4.6 Космические лучи

Поток ядер ( в основном протонов), падающих на Землю из космоса. Энергия в среднем 10ГэВ, отдельные частицы до 10¹⁰ ГэВ – это первичные космические лучи.

Интенсивность космического излучения на границе атмосферы ~ 1 частица/ см²сек. На уровне моря ~ 2·10^-2 частиц/ см²сек. В результате столкновений первичных космических лучей с атомами газов в атмосфере возникают вторичные космические лучи (ниже 20 км – в основном преобладают они). В состав входят 2 компоненты: мягкая (сильно поглощает свинец) и жесткая.

Мягкая компонента состоит из каскадов, или ливней электронно-позитронных пар. Возникший в результате ядерного превращения или резкого торможения быстрого е^- γ-фотон, пролетая вблизи ядра создает электронно - позитронную пару. Торможение электронов е^- и е⁺ снова приведут к образованию γ-фотонов и т.д. до тех пор, пока энергия γ-фотона не станет меньше энергии образования е^- и е⁺ пар. Обычно возникает несколько поколений вторичных частиц.

Жесткая компонента – мюоны (π- и к-мезоны). Космические лучи – единственный источник частиц с энергией ~ ГэВ.

4.7 Классы элементарных частиц и виды взаимодействий

Под элементарными частицами понимают такие микрочастицы, внутреннюю структуру которых на современном уровне развития физики нельзя представить как объединение других частиц. Каждая такая частица ведет себя как единое целое. Элементарные частицы могут превращаться друг в друга.

В настоящее время известны четыре вида взаимодействий между элементарными частицами: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное.

Сильное взаимодействие. Этот вид взаимодействия называют иначе ядерным, так как оно обеспечивает связь нуклонов в ядре. Интенсивность взаимодействия принято характеризовать безразмерной константой взаимодействия G². Эта же константа характеризует вероятность процессов, обусловленных данным взаимодействием. Для сильных взаимодействий G²=G_s²=1. Наибольшее расстояние, на котором проявляется сильное взаимодействие (радиус действия r), составляет примерно 10^-13 см. Частица, пролетающая со скоростью, близкой к с, в непосредственной близости к другой частице, будет взаимодействовать с ней в течение времени τ=r/с=10^-13/ (3х10¹⁰)=10^-23 сек, соответственно говорят, что сильное взаимодействие характеризуется временем взаимодействия τ_s порядка 10^-23 сек.

Электромагнитное взаимодействие. Радиус действия электромагнитного взаимодействия не ограничен (r=∞). Константа взаимодействия равна G²=G_е²=е²/ћс=1/137, т.е. интенсивность электромагнитного взаимодействия примерно в 100 раз меньше, чем сильного. Время, необходимое дли того, чтобы проявилось взаимодействие, обратно пропорционально его интенсивности (или вероятности). Поэтому для электромагнитного взаимодействия τ_е= τ_s= G_s²/ G_е²≈10^-21 сек

Слабое взаимодействие. Слабое или распадное взаимодействие ответственно за все виды β-распадов ядер (включая К-захват), за многие распады элементарных частиц, а также за все процессы взаимодействия нейтрино с веществом. Слабое взаимодействие, как и сильное, является короткодействующим. Константа взаимодействия G²=G_ω² равна 10^-14. Следовательно, время взаимодействия τ_ω: =10^-9 сек.

Гравитационное взаимодействие. Радиус действия не ограничен (r = ∞). Константа взаимодействия крайне мала: G²=G_g²=10^-39, время взаимодействия составляет τ_g=10⁹ лет. Гравитационное взаимодействие является универсальным, ему подвержены все без исключения элементарные частицы. Однако в процессах микромира гравитационное взаимодействие ощутимой роли не игpaет.

В соответствии с характером взаимодействий, в которых элементарные частицы способны участвовать, они делятся на три класса.

