Савельев - Курс общей физики Том 3 - Оптика, Атомная физика, элементарные частицы (934757), страница 79
Текст из файла (страница 79)
Другие законы сохранения (эвергии, импульса, момента импульса, электрического заряда и т.п.) не запрещают, например, процесса р- е++т+ Ф, (97.9) который в конечном итоге привел бы к аннигиляции атомов. Однако такой процесс сопровождался бы умень- 493 шепнем барионного заряда на единицу и поэтому не наблюдается. Аналогично, закон сохранения электрического заряда обусловливает стабильность самой легкой ааряженной частицы †электро, запрещая, например, процесс: е -э у + у + т. (97.10) Для объяснения особенностей протекания процессов с участием лептонов приходится ввести квантовое число Ь, получившее название лептонного заряда или л е п т о н н о г о ч и с л а.
Лептонам приписывается Е = +1, антилептонам Е = — 1, всем остальным частицам Е = О. При этом условии во всех без исключения процессах наблюдается сохранение суммарного лептонного заряда рассматриваемой физической системы. Преобразование всех величин, описывающих физическую систему (волновых функций, уравнений и т. п.), при котором все частицы заменяются античастицами (например, электроны позитронами, а позитроны электронами и т. д.), называется за р ядов ым совр я жеиием.
Какую нз двух зарядово-сопряженных частиц считать частицей, а какую — античастицей, является, вообще говоря, делом чисто условным, Однако, сделав выбор для одной нары зарядово-сопряженных частиц, выбор для других пар нужно делать так, чтобы в наблюдающихся взаимодействиях сохраяялись бариопный и лептонный заряды. Принято считать электрон и протон частицами, а позитрон и антипротон — античастицами.
При этом условии выбор для остальных барионов и лептонов делается однозначным. Так, например, для сохранения барионного заряда в ходе процесса (87.5) необходимо считать частицей нейтрои. Результаты, к которым приводит. учет требований сохранения В и Е для других частиц, приведены в табл. 9. В этой таблице указаны все известные в настоящее время частицы, за исключением резонансов. Смысл обозначений т,, и мп будет выяснен в $101. Теперь мы имеем возможность объяснить, почему частицу, участвующую в распаде (90.5) или (87.5), следует рассматривать как антинейтрино, а частицу, участвующую в распаде (90.6),— как нейтрино.
Лептонное число электрона и нейтрино равно +1, а позитрона и антинейтрипо — 1. Поэтому электрон может возникать вместе с антипейтрино, а позитрон — вместе с нейтрино. 494 Приписав электрону Е = +1, мы должны в соответствии со схемой распада (89.5) отрицательному мюону также приписать Е = +1, т. е. считать р.
частицей, а положительный мюон рассматривать как античастицу и приписывать ему значение Е = — 1. Рекомендуем проверить, что в процессах распада и-ятезонов [см. (89.3) и (89.4)1 также сохраняется лептонный заряд. ф 98. Изотопический спин Протон и нейтрон обнаруживают гораздо больше сходства, чем различий. Действительно, спин обеих частиц одинаков, массы очень близки, в сильном взаимодействии они участвуют равным образом (см. в 5 89 о зарядовой независимости ядерных сил). Это дает основание рассматривать протон и нейтрон как два различных состояния одной и той >ке частицы — нуклона.
Если «выключить» электромагнитное взаиятодействне, то оба эти состояния полностью совпадут (небольшое различие масс протона и нейтрона обусловлено электромагнитным взаимодействием). Заметим, что «выключение» спин-орбитального взаимодействия (т. е. взаимодействия между сливовыми н орбитальными моментами электронов) привело бы к совпадению уровней 'Рй и 'Р яп образуюших вместе дублет (см. рис. 204).
Эта аналогия послужила основанием для того, чтобы назвать протон и нейтрон з а р я до в ы м м у л ь т и п л е т о и (дублетом). Другие частицы также объединяются в зарядовые мультиплеты. Так, например, Ла-гиперон образует синглет (см. табл. 9), а и-мезоны— триплет (при выключении электромагнитного взаимодействия все три н-мезона становятся неразличимыми). Каждому спектральному мультиплету соответствует определенное значение спина 5 (число компонент в мультиплете равно 25 + 1). Отдельные компоненты мультиплета отличаются значениями проекции спина на ось г. По аналогии с обычным свином каждому зарядовому мультиплету приписывается определенное значение изотоп нческого спи на ') Т, выбранное так, что ~) Более правильное иазаание — пзойарическпй спин.
Изотопический спин йыл апераыс иаепеи а рассмотрение В. Гейзснйергоз1 и рй32 г. лля описания протона и нейтрона как различнйх состояний нуклона. 2Т+ 1 дает число частиц, образующих данный мультиплет. Отдельным частицам приписываются различные значения Т, — проекции нзотопического спина на некую ось а в воображаемом нзотопическом или зарядово'м и р остр а нств е.
Например, для нуклонов Т = '/з, протону соответствует Т, = + '/з, нейтрону Т, = †'/р. Для а-мезонов Т = 1, проекции Т, равны + 1, О и — 1 для и'-, по- н и--мезона соответственно. Во избежание недоразумений отметим, что квантовое число Т, названное изотопическнм спином, не имеет никакого отношения ни к изотопам, ни к обычному спину (который, как мы знаем, представляет собой момент импульса).
