22,А!!! Лептоны (от греч. leptos – лёгкий, мелкий) – группа точечных частиц со спином 1/2ћ, не участвующих в сильном взаимодействии. Размер лептона (если он существует) <10-17 см. Лептоны считаются точечными бесструктурными частицами. Существует три пары лептонов:

-электрон (е-) и электронное нейтрино (νe),

-мюон (μ-) и мюонное нейтрино (νμ),

-тау-лептон (τ-) и тау-нейтрино (ντ),

а также соответствующие им три пары антилептонов.      Нейтрино и электрон стабильны. Мюон и тау-лептон нестабильны и распадаются на более лёгкие частицы.     Электрон, мюон и тау-лептон имеют одинаковый отрицательный электрический заряд, но разные массы: m(e) = 0.511 МэВ/с2 (9.1·10-28 г), m(μ) = 105.7 МэВ/с2,m(τ) = 1777 МэВ/с2. Все нейтрино электрически нейтральны и имеют нулевые (или очень малые) массы.      Причина существования трёх пар лептонов (трех лептонных ароматов) не ясна. Каждая пара характеризуется своим лептонным квантовым числом (своим лептонным ароматом) – электронным лептонным квантовым числом Lе = + 1 для электрона и электронного нейтрино, мюонным лептонным числом Lμ = + 1 для мюона и мюонного нейтрино, тау-лептонным числом Lτ = + 1 для тау-лептона и тау-нейтрино. Для антилептонов знаки лептонных чисел противоположны. Эти лептонные квантовые числа во всех наблюдавшихся реакциях и распадах сохранялись. Наблюдение осцилляций нейтрино является первым свидетельством возможного несохранения лептонных ароматов.

Лептоны (J=1/2)

Частица	Масса, МэВ	Время жизни	Лептонный заряд			Основные моды распада
			Le	Lμ	Lτ
e	< 2·10-6	Стабильно	+1	0	0
νμ	< 0.19	Стабильно	0	+1	0
ντ	< 18	Стабильно	0	0	+1
e-	0.511	> 4.3·1023 лет	+1	0	0
μ-	105.66	2.2·10-6 с	0	+1	0	eν
τ-	1777	2.9·10-13 с	0	0	+1	адроны + ,μν ,eν

Нейтрино – нейтральные частицы семейства лептонов. Известны три разновидности нейтрино: электронное (ν_е), мюонное (ν_μ) и тау-нейтрино (ν_τ), а также соответствующие им антинейтрино. Все они имеют спин 1/2ћ и участвуют только в слабом и гравитационном взаимодействии. У каждого типа нейтрино есть своё лептонное квантовое число: электронное лептонное число L_е = +1 для электронного нейтрино, мюонное лептонное число L_μ = +1 для мюонного нейтрино и тау-лептонное число L_τ = +1 для тау-нейтрино. Для соответствующих антинейтрино знаки этих лептонных чисел отрицательны. Нейтрино либо безмассовы, либо имеют очень маленькие массы. Так из опыта по бета-распаду трития верхняя граница м ассы электронного нейтрино 2 эВ/с² (3.6·10^-33 г).     Поскольку нейтрино не участвует в двух самых интенсивных взаимодействиях (сильном и электромагнитном), то вероятность его взаимодействия с веществом чрезвычайно низка. Нейтрино может без взаимодействия преодолевать тысячи километров вещества и намного превосходит этой способностью любые другие известные частицы.      Нейтрино столь же распространено в окружающем мире, как и фотоны. Они испускаются атомными ядрами при бета-распаде и нестабильными частицами, генерируются космическими лучами в атмосфере Земли, рождаются внутри Солнца и других эвёзд, при взрывах сверхновых.     Нейтрино было предсказано В. Паули в 1930 г. в связи с необъяснимыми в то время особенностями бета-распада ядер. Лишь в 1956 г. существование нейтрино (точнее, электронного антинейтрино  _е) было доказано в эксперименте Ф. Райнеса и К. Коуэна.  Доказать существование электронного антинейтрино удалось в 1956 г. Райнесу и Коуэну. Они использовали реакцию

+ p → e+ + n.

