студ ивт 22 материалы к курсу физики / belonuchkin_ve_zaikin_da_tsipeniuk_ium_kurs_obshchei_fiziki

Г л а в а 12

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ

Элементарные частицы в точном значении этого термина — первичные, более не разложимые частицы, из которых предположительно состоит вся материя. Однако этот термин часто употребляется в современной физике для наименования большой группы мельчайших, субъядерных частиц материи. Появилось это название в 30-х годах, когда единственными представителями рассматриваемой группы были протон, нейтрон, электрон

ифотон. Перечисленные четыре частицы служат основой для построения окружающего нас вещества и взаимодействующего с ним электромагнитного поля и назвать их элементарными было вполне естественно. Все известные вещества состоят из атомов

имолекул, построенных именно из этих частиц.

Дальнейшее развитие физики постепенно нарушало эту простую картину. Начиная с конца 30-х годов стали открываться все новые и новые микроскопические частицы материи. Вначале была обнаружена первая античастица — позитрон, предсказанный П. Дираком в 1928 г. Открыт позитрон был в космических лучах в 1932 г. американским физиком К. Андерсоном (1905–2005). Эта частица отличалась от электрона только знаком электрического заряда. В настоящее время известно, что практически всякая частица имеет свой «антипод» — античастицу. Частица и античастица имеют совершенно одинаковые массы, спины, четности; равны времена их жизни, но они характеризуются противоположными по знаку квантовыми числами, которые приписываются частицам для описания закономерностей их взаимодействий. Для обозначения античастиц над символом частиц ставят знак «тильда». Лишь немногие частицы истинно (абсолютно) нейтральны: у них все квантовые числа, отличающие частицу от античастицы, равны нулю. Поэтому в данном случае античастицы совпадают с самими частицами. К ним относятся, в частности, фотон, нейтральный пион ( 0), - и -мезоны. А вот для нейтрального каона 0 (см. табл. 12.2) существует античастица

( 0), поскольку, как мы увидим далее, для него отличны от нуля такие квантовые числа, как странность и третья компонента изоспина (меняющие знак при переходе к античастице).

Примерно до 50-х годов изучение элементарных частиц было тесно связано с исследованием космических лучей. Космические

лучи являются уникальным природным источником частиц высокой и сверхвысокой энергий, падающих на границу земной атмосферы из мирового пространства и рождающих на своем пути в атмосфере поток вторичных частиц сложного состава. В космических лучах, кроме упомянутого позитрона, были обнаружены мюоны, - и -мезоны, -гиперон и впервые измерены характеристики каналов их распадов и параметры взаимодействий.

Дальнейшие исследования элементарных частиц тесно связаны с развитием ускорителей — специальных устройств, предназначенных для получения заряженных частиц больших энергий. Ускорители существенно увеличили темп получения новых данных и в короткий срок расширили и обогатили наши знания свойств микромира. Мир элементарных частиц оказался очень сложным. Закономерности, управляющие поведением материи в малых масштабах, оказались настолько необычными, что для истолкования происходящих с ними процессов квантовой механики оказалось недостаточно. Понадобился следующий шаг — разработка квантовой теории поля, а затем и квантовой хромодинамики.

12.1. Основные свойства элементарных частиц. Фундаментальные взаимодействия в природе

Рождение элементарных частиц является результатом взаимодействия (столкновения) высокоэнергетичных частиц между собой, т. е. они появляются в результате ядерных реакций. Это свойство элементарных частиц — релятивистский эффект, обусловленный соотношением между массой частицы , ее энергией и импульсом :

Отсюда сразу следует известное соотношение Эйнштейна

означающее, что энергия покоя тела пропорциональна его массе. Тем самым массу частиц можно выражать в энергетических единицах, что и принято в физике элементарных частиц. Для стабильных или долгоживущих частиц массу определяют путем независимого измерения энергии и импульса частицы и применения формулы (12.1). Естественной единицей в атомной физике, как мы уже неоднократно подчеркивали, является электронвольт. Несмотря на то, что это внесистемная единица, ею широко пользуются, поскольку она правильно отражает масштаб атомных явлений. В физике элементарных частиц, как и в физике высоких энергий широко распространены производные от электронвольта

единицы — мегаэлектронвольт (1 МэВ 106 эВ), гигаэлектронвольт (1 ГэВ 109 эВ), терраэлектронвольт (1 ТэВ 1012 эВ).

Рассмотрим вначале, как расположены по энергии частицы массой примерно до 1 ГэВ. На рис. 12.1 показаны расположение частиц по массам, их периоды полураспада и обозначения; стрелками изображены каналы распада частиц; для наглядности масштаб по энергии соблюден не всюду.

