2413

Макроскопическое тело в отличие от микрочастицы без внешнего воздействия будет лежать на полке неограниченно долго, хотя его падение вниз не запрещено законами сохранения.

Законы сохранения в физике элементарных частиц открыты на основе опытов, а фундаментальные уравнения описывающие их движения не установлены.

Поэтойпричинезаконысохранениязанимаютглавенствующееположение из-за того, что они позволяют анализировать явления происходящие с микрочастицами, механизм которых ещё не раскрыт в теории.

Все законы, открытые в физике элементарных частиц, подразделя-

симметрии «пространства – времени» и отнесены к категории фундаментальных законов. Данные законы строго выполняются для любых типов взаимодействий и при любых превращениях элементарных частиц и по этой причине они являются точными.

Изотопические мультиплеты – это группы элементарных частиц объединённые общими свойствами. В состав каждой группы входят частицы, которые одинаковым образом участвуют в сильном взаимодействии, имеют близкие по величине массы и разные по знаку

заряды. Примерамимультиплетовявляются«Дублет» (протон 11 p инейтрон

) и «Триплет» ( -мезон, 0 -мезон и -мезон).

Изотопический спин (I) – это внутренняя характеристика адронов определяющая число (n) частиц в изотопическом мультиплете:

n = 2I+1.

Например, у нуклонов изоспин равен Iн = 1/2 и поэтому число частиц в данном мультиплете равно 2. Изоспин пиона равен Iп = 1 и поэтому число частиц в составе пионного мультиплета равно n=3.

Законсохранения изотопического спина (I) выполняетсятолько лишь в процессах, которые связаны с превращениями элементарных частиц обусловленными зарядово – независимыми сильными взаимодействиями. Поэтому данный закон является приближённым.

Этот закон описывают соотношения:

281

Изотопический спин I сохраняется и приписывается только частицам, которые участвуют в сильных взаимодействиях.

Поэтомуквантово-механическоеописаниепроцессовсучастиемсильно взаимодействующих частиц трактует изотопический спин I как неточное квантовое число и даёт толкование закона сохранения изотопического спина как закон сохранения неточного квантового числа I.

Частицы и античастицы. Принцип зарядового сопряжения.

Существование античастиц является универсальным свойством элементарных частиц. Для каждой элементарной частицы должна существовать античастица.

Античастицаотличаетсяотчастицытолько лишьзнаками всех величин, которые характеризуют взаимодействия (электрические заряды Q , спе-

циально введенные заряды, указывающие типы их взаимодействий, а также странность S , красота b , шарм c и др.)

Частицы, укоторыхэтивеличиныравнынулю, тождественнысосвоими античастицами и поэтому они называются истинно нейтральными.

Истинная нейтральность более глубокое свойство, чем электрическая нейтральность (электрический заряд равен нулю).

Аннигиляция пар (электрон и позитрон)

е е

является одним из ярких проявлений истинной нейтральности.

Впервые понятие «Античастица» возникло в 1928 году на основе релятивистского волнового уравнения, составленного Дираком. При решении данного уравнения было обнаружено существование частиц двойников.

Свободное движение двойников описывают волновые функции и ' отличающиесятолько лишьзнаками своихэлектрических зарядов. Поэтому

эти двойники составляют пару частица – античастица (электрон е и

позитрон е ).

Из общих принципов квантовой теории следует, что частицы и античастицы должны иметь одинаковую массу, одинаковое время жизни в вакууме, одинаковые по модулю, но противоположные по знаку электрические заряды (и магнитные моменты), а также одинаковые остальные характеристики, приписываемые элементарным частицам (см. далее).

О симметрии между частицами и античастицами

Считалось, чтоесликакой-то процесс идет междучастицами, тодолжен существовать точно такой же (с теми же характеристиками) процесс между античастицами. В 1956 г. доказано, что подобная симметрия характерна толькодлясильногоиэлектромагнитноговзаимодействийннарушаетсядля слабого.

Аннигиляция – это реакции с участием частиц и античастиц.

282

Столкновение частицы и античастицы согласно теории Дирака должно приводить ких взаимнойаннигиляции. При аннигиляциивозникаютдругие элементарные частицы или фотоны:

10е 10е 2 – аннигиляция электрон и позитрона;

0 – аннигиляция протона и антипротона;

0 0 0 – аннигиляция протона и антипротона;

n~ n – аннигиляция протона и антипротона;

n 0 0 – аннигиляция нейтрона и антипротона. Протон отличается от антипротона p знаками электрического заряда

и собственного магнитного момента, а нейтрон n от антинейтрона n – знаком собственного магнитного момента.

Нейтрино и антинейтрино, их типы

Истинно нейтральными частицами считаются микрочастицы, кото-

рые не имеют античастиц.

