Экспериментальная физика частиц ФИАН / lecture-2-isotop-spin

Лекция 2

Изотопический спин Сильные взаимодействия С- Т- преобразования Странные частицы

Зарядовая независимость ядерных сил

Сравним ядра 3H - 3He

3H = (p-n) + (p-n) + (n-n) 3He = (p-p) + (p-n) + (p-n)

Eсвязи(3H)= 8.492 MeV; Eсвязи(3Hе)= 7.728 MeV

Кулоновская энергия пропорциональна для 3Hе

V кулон = 1/2 * 2 * 6/5 e2 /4 R ~ 0.826 MeV

Проблема, что мы не очень точно знаем радиус ядра, но с этой точностью можем констатировать:

Eсвязи ~ V кулон

Зарядовая независимость ядерных сил

Зеркальные ядра

12C JP=0+

EBC= 13.37 MeV; ECC= 15.11 MeV; ENC= 16.43 MeV

Кулоновская энергия пропорциональна Z(Z-1)

Опять получаем: Vpp=Vnp=Vnn !!!

Существует несколько триад ядер:

He-Le-Be (A=6); C-N-O (A=14); O-F-Ne (A=18)

Эксперименты по рассеянию на ядрах показали, что зарядовая независимость выполняется с точностью

~0.8%

Нуклоны и изоспин

Гейзенберг предложил рассматривать протон и нейтрон как одну и ту же частицу

– нуклон (точнее как разные зарядовые состояния нуклона)

Изотопический спин (изоспин) введен по аналогии с обычным спином, нуклон имеет изоспин I=½

Силы Юкавы

Юкава (1934) предложил по аналогии с ЭМ взаимодействием ввести обменные силы между нуклонами.

Переносчик взаимодействия массивный бозон -мезон (почему массивный и почему бозон?)

Hint~ N N

Кроме того Юкава догадался, что в отличае от фотона спин равен 0 (а не 1). Как вы думаете почему?

= 0 V~ 1/r ; - 2 = 0 V~ exp(- r)/r

Должны действовать на расстояниях ~R для легких ядер (R~1fm), но уступать кулоновским на расстояниях ~R для самого тяжелого ядра

238U (R~6fm), отсюда получаем 30 < < 200 MeV.

Для взаимодействия n-p нужны силы с переносом заряда, чтобы не дать нейтрону распасться (слабый аргумент...) Но вскоре мы узнали, что в нуклон-нуклонном потенциале должна присутствовать сила Майораны (эквивалентные перестановке нуклонов). Как тогда интерпретировать силу, возникающую в результате взаимного обмена протона и нейтрона на языке пионной теории?

Тогда необходим и нейтральный переносчик (предложен Кеммером в 1938) (почему?)

Свойства -мезонов

Итак, существует 3 -мезона: +, -, 0

(3 изотопических состояния) и 3=2*I+1 I=1

Интересно, как действует повышающий и понижающий операторы на ?:

Представим +=‒(pn), ‒=(np), 0 =1/ 2 (pp-nn)

Тогда: I+ + = 0; I+ 0 = 2 - ; I+ ‒ = 2 0

Можно проверить сохраняется ли изоспин в сильных взаимодействиях

Сравним n p → 0 d ( -½ ½ → 0 0); p p → + d ( ½ ½ → 1 0)

np может быть в состоянии I=1 и I=0, а pp только I=1, поэтому первая реакция идет с в два раза меньшим сечением

Экспериментально проверено с точностью ~%

+, ‒ открыты в 1947 году в космических лучах, используя фотопластинки p Z → ; → ; → e

0 открыт в 1950 году в реакции pp-> pp 0 (→ )

Открытие пионов

Искали пионы, а нашли мюоны (теряют слишком мало энергии для ядерной частицы)

1947 – год открытия пионов, благодаря развившейся технике фотоимульсий

Powell (Нобелевская премия за развитие техники фотоимульсий, преведшей к открытию -мезонов)

e

Открытие нейтральных пионов

Обнаружили избыток фотонов начиная с некоторого порога в реакции pp pp ’s

Исследовали спектр фотонов и пришли к выводу, что рождается частица с массой порядка М( +)

Можно наблюдать реакцию, в которой оба фотона конвертировали в веществе

Это дает возможность измерить спин и четность 0, как?

Странные частицы

V-частицы открыты в космических лучах в камере Вильсона (Рочестер и Батлер, 1947)

Рождаются в сильных взаимодействиях (значит умеют сильно взаимодействовать)

Распадаются на пионы (почему же тогда не тем же сильным взаимодействием?)

Исследования странных частиц продолжились на Чикагском синхротроне:

Рождаются парами (1953 Фаулер обнаружил первое двойное рождение V-частиц)

Обнаружено, что часть ‒ это странные мезоны, а есть странные барионы ( )