Рис. 12.1

Как видно из рисунка, частицы расположены неравномерно. Рядом с нейтроном и протоном расположены -частица массой 1115 МэВ и три сигмы, называемые сигма-минус, сигма-нуль и сигма-плюс, с почти одинаковыми массами около 1190 МэВ. Группы частиц почти одинаковой массы называются мультиплетами. Первый мультиплет — это пара (дублет) протон–нейтрон (нуклоны ), потом идут гипероны: синглет (одиночка) лямбда, потом — триплет (тройка) сигм. Частицы с меньшей, чем нейтрон и протон массой, — триплеты пионов и -мезонов — образуют группу мезонов. Три заряженные частицы — электрон, мюон , таон (он на рис. 12.1 не уместился, так как его масса 1784 МэВ, время жизни 3 10 13 с) и три нейтральных нейтрино — электронное , мюонное и таонное — образуют группу лептонов. В ядерных реакциях нейтрино раз-

204 Элементарные частицы [ Гл. 12

личных сортов участвуют только в паре с соответствующими

отрицательные мюоны и не могут рождать лептоны , , . Этот факт нашел свое отражение в выводе о существовании трех лептонных зарядов (см. ниже). Вне рассмотренной систематики остался пока только фотон — квант электромагнитного поля.

Элементарных частиц насчитывается очень много, однако по величине взаимодействия их можно разделить на четыре класса. Характеризующие эти классы взаимодействия называются сильным, электромагнитным, слабым и гравитационным.

Термин «сильное» или «слабое» взаимодействие является эмоциональным выражением скорости наблюдаемых процессов, поскольку физик измеряет в эксперименте скорость реакции — абсолютную скорость и скорость относительно других реакций. Скорости, наблюдаемые при сильных и слабых взаимодействиях, настолько резко отличаются друг от друга, что вполне однозначно выделяются эти два класса реакций между частицами. Сильное взаимодействие обусловливает связь протонов и нейтронов в ядрах атомов и обеспечивает исключительную прочность этих образований, лежащую в основе стабильности вещества в земных условиях. Сильные взаимодействия проявляются и в высокоэнергетических столкновениях. Частицы, обладающие сильным взаимодействием, получили название адронов . Это самая многочисленная группа субъядерных частиц, она состоит из барионов (адронов с полуцелым спином) и мезонов (адронов с целым спином).

Рассмотрим типичный пример сильного взаимодействия, когда в процессе столкновения протона и -мезона образуются -частица и -мезон 0 0). Время взаимодействия быстрого (релятивистского) протона с -мезоном составляет 10 23 с. Сравним этот временной масштаб с таковым для слабых взаимодействий. Рожденная в высокоэнергетическом столкновении -частица распадается на две дочерние0 в среднем за 3 10 10 с. Как мы увидим в дальнейшем, такой распад обусловлен слабым взаимодействием, и на этом примере видно, что интенсивность слабых взаимодействий составляет примерно 10 14 от интенсивности сильных. Иллюстрацией малой интенсивности слабых взаимодействий может служить и тот факт, что нейтрино, обладающие только слабым взаимодействием, беспрепятственно пронизывают, например, толщу Земли и Солнца.

Для количественной оценки интенсивности различных взаимодействий между частицами вводится силовая константа 2,

окончательно имеем

2

2 сл 10 14 (12.9)

сл

Итак, хорошо известное электромагнитное взаимодействие по интенсивности лишь в 137 раз меньше сильного. Гравитационное взаимодействие в этом ряду стоит на последнем месте. Оно почти

в1038 раз слабее сильного, но им обладают все элементарные частицы. Конечно, во взаимодействиях между элементарными частицами оно никогда не учитывается, но взаимодействие частиц с макроскопическими телами — экспериментально установленный эффект. Так, например, искривление траектории пучка медленных нейтронов в поле земного тяготения неоднократно наблюдалось непосредственно.

Ясно, что в тех обстоятельствах, когда возможны и сильные, и слабые взаимодействия, преобладание сильных — подавляющее. Слабые процессы обнаруживают себя только там, где законы сохранения запрещают осуществление сильных взаимодействий. Поэтому слабым взаимодействиям раньше отводилась роль мусорщика, выметающего осколки после высокоэнергетических столкновений, отданных на откуп сильным взаимодействиям. Задача слабых взаимодействий — удалять нестабильные продукты путем распадов. Однако именно в этих «скучных» продуктах были обнаружены нарушения фундаментальных физических законов — законов сохранения пространственной и комбинированной четностей. О нарушении зеркальной симметрии при -распаде мы уже говорили раньше.