К число одиночников причислены фотон, 0 -мезони 0 -мезон (его масса равна m 0 = 1074 me , времяжизни 0 7 10 19 с; распадаетсясобразованием

π-мезонов и -квантов). Истинно нейтральные частицы не способны к аннигиляции, ноиспытываютвзаимныепревращения. Такиепревращениядля всехэлементарныхчастицпричисленыккатегориифундаментальныхсвойств

Реакции с участием нейтрино и антинейтрино позволили установить ряд их свойств.

Реакция захвата электронного антинейтрино протоном

00ve 11 p 01n 10e

была осуществлена на основе мощных потоков антинейтрино, получаемых в реакциях деления ядер (осколки деления тяжелых ядер испытывают -

распад и испускают антинейтрино).

Кроме того, зафиксирована реакция захвата электронного нейтрино нейтроном:

00ve 11n 01 p 10e .

Эти две реакции доказывают, что: 1) ve ,ve – реальные микрочастицы; 2) ve ,ve – различные частицы.

Эксперименты по рождению и поглощению мюонных нейтрино также показали: v ,v – различные микрочастицы, пара v ,ve – различные микро-

частицы, а пара ve ,ve – не тождественна паре v ,v .

По современным представлениям, нейтрино и антинейтрино отличаютсядруготдругаоднойизквантовыххарактеристиксостоянияэлементарной частицы – спиральностью.

283

Спиральность микрочастиц (рис.149) определяется как проекция спина частицы на направление ее движения (на импульс).

Для объяснения экспериментальных данных предполагают, что спин у нейтрино s ориентирован антипараллельно импульсу p , т.е

направления p и s образуют левый

винт и нейтрино обладает левой спиральностью (рис.149, а). У антинейтрино направления p и s

образуют правый винт, т.е. антинейтрино обладает правой спиральностью (рис.149, б). Эти свойства

справедливы в равной мере как для электронного, так и для мюонного нейтрино (антинейтрино).

Для того чтобы спиральность могла быть использована в качестве характеристики нейтрино (антинейтрино), масса нейтрино должна приниматься равной нулю. Введение спиральности позволило объяснить, например, нарушение закона сохранения четности при слабых взаимодействиях, вызывающих распад элементарных частиц и β-распад.

Так, -мюону приписывают правую спиральность, -мюону – левую.

Гипероны. Странность и четность элементарных частиц

Гипероны – это тяжелые нестабильные элементарные частицы с массой, большей массы нуклона.

Экспериментально установлено несколько типов гиперонов: лямбда гиперон – частица одиничник ( 0 ), сигма гиперон (триплет 0, , ), кси гиперон (дублет , ) и омега гиперон (одиночник ). Их массы – в

взаимодействиях и поэтому принадлежат к группе адронов, распадаются на нуклоны и легкие частицы (π-мезоны, электроны, нейтрино и ϒ-кванты). Каждый гиперон имеет свою античастицу.

Странность– этоквантовоечисло, впервыевведенноедляописания особенностей превращений гиперонов и мезонов.

Опытным путем установлено, что 0 -гиперон возникает одновременно с К0 -мезоном в реакции с участием протона и -мезона:

р 0 К0 .

Закон сохранения странности S соблюдается только в процессах сильного и электромагнитного взаимодействий.

284

Если приписать каонам S = 1, а 0 – и -гиперонам S = -1 и считать,

что у нуклонов и π-мезонов S = 0, то сохранение суммарной странности частиц в сильном взаимодействии объясняет совместное рождение

0 – гиперона с К0 -мезоном.

Из закона сохранения странности следовало существование частиц, таких, как К0 -мезон, 0 – гиперон и 0 – гиперон. Данные микрочастицы

впоследствии были обнаружены экспериментально.

Четность – квантовое число, характеризующее симметрию волновой функции элементарной частицы (или системы элементарных частиц) относительно операции зеркального отражения.

Если при зеркальном отражении волновая функция частицы не меняет знака, то четность частицы Р=+1 (четность положительная), если меняет знак, то четность частицы Р=-1 (четность отрицательная).

Согласнозаконусохранениячётностичётностьсостояниянеизменяется Р = const при всех превращениях происходящих в системе частиц.

Детальные исследования свойств микрочастиц показали, что закон сохранения четности Р (и закон сохранения странности S) выполняется только при сильных и электромагнитных взаимодействиях.

Характеристики лептонов и адронов

Группа микрочастиц «Лептоны» представлена электронами, мюона-

ми, тау-лептонами, соответствующими им нейтрино, а также их античастицами.

Все лептоны имеют спин, равный 12 , и, следовательно, являются фер-

мионами.

Поскольку лептоны в сильных взаимодействиях не участвуют изотопический спин у них не существует I=0. Странность лептонов равна нулю S=0.

