Элементы физики элементарных частиц. Учебное пособие

где ядро, в силовом поле которого происходит

рождение пары.

Электронно-позитронные пары могут также возникать при столкновениях между двумя заряженными частицами, например, электронами:

После экспериментального обнаружения позитрона физикам стало ясно, что античастицы должны быть у всех элементарных частиц, в том числе и у тех, из которых состоят атомные ядра, т.е. у протонов и нейтронов.

Рождение пары протон-антипротон р ~р или нейтронантинейтрон п п~ , по аналогии с (6), можно было

ожидать при столкновении нуклонов достаточно большой энергии.

В 1955г. в г. Беркли (США) был запущен ускоритель (синхрофазотрон), позволявший ускорять протоны до энергии 6.3 ГэВ . Облучая пучком ускоренных протонов

медную мишень, О. Чемберлен, К. Виганд, Э. Сегре и П. Ипсилантис, в полном соответствии с теорией, наблюдали образование пары р ~р. Реакция протекала по одной из

Антипротон отличается от протона знаком электрического заряда и собственного магнитного момента (у антипротона магнитный момент отрицателен, т.е. направлен противоположно механическому моменту). Встречаясь, антипротон и протон аннигилируют. Антипротон может аннигилировать не только с протоном, но и с нейтроном. Совокупность возникающих частиц в отдельных актах аннигиляции различна. Например, возможны процессы:

11

В 1956 г. на том же ускорителе были наблюдены антинейтроны, которые получались перезарядкой антипротонов:

Новый успех в решении проблемы создания антивещества был достигнут через 10 лет после обнаружения антипротона. В 1965 г. было открыто первое простейшее антиядро – антидейтрон, т.е. связанное состояние из антипротона и антинейтрона. Вслед за этим в 1970 г. на Серпуховском ускорителе было открыто ядро антигелия, а в 1973 г. – ядро антитрития. Это лёгкие ядра. Однако никаких принципиальных возражений против существования достаточно тяжёлых антиядер нет. В принципе группировки антинуклонов могут быть столь же разнообразны, как и группировки нуклонов. Можно также не сомневаться и в том, что антиядра, окружённые позитронами, должны образовывать разнообразные антиатомы, свойства которых будут аналогичны свойствам атомов. Но пока на Земле не получено ещё ни одного антиатома, а значит, не получено аннигиляционное топливо, «калорийность» которого примерно в 1000 раз выше, чем у ядерного топлива, которое, в свою очередь, в миллионы раз «калорийнее» химического топлива.

Из предыдущего следует, что природа симметрична относительно существования частиц и античастиц. Это положение в общем виде было сформулировано как

принцип зарядового сопряжения. Согласно этому принципу, каждой частице соответствует античастица с тождественными массой, спином и временем жизни и

12

противоположными зарядами. При встрече частицы с античастицей они аннигилируют, в результате чего их энергия покоя преобразуется в другую форму энергии.

Отметим, что существуют частицы, которые тождественны со своими античастицами (т.е. не имеют античастиц). Такие частицы называются абсолютно

нейтральными. К их числу принадлежат фотон, 0 -мезон и 0 -мезон. Частицы, тождественные со своими

античастицами, не способны к аннигиляции. Это, конечно, не означает, что они вообще не могут превращаться в другие частицы.

Контрольные вопросы

1.Дайте определение элементарной частице. Какая частица называется максимоном?

2.Сопоставьте параметры, характеризующие электрон

ипозитрон. Какое явление возникает при их встрече? В чём состоит принцип зарядового сопряжения?

3.Какие частицы называются абсолютно нейтральными? Назовите эти частицы.

4.Напишите известные схемы рождения электронпозитронной пары.

5.Напишите процессы, в которых были наблюдены первые антипротоны и антинейтроны. Напишите процесс аннигиляции протона с антипротоном и протона с антинейтроном. Можно ли получить антиатомы?

ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

Все элементарные частицы являются объектами исключительно малых масс и размеров. У большинства из

13

них массы имеют порядок величины массы протона, равной 1,6 10 27 кГ (заметно меньше лишь масса

электрона: 9,1 10 31 кГ ).

Определённые из опыта размеры протона, нейтрона,

-мезона по порядку величины составляют 10 15 м . Размеры электрона и мюона определить не удалось,

известно лишь, что они меньше 10 17 м. Маленькие массы и размеры элементарных частиц обусловливают квантовую специфику их поведения. Характерные длины волн, которые следует приписать элементарным частицам в

квантовой теории ( тс, где постоянная Планка,

т масса частицы, с скорость света), по порядку величин близки к типичным размерам, на которых осуществляется их взаимодействие (например, для -мезона

тс 1,4 10 15 м). Это и приводит к тому, что квантовые

закономерности являются определяющими в поведении элементарных частиц.