Слово «нзотопический» появилось в названии квантового числа Т потому, что протон и нейтрон образуют различные «разновидпости» нуклона, подобно тому как действительные изотопы образуют разновидности данного химического элемента. Слово «спин» появилось в названии вследствие того, что математический аппарат, описывающий квантовое число Т, оказался точно таким, как и математический аппарат обычного спина. В остальном между изотопическнм и обычным спинами нет никакого сходства.
Может показаться странным, что в случае я-мезонов в одном зарядовом мультиплете объединяются н частица (п+) и ее античастица (и ), в то время как, например, Ло-гиперон и антн-Ле-гиперон образуют два различных зарядовых мультнплета. Объяснение заключается в том, что в зарядовый мультиплет объединяются частицы, отличающиеся только величиной или знаком электрического заряда; все остальные величины, характеризующие частицы, должны быть одинаковыми'). Гипероны Ло и Ло отличаются значением барионного числа и поэтому не могут входить в один мультиплет.
Бариониое число всех п-мезонов равно нулю, остальные квантовые числа также одинаковы; следовательно, нет никаких препятствий для объединения их в одном мультиплете. Рассмотрим два зарядовых мультиплета, отличающихся тем, что частицы, образующие один мультнплет', являются античастицами по отношению к частицам, '1 Различие заряженных и нейтральных частиц, обусловленное электромагнитным взаимодействием, например небольшое различие в массе, не принимается во внимание.
17 И. В. савельев, т. Иг входяшнм в другой мультнплет. Изотопнческне спины обоих мультнплетов, очевидно, одинаковы (2Т+ 1 дает число частиц в мультнплете). Что касается проекций нзотопнческого спина Т„то для частицы и античастицы онн отличаются знаком. Так, для протона Т, +'/м для антипротона Т, = — Чз, для нейтрона Т, = †'/й, для антннейтрона Т, = +'/й. В табл. 10 приведены значения Т и Т, различных частиц. Каждая строкн в этой таблице дает зарядовый мультнплет. Следовательно, если, например, для нуклона имеется две строки, то это означает, что нуклоны образуют два зарядовых мультнплета.
Тзблипз !О Пйоекцип изотопическато сппиа т Нзатапи- ческий спин т Частица -'аа +! +уз и-мезон до К К-меном Ча Чз Ча Чз Нунлон Ло йе А-гиперои д-гиперон Е-пиперов '/з Ча !1сгиперон Понятие нзотопнческого спина сыграло большую роль в установленнн систематики элементарных частиц. В частности, оно натолкнуло американского физнка М. Гелл-Манна и незавнснмо от него японского физика К. Нншнджнму на мысль объеднннть частицы в зарядо- ава вые мультиплеты и привело их затем к понятию стра н~ ности (см. следующий параграф). При сильных взаимодействиях сохраняется как изо. топический спин Т, так и его проекция Т,. При электромагнитных взаимодействиях сохраняется только Т„сам же изотопический спин Т не сохраняется.
Слабые взаимодействия протекзшт, как правило, с изменением иэотопнческого спина. 9 99. Странные частицы К-мезоны и гипероны (Л, Х, Е) были обнаружены в составе космических лучей в начале 50-х годов. Начиная с 1953 г. их получают на ускорителях. Поведение эгих частиц оказалось столь необычным, что они были названы странными. Необычность поведения странных частиц заключалась в том, что рождались они явно за счет сильных взаимодействий с характерным временем порядка 10-м сек, а времена жизни их оказались порядка 10 ' — 10-" сек.
Последнее обстоятельство указывало на то, что распад частиц осуществляется' в результате слабых взаимодействий. Было совершенно не понятно, почему странные частицы живут так долго, что мешает им распадаться за счет сильного взаимодействия, в результате которого опи возникают. Действительно, один из процессов рождения странных частиц имеет, например, вид: и + р- Кз+Лз, (99.1) а распад Л~-гиперона идет по схеме: Л,-+р (99.2) (на рис. 271 приведена фотография треков частиц, полученная в пузырьковой камере с жидким водородом). Поскольку и в рождении, и в распаде Лз-гиперона участвуют одни и те же частицы (я -мезон и протон), пред~ ставлялось удивительным, что скорость (т. е.
вероятность) обоих процессов столь различна. Дальнейшие исследования показали„что странныв частицы всегда рождаются только парами (см. (99.1)], Это навело на мысль, что сильные взаимодействия нв могут играть роли в распаде частиц вследствие того, что для их проявления необходимо присутствие двух 17'" взз странных частиц. По той же причине оказывается запрещенным одиночное рождение странных частиц. В основе запрета каких-либо процессов всегда леисит некоторый закон сохранения. Так, распад свободного протона на нейтрон, позитрон и нейтрино (р - и + Рис.
271. :+ с++ т) запрещен законом сохранения энергии, а распад на позитрон, нейтрино и антинейтрино (р - е+ + ;+ т + т) — законом сохранения барионного (а также и лептонного) заряда '). Чтобы объяснить запрет одиночного рождения странных настиц, Гелл-Манн и Нишиджима ввели в рассмот- ') Процесс р х-е' + о не противоречил бм закону сохранения лептонного заряда, ио зато нарушал бы закон сохранения момента импульса (спина).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
