино. Большая масса И' - и Уо-частиц является важной причиной «слабости» слабого взаимодействия. Приведем фейнмановскую диаграмму для распада мюона (рис. 180).
Отрицательный мюон рождает виртуальный 1И -бозон и превращается в мюонное нейтрино. Этот процесс возможен, потому что среди различных мод (способов) распада И' -бозона имеется и распад на и и мюонное анти- нейтрино Здесь же мы имеем дело с обрат- Р„с 180 Д„а„ра а фей „а ным пРоцессом, с генеРацией И' -бозона, на для распада мюона. при котоРой мюон поглощается и нейтрино испускается (напоминаем читателю, что непускание античастицы соответствует поглощению частицы). Далее И' -бозон распадается на электрон и электронное антипейтрино (среди способов распада И' -бозона есть и такой). срейнмановская диаграмма показывает, что в согласии с экспериментом, при распаде мюона возникают мюонное нейтрино, электрон и электронное антинейтрино. Изо всех способов распада виртуального И' -бозона в этом случае может осуществиться только один: рас- 4 88 ПЕРЕНОСЧИКИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ 44? пад на электрон и антинейтрино.
Для остальных мод распада просто не хватает энергии. Положение меняется, если происходит распад тлептона. Его масса велика (1777 МэВ), и распад может происходить по многим каналам. При этом, конечно, всегда рождается и,-нейтрино. Из всех возможных каналов распада укажем на каналы: т -ч м + р + + Р„и т —.~ и„-, е ' и,. Каждый из них происходит в 17% случаев. В остальных случаях происходитраспад на адроны, например по каналам т — ч м -~.х и т -ч и — х" .! и .
Все эти способы распада происходят в согласии с модами распада!)г -бозона. Теперь мы можем понять, почему слабое взаимодействие может изменять аромат кварков. Это делают возможным адронные моды распада И'+, РК и Уо-бозонов. Конечно, эти моды включают в себя и распады с сохранением аромата кварков. Но в этих случаях они, практически, ничего не добавляют к обычным превращениям, происходящим под действием сильного взаимодействия, которое неизмеримо сильнее. Обратимся теперь к ядерным силам. Требуют ли ядерные силы введения еще одного типа сил или они являются проявлением уже известных нам взаимодействий? Ответ на этот вопрос за время, прошедшее с начала 30-ых годов, полностью изменился.
В начале 30-х годов Тамм и !Окава выдвинули гипотезу о том, что ядерные силы переносятся сравнительно тяжелыми неустойчивыми частицами, которые получили название «мезопов». После открытия и-мезонов такими частицами стали считаться именно они. Мезонная гипотеза успешно объясняла основные свойства ядерных сил: их короткодействие и свойственное ядерным силам насыщение. Она опиралась на уже известный в то время радиус действия ядерных сил и на почти постоянную удельную энергию связи ядер. Все эти особенности ядерных сил успешно интерпретировались тг-мезонной теорией. Анализ экспериментальных данных позволил не только предсказать существование этих частиц, к моменту создания гипотезы еще не открытых, но и правильно оценить их массу.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
