random books / Ландсберг- Элементарный учебник физики Т. 3.Колебания и волны. Оптика. Атомная и ядерная физика(2009)

592 Гл. XXV. Элементарные частицы

кинетическую энергию, энергию покоя и электрический заряд (рис. 414).

Пи-мезоны не стабильны. Нейтральный π-мезон через время порядка 10−16 с распадается на два γ-кванта. π+- и π−-мезоны

всреднем через 30 нс (30 · 10−9 с) превращаются соответственно

вположительный мюон (обозначается μ+) и нейтрино и в отрицательный мюон (μ−) и нейтрино.

Мюоны — это частицы с массой покоя, равной 207 масс покоя электрона, и средним временем жизни 2 мкс (2 · 10−6 с). Мюоны превращаются в электрон или позитрон и два нейтрино (рис. 415).

Мюоны были открыты раньше, чем π-мезоны, и их вначале приняли за ядерные кванты. Это представление было вскоре отброшено, так как выяснилось, что мюоны крайне слабо взаимодействуют с нуклонами.

Вслед за π-мезонами было открыто несколько видов еще более тяжелых и менее стабильных мезонов, сильно взаимодействующих с ядрами. Так же как и π-мезоны, их следует считать квантами поля ядерных сил. Как видно, ядерное поле является весьма сложным; полной теории этого поля пока еще нет.

§ 233. Частицы и античастицы. В конце двадцатых годов нашего века только что развитая квантовая механика (см. § 210) была совместно с теорией относительности (см. § 199) применена к объяснению свойств электрона. Последовало неожиданное заключение: должен существовать положительно заряженный двойник электрона! И действительно, через несколько лет такая частица была открыта — это известный нам позитрон. Открытие позитрона было триумфом современной физической теории.

Позитрон называют античастицей электрона. Ч а с т и ц а

и х с в о й с т в а — масса покоя, абсолютная величина заряда, спин (т. е. внутреннее вращение, см. § 230) — в т о ч н о с т и с о в п а д а ю т. Дальнейшее развитие квантовой теории привело к выводу, что, за исключением нескольких нейтральных частиц (фотон, π0-мезон), каждая частица должна иметь противоположно заряженный двойник — античастицу.

В предыдущем параграфе мы познакомились с двумя парами таких двойников — это π+- и π−-мезоны и мюоны μ+ и μ−. Опыт показывает, что, как и в паре электрон–позитрон, частица и античастица в каждой из этих пар обладают одинаковыми свойствами — их массы и периоды полураспада равны.

594 Гл. XXV. Элементарные частицы

Для нуклонов теория также предсказывает существование античастиц — антипротонов и антинейтронов (антинуклонов). Не следует удивляться, что у нейтрона, полный электрический заряд которого равен нулю, есть отличная от него самого античастица. Ведь мы уже видели раньше, что нейтрон нельзя считать нейтральной частицей. Он характеризуется сложным внутренним распределением заряда, и это проявляется, в частности, в том, что у нейтрона есть магнитный момент. Магнитные моменты нейтрона и антинейтрона оказываются направленными противоположно по отношению к направлению их спинов.

Помимо электрического заряда и магнитного момента, у нуклонов есть еще одна важная внутренняя характеристика (квантовое число), отличающая их от антинуклонов. Существование такой характеристики, которую условно можно также назвать некоторым «зарядом» — барионным зарядом B, — следует уже из стабильности нуклонов. Действительно, нуклоны, несмотря на свою большую массу, не распадаются очень быстро на легкие частицы (электроны, γ-кванты, π-мезоны), хотя из энергетических соображений подобные распады, казалось, могли бы идти. Такая стабильность нуклонов и заставила предположить, что у них есть какое-то сохраняющееся квантовое число, получившее название барионного заряда, которого нет у легких частиц. Поэтому распад нуклонов на легкие частицы оказывается запрещенным.