Наиболее важное квантовое свойство всех элементарных частиц – способность рождаться и уничтожаться (испускаться и поглощаться) при взаимодействии с другими частицами. В этом отношении они полностью аналогичны фотонам. Элементарные частицы – это кванты соответствующих физических полей.

Все процессы с элементарными частицами протекают через последовательность актов их поглощения и испускания. Только на этой основе можно понять,

например, процесс рождения -мезона при столкновении двух протонов:

14

или процесс аннигиляции электрона и позитрона, когда взамен исчезнувших частиц возникают, например, два -

Но и процессы упругого рассеяния частиц, например

е р е р,

также связаны с поглощением начальных и рождением конечных частиц.

Распад нестабильных элементарных частиц на более лёгкие, сопровождаемый выделением энергии, отвечает той же закономерности и является процессом, в котором продукты распада рождаются в момент самого распада, а до этого момента не существуют. В этом отношении распад элементарных частиц подобен распаду возбуждённого атома на основное состояние и фотон. Примерами распадов могут служить:

п р е ~; м; К 0 (12)

Знаком «тильда» над символом здесь и везде помечены соответствующие античастицы.

Существование процессов рождения и поглощения элементарных частиц приводит к тому, что для них в значительной мере теряет смысл «состоит из». В связи с этим уточним понятие «элементарная частица».

В макроскопическом мире мы просто видим, что дом состоит из кирпичей. Структуру и составные части микрообъектов непосредственно наблюдать нельзя. Тем не менее, мы считаем, что в состав атома входят электроны, а в состав ядер – протоны и нейтроны, потому что все эти частицы выбиваются из атомов и ядер при бомбардировке последних пучками -квантов и других частиц. Но если

при столкновении может происходить не только развал сложной частицы на составные части, но и рождение, а также поглощение частиц, то уже непонятно, как отличить

15

частицу, входившую в состав сложной частицы, от вновь родившейся, поскольку прибору всё равно, какую частицу он регистрирует.

Тем не менее, оказывается можно привести экспериментально проверяемый критерий, по которому элементарные частицы отличаются от остальных. Для этого надо учесть, что само понятие частицы существует лишь пока эта частица свободна, или, по крайней мере, слабо связана, так что её энергия связи намного меньше энергии, соответствующей массе покоя. Фраза «частица х

состоит из частиц х1 , х2 ... хп » может иметь смысл лишь при одновременном соблюдении двух условий:

1)частица х может быть раздроблена на частицы х1 , х2 ... хп при каких-либо столкновениях;

2)энергия связи Еi св любой хi частицы намного

Только при соблюдении этих условий существует область энергий столкновений Мi c2 E Ei св , в которой

уже происходит раздробление составных частиц, но ещё не происходит рождение новых. С учётом этого микрочастица называется элементарной, если для неё не соблюдается хотя бы одно из условий. Отметим ещё одно определение элементарной частицы. Оно дано М.А. Марковым. Частица является элементарной только в том случае, если её размеры R не превышают её

комптоновской длины волны R M c . Все известные

элементарные частицы удовлетворяют этому определению. Из этого определения следует ограничение на максимально возможную массу элементарной частицы. Оказывается, что максимально возможное значение массы

16

элементарной частицы составляет 10 5 г при радиусе

Контрольные вопросы

1. Ниже приведены примеры распадов элементарных частиц:

Входят ли продукты распадов в состав исходных частиц?

2. Приведите критерий, позволяющий отличить элементарные частицы от остальных.

ТИПЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

Различные процессы с элементарными частицами заметно отличаются по интенсивности их протекания. В соответствии с этим взаимодействия элементарных частиц можно феноменологически разделить на четыре типа: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Рассмотрим каждое из них.