Обсуждая ядерное взаимодействие, цементирующее нуклоны

вядре, мы подчеркивали, что в квантовой теории поля взаимодействие частиц рассматривается как рождение или поглощение одной свободной частицей других (виртуальных) частиц, иначе говоря, каждая частица окружена облаком виртуальных частиц. С точки зрения классической физики это невозможно, но в квантовой механике в соответствии с соотношением неопределенностей реальная частица может испустить виртуальную

на короткое время , где — неопределенность в энергии, примерно равная энергии покоя виртуальной частицы2. Если считать скорость движения виртуальной частицы равной скорости света , то радиус действия возникающих таким образом обменных сил должен быть порядка , т. е. порядка комптоновской длины волны виртуальной частицы.

Мы уже обсуждали в § 10.1, что переносчиком сильного взаимодействия является -мезон, сильно взаимодействующая частица наименьшей массы, и радиус действия ядерных сил составляет примерно 10 13 см. Эксперименты показывают, что радиус действия слабого взаимодействия 10 16 см, т. е. масса ответ-

ственных за него виртуальных частиц должна быть 100 ГэВ. Как следовало из теории, у слабого взаимодействия должно существовать три переносчика: нейтральный 0- и заряженные- и -промежуточные бозоны. В 1983 г. эти частицы были зарегистрированы в экспериментах на встречных пучках, т. е. на пучках ускоренных частиц, направленных навстречу друг другу. То, что переносчиком электромагнитного взаимодействия является фотон, мы уже выше обсуждали. Переносчиком гравитационного взаимодействия, согласно существующим воззрениям, является гравитон — частица с нулевой массой, однако экспериментально гравитон до сих пор не обнаружен.

12.2. Законы сохранения в микромире

Все многообразие законов, являющихся результатом многочисленных опытов и их теоретических обобщений, пронизано некими общими принципами, которые так или иначе содержатся в каждом законе. Физики называют эти единые законы фундаментальными, и к ним прежде всего относятся законы сохранения, т. е. утверждения о постоянстве во времени некоторых величин, характеризующих данный объект или систему объектов и зависящих только от начальных условий. Глубокий смысл законов сохранения состоит в том, что каждый из них связан с какой-либо симметрией законов природы. Это утверждение носит название теоремы Э. Нетер, которая гласит: «Если свойства системы не меняются от какого-либо преобразования переменных, то этому соответствует определенный закон сохранения». Как известно из классической механики, всеобщие законы сохранения энергии, импульса и момента импульса следуют из предположения об однородности и изотропности пространства-времени. В атомной физике закономерности периодической таблицы Менделеева связаны с инвариантностью относительно вращений. Теория относительности полностью зиждется на идее лоренц-инвариантности.

Ядерная физика, и особенно физика элементарных частиц, значительно обогатили наши представления о симметрии и ее связи с наблюдаемыми в микромире явлениями. Рассмотрим симметрии природы, связанные с возможностью замены правого на левое, частицы на античастицу и обращения времени. Оказывается, что все три операции — зарядового сопряжения (замены частиц античастицами), пространственной инверсии (замены координат на ) и обращения времени (замены времени на ), взятые вместе, не являются совсем независимыми. Пространственная инверсия эквивалентна операции зеркального отражения относительно одной из координатных плоскостей и

повороту на угол вокруг одной из осей, а так как любое физическое явление инвариантно относительно вращения системы отсчета, то инвариантность физических законов относительно операции эквивалентна их зеркальной симметрии, иначе говоря, симметрии «левое-правое». Произведенные последовательно друг за другом, преобразования , и обязаны не менять никаких следствий теории, т. е. природа должна быть инвариантна относительно одновременного проведения всех трех операций симметрии. Это утверждение носит название -теоремы. Из

-теоремы, в частности, следует, что массы и времена жизни частицы и античастицы равны, магнитные моменты различаются только знаком, взаимодействие частицы и античастицы с гравитационным полем одинаково (нет «антигравитации»).

На опыте не обнаружено ни одного случая нарушения

-инвариантности. Так, равенство масс частицы и античасти-

цы в случае 0 и 0 справедливо с точностью 10 18. Экспериментальное отношение -факторов электрона и позитрона (фактически отношение магнитных моментов) также равно единице с очень высокой точностью

1 0,5 2,1 10 12

В то же время мы теперь знаем, что в слабых взаимодействиях нарушаются как - и -инвариантности, так и-инвариантность (комбинированная инверсия). Несохранение четности было обнаружено в 1957 г. в -распаде 60Co. Наиболее прямое нарушение зарядовой инвариантности проявилось при исследовании продольно поляризованных мюонов при распаде пионов на мюон и нейтрино. Американскими физиками В. Фитчем (р. 1923) и Дж. Крониным (р. 1931) были обнаружены -не- четные процессы (нарушение -инвариантности): они наблюдали распад долгоживущих нейтральных каонов на два пиона.