1. Фотоны, γ (кванты электромагнитного поля). Эти частицы участвуют в электромагнитных взаимодействиях, но не обладают сильным и слабым взаимодействиями.

2. Лептоны (греческое «лептос» - легкий). К их числу относятся частицы, не обладающие сильным взаимодействием: мюоны (μ-, μ+), электроны (е-, е+) и нейтрино (ν, ). Все лептоны имеют спин, равный ½. Такие частицы подчиняются статистике Ферми — Дирака (учитывающей принцип Паули), вследствие чего называются фермионами. Все лептоны обладают слабым взаимодействием. Те из них, которые имеют электрический заряд (т.е. мюоны и электроны), обладают также электромагнитным взаимодействием.

3. Адроны (греческое «адрос» - крупный). Этот класс включает в себя все сильно взаимодействующие частицы. Наряду с сильным эти частицы обладают также слабым и электромагнитным взаимодействиями. Адроны подразделяются на две подгруппы: мезоны и барионы.

Мезоны — сильно взаимодействующие нестабильные частицы, не несущие так называемого барионного заряда. К их числу принадлежат π-мезоны (π⁺, π^-, π⁰) и К-мезоны (каоны). Масса К-мезонов составляет ~970m_е. Время жизни К-мезонов имеет величину порядка 10^-8 сек. Они распадаются с образованием π-мезонов и лептонов или только лептонов. Заряженные π-мезоны распадаются с образованием лептонов. Распад мезонов (за исключением π⁰-мезона) идет за счет слабого взаимодействия, вследствие чего они отличаются временами жизни (~10^-8 сек), значительно превышающими ядерные времена. Распад π⁰-мезона на γ-фотоны определяется электромагнитным взаимодействием (фотоны в слабых взаимодействиях не участвуют). В соответствии с этим время жизни π⁰-мезона (~10^-16 сек) на много порядков меньше, чем времена жизни остальных мезонов. В отличие от лептонов мезоны обладают не только слабым, но также и сильным взаимодействием. Спин всех мезонов равен нулю, так что принцип Паули на них не распространяется. Частицы с целым (или нулевым) спином подчиняются статистике Бозе-— Эйнштейна, в связи с чем носят название бозонов.

Подгруппа барионов объединяет в себе нуклоны (р, n) и нестабильные частицы с массой, большей массы нуклонов, получившие название гиперонов (Λ⁰,Σ⁺,Σ⁰,Ξ^-,Ξ⁰,Ω^-). Гипероны – нестабильные элементарные частицы с массой больше m нуклона и большим временем жизни (10^-23). Для описания их свойств введено новое квантовое число – странность (s-strange). Для К⁺ мезонов s=+1, К^- мезонов s=-1, гиперонов s=-1, антигиперонов s=-1. Для остальных частиц s=0.

В последнее время обнаружено около 70 коротко живущих частиц, которые получили название резонансов. Эти частицы представляют собой резонансные состояния, образованные двумя или большим числом элементарных частиц. Время жизни резонансов составляет всего лишь ~10^-23-10^-22- сек. Это указывает на то, что распад резонансов происходит за счет сильного взаимодействия. Распад других частиц осуществляется за счет слабого (иногда электромагнитного) взаимодействия. Поэтому времена жизни их значительно больше.

Некоторые из резонансов являются бозонами и должны быть отнесены к классу мезонов( ω-резонанс (или ω -мезон), распадающийся па три π-мезона, или К резонанс (К-мезон), распадающийся на π -мезон и К-мезон). Другие резонансы — фермионы и должны быть причислены к классу гиперонов.

Так называемых элементарных частиц стало так много (более ста), что возникли серьезные сомнения в их элементарности. Каждая из сильно взаимодействующих частиц характеризуется тремя независимыми аддитивными квантовыми числами: зарядом Q, гиперзарядом Y и барионным зарядом В. В связи с этим появилась гипотеза о том, что все частицы построены из трех фундаментальных частиц — носителей этих зарядов. Первая модель подобного рода была предложена японским физиком С. Саката, который считал фундаментальными частицами протон р, нейтрон n и Λ⁰-гиперон. Однако схема Саката оказалась не применимой в области сильных взаимодействий.