(1)

В качестве источника антинейтрино был использован атомный реактор. Образующиеся в реакторе продукты (осколки) деления как правило β^—активны.В результате β-распада осколков образуется большое количество антинейтрино, которые регистрируются с помощью реакции (1). Протонная мишень представляла из себя два бака по 200 л каждый, заполненые раствором хлористого кадмия в воде (CdCl₂+H₂O). Возникающие в результате реакции (1) позитроны регистрировались по анигиляционным γ-квантам, образующимся при взаимодействии позитронов с электронами вещества мишени. e⁺ + e^-   2γ

Образующиеся в результате аннигиляции γ-кванты вызывали световые вспышки в жидких сцинтилляторах (3 емкости по 1200 л каждая), расположенных по обе стороны от протонных мишеней , которые регистрировали 100 фотоумножителей.   Образующиеся в реакции (1) нейтроны замедлялись в мишени до тепловых энергий и поглощались кадмием, который имеет большое сечение захвата тепловых нейтронов (реакция ¹⁰⁸Cd(n,γ)¹⁰⁹Cd). Среднее время  замедления нейтронов в водородосодержащей среде ~10 мкс. Таким образом для идентификации антинейтрино регистрировались анигиляционные γ-кванты и образующиеся приблизительно через 10 мкс γ-кванты из реакции радиационного захвата на ядрах кадмия.     В результате опытов Райнеса и Коуэна было обнаружено, что антинейтрино действительно взаимодействует с протоном с образованием в конечном состоянии нейтрона и позитрона. О сложности выполненного эксперимента можно судить пол следующим цифрам. В результате первой серии эксперимента, длившегося 200 часов, было зарегистрировано 567 событий, вызванных взаимодействием антинейтрино с протоном, при этом фон составлял 209 событий. Для величины сечения реакции захвата антинейтрино протоном было получено значение: σ( , p) = 10^-43 см²,

что находилось в хорошем согласии с предварительными теоретическими оценками.

22,Б,в!!! Адроны

    Адроны (от греч. hadros – большой, сильный) – частицы, участвующие в сильном взаимодействии (как и во всех остальных). Это самый обширный класс частиц. Адронов несколько сотен. Адроны имеют размер около 10^-13 см и состоят из кварков. Адроны, состоящие из трёх кварков, называются барионами, состоящие из кварка и антикварка – мезонами. Наиболее известные адроны - протон и нейтрон. В класс адронов входят также гипероны Λ, Σ⁺, Σ⁰, Σ^-, π-мезоны, K-мезоны и другие частицы. В свободном состоянии все адроны (за исключением, возможно, протона) нестабильны, т.е. распадаются. Адроны, распадающиеся за счёт сильного взаимодействия, имеют время жизни 10^-22 –10^-23 с и называются резонансами (Δ^-, Δ⁰, Δ⁺, Δ⁺⁺ и др.). Адроны, распадающиеся за счёт электромагнитного и слабого взаимодействий, имеют время жизни >>10^-23 с (Σ⁺, Σ⁰, Σ^- и др.).

МЕЗОНЫ       

нестабильные элем. частицы, принадлежащие к классу адронов; в отличие от барионов, М. не имеют барионного заряда и обладают нулевым или целочисленным спином (явл. бозонами). Назв. «М.» (от греч. mesos — средний, промежуточный) связано с тем, что массы первых открытых мезонов — пи-мезона, К-мезона — имеют значения, промежуточные между массами протона и эл-на. (Мюоны, первоначально названные мю-мезонами, не относятся к М., т. к. имеют спин 1/2 и не участвуют в сильном взаимодействии.) В дальнейшем было открыто много др. М. с очень малыми временами жизни (т. н. бозонные резонансы), причём масса нек-рых из них превышает массу протона. Существуют М. нейтральные и заряженные (с положит. или отрицат. элем. электрич. зарядом), с нулевой (напр., p-М.) и ненулевой (напр., К-М.) странностью, «очарованием» и т. д. Согласно кварковой модели адронов, М. состоит из кварка и антикварка.

МЕЗОНЫ

- адроны, не обладающие барионным числом и имеющие целочисленный спин. Как у всех адронов, лептонные числаM. равны нулю. Назв. "М." происходит от греч. слова mesos - средний, промежуточный; исторически это связано с тем, что масса первых из обнаруженных M.- пи-мезонов- оказалась промежуточной по величине между массами электрона и протона. В дальнейшем выяснилось, что такое значение массы не является отличит, признаком M. (масса M. может быть во много раз больше массы протона т _р).

По совр. представлениям, M.- сложные системы, построенные (в осн.) из пары частиц со спином ¹/₂ - кварка и антикварка , вообще говоря, различных по своей природе, и небольшой примеси глюонов. В редких случаях M. могут быть построены из неск. кварк-антикварковых пар (двух и более). Согласно предсказаниям квантовой хромодинамики, могут существовать также M., построенные из глюонов. Такие M. наз. глю болами или глюониями. Благодаря квантовым переходам глюболы должны содержать примесь кварк-антикварковых состояний.

