Melkumyan_A.A._Fizika_mikromira

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ

Сильное взаимодействие

Адронами называют элементарные частицы, участвующие в сильном взаимодействии. Они подразделяются на два класса – мезоны и барионы, отличающиеся друг от друга наличием (барионы) или отсутствием (мезоны) барионного заряда. Класс барионов объединяет в себе нуклоны (протоны и нейтроны) и нестабильные частицы с массой большей, чем у нуклонов, гипероны. Барионы участвуют в слабом, сильном и, если они заряжены, электромагнитном взаимодействии. За исключением протона, все барионы нестабильны. Мезоны сильно взаимодействующие нестабильные частицы, не несущие барионного заряда: π-мезоны (пионы), K-мезоны (каоны) и другие, более тяжелые частицы. Мезоны участвуют в слабом, сильном и, если они заряжены, электромагнитном взаимодействии.

Пример

Пионы (пи-мезоны)

В 1935 году японский физик Юкава высказал гипотезу, что в природе существуют частицы с массой, в 200 300 раз большей массы электрона. В 1947 году в космических лучах были обнаружены частицы, названные π мезонами (пионами): отрицательно и положительно заряженные (с массой 140 Мэв = 273 массы электрона) и нейтральные (с массой 135 Мэв = 264 массы электрона). Время жизни заряженных пионов 2,5 10 8, нейтрального пиона

0,8 10 16с.

Для того чтобы объяснить свойства и поведение элементарных частиц, их приходится наделять, кроме массы и электрического заряда, рядом дополнительных, характерных для них величин. Для барионов такой величиной является барионный заряд

21

(B = +1 для нуклонов, В = 1 для антинуклонов). Для процессов, протекающих с участием барионов и / или антибарионов, выполняется закон сохранения барионного заряда.

Пример

Большое разнообразие адронов заставило усомниться в их элементарности и побудило к поиску более фундаментальных, первичных частиц, из которых они могли бы быть построены. В настоящее время составной характер адронов доказан теоретически и подтвержден экспериментально. Современной наукой установлено, что все адроны состоят из кварков. Существует шесть типов кварков:

u (up), d (down), s (strange), c (charm), b (bottom), t (top).

Кварки отличаются от всех элементарных частиц дробностью барионного и электрического зарядов. Каждый барион состоит из трех кварков, например: протон (u, u, d); нейтрон (u, d, d).

Античастицы кварков называются антикварками и являются составляющими мезонов и антибарионов. Успешная классификация адронов на основе кварковой модели это веский аргумент в ее пользу. Эксперименты по прямому просвечиванию нуклонов и других адронов электронами высоких энергий показали, что внутри адронов электроны рассеиваются на точечных частицах с зарядами +2e/3 и –e/3, причем эти частицы ведут себя, как бесструктурные точечные элементы. По ряду соображений было введено понятие «цвет» кварка. Каждый кварк может существовать в трех окрашенных формах желтой, синей и красной (смесь этих цветов дает нулевой белый цвет). Сочетание цветов кварков должно быть таким, чтобы цвет адрона был нулевым, например: протон u (желтый), u (синий), d (красный). Анти-

22

кварки считаются окрашенными в дополнительные цвета или антицвета (фиолетовый, оранжевый, зеленый), которые в сумме с основным дают нулевой цвет. Цвет кварка, подобно электрическому заряду, выражает различие в свойстве, определяющем взаимное притяжение и отталкивание кварков. По аналогии с квантами электромагнитного поля (фотонами) были введены безмассовые частицы переносчики взаимодействий между кварками. Эти частицы называются глюонами, они переносят цвет от одного кварка к другому, в результате чего кварки удерживаются вместе. По современным представлениям сильные взаимодействия осуществляются путем обмена глюонами между кварками. Глюоны являются квантами поля, которое создается кварками и действует на кварки.

Контрольные вопросы

1.Какие частицы называются адронами?

2.На какие два класса подразделяются адроны? Чем отличаются эти два класса?

3.Какие частицы принадлежат классу барионов? В каких взаимодействиях они участвуют?

4.В каких взаимодействиях участвуют мезоны? Какие частицы из класса мезонов вы знаете?

5.Чем отличаются кварки от остальных элементарных ча-

стиц?

