Основы физики ядра и элементарных частиц (110

11. АДРОНЫ, МЕЗОНЫ, БАРИОНЫ, ИЗОМУЛЬТИПЛЕТЫ. КВАРКОВАЯ МОДЕЛЬ АДРОНОВ

Из всех адронов стабилен только один протон. Остальные распадаются по разным каналам. Приведем более подробную классификацию адронов.

Некоторые адроны образуют группы − так называемые изомультиплеты. Примером такого изомультиплета может служить декуплет гиперонов, показанный на рис. 32.

ddd ddu duu uuu

dds dus uus

dss uss

sss

Рис. 32

Рис. 33

Существование Ω-гиперона в этом декуплете было предсказано на основе кварковой модели адронов. Кварки – это составные части адронов. В свободном состоянии кварки не наблюдались. Они считаются истинно

41

элементарными, как и лептоны. Кварков тоже шесть типов (или, как принято говорить, ароматов). Так что имеет место кварк-лептонная симметрия.

Кварки имеют дробный электрический заряд ±1/3 или ±2/3 протонного. Приводим таблицу кварков. В верхней строчке указан заряд в единицах протоннного.

Таблица кварков

Отметим, что каждый аромат кварка может находиться в трех разных квантовых состояниях, которые принято обозначать цветами: красным (R), зеленым (G) и синим (B). Именно поэтому механику кварков называют хромодинамикой (хромос – цвет). На рис. 33 показан кварковый состав каждого гиперона, входящего в декуплет (рис. 32).

12. ВЗАИМОПРЕВРАЩЕНИЯ ЧАСТИЦ. ЗАКОНЫ СОХРАНЕНИЯ

При столкновении частиц или ином энергетическом воздействии на них происходят их взаимопревращения. Для нестабильных частиц их взаимопревращения происходят самопроизвольно. При этих взаимопревращениях выполняются законы сохранения:

-закон сохранения массы-энергии;

-закон сохранения импульса;

-закон сохранения электрического заряда;

-закон сохранения спина (момента импульса);

-закон сохранения изотопического спина;

-закон сохранения барионного заряда;

-закон сохранения лептонного заряда;

-закон сохранения странности;

-закон сохранения очарования.

Для примера рассмотрим уже известную реакцию:

42

На фундаментальном уровне этой реакции соответствует распад кварка по схеме d → u + e− +ν~e . Проверим по (97) некоторые законы сохранения:

Рис. 34

Кроме указанных выше законов сохранения, существуют законы сохранения, связанные с симметрией мира. Таким законом считалась симметрия левого и правого, или так называемая зеркальная симметрия (зеркало меняет правое на левое), или Р-инвариантность. Согласно этому закону сохранения все процессы, происходящие в мире элементарных частиц, не должны меняться при их зеркальном отображении. Однако опыты по β-распаду радиоактивного кобальта , проведенные в 1956 – 1957 гг., выявили нарушение зеркальной симметрии. Заключалось оно в том, что число электронов, вылетающих из ядра кобальта в направлении его спина, было меньше, чем в противоположном направлении (рис. 34). В вертикально поставленном зеркале (имеется в виду рис. 34) верх и низ не меняются, а

43

закрутка (спин) меняется на противоположную, поэтому процесс идет уже не так. Поскольку β-распад обусловлен слабым взаимодействием, то был сделан вывод о нарушении Р-инвариантности в слабых взаимодействиях. Оказалось, что нарушение зеркальной симметрии связано с существованием нейтрино – все нейтрино в нашей Вселенной левовинтовые (к примеру, у электрона ориентация спина по отношению к направлению движения может быть любой, как правовинтовой, так и левовинтовой). Если кроме зеркального преобразования к β-распаду кобальта применить зарядовое преобразование (то есть заменить частицы античастицами), то процесс не изменится. Этот закон сохранения получил название СР-инвариантности. Но позже было обнаружено, что в некоторых процессах нарушается и СР-инвариантность. Но если совместно с преобразованием заряда и зеркальным преобразованием произвести смену знака у времени, то процесс останется неизменным. Это обстоятельство получило название СРТ-инвариантности. Ее нарушение пока не было зафисировано.

13. ТЕОРИИ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ

Как уже было сказано, элементарные частицы – участники всех фундаментальных взаимодействий. В свою очередь все фундаментальные взаимодействия происходят по одной схеме, как обмен фермионов виртуальными бозонами. Понятие виртуальных частиц базируется на соотношении неопределенностей между флуктуацией энергии и временем ее существования:

Из этих равенств определяется радиус действия (длина существования) виртуальных бозонов. В зависимости от того, имеет ли бозон данного поля

изображать с помощью диаграмм Фейнмана. Например, электромагнитное взаимодействие двух электронов посредством фотона изображено на рис. 35.

44

Диаграмма Фейнмана, иллюстрирующая слабое взаимодействие – распад нейтрона по схеме (97), изображена на рис. 36. Сильное (ядерное) взаимодействие осуществляется между кварками путем обмена глюонами (рис. 37). Глюонов всего 8. Они являются переносчиками цветов. При этом кварки переходят из одного цветового состояния в другое. Ароматы кварков сохраняются. Такое взаимодействие между кварками осуществляется внутри ядра, внутри р и n.