дом −1 (в единицах элементарного заряда) и барионным зарядом B = −1. У антинейтрона электрический заряд нуль, и B = −1. Антипротон, как и протон, должен быть стабильным и должен обладать такой же массой. Антинейтрон должен иметь массу нейтрона и аналогично ему быть неустойчивым — превращаться путем β-перехода в антипротон.

В земных условиях антинуклоны длительно существовать не должны, так как они, подобно позитронам, а н н и г и л и р у ю т, объединяясь с нуклонами и превращаясь, как правило, в кванты ядерного поля — π-мезоны.

Опыты показывают, что при любых превращениях частиц суммарный барионный заряд сохраняется подобно электрическому. Поэтому в ядерных реакциях, учитывая сохранение обоих зарядов, антинуклон может образоваться только в паре с нуклоном. Такие реакции могут вызываться частицами с энергией

в миллиарды электронвольт, превосходящей энергию покоя пары нуклон–антинуклон (см. упражнение 58 в конце главы).

В1955–1956 гг., через несколько лет после вступления в строй первого ускорителя на 6 ГэВ, группе американских физиков удалось обнаружить процессы образования антипротонов и антинейтронов на опыте. Эксперименты не только надежно доказали их существование, но и подтвердили предсказания теории относительно их свойств. Рис. 416 и 417 иллюстрируют, как антинуклоны изучаются при помощи пузырьковой камеры (см. § 235).

Впоследующие годы среди продуктов ядерных реакций частиц высокой энергии были обнаружены антидейтроны (атомные ядра, состоящие из антипротона и антинейтрона). Теоретически из антипротонов и антинейтронов можно строить всевозможные ядра (или, точнее, антиядра), отличающиеся от

обычных протонно-нейтронных ядер лишь отрицательным знаком электрического (и барионного) заряда 1). Присоединяя позитроны, такие антиядра должны образовывать атомы, столь же устойчивые, как и обычные земные атомы. Это означает, что может существовать антивещество, построенное из антинуклонов

иантиэлектронов, т. е. позитронов.

Астрофизические наблюдения до сих пор не обнаружили в видимой части Вселенной сколько-нибудь заметного присутствия антивещества. Пока нельзя с уверенностью сказать, чт´о это: результат ли недостаточной точности наблюдений или же Вселенная действительно асимметрична, т. е. построена только из вещества, хотя антивещество, казалось бы, нисколько не худший строительный материал.

В предыдущем изложении мы говорили о нейтрино как о единой частице. Работы последних лет доказали существование нескольких 2) разновидностей нейтрино. При β-распаде нейтронов и протонов образуются электроны e− и позитроны e+. Частицу, испускаемую вместе с электроном, условились называть электронным антинейтрино νe. Тогда частицу, испускаемую вместе с позитроном, следует называть электронным нейтрино νe. С учетом этого реакции β-распада (230.2) и (230.3) записываются следующим образом:

1) В 1970 г. в Институте физики высоких энергий в Серпухове были синтезированы ядра антигелия-3, т. е. ядра, состоящие из двух антипротонов и одного антинейтрона. Затем были получены также ядра антитрития-3, состоящие из одного антипротона и двух антинейтронов.

2) Более точно и подробно см. § 242.

Являются ли нейтрино νe и антинейтрино νe одинаковыми или разными частицами? Ответ на этот вопрос должен дать эксперимент. Мы уже знакомы с частицами с нулевым электрическим зарядом, которые отличны от своих античастиц — это нейтроны и антинейтроны, различающиеся знаком барионных зарядов. Но существуют незаряженные частицы и другого типа, тождественные своим античастицам — например фотоны или π0-мезоны, получившие поэтому название истинно нейтральных частиц. Опыты, проведенные на пучках антинейтрино ядерного реактора 1), показали, что реакция погло-

Но поглощение νe нейтронами обнаружить не удалось. Именно этого следовало ожидать, если электронные нейтрино и антинейтрино — разные частицы (тогда при взаимодействии с нейтронами могут погло-

щаться νe, но не νe!). Таким образом, из прямого эксперимента следует, что электронные нейтрино νe и антинейтрино νe отличаются друг

от друга и не являются поэтому истинно нейтральными частицами. Дальнейшие исследования показали, что нейтрино, образующиеся при распаде π-мезонов вместе с мюонами, отличаются от нейтрино, образующихся в β-распадах (233.1) и (233.2) вместе с электронами.

