Ташлыкова-Бушкевич - Физика. В 2 ч. Ч. 2. Оптика. Квантовая физика. Строение и физические свойства вещества (2014)

у W–-бозона – как у электрона, a Z0-бозон электрически нейтрален. Важная отличительная черта промежуточных бозонов – их массивность (mW + = mW − ≈ 80,4 ГэВ и mZ 0 ≈ 91,2 ГэВ ).

Последовательное развитие теории электрослабого взаимодействия привело к предположению о существовании поля бозонов Хиггса, взаимодействие с которым приводит к появлению масс W ± и Z 0. Для того чтобы объяснить механизм возникновения масс элементарных частиц, а также для понимания природы вакуума, в 1964 г. в рамках Стандартной модели было предсказано существование бозона Хиггса (Н) – единственной фундаментальной частицы, которая не имеет спина. В 2012 г. эта частица H 0 с массой 125,9 ГэВ была обнаружена в ходе экспериментов на Большом адронном коллайдере. Открытие бозона Хиггса стало экспериментальным доказательством одного из основных положений Стандартной модели – теории бельгийского физика Ф. Энглера и британского физика П. Хиггса (Нобелевская премия, 2013 г.). Согласно теории должно существовать пять разных хиггсовских частиц: пара заряженных и три нейтральных. В настоящее время установлены нижние границы возможных масс данных бозонов. Таким образом, эксперименты в этой области продолжаются.

За исключением фотона γ, промежуточных бозонов W +, W − и Z 0 и бозона Хиггса H 0, элементарные частицы разбиваются на две основные группы: лептоны и адроны. Для наглядности в табл. 32.2 систематизирована основная часть известных элементарных частиц. Более подробная классификация элементарных частиц, включая их античастицы, приводится в специальной литературе.

П р и м е ч а н и е. Символы «+» и «–» использованы для обозначения противопо-

ложно заряженных частиц, символ «0» – нейтральных частиц. Например, гипероны: Σ+,

Σ− и Σ0 .

Группа лептонов (от греч. leptos – легкий) состоит из частиц, не обладающих сильным взаимодействием: электрона е–, мюона μ–, электронного νe и мюонного νμ нейтрино, тау-лептона τ– (таона), тау-нейтрино ντ,

211

а также соответствующих им античастиц (е+, μ+, νe , νμ , τ+ и ντ ). Они участвуют только в электромагнитном и слабом взаимодействиях. Все лептоны имеют спин, равный 1/2, т.е. являются фермионами. Лептонное число L (лептонный заряд) лептонов равно +1, у антилептонов L = –1, а у всех остальных элементарных частиц L = 0. В замкнутой системе выполняется закон сохранения лептонного числа (введен в 1953 г. одновременно советским физиком Я.Б. Зельдовичем, американцем Э. Конопинским

ивенгерским физиком Д. Марксом).

Кгруппе адронов (от греч. adros – массивный) относятся частицы, участвующие в сильном взаимодействии: мезоны (пионы (π-мезоны), каоны (K-мезоны), эта-мезон η и мезонные резонансы) и барионы (нуклоны (протон р, нейтрон п), гипероны и барионные резонансы). Адроны характеризуются барионным числом В (барионным зарядом). Барионное число является аддитивной величиной. В замкнутой системе выполняется закон сохранения барионного числа (был постулирован в 1938 г. швейцарским физиком Э. Штюккельбергом). Поэтому, условно приписывая протону B = +1 (антипротону B = –1), можно установить его величину для всех других частиц по их распадам.

Мезоны – это сильно взаимодействующие нестабильные частицы, которые обладают барионным числом, равным нулю. Спин данных частиц целочислен или равен нулю. Поэтому они являются бозонами. Например,

π-мезоны обладают массой, промежуточной между массами протона и электрона. В значительной мере π-мезоны определяют состав космических лучей в пределах земной атмосферы. Лептоны и фотон, как и мезоны, имеют B = 0.

Барионы – это адроны с барионным числом, равным единице. Барионы с массой, больше массы протона, и большим временем жизни (на много порядков превышающим характерное время сильного взаимодействия) называются гиперонами (лямбда Λ, сигма Σ± и Σ0, кси Ξ0 и Ξ−, омега Ω−). Гипероны относят к квазистабильным частицам. Барионы имеют полуцелый спин, т.е. являются фермионами. Спин всех барионов равен 1/2, за исключением гиперона Ω−, спин которого 3/2. Все барионы, кроме самого легкого – протона, нестабильны. Современные модели физики элементарных частиц предсказывают нестабильность свободного протона со средним временем жизни более 1032 лет, существенно превышающим возраст Вселенной. Согласно закону сохранения барионного числа, при распаде бариона наряду с другими частицами всегда образуется новый барион. В свободном состоянии барионы распадаются в конечном итоге на протон.