Темы для докладов и рефератов

1.Адроны – системы связанных цветных кварков

2.Пи-мезоны (пионы) – история открытия

3.Сильное взаимодействие и его переносчики

23

Слабое взаимодействие

Лептоны легкие частицы, не участвующие в сильном взаимодействии: электроны, мюоны, τ-лептоны, нейтрино (электронные, мюонные, τ-лептонные) и их античастицы. Все лептоны участвуют в слабом взаимодействии и не участвуют в сильном. Лептоны, обладающие электрическим зарядом, участвуют также в электромагнитном взаимодействии. Для объяснения протекания процессов с участием лептонов и антилептонов введено квантовое число L, называемое лептонным зарядом. Лептонам приписывается L = 1, антилептонам L = 1. При этом во всех без исключения процессах наблюдается сохранение лептонного заряда. Этот закон требует, чтобы при β-распадах вместе с электроном рождалось антинейтрино, а вместе с позитроном нейтрино. Лептонные заряды отвечают за участие частицы в слабом взаимодействии (все виды β-распада, процессы взаимодействия нейтрино с веществом, многие распады элементарных частиц).

Пример 1

Космические лучи

Космические лучи (солнечные и галактические) представляют собой непрерывно падающий на Землю поток ядер и элементарных частиц, в основном, протонов высокой энергии (от 10 Гэв до 1010 Гэв). В верхних слоях атмосферы они претерпевают неупругие столкновения с ядрами атомов атмосферы, в результате чего на высоте ниже 20 км наблюдаются только продукты реакций т. н. вторичные космические лучи. Во вторичном излучении были впервые открыты позитрон, мюон, пи-мезон и многие другие частицы. В составе вторичных космических лучей различают две компоненты: мягкую и жесткую. Мягкая компонента состоит из электронно-позитронных пар, возникающих при распаде нейт-

24

рального π-мезона. Жесткая компонента состоит из мюонов, полученных за счет распада заряженных π-мезонов. Все эти превращения происходят за счет слабого взаимодействия.

Пример 2

Промежуточные бозоны

Единая теория слабых и электромагнитных взаимодействий была разработана в конце 1970-х годов. Из этой теории вытекает, что переносчиками слабого взаимодействия является группа частиц, получивших название промежуточные бозоны. В эту группу входят две заряженные частицы (W и W+) и одна нейтральная Z0. Промежуточные бозоны это нестабильные частицы со временем жизни порядка 10 25 с. Экспериментально они были обнаружены на ускорителе в ЦЕРНе (Европейском центре ядерных исследований) в начале 1980-х годов.

Пример 3

Применение нейтрино

Нейтринная астрономия. Все звезды излучают потоки нейтрино, возникающие вследствие термоядерных реакций. Результаты исследования нейтринных потоков проливают свет на происходящие вдали от нашей солнечной системы космические процессы. Так, поздние стадии эволюции звезд характеризуются убыванием нейтринных потоков (до 90%) вследствие замедления протекания термоядерных реакций. Поскольку нейтрино способны преодолевать огромные расстояния, то нейтринные телескопы (подводный телескоп на Байкале, подземные телескопы в Японии и Канаде, телескоп Ice Cube в Антарктиде) дают возможность изучать очень удаленные объекты. Геология. Нейтрино, которые образовались после радиоактивного распада элементов, находящихся внутри Земли, могут помочь в изучении внутреннего со-

25

става планеты. Технология выявления несанкционированных ядер-

ных испытаний. Нейтрино могут предоставить информацию о том, насколько мощным был ядерный взрыв и какой тип ядерного оружия использовался.

Контрольные вопросы

1.Какие частицы называются лептонами?

2.В каких взаимодействиях участвуют лептоны?

3.Какие частицы из класса лептонов вы знаете?

4.Какие процессы относятся к слабому взаимодействию?

Темы для докладов и рефератов

1.Космические лучи.

2.Единая теория слабых и электромагнитных взаимодейст-

вий.

3.Нейтрино.

Частицы и античастицы

Первая античастица позитрон была сначала предсказана теоретически и только потом обнаружена экспериментально. При решении основного уравнения квантовой механики – уравнения Шредингера – для электрона получаются две области энергии: отрицательная дискретная для связанных электронов, и положительная сплошная для свободных электронов. Но уравнение Шредингера не удовлетворяет требованиям специальной теории относительности оно не инвариантно относительно преобразований Лоренца. В 1928 году английскому физику Полю Дираку удалось найти релятивистское квантово-механическое уравнение для электрона. Это уравнение позволило предсказать существование античастицы электрона позитрона (частица c массой, равной массе электрона , но с положительным зарядом +e). Экспериментально позитрон был впервые обнаружен в космиче-

26

ских лучах в 1932 году. При встрече электрона с позитроном они аннигилируют (исчезают), энергия выделяется в виде излучения: e- + e+ → 2γ. Минимум два фотона (иногда бывает три) должны получиться в результате реакции, чтобы выполнялся закон сохранения импульса. Античастицы существуют не только у электрона, но и у других частиц. Существуют частицы, которые не имеют античастиц (фотон, π0-мезон). Частицы и античастицы имеют соответственно положительные и отрицательные барионные и лептонные заряды. Процесс, обратный аннигиляции, называется рождением пары; он происходит при прохождении гаммаизлучения через вещество.

