kobyakin-elementarnye-chastitsy (810756), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Все они не являются истинно элементарными, а состоят из кварков, антикварков или их комбинаций. Каждыйкварк обладает цветовым зарядом, а, как уже говорилось в разделепро взаимодействия, сильное взаимодействие усиливается с расстоянием. Именно это обстоятельство приводит к невозможности существования кварков в свободном состоянии, это явление называется конфайнментом.
В свободном состоянии могут существовать бесцветныечастицы, подобную окраску, например, могут дать три кварка (илитри антикварка), несущие три разных цвета (антицвета), частицы стаким строением называются барионы (антибарионы). Другим вариантом получить бесцветную комбинацию является пара кварк-антикварк(несущие цвет и антицвет), и частицы с таким строением называютсямезонами. Теоретически также возможны комбинации из двух кваркантикварковых пар (тетракварки) или четырёх кварков и одного антикварка (пентакварки). За последние несколько лет экспериментыLHCb, BES III, D0 с высоким уровнем достоверности экспериментально обнаружили несколько частиц-кандидатов на роль тетра- и пентакварков.Таблица 3КваркиI поколениеII поколениеIII поколениеuupверхнийddownнижнийсcharm(charmed)очарованныйsstrangeстранныйttop(truth)истинныйbbottom(beauty)прелестныйЭлектрическийзаряд+ 23 e− 13 eКак и в случае лептонов, в природе существует шесть различныхкварков и шесть антикварков, сгруппированных в три поколения.
Типкварка называется его ароматом, или флейвором. Обозначения кварков, а также их названия (русские и международные) приведены втабл. 3. Там же приведены их электрические заряды в единицах заряда электрона, все кварки из верхней строчки таблицы обладают зарядом + 23 e, из нижней — − 13 e. Из этой же таблицы заметна некоторая8путаница с названиями кварков третьего поколения. Дело в том, чтоисторически они были названы truth и beauty, но в последнее времяпрактически все специалисты перешли на top и bottom. В русскомязыке сделать перевод современных названий t- и b-кварков отличным от u- и d-кварков оказалось достаточно проблематично, поэтомусохранились старые названия.Некоторой проблемой оказалось приписать кваркам определённуюмассу. Дело в том, что, по определению, масса кварка — это то, чтостоит в уравнениях, описывающих его взаимодействие с другими частицами (иногда можно встретить название «токовая масса»).
Оказалось, что она принципиально отличается от результата, который можно получить, пытаясь вывести массы кварков как набор слагаемых,дающих в сумме массу обычных частиц с учётом их кваркового состава (так называемая «блоковая» или «конституэнтная» масса). Крометого, токовая масса зависит от характерной энергии процесса (именно поэтому в литературе можно, например, встретить значение массыd-кварка в виде диапазона значений 1.7–3.3 МэВ [1]). Тем не менеестоит заметить, что массы кварков, как и лептонов, растут с увеличением номера поколения. Самым тяжёлым кварком оказался t-кварк,его масса составляет около 172 ГэВ (см. [1]) и настолько велика, чтоон распадается за счёт слабого взаимодействия быстрее, чем успеваетсформировать какую-нибудь частицу вместе с другими кварками.Кварки могут переходить из одного в другой только в результате слабого взаимодействия.
Во всех процессах, протекающих за счётсильного или электромагнитного взаимодействия, кварки сохраняютсвои ароматы и могут только перераспределяться между частицами.В настоящее время насчитывается более тысячи различных адронов, обнаруженных экспериментально. Есть определённые исторически сложившиеся правила наименований различных адронов, благодаря которым по названию можно определить кварковый состав частицы. Для изложения основной идеи этих правил назовём лёгкимиu- и d-кварки. При этом буква, обозначающая частицу, определяетсятем кварком (или кварками) в составе, который не является лёгким,а лёгкие кварки определяются по знаку заряда частицы, написанному вверху справа. Если впоследствии открывали частицу, в которойодин из кварков был заменён на более тяжелый, то вместо присвоенияновой буквы к обозначению старой частицы внизу в качестве индексадописывался символ нового кварка (или символы, если было несколькозамен).