Для объяснения свойств элементарных частиц их описывают с помощью квантовых чисел, таких как, например, барионное число, лептон-

212

ное число, странность S и четность Р. Все адроны обладают определенными целочисленными значениями S такими, что выполняется неравенство S ≤ 3 . Гипероны можно охарактеризовать как барионы с отличным от нуля значением странности. Например, фотону и лептонам как частицам, не участвующим в сильном взаимодействии, приписывают S = 0. Странность Λ-гиперонов равна –1, нуклонов – 0, K-мезонов – +1. Квантовое число S сохраняется в процессах сильного и электромагнитного взаимодействий (закон сохранения странности, открытый независимо американским физиком М. Гелл-Маном и японским физиком К. Нишиджимой, 1953 г.). Введение странности позволяет определять особенности поведения K-мезонов и гиперонов, например их схемы распада: распад частиц с неравной нулю странностью (S = 1 или S = –1) за счет сильного взаимодействия на частицы, у которых S = 0, невозможен. Следовательно, если при протекании реакции наблюдается нарушение странности, то данная реакция не может происходить за счет сильного взаимодействия.

Квантовое число Р характеризует симметрию волновой функции Ψ элементарной частицы (или системы элементарных частиц) относительно «зеркального отражения» (инверсии координат, т.е. изменения знаков всех координат). В зависимости от того, меняет волновая функция частицы (системы частиц) при «зеркальном отражении» знак или не меняет, четность будет положительная (P = +1) или отрицательная (P = –1).Уста- новлено, что во всех взаимодействиях, кроме слабого, четность сохраняется. Нарушение четности при слабых взаимодействиях было открыто американскими физиками Ц. Ли и Ч. Янгом в 1956 г. (Нобелевская премия, 1957 г.).

32.3. Частицы и античастицы

Античастицами называются элементарные частицы, имеющие те же значения физических характеристик, что и их «двойники» – частицы, но отличающиеся от них знаком некоторых характеристик взаимодействия (например, электрического заряда, барионного и лептонного зарядов, странности, магнитного момента). Такие характеристики, как масса, спин, время жизни, у них одинаковы. В ряде случаев античастица обозна-

чается тем же символом, что и элементарная частица, но с добавлением

тильды или черточки над ним: нейтрону п соответствует антинейтрон n (n), электрону e− – позитрон e+, π+ и π− являются частицей и античастицей по отношению друг другу и т.д. Например, антинейтрон отличается от нейтрона знаком магнитного момента, позитрон от электрона – прежде всего знаком электрического заряда.

213

Взаимодействие частицы и античастицы приводит к их аннигиляции (от англ. annihilation – уничтожение), когда материя превращается из одной формы в другую. Например, при столкновении электрона с позитроном происходит их аннигиляция, т.е. превращение в γ-кванты:

e− + e+ → γ + γ.

Энергия электронно-позитронной пары переходит в энергию фотонов. Один γ-квант при этом излучиться не может, иначе нарушался бы закон сохранения импульса и энергии.

Возможен процесс, обратный аннигиляции, когда в результате электромагнитного или какого-либо другого взаимодействия наблюдается рождение пар частица – античастица. Например, в поле атомного ядра γ-квант может породить пару е– е+, если энергия γ-кванта не меньше собственной энергии пары 2mec2 .

Таким образом, процессы возникновения и аннигиляции электроннопозитронных пар являются примером взаимосвязи различных форм материи: в этих процессах материя в форме вещества превращается в материю

вформе электромагнитного поля, и наоборот.

Внекоторых случаях античастица совпадает со своей частицей, т.е. все свойства частицы и античастицы одинаковы. Такие частицы называют ис-

тинно нейтральными, они не способны к аннигиляции, но испытывают взаимные превращения. Например, античастицы фотона γ, π0-мезона и η0-мезона тождественны самим частицам (см. табл. 32.2). Понятия частицы и античастицы относительны. Электрон считают частицей, а позитрон античастицей только потому, что во Вселенной преобладают именно электроны, а позитроны – более экзотические частицы.

32.4.Кварки

В1964 г. была сформулирована гипотеза о том, что все адроны являются составными частицами и состоят из первичных частиц – кварков. Эта гипотеза получила многочисленные косвенные экспериментальные подтверждения. В настоящее время считают, что истинно элементарными частицами, не имеющими внутренней структуры, являются фотон, лептоны и кварки. Все кварки имеют спин 1/2 и барионное число 1/3. Кварки отличаются от всех известных частиц дробностью заряда Q (–1/3 или +2/3 положительного заряда протона +е) и числа В. У кварков имеются античастицы – антикварки.