В лабораторных процессах при не слишком больших энергиях все три рассмотренные взаимодействия проявляются по-разному, так же, как при малых энергиях электромагнитную силу можно разложить на электрическую и магнитную:

Однако при больших энергиях такое разложение сделать уже нельзя, и сила рассчитывается как единая электромагнитная. Аналогично обстоят дела с электромагнитным и слабым взаимодействиями. При малых энергиях они протекают по-разному, и их можно различить. Если энергию увеличить и довести примерно до 2 ГэВ, то электромагнитное и слабое становятся неразличимыми и объединяются в одно – электрослабое взаимодействие. Существует теория, объединяющая электромагнитное и слабое взаимодействия. В экспериментах нашли подтверждение предсказания этой теории. В частности, в 70-х годах прошлого столетия на ускорителях были обнаружены W ± , Z 0 -бозоны. Ученые работают над объединением всех трех взаимодействий. Теория, объединяющая три взаимодействия (сильное, электромагнитное и слабое), получила название теории Великого

45

объединения (ТВО). В ней считается, что все три взаимодействия неразличимы при энергиях порядка 1015 ГэВ. При таких энергиях протон

должен распадаться по следующей схеме (X – промежуточный бозон): e+

(100)

Согласно ТВО, в лабораторных условиях время жизни протона должно составлять около 1032 лет, однако если протонов много, например 1032 , то можно ожидать распада 1 протона в год.

Поиски распада протона проводятся учеными с помощью огромных детекторов. Так, на рис. 38 показан детектор ИБМ, представляющий собой полость в выработанной соляной шахте размерами 23х18х17 м, заполненную водой. На стенах полости установлены 2 048 фотоумножителей, регистрирующих черенковское излучение частиц, возникающих в результате распада. Снимок сделан аквалангистом на глубине 20 м. Пока эти эксперименты не принесли успеха, то есть распад протона не обнаружен.

Рис. 38

В настоящее время физики работают над теорией, которая призвана объединить все четыре взаимодействия. Ее называют суперсимметричной или суперструнной теорией. Однако она еще далека от завершения и тем более далека до экспериментальной проверки.

14. КОСМОЛОГИЯ И ФИЗИКА ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

46

Развитие физики элементарных частиц позволило разработать сценарий развития нашей Вселенной. Этот сценарий опирается на модель Большого взрыва, которая предполагает, что в начальный момент произошел некий взрыв, приведший к возникновению Вселенной. Известно, что в настоящее время удаленные галактики разлетаются в соответствии с законом Хаббла:

υ = H r , (101)

где υ – скорость удаления, r – расстояние до галактики, H – постоянная Хаббла. Считается, что это разбегание галактик и есть последствия взрыва. Основные этапы Большого взрыва указаны в таблице, следующей ниже.

Сценарий большого взрыва

Период времени 10−6 < t <10−4 с принято называть адронной эпохой. В

эту эпоху рождается практически весь спектр элементарных частиц.

Следующий интервал 10−4 < t <1 с называется лептонной эпохой. В этот период подавляющую долю частиц составляют стабильные лептоны (все тяжелые адроны распались или аннигилировали). Происходит преобладание вещества над антивеществом. Временной интервал 1 < t <100 с связан с интенсивным образованием легких ядер изотопов водорода и гелия. В

дальнейшие моменты времени температура падает настолько, что фоновое

47

электромагнитное излучение перестает взаимодействовать с веществом

(ионизировать его). Это фоновое излучение получило название реликтового.

Оно обнаруживается и сейчас с температурой около 2,7 К. От миллиона до миллиарда лет происходит образование структурных элементов Вселенной:

звезд, галактик, планетных систем. Если протон все-таки распадается, то существование всего вещества ограничено временем 1032 лет. Возраст современной Вселенной оценивается в 12 . 109 лет.

48

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Акоста, В. и др. Основы современной физики / В. Акоста, К. Кован, Б. Грем. – Просвещение, 1981. – 496 с.

2.Девис, П. Суперсила и поиски единой теории природы / П. Девис. –

М.: Мир, 1989. – 272 с.

3.Иванов, Б.Н. Законы физики / Б.Н. Иванов. – М.: Высшая математика, 1986. – 336 с.

4.Колпаков, П.Е. Основы ядерной физики / П.Е. Колпаков – М.: Просвещение, 1969. – 400 с.

5.Ландау, Л.Д. и др. Теоретическая физика. Квантовая электродинамика / Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц. – М.: Наука, 1989. – Ч. 1. – 704 с.

6.Майер, В.В. Квантовая физика. Элементы теории: Учебное руководство / В.В. Майер. – Глазов, 1997. – 152 с.

7.Мякишев, Г.Я. Элементарные частицы / Г.Я. Мякишев – М.: Наука, 1979. – 176 с.

8.Наумов, А.И. Физика атомного ядра и элементарных частиц / А.И. Наумов. – М.: Просвещение, 1995. – 384 с.

9.Окунь, Л.Б. Элементарное введение в физику элементарных частиц / Л.Б. Окунь. – М.: Физмалит, 2006. – 128 с.

10.Ракобольская, И.В. Ядерная физика / И.В. Ракобольская. – М.: Изд-

во МГУ, 1971. – 176 с.

11.Саранин, В.А. Задачник-практикум по ядерной физике: Методическая разработка для студентов / В.А. Саранин. – Глазов, 1988. – 16 с.

12.Саранин, В.А. Элементарные частицы: Методическая разработка для студентов / В.А. Саранин. – Глазов, 1989. – 20 с.

13.Саранин, В.А. Основы физики ядра и элементарных частиц: Учебное пособие / В.А. Саранин. – Глазов, 2001. – 32 с.

14.Фейнман, Р. КЭД – странная теория света и вещества / Р. Фейман. –

М.: Наука, 1988. –144 с. – (Б-ка «Квант». Вып. 66).

49