Элементарные частицы, относящиеся к группе лептонов, приписывают обладают лептонным зарядом L. Для лептонов e , , ,ve ,v ,v величина

L = +1, для антилептонов (e , , ,ve ,v ,v ) – L=-1 и для всех остальных

элементарных частиц L = 0.

По закону сохранения лептонного заряда в замкнутой системе при всех без исключения процессах взаимопревращаемости элементарных частиц лептонный заряд сохраняется:

L = 0.

Поэтому при распаде нейтрона

01n 11 p 10e 00ve

возникает нейтральная частица антинейтрино, а при распаде протона

11 p 01n 10e 00ve

возникает нейтрино.

285

У электрона и нейтрино L = +1, а у позитрона и антинейтрино L = -1 и закон сохранения лептонного числа выполняется лишь при условии, когда антинейтрино возникает вместе с электроном, а нейтрино – с позитроном.

Группа микрочастиц «Адроны» представляет основную часть элементарных частиц.

К этой группе относятся пионы, каоны, 0-мезон нуклоны, гипероны, а такжеих античастицы. Адронамприписывают барионныйзаряд В, который принадлежит к категории неточных квантовых чисел

Адроны с В = О образуют подгруппу мезонов (пионы, каоны, 0-мезон), аадронысB=+1 образуютподгруппубарионов(отгреч. “барис” – тяжелый; сюда относятся нуклоны и гипероны). Для лептонов и фотона В=0.

Если принять для барионов В =+1, для антибарионов (антинуклоны, антигипероны) В= -1, а для всех остальных частиц В = 0, то можно сформулировать закон сохранения барионного заряда:

Барионное число В в замкнутой системе при всех процессах взаимопревращаемости элементарных частиц сохраняется

В = 0.

Иззаконасохранениябарионногочисласледует, чтоприраспадебариона наряду с другими частицами обязательно образуется барион.

Мезоны имеют спин, равный нулю, и, следовательно, являются бозонамию. Бозоны – это группа частиц обладающих целым значением спина (внутренний момент импульса) s 1 .

Лептонные и барионные числа у мезонов равны нулю. Из подгруппы мезонов только каоны обладают странностью равной S = +1, а пионы и

0-мезон имеют нулевую странность S = 0.

Классификация элементарных частиц

Классификация элементарных частиц предусматривает объединение их в группы.

В основу объединения положен учёт их характеристик (заряд Q, масса m0 (энергия E0) покоя, изоспин I, лептонное число L и барионное число В.

Пример такого объединения представлен в табл. 8. Элементарные частицы объединяются в три группы: фотоны, лептоны и адроны.

Микрочастицы, отнесенные к каждой из этих групп частиц, обладают общими свойствами и характеристиками, которые отличают их от микрочастиц другой группы.

Поскольку модули зарядов Q , L, B, странности S, массы m, спины s,

изотопические спины I и времена жизни частиц и их античастиц одинаковы и отличаются друг от друга только лишь знаками зарядов и странности характеристики античастиц в таблице не приводятся.

В табл. 8 нет также античастиц фотона и 0- и 0-мезонов, так как антифотон и антипи-ноль и антиэта-ноль-мезоны тождественны с фотоном,

0-мезоном и 0-мезоном.

286

Таблица 8

Кварки

Базисом для построения всех адронов явились кварки.

Кварки отнесены к группе особых микрочастиц. Их появление связано с гипотезой о существовании в природе фундаментальных кирпичиков мироздания, из которых может быть построено вещество и антивещество в Природе.

287

Составные части в виде кварков, из которых построено большинство элементарных частиц, были введены на основе модели предложенной ГеллМанном – Цвейгом в 1964 году.

Все известные к 1964 году адроны можно построить путём постулирования существования трёх типов кварков (u , d , s ) и соответствующих

антикварков (u,d,s ), а также приписанием им характеристик, указанных в

В табл. 9 представлены символы, электрические заряды Q , барионные

заряды B, спины s и странности S кварков и антикварков.

Самое удивительное (почти невероятное) свойство кварков связано с их дробными значениями элементарного электрического заряда Q и

барионных зарядов B.

Кроме этого, спин кварка должен быть равен 12 . Это связано с тем, что

толькоизфермионов(ввидекварков) можно«сконструировать» фермионы, содержащие нечётное число фермионов, а также бозоны, содержащие чётное число фермионов.

Поэтому адроны строятся из кварков следующим образом: мезоны со-

стоят из пары кварк – антикварк, барионы – из трех кварков, антибарион – из трех антикварков.

Так, например, пион имеет кварковую структуру ud , пион – ud ,

каон K – ds , протон – uud , нейтрон – udd , – гиперон – uus , – гиперон – uds и т. д.