Каждый мезон М строится из одного кварка q и одного антикварка q, каждый барион В – из трех кварков q:

214

M = qq, B = qqq.

Принцип кварк-лептонной симметрии: число лептонов равно числу типов кварков. Имеются кварки шести типов, образующие три поколения (u, d), (c, s), (t, b): «верхний» (обозначается и – от англ. up); «нижний» (d – от англ. down); «очарованный» (с – от англ. charm); «странный» (s – от англ. strange); «самый верхний» (t – от англ. тop; иначе – англ. true); «прелестный» (b – от англ. beauty; иначе – англ. botton) (табл. 32.3).

* Источник: Particle data group (PDG) [Электрон. ресурс]. 2013. Режим доступа: http://pdg.lbl.gov. Дата доступа: 10.10.2013.

Каждый из кварков может принимать три значения квантового числа, которое называется «цветом» (от англ. colour) и обладает «ароматом» (от англ. flavour). Условно рассматривают кварки трех цветовых разновидностей: желтой, синей и красной (данный набор цветов предложил академик Л.Б. Окунь). Антикварки обладают дополнительными цветами, т.е. соответственно фиолетовым, оранжевым и зеленым. Термины «красота» (от англ. beauty; иначе – англ. bottomness), ‹‹истинность› (от англ. truth; иначе – англ. topness) и «очарование» (от англ. charm), как и «цвет», – это названия квантовых чисел.

Например, сочетание цветов кварков в адронах должно быть таким, чтобы средний цвет адрона был нулевым, т.е. чтобы адрон был «бесцветным». Поэтому в состав протона входят кварки и (желтый), и (синий) и d (красный). В сумме получается нулевой (белый) цвет. Нейтрон состоит из одного и- и двух d-кварков.

215

Основополагающие исследования кварковой структуры элементарных частиц были выполнены американцами Г. Кендаллом и Дж. Фридманом совместно с канадским физиком Р.Э. Тейлором (Нобелевская премия, 1990 г.).

Взаимодействие между кварками в адроне осуществляется посредством обмена глюонами (от англ. glue – клей, клеить) – гипотетическими электрически нейтральными частицами с нулевой массой и спином, равным 1. Они являются переносчиками сильного взаимодействия. Этот тип взаимодействия между адронами описывается квантовой хромодинамикой (создана в начале 70-х гг. XX в.).

Согласно современным представлениям кварки всегда пребывают

всвязанном состоянии внутри реально наблюдаемых частиц (нейтронов, протонов и других адронов). Такое свойство кварков называется «конфайнмент» (от англ. confinement – ограничение, пленение). О самом факте существования кварков можно судить только по свойствам, проявляемым адронами.

Современные теории взаимодействий элементарных частиц предсказывают существование новых частиц, взаимодействие которых с обычными частицами (лептонами, кварками, фотонами) должно быть очень слабым. Исследуются различные процессы рождения новых частиц и их роль

вастрофизике, когда эффекты взаимодействия значительно возрастают за счет большой плотности звездного вещества, высокой температуры и сильных магнитных полей.

Литература

Волынкина, Е. Большая переменная звезда в созвездии Чаша [Электрон. ресурс] / Е. Волынкина. 2006. Режим доступа: http://www.rol.ru/news/misc/spacenews/06/04/18_001. htm. Дата доступа: 18.04.2006.

Гуляев, А.П. Металловедение / А.П. Гуляев. М.: Металлургия, 1986.

Детлаф, А.А. Курс физики / А.А. Детлаф, Б.М. Яворский. М.: Академия, 2003. Джанколи, Д. Физика: в 2 т. Т. 2 / Д. Джанколи. М.: Мир, 1989.

Займан, Дж. Принципы теории твердого тела / Дж. Займан. М.: Мир, 1966.

Иродов, И.Е. Квантовая физика. Основные законы / И.Е. Иродов. М.: Бином. Лаборатория знаний, 2010.

Иродов, И.Е. Физика макросистем. Основные законы / И.Е. Иродов. М.: Бином. Лаборатория знаний, 2010.

