Введение в ядерную физику / Лекции / Введение в ядерную физику_14_2023
.pdfВведение в ядерную физику
Лекция 14
Фундаментальные частицы Кварки. Стандартная модель.
Предпосылки создания кварковой модели
•1919 –протон в опытах Э.Резерфорда
•1932 - открытие нейтрона Д.Чедвиком
При изучении взаимодействий космических лучей:
•1932 – позитрон
•1936 – мюон
•1947 – заряженные пи-мезоны, странные частицы - К-мезоны
На ускорителях в 50-х годах открыты нейтральные пи-мезоны, массивные странные частицы - , , , гипероны, резонансы…
К 80-м годам число частиц превышало 400.
2
Классификация частиц
• По типу взаимодействия
Адроны - сильновзаимодействующие частицы. Лептоны не участвуют в сильных взаимодействиях .
Адроны подразделяют на частицы с полуцелым спином (фермионы) – барионы , и частицы с целым спином (бозоны) - мезоны
Все частицы имеют античастицы с одинаковыми массами и противоположным зарядом Z
Лептонам и барионам приписаны квантовые числа L,B. o Барионы (B = 1)
o Анти-барионы (B = -1) o Мезоны (B = 0)
o Лептоны L=1, анти-лептоны L=-1
3
Изотопический спин (см. лекцию 2 )
•Изотопи́ческий спин (изоспи́н) —квантовое число, для описания равенства сильного взаимодействия групп частиц (зарядовой независимости ядерных сил). Представляет собой псевдо-вектор в зарядовом пространстве. Проекция изоспина T3, характеризует зарядовое
состояние частиц. Введено Гайзенбергом 1932г. для описания n,p, для которых = 12 .
У протона T3=1/2. У нейтрона T3 =-1/2.
Число частиц в изотопическом мультиплете 2Т+1 Пи-мезоны + 0 - образуют изотопический триплет с = 1 и проекциями 1,0,-1
Частицы одного мультиплета имеют близкие массы. Различие масс связано с электромагнитным взаимодействием и составляет несколько МэВ
К+К0 – изотопический дуплет. К- 0 – тоже изотопический дуплет.
Вращения в изотопическом зарядовом пространстве описываются группой SU(2)
4
• Группа SU(2)
В математике специальная унитарная группа степени n, обозначаемая SU(n), является группой унитарных матриц n×n с определителем равным 1. Групповая операция — произведение матриц. Специальная унитарная группа является подгруппой унитарной группы U(n), состоящей из всех унитарных матриц n×n.
U+U = 1, det U = 1 , U= 
k – эрмитовы матрицы, генераторы группы
• Генераторы для группы SU(2) это матрицы Паули:
5
• Сохранение заряда Z , лептонного числа L и барионного числа B
T3
0
Пример:
• + + p ++ K+
s=-1 s=+1
• - + n 0+ K- s=-1 s=-1
8
•Элементарные частицы – это частицы, которые нельзя разделить на составные части.
•Элемент подразумевает составную часть вещества, из которой построены все его составляющие.
•Открытие мюонов и пи-мезонов кардинально изменило представление об элементарных частицах. Элементарные частицы нестабильны.
•Магнитный момент протона р=2.79 яд и нейтрона р=-1.93 яд означает «неточечность» протона и нейтрона.
В нейтроне «происходит нечто сомнительное» (Р.Фейнман)
9
Резонансное рассеяние
Полное сечение процесса рассеяния -p
Е. Намбу, Кварки.М.:1984
Наличие пика указывает, что рассеяние -p идет через промежуточное состояние
− → → −
- резонанс, обладающий набором квантовых чисел (спин, изоспин, странность), можно рассматривать как короткоживущую частицу.
Наличие резонансов объясняется, если предположить, что адроны имеют внутреннюю структуру.
− , −, +, + - дельта резонансы
- - + ++ с одинаковой массой ~1236МэВ Г 100 МэВ, 10-23с
10
Согласно соотношению Мюррей Гелл-Манна –Кадзухико Нишиджимы заряд частиц Z связан с изотопическим спином:
Z = Tz + Y/2,
где гиперзаряд Y = B + s + c + b + t есть сумма квантовых чисел:
•B - барионное число, s - странность, c - очарование, b - bottom, t - top.
11