Гелл-Мани и Цвейг ввели в рассмотрение гипотетические частицы, получившие название кварков. Этим частицам приписываются дробные квантовые числа, в частности электрический заряд, равный —1/3, —1/3 и + 2/3 соответственно для каждого на трех кварков. Были предприняты попытки обнаружить кварки, для чего искали частицы со значительно меньшей ионизирующей способностью, чем у обычных частиц.

Очарованные частицы - семейство адронов (мезоны и барионы), обладающих квантовым числом «С» (charm-очарование). Для мезонов с очарованием и очарованных барионов (гиперонов) С=-1, для антимезонов с очарованием и очарованных антибарионов С=+1, для всех остальных С=0. Λ⁺_С – очарованный лямбда минус гиперон (барион).

Прелестные частицы – адроны, обладающие квантовым числом «b» (beauty) b=±1,0. Λ⁺_С – прелестный Λ-барион.

Правдивые частицы – адроны, обладающие квантовым числом «t» (truth) t=±1,0.

Пусть имеется частица с массой М. Для того, чтобы проверить, является ли эта частица «сложной» или элементарной, окажем на нее внешнее воздействие с некоторой энергией W (например, путем бомбардировки ее другой частицей, которая при ударе о частицу – мишень М теряет энергию W). Допустим, при таком воздействии из частицы М удается извлечь одну частицу с массой m (или несколько с m=Σm_i). На основании законов сохранения энергии и массы, можно написать:

М+ W/с²= М₁+ m+Е_кин/с², где М₁ – масса частицы после указанной операции. Для простоты будем считать, что Е_кин (после столкновения) пренебрежимо мала. Если W/с²<m, т.е. для извлечения частицы m необходимо затратить энергию W<mс², т.е. меньшую, чем собственная энергия частицы, то полагают, что частица m входит в состав частицы М. Минимальное значение W, необходимое для извлечения частицы m, называется энергия связи, или работа выхода.

При условии W>mс² полагают, что появившиеся частицы «рождаются» при воздействии. Способность появляться (рождаться) с затратой энергии W≥mс² является важнейшей особенностью элементарных частиц.

Кварки. Для объяснения закономерностей ядерных реакций, в том числе систематизации резонансов, в 1964г. М. Гелл-Манн и Г. Цвейг ввели понятие кварков. Согласно современной кварковой модели существует 6 сортов (ароматов) кварков и 6 антикварков, комбинируя которые в разных сочетаниях можно построить любой адрон. Все кварки имеют спин s=½, дробный барионный заряд В=1/3 и дробные электрические заряды, кратные е/3. Барионы состоят из 3 антикварков. Мезоны состоят из кварка и антикварка.

Таблица 1. Характеристики некоторых классов элементарных частиц.

Символ	Название	Масса (ГэВ)	Z
U	Up	0,004	+2/3
d	Down	0,007	-1/3
s	strange	0,15	-1/3
c	charm	1,3	+2/3
b	Beauty (bottom)	4,75	-1/3
t	Truth (top)	>18	+2/3

Для объяснения существования протона (2U+ 1d) и других барионов было введено новое квантовое число – цвет. То есть каждый кварк имеет 3 разновидности, отличающиеся цветом: красный, желтый, синий. Любой барион это комбинация 3 кварков любого ( в том числе одного) аромата (сорта), но обязательно разных цветов. Так как красный, желтый, синий – лосновные цвета следовательно барион белый или бесцветный. Мезон состоит из кварка и антикварка, но обязательно имеет дополнительные цвета (зеленый, антизеленый и т.д.), т.е. тоже является белым. Введение новых квантовых чисел привело к новому разделу физики – хромодинамика.