Киттель, Ч. Введение в физику твердого тела / Ч. Киттель. М.: Наука, 1978. Комаров, Ф.Ф. Неразрушающий анализ поверхностей твердых тел ионными пучками /

Ф.Ф. Комаров, М.А. Кумахов, И.С. Ташлыков. Минск: Университетское, 1987. Миронова, Г.А. Зонная структура электронного энергетического спектра в твердых

телах. Модели свободных и сильно связанных электронов [Электрон. ресурс] / Г. А. Миронова. М.: Физ. фак. МГУ, 2001. Режим доступа: http://phys.web.ru. Дата доступа: 02.05.2004.

216

Николаев, В.И. Об оценке размеров наночастиц с помощью эффекта Мёссбауэра / В.И. Николаев, А.М. Шипилин, И.Н. Захарова // Физика твердого тела. 2001. Т. 43, вып. 8. С. 1455–1457.

Окунь, Л.Б. Физика элементарных частиц. М.: ЛКИ, 2008.

Савельев, И.В. Курс общей физики: в 5 т. Т. 5. Квантовая оптика. Атомная физика. Физика твердого тела. Физика атомного ядра и элементарных частиц / И.В. Савельев. СПб.: Лань, 2011.

Сивухин, Д.В. Общий курс физики: в 5 т. Т. 5. Атомная и ядерная физика / Д.В. Сивухин. М.: Физматлит, МФТИ, 2002.

Ташлыкова-Бушкевич, И.И. Влияние вторых фаз на послойный состав быстрозатвердевших сплавов алюминия / И.И. Ташлыкова-Бушкевич // 3-я Всероссийская науч.-техн. конф. Быстрозакаленные материалы и покрытия: Сб. докл. М., 2004. С. 23–27.

Ташлыкова-Бушкевич, И.И. Исследование влияния стабильности γ-фаз на изменение физических свойств и структуры быстрозатвердевших сплавов Al–Ge / И.И. Таш- лыкова-Бушкевич, М. Коласик // New Electrical and Electronic Technologies and their Industrial Implementation (NEET 2005): Proceedings of the IVth Intern. Conf. Zakopane, Poland, 2005. P. 175–177.

Ташлыкова-Бушкевич, И.И. Метод резерфордовского обратного рассеяния при анализе состава твердых тел / И.И. Ташлыкова-Бушкевич. Минск: БГУИР, 2003.

Ташлыкова-Бушкевич, И.И. Пространственное распределение германия в быстрозатвердевших сплавах Al–Ge / И.И. Ташлыкова-Бушкевич, Е.С. Гутько, В.Г. Шепелевич // Поверхность. Рентген., синхротр. и нейтрон. исслед. 2006. № 4. С. 100–103.

Трофимова, Т.И. Курс физики / Т.И. Трофимова. М.: Высш. шк., 1999.

Физическая энциклопедия: в 5 т. Т. 1–5 / гл. ред. А.М. Прохоров. М.: Сов. энциклопедия, 1988–1998.

Шепелевич, В.Г. Структура и микротвердость быстрозатвердевших сплавов системы Al–Ge / В.Г. Шепелевич, И.И. Ташлыкова-Бушкевич, Л.А. Васильева // Перспективные материалы. 1999. № 5. С. 85–90.

Яворский, Б.М. Справочник по физике / Б.М. Яворский, А.А. Детлаф. М.: Физматлит, 1963.

Doolittle, L.N. Algorithms for the rapid simulation of Rutherford backscattering spectra / L.N. Doolittle // Nucl. Insrtum. Meth. 1985. V. B9. P. 344348.

Particle data group (PDG) [Электрон. ресурс]. 2013. Режим доступа: http://pdg.lbl.gov. Дата доступа: 10.10.2013.

Perkins, D.H. Introduction to High Energy Physics / D.H. Perkins. Cambridge: Cambridge University Press. 2003.

Tashlykova-Bushkevich I.I. Thermal desorption spectroscopy application in analysis of hydrogen evolution and trapping in rapidly solidified Al materials / I.I. Tashlykova-Bushkevich // Актуальные проблемы физики твердого тела: сб. докл. Междунар. науч. конф., 18–21 окт. 2011 г. Минск: в 3 т. Т. 1 / ред. кол.: Н.М. Олехнович (пред.) [и др.]. Минск: А.Н. Вараксин, 2011. C. 355–357.

Tashlykova-Bushkevich, I.I. RBS analysis of rapidly solidified Al-Si-Ti alloy with Fe and Ni dopes / I.I. Tashlykova-Bushkevich // Vacuum. 2005. V. 78. № 2–4. P. 529–532.

217

ПРИЛОЖЕНИЯ

1. Греческий алфавит

218

Окончание прил. 2

3. Некоторые физические константы (с точностью до 0,001)

219

4. Некоторые внесистемные единицы (с точностью до 0,01)