mukhin-fizika-elementarnykh-chastits (810757), страница 27
Текст из файла (страница 27)
Слабое и электромагнитное взаимодействия объединены в единую теорию, в которой естественным образом появляются четыре векторных бозона: безмассовый фотон, ответственный за электромагнитное взаимодействие, тяжелые заряженные И'а-бозоны, ответственные за слабые заряженные токи, и тяжелый нейтральный Уо-бозон, ответственный за слабые нейтральные токи, а также пока не обнаруженные тяжелые (тл>7 ГэВ) бесспнновые бозоны Хиггса (И), ответственные за появление массы И'*- и Хо-бозонов. Все этйвопросы рассмотрены в 9130. В дальнейшем мы не будем придерживаться исторического плана изложения материала, а поделим его на главы, объединяющие частицы с близкими свойствами: пелтон ы, ямезоны, странные частицы, очарованные частицы н т.
и. 135 й 99, Введение к части четвертой 2. ФИЗИКА КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ На начальном этапе развития физики элементарных частиц, когда еще не было ускорителей, все сведения о свойствах элементарных частиц получали в процессе исследования космических лучей, В результате их исследований были впервые открыты позитрон (~ 100), мюоны (ч!04), яз-мезоны 6 110), К-мезоны 6 114), А-гиперон (~ 1!5), а многие другие частицы (например, яо-мезон и антипротон), первоначально открытые на ускорителе, были впоследствии обнаружены и в составе космических лучей. В настоящее время первенствующая роль в изучении свойств элементарных частиц перешла к ускорителям, однако космические лучи до сих пор являются единственным источником частиц сверхвысоких (до 1Озо эВ) энергий.
Ниже будет дано очень краткое описание свойств космических лучей. Космическое излучение принято делить на первичное и вторичное. Первичными космическими лучами называется поток частиц высокой энергии, приходящих в район Земли из мирового пространства. Первичное космическое излучение состоит, главным образом, из протонов (больше 90вгв), энергия которых достигает 10'е — !Озв эВ*, я-частиц (около 7'/в), ядер с к.ввб —:8 (около 1%), более тяжелых ядер, включая уран (10 в%), электронов и позитронов (около 1%), у-квантов (около 10 з%). Такой состав первичное излучение имеет на границе атмосферы Земли.
При попадании первичного излучения в атмосферу в результате его взаимодействия с атомными ядрами образуется вторииное космическое излучение. Первичное космическое излучение, по-видимому, возникает в процессе вспышки сверхновых звезд и образования пульсаров. Последующее движение заряженных частиц в межзвездных неоднородных магнитных полях имеет характер диффузного рассеяния, в результате чего первичное космическое излучение падает на Землю изотропно. По изотопному составу первичного излучения было оценено его время жизни, которое оказалось порядка 20 — 100 млн. лет. Энергетический спектр первичного излучения в интервале энергий 10'о — 10'з эВ подчиняется закону Е ', где у = 1,7.
С дальнейшим ростом энергии у возрастает до 2,0 — 2,2, а прн Е=З 10'в эВ снова убывает. Полная интенсивность первичного космического излучения— порядка 0,2 см з.с '. Она может изменяться в несколько раз в зависимости от широты местности (из-за влияния магнитного поля Земли) и состояния Солнца.
ч В 1962 г. в составе космических лучей была зарегистрирована частица с энергией 1Озо эВ. !36 Часть 4. Летаевы, адраиы, кварки Образование вторичных космических лучей схематически можно себе представить следующим образом. В процессе взаимодействия первичных частиц (в основном протонов) с ядрами атмосферы с большой вероятностью (0,9) происходит множественное рождение я-мезонов, а также с вероятностью 0,05 — О,! К-мезонов, с вероятностью около 0,0! — гнперонов и антипротонов и с еще меньшей вероятностью — электронов, позитронов и мюонов. Кроме того, в процессе взаимодействия первичного протона с ядром последнее частично расщепляется, в результате чего образуются вторичные нуклоны, которые вместе с первичным протоном, сохранившим после взаимодействия значительную часть своей энергии, и образовавшимися высокоэнергетичными (Т„>! 0'2 эВ) я-мезонами взаимодействуют с новыми ядрами, давая каскад ядерно-активных частиц и т.
п. (ядерно-активная компонента). Изображенную картину дополняют распады я- и К-мезонов по схемам я — 2у, я~- !ь+чи, я — р Ои, К+- !в+и„и т. п., в результате которых возникают у-кванты, мюоны и нейтрино. Мюоны и нейтрино составляют так называемую жесткую !сильно проникающую) компоненту космических лучей, у-Кванты в поле ядра конвертируют в е+е -пары, электроны в поле ядра испускают тормозное излучение и т. д. В результате образуется электрон- фотонная, или так называемая мягкая (слабо проникающая), компонента космических лучей. Если энергия первичной частицы превышает ! 0'4 эВ, то ядерный каскад, сопровождаемый разветвленными электрон- фотонными лавинами, образует так называемый широкий атмосферный ливень. Широкий атмосферный ливень содержит до !О поколений последовательно возникающих частиц, общее количество которых может составлять несколько миллионов.