Однако не все симметрии природы оказывается возможным легко выявить и наглядно объяснить, поскольку они не обязательно должны быть связаны со свойствами обычного простран- ства-времени. Осознание этого факта привело в последние десятилетия к открытию нового класса так называемых внутренних симметрий, возникающих за счет свободы преобразований тех или иных групп частиц в особых «внутренних пространствах». Симметрийный подход в физике элементарных частиц явился ключом к их классификации и основой теоретического описания их взаимодействий. Каждая элементарная частица описывается набором дискретных значений определенных физических величин — своими характеристиками. В ряде случаев эти дискретные значения выражаются через целые или дробные числа и неко-

12.2 ] Законы сохранения в микромире 209

торый общий множитель — единицу измерения; об этих числах говорят как о квантовых числах элементарных частиц и задают только их, опуская единицы измерения.

Общими характеристиками всех элементарных частиц являются масса , время жизни 1 2, спин и электрический заряд . Помимо указанных величин элементарные частицы дополнительно характеризуются еще рядом квантовых чисел, которые называются «внутренними». Лептоны несут специфические лептонные заряды , и (электронный, мюонный и таоннный), равные 1 для частиц и 1 для антилептонов. Для адронов все лептонные заряды равны 0, а значительной их части — барионам — следует приписать особый барионный заряд

1 . Для мезонов и лептонов 0, для фотонов и 0 и 0. Важной характеристикой элементарных частиц является также внутренняя четность 1. Она определяет поведение волновой функции частицы в системе отсчета, связанной с частицей, при инверсии координат, т. е. замены r на .

Введение различных зарядов у элементарных частиц позволяет простейшим образом интерпретировать установленные на опыте законы сохранения числа соответствующих частиц. Прежде всего это закон сохранения электрического заряда — прототип величины, удовлетворяющий аддитивному закону сохранения. Он гласит: полный электрический заряд в любой реакции строго сохраняется, т. е. электрический заряд вступающих в реакцию частиц должен быть равен электрическому заряду получающихся частиц. В силу того, что электрический заряд — квантованная величина (он наблюдается в природе только в виде кратных элементарного заряда ), электрический заряд любой субатомной

Число называется электрическим зарядовым числом частицы или просто электрическим зарядом. Поэтому закон сохранения электрического заряда может быть записан в следующем виде: в любой реакции

сумма электрических зарядовых чисел должна оставаться постоянной:

Сохранение одного только электрического заряда не определяет возможность распада частиц. Например, протон мог бы распасться на позитрон и -квант без нарушения и закона сохранения электрического заряда, и энергии, и момента импульса, но этого не происходит. Поэтому было сделано предположение, что всегда должно сохраняться полное число барионов.

Этот закон сохранения выполняется естественным образом, если приписать барионам заряд так, чтобы барионное число для частиц-барионов равнялось 1, для античастиц 1, у лептонов и мезонов 0. Закон сохранения барионного заряда можно тогда записать в виде, полностью аналогичном закону сохранения электрического заряда:

Рассмотрим вопрос о том, что означает закон сохранения барионного заряда по мере уменьшения энергии взаимодействующих частиц. В нерелятивистской ядерной физике в силу малости энергии, передаваемой при взаимодействии, не может происходить ни рождения нуклон-антинуклонных пар, ни превращения нуклонов в более тяжелые частицы. Поэтому закон сохранения барионного заряда становится фактически законом сохранения числа нуклонов, т. е. массового числа . Если же идти еще дальше в область низких энергий, то мы переходим в область, где не происходит никаких ядерных превращений, а значит, не меняются ядерные дефекты массы. Это — область атомной физики, физики агрегатных состояний и химических реакций. Так как за счет химических энергий связи изменения масс ничтожны, то закон сохранения барионного числа переходит в закон сохранения массы.

По мере накопления экспериментальных данных и их систематизации проявлялись все новые закономерности реакций между элементарными частицами и типами их распадов. Так был постулирован закон сохранения лептонного заряда , а затем странности , очарования , красоты , правды . Все эти новые квантовые числа понадобились для того, чтобы различать соответственно семейства «странных», «очарованных», «красивых» и «правдивых» адронов: для всех странных адронов ( -мезоны,0-, -, -, -барионы) 0, для очарованных ( 0, ,, ) — 0 и т. д.

Подобно барионному числу, , , , являются аддитивными квантовыми числами, т. е. их суммарное значение по всем адронам сохраняется, но, в отличие от , только в процессах, обусловленных сильными и электромагнитными взаимодействиями. Мы опять сталкиваемся с «нарушенной» симметрией слабых взаимодействий.

Таким образом, роль законов сохранения зарядов сводится к запрещению процессов с изменением хотя бы одного из суммарных зарядов. Рассмотренные нами законы сохранения дают возможность разобраться в классификации частиц и в установлении разрешенных и запрещенных реакций и распадов.