Пример 1

Открытие позитрона

Процесс аннигиляции, сопровождающий взаимодействие мягкой компоненты космических лучей с веществом, позволил американскому физику Карлу Андерсону в 1932 году открыть античастицу электрона, позитрон. Андерсон изучал траектории заряженных частиц в камере Вильсона. Камерой Вильсона называют детектор элементарных частиц, в котором заряженные частицы оставляют вдоль своей траектории след в виде цепочки мелких капель жидкости. При помещении камеры Вильсона между полюсами электромагнита, магнитное поле искривляет траекторию заряженных частиц, при этом электрон и рождающийся одновременно с ним позитрон оставляют следы, закрученные в противоположные стороны.

Пример 2

Позитронно-эмиссионная томография

Наиболее впечатляющее использование процесса аннигиляции в медицине диагностическая техника под названием РЕТ

27

(Positron Emission Tomography или позитронно-эмиссионная то-

мография). Пациенту вводят в кровь раствор фтористого диоксида глюкозы, содержащий изотоп фтора 189 , который спонтанно распадается с испусканием позитрона:

189 → 188 + +10 + νe.

Полученные в результате распада позитроны сталкиваются с электронами, и происходит аннигиляция с испусканием гамма – квантов (фотонов):

+10 + −01 → 2γ.

Два фотона разлетаются в разные стороны согласно закону сохранения импульса. Специальные детекторы регистрируют потоки фотонов и определяют, где находится точка их зарождения. Результирующие компьютерные изображения показывают места, где метаболизм глюкозы особенно интенсивен. Эта техника особенно полезна при изучении головного мозга. Картинки показывают, какие участки мозга особенно активны при определенной деятельности (человек читает, считает, говорит, переводит с иностранного языка и т.д.). Изображение позволяет также выявить участки ненормального функционирования головного мозга опухоли; изменения, связанные с эпилептическими припадками.

Контрольные вопросы

1.Примеры частиц и античастиц.

2.Чем отличается нейтрон от антинейтрона?

3.Что такое аннигиляция? Пример.

4.Почему при встрече электрона и позитрона должно получиться минимум два фотона?

Темы для докладов и рефератов

1.Позитрон – история открытия.

2.Использование процесса аннигиляции в медицине.

28

Стандартная Модель микромира

Стандартная Модель микромира была разработана в 1970-х

годах. Она утверждает, что наша Вселенная состоит из 12 различных частиц материи и четырех фундаментальных взаимодействий. Среди этих 12 частиц есть шесть кварков (u, d, s, c, b, t) и шесть лептонов (электрон, мюон, лептон, электронное, мюонное и τ нейтрино). Лептоны и кварки являются неделимыми. Четыре фундаментальных взаимодействия: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. Переносчиком взаимодействия является частица: электромагнитное взаимодействие фотон, сильное глюон, слабое промежуточные бозоны. Помимо полей, отвечающих за эту тройку фундаментальных взаимодействий, в Стандартной Модели предполагается наличие еще одного скалярного поля, которое неотделимо от пустого пространства, не совпадает с гравитационным и называется полем Хиггса. Считается, что у элементарных частиц нет собственной массы, а они приобретают ее в результате взаимодействия с полем Хиггса. Это поле по-разному влияет на разные частицы: тяжелые частицы взаимодействуют сильнее, легкие слабее, фотоны проходят незамеченными, а промежуточные бозоны набирают массу. Полю Хиггса должна соответствовать частица, называемая бозоном Хиггса, которая передает массу. Четвёртого июля 2012 года на семинаре в ЦЕРНе было объявлено об открытии в экспериментах на адронном коллайдере новой частицы, которая по своим свойствам соответствует теоретически предсказанному элементарному бозону Cтандартной Модели бозону Хиггса.

29

Литература

основная

Трофимова Т.И. Краткий курс физики. М.: Высшая школа, 2009.

дополнительная

1.Айзек Азимов. Нейтрино – призрачная частица атома. М.: Атомиз-

дат, 1969.

2.Мухин К.Н. Занимательная ядерная физика. М.: Атомиздат, 1972.

3.Джим Бэгготт. Бозон Хиггса. М.: Центрполиграф, 2017.

30