По мере развития ливня он становится все шире и шире, так что частицы, относящиеся к ливню. можно обнаружить на рассзояниях примерно О,З км от его оси, В связи с этим широкий авмосферный ливень и получил свое название. Исследование широких атмосферных ливней позволяет определять энергию первичной частицы, вызвавшей ливень, среднюю множественность рождения частиц, поперечный импульс рожденных частиц и др. В процессе изучения космических лучей получено много полезной информации о взаимодействии частиц сверхвысокой энергии с ядрами.
Кроме того„изучение косиических лучей важно также для рассмотрения многих космофизических и астрофизических проблем, когорое позволяе:. пол)зать сведения свойствах источников космических лучей и среды, в которой они ра .пространяются. З 100. Электрон и позитрон 137 В связи с ограниченным объемом книги мы не имеем возможности рассказать о физике космических лучей более подробно а. Некоторые дополнительные сведения о ее достижениях по тематике книге будут даны в 9 100, 103 — 105, 110, 114, 115, 124. Глава ХЧП! ЛЕПТОНЫ 8 100. Элвитрон и позитрон Как уже говорилось, электрон, был открыт в 1895 г. Дж.
Дж. Томсоном. Это — частица с массой т,ж9,1 10 "г и отрицательным электрическим зарядом — е = — 4,8. 1О " СГСЭ. Электрон относится к классу лептонов, т. е. он не участвует в сильном взаимодействии. Наиболее сильным взаимодействием из числа тех, в которых участвует электрон (электромагнитное, слабое, гравитационное), является электромагнитное. Если считать что вся масса электрона электромагнитного происхождения (ззз,сзкчез/г,), то можно получить так называемый классический радиус электрона е' г,= — зж2,82 10 "3 см. нз,сз Однако из сравнения радиационных поправок с экспериментом (см., например, 9 101) следует, что электрон ведет себя как точечная частица вплоть до расстояний г=10 'е см.
Электрон относится к числу фермионов. Его спин равен 1/2, а магнитный момент В-ей/2лгес (точнее см. 9 101). Первоначально спин и магнитный момент электрона были постулнрованы в простой квантовой теории атома для объяснения тонкой структуры оптических спектров. При этом возникла дополнительная трудность с числовым значением магнитного момента, которое в этой модели получается вдвое меньше экспериментального. ч Подробнее о происхождении, свойствах и значении изучении космических лучей см. Росси Б. Космические лучи.
Мх Атомиздат, 1966; Гинзбург В. Л., Птускнн В.С. "Успехи фнз. наук. 1978. т. 124 С. 307 331; Кириллов-Угрюмов В. Г., Саз леев Р. 3., Семенов Из. П. Уснсхн фю нюк. !ОХИ т 13'. Вып. 4. С. 704 706. Глава ХЬ'П1. Леатоны 138 Зги трудности со спином и магнитным моментом электрона были преодолены только после того, как П. А.
М. Дирак получил (в 1928 г.) свое знаменитое релятивистское квантовомехаиическое уравнение для электрона. В теории Дирака правильные значения спина и магнитного момента электрона автоматически вытекают из самого уравнения. Но самой замечательной особенностью уравнения Дирака оказалось то, что из него следовало существование двух областей значений энергии электрона с данным импульсом р: в=+ ~Р+ р (100.1) Эти области разделены промежутком 2т,с~, так что для электрона возможны энергии ЕР+твс~ и Еа — т с~. Первая область соответствует обычным, «нормальным» электронам с положительной энергией Е>0, положительной массой т, и отрицательным электрическим зарядом — е, вторая — каким-то необычным электронам с отрицательной полной энергией Е< — т,с~ и, следовательно, с отрицательной массой — т,.
Очевидно, что такой необычный электрон должен обладать весьма странными свойствами, например он должен двигаться в сторону, противоположную действующей на него силе. Трудность проблемы, с которой столкнулся Дирак, заключалась в том, что полученное им странное решение нельзя было отбросить как нефизическое, так как оно закономерно вытекало из правильного уравнения, другие следствия которого подтверждались экспериментом. В конце концов после длительной «борьбы» с уравнением Дираку удалось показать, что вторую серию значений энергии электрона можно интерпретировать естественным образом, если предположить существование обычных (т > О) электронов с п о л о ж и т е л ь н ы м электрическим зарядом +е.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
