Физика. Теоретические курсы / Ландсберг Г.С. Элементарный учебник физики / Ландсберг Г.С. Элементарный учебник физики. Том 3

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 .

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

600 Гл. XXV. Элементарные частицы

масштаба рассмотрим ядерные столкновения быстрых частиц (имеющих скорость, сравнимую со скоростью света c). Так как радиус действия ядерных сил r 10−12–10−13 см, то время такого сильного взаимодействия будет характеризоваться величиной r/c 10−22–10−23 с. Это означает также, что если распады частиц обусловлены сильными взаимодействиями, то соответствующие времена жизни будут составлять именно такую очень малую величину (короткоживущие частицы). Если «сильные распады» по каким-либо причинам происходить не могут и частица распадается под действием электромагнитных сил, то ее время жизни будет лежать в пределах 10−16–10−20 с. Для «слабых распадов» соответствующие времена имеют масштаб 10−8–10−13 с. Поэтому частицы, распадающиеся только благодаря слабым взаимодействиям, в мире элементарных частиц рассматриваются как долгожители.

Из четырех известных взаимодействий — гравитационного, слабого, электромагнитного и сильного — универсальным является только гравитационное — в с е м и р н о м у т я г о т е н и ю п о д в е р ж е н ы в с е ч а с т и ц ы б е з и с к л ю ч е н и й.

Частицы разбиваются на классы по характеру взаимодействий, в которых они участвуют.

В первый класс отнесена только одна частица — фотон 1). Ф о т о н взаимодействует (испускается, поглощается) с электрическими зарядами, т. е. о б л а д а е т э л е к т р о м а г н и т н ы м в з а и м о д е й с т в и е м. Сильное и слабое взаимодействия фотону не свойственны.

н е о б л а д а ю т с и л ь н ы м в з а и м о д е й с т в и е м. Заряженные лептоны (электрон, мюон) подвержены, разумеется, и электромагнитному взаимодействию 3).

Третий, самый обширный класс образуют так называемые адроны 4) — сильно взаимодействующие частицы. Адронам свойственны все четыре известных взаимодействия.

1) К фотонам близки и другие частицы — глюоны, промежуточные бозоны (см. § 242).

2) Лептоны — греч. lept´os — легкий.

3) Согласно новейшим теориям электромагнитное и слабое взаимодействия представляют собой различные проявления более общего так называемого электрослабого взаимодействия.

4) Адроны — греч. hadr´os — большой, сильный.