При этом большая часть названий частиц была сформированаещё до открытия кварковой структуры и несёт в себе множество исторических артефактов (так, например, мезоны с s-кварком в составе9были отнесены к античастицам, а s-кварком — к частицам), поэтомуописывать эту систему целиком особого смысла не имеет.Примеры кваркового состава некоторых адронов приведены втабл. 4.
Обратите внимание, что некоторые частицы представляютсобой суперпозицию нескольких кварковых состояний, например, π 0 мезон или η-мезон. Кроме того, есть частицы, у которых кварковыйсостав одинаков, например, протон p и изобара ∆+ (1232). Они отличаются состояниями входящих в их состав кварков, в приведённомпримере ∆+ (1232) является возбуждённым состоянием протона. В подобном случае в скобках указывается масса данного возбуждённогосостояния в МэВ.2.Диаграммы ФейнманаВнутренние детали процессов взаимодействия обычно изображаются с помощью диаграммной техники — диаграмм Фейнмана, длякоторых по специальным правилам можно сразу записать формулудля расчёта сечения изображённой реакции.
На диаграмме каждаячастица изображается определённой линией, при этом свободные концы линий слева сопоставляются частицам, вступающим в реакцию, асправа — получающимся в результате. Течение времени в ходе процесса соответствует движению по диаграмме слева направо.
Вершинысоответствуют элементарным взаимодействиям в ходе реакции, а внутренние линии — промежуточным частицам. При этом для каждой вершины должны выполняться все законы сохранения для соответствующих параметров (например, для электрического заряда, импульса,момента импульса и т.д.) входящих и выходящих из неё частиц.Пример диаграммы процесса упругого электромагнитного рассеяния электрона на электроне e− + e− → e− + e− приведён ниже:e−e−γe−e−Обратите внимание, что на диаграмме электроны обозначены прямой линией (так обозначаются все фермионы — частицы с полуцелымспином), а фотон — волнистой линией (так обозначаются бозоны —10Таблица 4Примеры адронов (данные взяты из [1])ЧастицаОбозначениеБарионыПротонpНейтронnДельта-плюс-изобара 1232∆+ (1232)Дельта-плюс-изобара 1600∆+ (1600)Дельта-ноль-изобара 1232∆0 (1232)Дельта-плюс-плюс-изобара 1232∆++ (1232)−Анти-сигма-минус-гиперонΣКси-ноль-гиперонΞ0Омега-минус-гиперонΩ−Очарованный омега-гиперонΩ0cОчарованный кси-плюс-гиперонΞ+cПрелестный кси-ноль-гиперонΞ0bМезоныПи-минус-мезонπ−Пи-плюс-мезонπ+Пи-ноль-мезонπ0Эта-мезонηОмега-мезон 782ω(782)К-ноль-мезонK00Анти-к-ноль-мезонK+К-плюс-мезонKДжи-пси-мезонJ/ψИпсилон-мезонΥД-плюс-мезонD+Странный д-плюс-мезонDs+Б-ноль-мезонB0Очарованный б-минус-мезонBc−11Кварковый составuududduuduududduuuuusussssssscuscusbudud√1− dduu2√1uu + dd − 2ss6√1uu + dd2dsdsusccbbcdcsdbcbчастицы с целым спином).
При этом стрелки на линиях, соответствующих обычным частицам, обычно направлены вдоль хода течения времени, а античастицам — против хода течения времени. Так, например,диаграмма процесса превращения электрон-позитронной пары в парумюонов e+ + e− → µ+ + µ− изображается следующим образом:e+µ+γe−µ−При этом видно, что для позитрона e+ и положительно заряженного мюона µ+ стрелки направлены против хода времени на диаграмме,поскольку они являются античастицами для электрона e− и отрицательно заряженного мюона µ− .