1. Сильное взаимодействие выделяется как взаимодействие, которое вызывает процессы, протекающие с наибольшей, по сравнению с другими процессами, интенсивностью. Оно приводит и к самой сильной связи элементарных частиц. Именно сильное взаимодействие обусловливает связь протонов и нейтронов в ядрах и обеспечивает исключительную прочность этих образований, лежащую в основе стабильности вещества в земных условиях. Но у сильных взаимодействий есть и слабые стороны, позволяющие в ряде ситуаций

17

выдвигаться на первый план другим взаимодействиям. Вопервых, сильные взаимодействия – короткодействующие. Их роль быстро становится ничтожной при переходе к

расстояниям, превышающим 10 15 м . Поэтому, например, обеспечивая стабильность ядер, эти силы практически не влияют на атомные явления. Другим «слабым местом» сильных взаимодействий является их неуниверсальность. Существуют частицы (фотон, электрон, мюон, -лептон, нейтрино трёх видов), которые не подвержены действию сил, обусловленных сильными взаимодействиями, и не могут рождаться за счёт сильных взаимодействий при столкновениях. Наконец, третьим ограничительным свойством сильных взаимодействий является то, что для них существует ряд законов сохранения, не выполняющихся по отношению к другим взаимодействиям.

Сильное взаимодействие является результатом обмена взаимодействующих частиц -мезонами. Более подробно механизм сильных взаимодействий описан в [14, c. 10-11].

2. Следующими по интенсивности являются электромагнитные взаимодействия. Их интенсивность значительно ниже сильных, но на много порядков выше, чем остальных. В отдельных случаях электромагнитные взаимодействия оказываются конкурентоспособными по отношению к сильным даже в области действия последних. Например, именно кулоновскими силами объясняется процесс деления ядер. Но главной областью деятельности электромагнитных сил являются расстояния

от 10 14 м и до сантиметров. Отметим, прежде всего, что именно электромагнитное взаимодействие ответственно за существование основных «кирпичиков» вещества – атомов и молекул и определяет взаимодействие положительно заряженных ядер и отрицательно заряженных электронов в этих микросистемах. Поэтому к электромагнитному

18

взаимодействию сводится большинство сил, наблюдаемых в макроскопических явлениях: силы упругости, трения, поверхностного натяжения в жидкостях и другие. Свойства различных агрегатных состояний вещества, химические превращения, электрические, магнитные и оптические явления определяются электромагнитным взаимодействием. Электромагнитную природу имеют явления сверхпроводимости и сверхтекучести, процессы излучения, распространения и поглощения радиоволн, света, рентгеновских лучей. Ионизация и возбуждение атомов среды электрическим полем быстро движущихся частиц приводит к свечению ионосферы при попадании в неё корпускулярных потоков от Солнца (северное сияние). Давление света, приводящее, в частности, к образованию «хвоста» у комет во время их прохождения вблизи Солнца, также следствие электромагнитного взаимодействия. Взаимодействие электромагнитного поля с веществом используется для инициирования термоядерных реакций при сверхсильном сжатии твёрдых мишеней сфокусированным лазерным излучением. Процессы расщепления ядер фотонами, реакции фоторождения мезонов, радиационные распады элементарных частиц и возбуждённых состояний ядер, упругое и неупругое рассеяние электронов, мюонов и позитронов обусловлены электромагнитным взаимодействием и т.д.

Таким образом, электромагнитное взаимодействие обусловливает подавляющее большинство явлений окружающего нас мира.

Явления, в которых участвуют слабые mc2 , медленно меняющиеся электромагнитные поля,

управляются законами классической электродинамики, которая описывается уравнениями Максвелла.

19

Вприведённых неравенствах энергия

электромагнитного поля, тс2 энергия покоя электрона,характерная круговая частота изменения поля.

Для сильных или быстро меняющихся полей~ mc2 , ~ определяющую роль играют квантовые

явления, а потому взаимодействия с помощью таких полей описываются уравнениями квантовой электродинамики.

Согласно её представлениям, процесс взаимодействия между двумя заряженными частицами, например, электронами, заключается в обмене фотонами. Каждая частица создаёт вокруг себя поле, непрерывно испуская и поглощая фотоны. Действие поля на другую частицу проявляется в результате поглощения ею одного из фотонов, испущенных первой частицей. Такое описание взаимодействия нельзя понимать буквально. Фотоны, посредством которых осуществляется взаимодействие, являются не обычными реальными фотонами, а виртуальными. В квантовой механике виртуальными называются частицы, которые не могут быть обнаружены за время своего существования. Ещё раз поясним смысл термина «виртуальный» (первый раз мы столкнулись с ним при объяснении взаимодействия нуклонов).

Для этого рассмотрим покоящийся электрон. Процесс создания им в окружающем пространстве поля можно представить уравнением

сопровождается нарушением закона сохранения энергии. Однако для виртуального фотона это нарушение является кажущимся. Согласно квантовой механике, энергия состояния, существующего время t , оказывается

20