Типы кварка и антикварка, входящих в пару, образующую M., взаимная ориентация спинов пары, а также характеристики их относит, движения целиком определяют все квантовые числа и характерные массы M. Так, спин M. равен  - орбитальный момент и суммарный спин пары   

чётность P  зарядовая чётность (для истинно нейтральных M.)  .В настоящее время известны шесть типов кварков:  (и соответствующих антикварков), причём 

M., построенные из и и   (или из  и d), образуют семейство обычных M.; к ним относятся, в частности,   . Их массы, как правило, меньше массы протона. Если в обычных M.  или  заменить на  ,   ,   или  , то возникают семейства соответственно странных, очарованных, красивых (прелестных), истинных M. Причём по мере увеличения массы кварков, определяющих тип семейства M., нарастают ср. массы соответствующих мезонных семейств. Так, массы странных M. в ср. больше масс обычных M., массы очарованных М.- больше масс странных M. и т. д. Массы очарованных M. составляют уже ок. 2 т _р, прелестных - ок. 5m_p, истинных М.- ок. 50m _р. Комбинации  образуют M. соответственно со скрытой странностью, очарованием, красотой, истинностью, в ряде отношений отличающиеся от обычных M. (см. Кварконий). Возможны также гибридные комбинации кварков-антикварков  и т. п., порождающие странно-очарованные, странно-прелестные, очарованно-прелестные и др. M. Все М.- нестабильные частицы, распадающиеся либо на совокупность более лёгких M., либо на более лёгкий M. и лептонную пару, либо (обычные M.) - на лептонную пару или (нейтральные) на два g-кванта.

 Барионы – частицы, состоящие из трёх кварков, определяющих их квантовые числа. Все барионы, за исключением протона, нестабильны. Барионы имеют полуцелый спин и подчиняются статистике Ферми–Дирака, что определяет их поведение при образовании различных коллективных состояний, в частности атомных ядер, нейтронных звёзд, гиперядер. Барионы, распадающиеся за счет сильного взаимодействия, живут характерное ядерное время ~10^–22–10^–20 с  (Г~100 МэВ). Барионы, распадающиеся за счет слабого взаимодействия, живут на много порядков дольше. Так, характерное время странных частиц составляет ~10^–10 c.Многие барионы представляют собой возбуждённые состояния одного и того же фундаментального набора кварков, различающиеся значениями их спинов, радиальных квантовых чисел, изоспинов и орбитальных моментов. Барионы имеют барионное квантовое число В = + 1 (для антибарионов оно –1) и полуцелый спин (1/2ћ, 3/2ћ, …) и поэтому являются фермионами. Самыми лёгкими барионами являются протон и нейтрон.

Pезонансы (Резонансные частицы)

Рис. Зависимость полных сечений реакций πp от кинетической энергии пиона

    В начале 60-х годов был открыт класс частиц, которые получили название резонансов.
    Резонансы распадаются в основном в результате сильного взаимодействия. Характерные времена жизни резонансов10^-22 − 10^-24 с. Из-за их малого времени жизни и сооответственно малых расстояний от возникновения до распада треки резонансов не могут непосредственно наблюдаться. Резонансы часто проявляются как максимумы в зависимостях полных сечений от энергии. Впервые резонансы наблюдались в сечении взаимодействия пи-мезонов с нуклонами (см. рис).

Энергия E₀, соответствующая максимуму сечения σ = σ₀, сопоставляется с массой резонанса m = E₀/c².     Резонансы имеют вполне определённые квантовые характеристики − массу, электрический заряд, спин, изоспин и др. Эффективным методом наблюдения резонансов является анализ энергий и импульсов продуктов распада резонанса. Масса резонанса m определяется из релятивистского инварианта

mc² = (E² − c²p²)^1/2,

где Е и р − суммарные энергия и импульс частиц, на которые распадается резонанс.      Резонансы делятся на две группы:

-барионные резонансы, имеющие барионное число B = 1 и распадающиеся на мезоны и один стабильный барион.

Δ⁺⁺ → p + π⁺,  Δ⁺ → n + π⁺.

-мезонные резонансы, имеющие барионное число B = 0 и распадающиеся на мезоны

ρ(770) → ππ,    ω(782) → π⁺π^-π⁰.

    Нуклонные резонансы рассматривают как возбуждённые состояния протона и нейтрона. Нуклонные резонансы свидетельствуют о сложной структуре нуклона. Изучение нуклонных резонансов позволяет понять динамику взаимодействия кварков и глюонов в адронах.