Кварковая модель построения адронов оказалась весьма плодотворной.

С её помощью удалось определить почти все основные квантовые числа адронов. Например, согласно этой модели и учёта спина кварков равного

12 , следует существование в полном соответствии с экспериментом

целочисленного спина для мезонов 1 и полуцелого – для барионов 12 .

Кроме этого, данная модель позволила предсказать также и новые частицы, например -гиперон. Однако, при использовании этой модели

288

возникают н трудности. Кварковая модель не позволяет, например, определить массу адронов, поскольку для этого необходимо знание динамики взаимодействия кварков и их масс, которые пока неизвестны.

В настоящее время признана точка зрения, согласно которой между лептонами и кварками существует симметрия: число лептонов должно быть равно числу типов кварков.

Дальнейшие исследования в физике элементарных частиц должны найти ответы на вопросы:

1.Является ли схема из шести лептонов и шести кварков окончатель-

ной?

2.Будет ли число лептонов (кварков) увеличиваться?

Контрольные вопросы

1.Разъясните природу первичного и вторичного космического излучений? Назовите их свойства.

2.Приведите схемы распада мюонов. Чем объясняется выброс мюонного нейтрино (антинейтрино)?

3.Приведите примеры распада -мезонов и проанализируйте их физические характеристики.

4.Перечислите фундаментальные типы взаимодействий, которые осуществляются в природе. Какими свойствами они обладают? Какой из них является универсальным?

5.Какие законы сохранения выполняются для всех типов взаимодействий элементарных частиц?

6.Что является фундаментальным свойством всех элементарных частиц?

7.Перечислите свойства нейтрино и антинейтрино. В чем их сходство и различие?

8.Какие характеристики являются для частиц и античастиц одинаковыми, а какие – разными?

9.Что такое странность и чётность элементарных частиц? Для чего они вводятся? Всегда ли соблюдаются законы их сохранения?

10.Почему магнитный момент протона имеет то же направление, что и спин, а у электрона направления этих векторов противоположны?

11.Какие законы сохранения выполняются при сильных взаимодействиях элементарных частиц? при слабых взаимодействиях?

12.Каким элементарным частицам и по каким причинам приписывают лептонное число? барионное число? В чём заключаются законы сохранения этих квантовых чисел?

13.Чем полезна гипотеза о существовании кварков? Что объясняется с

еепомощью? В чем состоит трудность проверки этой гипотезы?

289

14.По каким причинам потребовалось введение таких характеристик кварков, как цвет и очарование?

15.По каким признакам и критериям проводится классификация элементарные частиц и объединение их в группы? Перечислите критерии, по которым элементарные частицы относятся к той или иной группе?

4.3.Воздействия ядерных излучений и их применение в технике

Ядерными излучениями называются потоки микрочастиц различной природы( -частицы, -частицы и -частицы) с энергиями, характерными

для ядерной физики (порядка 8,7 Мэв и выше).

Проникая в вещество, ядерные излучения вызывают в нем различные процессы. Степень облучения вещества оценивается в дозиметрических единицах. Ихвыборзависитотприродыизлученияиэнергиисоставляющих его частиц.

Ядерные излучения описывают различными мерами:

Наиболее точно ядерное излучение характеризуется интегральным потоком I . Интегральный поток I численно равен числу частиц N , прошедших через единицу площади сечения образца S (порядка 1 см2), ориентированного по нормали к сечению пучка падающих частиц:

I tSN .

При анализе ядерных излучений обязательно указывается число частиц

иих энергии. Это связано с тем, что равные потоки частиц разной природы

иразличных энергий воздействуют на вещество неодинаково. Практически чаще всего требуется такая оценка степени облучения,

которая была бы с достаточной точностью универсальной в отношении природы и энергии частиц и в то же время учитывала свойства и геометрию источникаизлучения. Такуюоценкудаетдозаоблученияравнаяколичеству излучения, прошедшего через вещество.

Единицей дозы облучения для рентгеновского и -излучения является 1

рентген. Доза рентгеновского и -излучения в 1 рентген (Р) в 1 см2 воздуха при давлении 760 мм ртутного столба создает ионы в таком количестве, что

суммарный заряд ионов каждого знака примерно равен 3 10 10 Кл. В системе СИ доза облучения измеряется в 1 Кл/кг. Рентген связан с 1 Кл/кг

следующим образом: 1 Р = 2,58 10 4 Кл/кг.

Для измерения дозы облучения другими, отличными от -квантов

частицами используется физический эквивалент рентгена (фэр). Доза облучения в 1 фэр вызывает такую же ионизацию, как и доза -облучения в 1 Р.

Биологическое действие ядерных излучений зависит не только от их дозы, но и от их природы. Поэтому для дозы облучения живых организмов

290