Реакцию распада π+-мезона на мюон и нейтрино теперь следует

Очевидно, должна идти и обратная реакция

νμ + n → p + μ−.

Эта реакция наблюдалась экспериментально с помощью ускорителей на пучках нейтрино νμ, образующихся при распаде π+-мезонов. Эти пучки не вызывали, однако, реакций (233.3) и (233.4). Отсюда и был сделан вывод о различии мюонных и электронных нейтрино.

Экспериментально было показано также, что мюонные нейтрино

иантинейтрино νμ и νμ отличаются друг от друга. Более подробно

иполно о разных типах нейтрино см. в § 242.

§ 234. Частицы и взаимодействия. В настоящее время представляется, что в с е р а з н о о б р а з и е я в л е н и й, р а з ы г-

1) В ядерных реакторах происходит β−-распад осколков деления урана, «перегруженных» нейтронами (т. е. β−-распад нейтронов). Поэтому реакторы — интенсивные источники антинейтрино νe .

2) Частица νμ получила название мюонного нейтрино. Мюонное антинейтрино νμ образуется при распаде π− → μ− + νμ .

р ы в а ю щ и х с я в о В с е л е н н о й на всех ее уровнях, — микромир, жизнь, звезды, галактики — о п р е д е л я е т с я и г- р о й в с е г о л и ш ь четырех в з а и м о д е й с т в и й. Два из них были известны еще классической физике — это гравитация

(всемирное тяготение) и электромагнитное взаимодействие. Два других взаимодействия — ядерное, или как его часто называют сильное, и так называемое слабое — являются к о р о т к о- д е й с т в у ю щ и м и и поэтому непосредственно не сказываются не только на движениях макроскопических тел, но и на свойствах атомов и молекул. Они проявляются лишь в ядерных явлениях и в превращениях элементарных частиц. О сильном взаимодействии уже говорилось в § 232. Слабое взаимодействие — это особое взаимодействие, выступающее во всех процессах, в которых участвуют нейтрино, например в захвате нейтрино ядрами, в β-распаде, распаде π+-, π−-мезонов и мюонов.

Силу взаимодействия двух частиц можно охарактеризовать потенциальной энергией при их сближении на некоторое расстояние. Сравним между собой энергии сильного, электромагнитного, слабого и гравитационного взаимодействий двух протонов на расстоянии r ≈ 10−13 см, когда сильные взаимодействия проявляются практически уже в полной мере. В § 232 приводились соответствующие оценки для энергии электрического ( 1 МэВ) и сильного ( 50 МэВ) взаимодействий между этими частицами. Энергия их слабого взаимодействия составляет величину порядка 10−6 эВ. Для того чтобы рассчитать потенциальную энергию гравитационного взаимодействия между протонами, воспользуемся формулой (125.10) 1-го тома W = −Gm2p/r (G = 6,7 × 10−11 Н · м2/кг2 — гравитационная постоян-

ная; mp = 1,67 × 10−27 кг — масса протона, r = 10−15 м — расстояние между протонами; протоны рассматриваются как материальные точки). Тогда

мерно следующим образом: сильное: электромагнитное: слабое: гравитационное = 1 : 10−2 : 10−14 : 10−38.

Важную роль в физике элементарных частиц играют представления о времени, характерном для того или иного явления. Установим прежде всего временной масштаб для процессов, обусловленных сильными взаимодействиями. Для оценки этого