При этом на обеих диаграммах вершины с участием фотона включают в себя две прямых и одну волнистуюлинии. Сам фотон электрически нейтрален, поэтому сам с собой напрямую не взаимодействует и для него другие виды вершин невозможны.Совсем по-другому выглядит картина для глюонов. Пример перехода пары кварк-антикварк в другую пару за счёт сильного взаимодействия q + q → q 0 + q 0 показан на диаграмме:qq0qgq0Поскольку глюоны окрашены, то возможно их взаимодействие другс другом напрямую, так что возможны трёх- и даже четырёхглюонныевершины, как, например, изображённые ниже:ggggggg12В качестве примера диаграммы с участием слабого взаимодействияприведён распад мюона µ− → e− + ν e + νµ :νµW−µ−e−νeУравнение реакции задаёт только входящие в диаграмму и выходящие из неё частицы.
Все внутренние детали могут быть любыми,пока они не противоречат физическим ограничениям на протекающиепроцессы. Это приводит к тому, что ко всем диаграммам можно добавить поправки, связанные с участием в процессе других промежуточных частиц. Например, для нарисованной выше диаграммы реакцииe+ + e− → µ+ + µ− можно добавить поправку, связанную с рождениемпромежуточного фотона:µ+e+γγe−µ−При этом каждая такая поправка увеличивает количество вершинвнутри диаграммы.
Каждой вершине в формуле для расчёта сеченияреакции соответствует определённая константа взаимодействия, в случае электромагнитного взаимодействия эта константа называется по1стоянной тонкой структуры α ≈ 137. Таким образом, каждая добавленная фотонная вершина уменьшает сечение реакции примерно в αраз, что приводит к малости эффекта от введённых электромагнитных поправок и возможности рассчитывать сечения реакций в рамкахтеории возмущений.3.Слабое взаимодействиеСлабое взаимодействие выделяется на фоне остальных тем, чтоэто единственное взаимодействие, способное превращать одни кварки в другие или одни лептоны в другие.
Процессы, происходящие за13счёт слабого взаимодействия, протекают с испусканием и поглощением W + -, W − - или Z-бозонов. Для того чтобы определить, какиепревращения возможны, рассмотрим возможные варианты распадовсоответствующих бозонов-переносчиков. Обратите внимание, что онираспадаются всегда на истинно элементарные частицы, не имеющиевнутренней структуры.
Также все приведённые реакции могут протекать и в обратном направлении.Z-бозон нейтрален, поэтому суммарный электрический заряд егопродуктов распада равен нулю. Он всегда распадается на пару «частица/её античастица», этой частицей может быть любой лептон иликварк:Z → e+ + e− , Z → µ+ + µ− , Z → τ + + τ −Z → νe + ν e , Z → νµ + ν µ , Z → ντ + ν τZ → u + u, Z → c + c, Z → t + tZ → d + d, Z → s + s, Z → b + bW -бозон заряжен, суммарный заряд продуктов его распада равензаряду самого W -бозона, при этом варианты для W + и W − отличаются только заменой всех частиц на соответствующие античастицы.
W бозон распадается на пару лептон-антилептон или кварк-антикварк,причём лептон и антилептон должны быть обязательно из одного поколения. Приведём каналы распада для W + -бозона (напомним, чтодля каналов распада W − -бозона надо в списке заменить все частицына их античастицы):W + → e+ + νe , W + → µ+ + νµ , W + → τ + + ντW + → d + u, W + → d + c, W + → d + tW + → s + u, W + → s + c, W + → s + tW + → b + u, W + → b + c, W + → b + tДля того чтобы получить из канала распада промежуточного бозона соответствующий ему возможный вариант превращения частицыпри поглощении этого бозона, надо в уравнении реакции перенестилюбую частицу из левой части в правую с заменой её на античастицу.Так, например, из распада W + → e+ + νe получается e− + W + → νeили ν e + W + → e+ , а из распада Z → e+ + e− получается e− + Z → e−или e+ + Z → e+ .
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
