Добавил:
okley
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Введение в ядерную физику (6 сем) / ЯДЕРКА (все вопросы, другая версия)
.pdf
46. Открытие новых частиц. Мезоны, гипероны и
резонансы. Свойства p и К мезонов (заряд, масса ,
изотопический спин).
1)Мезоны, гипероны и резонансы. Адроны состоят из кварков. Они участвуют во всех
видах взаимодействий. Адроны подразделяются на барионы и мезоны.
Адроны также характеризуются квантовыми числами s (странность), c
(очарование), b (красота), t (истина), изоспином I и его третьей проекцией I3
Барионы:
· B = 1
· Явл. фермионами (имеют полуцелый спин)
· Состоят из 3-х кварков.
· Содержат хотя бы 1 s-кварк. Не содержат кварки c и d.
· s≠0, c=0, b=0
· Участвуют в сильном взаим-вии
· распадаются на протон или нейтрон и N≥1мезонов
· время жизни 10
-10
÷10
-8
с
· основные: протон, нейтрон, лямбда-барион, сигма-гиперон, кси-гиперон, омегагиперон
Мезоны:
· B = 0
· Явл. бозонами (имеют нулевой или целочисленный спин)
· Состоят из равного числа кварков и антикварков
· Участвуют в сильном взаим-вии
· π, K, η-мезоны, и др.
Резонанс представляет собой возбуждённое состояние адрона (большинство известных
частиц - резонансы):
· распадаются в основном в результате сильного взаимодействия
· Время жизни 10
-22
− 10
-24
с
· Малое время жизни + малое расстояние пролёта => нет треков; резонансы
проявляются как максимумы на графике σ(E):
· Имеют определенные массу, электрический заряд, спин, изоспин (находят
через анализ E и p продуктов их распада)
· Нуклонные резонансы - возбуждённые состояния протона и нейтрона
· Делятся на 2 группы:
o Барионные с B=1 и распадающиеся на мезоны и один стабильный
барион:
Δ
+
-> p + π
+
, Δ
+
-> p + π+.
o Мезонные с B=0 и распадающиеся на мезоны:
ρ ->ππ, ω -> π
+π-π0
.
Массы и квантовые числа мезонов определяются типами кварка и антикварка,
входящих в состав мезона, их радиальными квантовыми числами, взаимной ориентацией
их спинов, значениями изоспинов и орбитальных моментов.
2) π-мезоны. π-мезоны являются членами одного изоспинового триплета I = 1,
π
+
(I = 1, I3 = +1), π−(I = 1, I3 = -1),π0(I = 1, I3 = 0).
π-мезоны имеют спин I = 0 и отрицательную внутреннюю чётность P, IP = 0-.
Т.к. π-мезон является положительно заряженной частицей, он должен распадаться
на лёгкие заряженные лептоны е+ или μ+ и соответствyющие нейтрино νe(νμ). Этот
распад происходит в результате слабого взаимодействия, поэтому π+(π−)-мезон имеет
характерное для слабого взаимодействия среднее время жизни τ = 2.6·10
-8
c.
а) Так как π+ и π- являются частицей и античастицей, они имеют одинаковые
времена жизни.
б) π
0
-Мезон имеет нулевой электрический заряд, поэтому он распадается в
результате электромагнитного взаимодействия на два γ-кванта. Это объясняет
его малое по сравнению с заряженными пионами время жизни (8.4·10
-17
c).
3)К-мезоны. Известно 4 различных K-мезона с примерно одинаковыми массами.
Так же как и π-мезоны, K-мезоны имеют спин J = 0 и отрицательную четность:
Время жизни K-мезонов 10-8-10-10 с. K-мезоны распадаются за счет слабого
взаимодействия.
Как объединить K-мезоны в изотопические мультиплеты? Изоспины K-мезонов
можно определить из анализа сильных распадов барионов с образованием K-мезонов в
конечном состоянии.
Так, нуклонный резонанс N(1650) распадается на Λ-гиперон и K-мезон:
У N(1650) изоспин I = 1/2, у Λ(1116) I = 0.
Так как распад происходит в результате сильного взаимодействия, сохраняющего
изоспин, следует, что изоспин K+-мезона I(K+) = 1/2.
Аналогично установлены значения изоспинов для остальных K-мезонов:
K-мезоны объединены в два изотопических дублета:
47. Кварковая модель барионов и мезонов. Глюоны.
Цвет.
Основные положения модели кварков
-Все сильновзаимодействующие частицы состоят из кварков; кварки являются
фермионами; по современным представлениям они бесструктурны.
-Кварки имеют внутренние квантовые числа: электрический заряд Q, спин 1/2, четность
P, барионное число B, изоспин I, проекцию изоспина I3, странность s, шарм c, bottomness
b, topness t. Совокупность этих внутренних квантовых чисел, характеризующих
определенный тип кварка, называется также "ароматом" кварка.
-Квантовые числа кварков определяют характеристики адронов.
-Барионы (фермионы с барионным числом B = 1) строятся из трех кварков.
-Антибарионы (фермионы с барионным числом B = -1) строятся из трех антикварков.
-Мезоны (бозоны с барионным числом B = 0) строятся из кварка и антикварка.
-Квантовое число "цвет" приписывается всем кваркам независимо от типа (аромата).
Цвет имеет три значения. Обычно их обозначают красный (К), зеленый (З), синий (С).
Кварк обладает единичным цветовым зарядом К, З или С. Цвет соответствующего
антикварка обозначается K (антикрасный), З (антизеленый), C (антисиний) и является
дополнительным к цвету кварка.
-Известные барионы и мезоны - бесцветны; в них все цвета смешаны равномерно. Такие
состояния, называемые цветовыми синглетами не меняются при вращении в трехмерном
цветовом пространстве.
-Кварки в адронах связаны глюонами.
-Кварки участвуют в сильных взаимодействиях, излучая или поглощая глюон g, при этом
тип (аромат) кварка остается неизменным, цвет кварка может измениться
-Кварки участвуют в электромагнитных взаимодействиях, излучая или поглощая γ-квант,
при этом не изменяется ни цвет, ни тип (аромат) кварков.
-Кварки участвуют в слабых взаимодействиях, излучая или поглощая W± или Z-
бозоны, при этом может изменяться тип (аромат) кварка, цвет кварка при этом остается
без изменения
-Каждому адрону приписывается определенная внутренняя четность. Внутреннюю
четность адрона легко получить, воспользовавшись следующими
правилами:
Четность кварка равна +1 и не зависит от типа кварка.
Четность антикварка равна -1 и не зависит от типа кварка.
Внутренняя четность адрона равна произведению четностей входящих в его состав
кварков, умноженному на , где L-орбитальные моменты кварков в составе адрона.
Адроны состоят из кварков . Они участвуют во всех видах взаимодействий. Адроны
подразделяются на барионы, имеющие барионный заряд B = 1, и мезоны, для которых B
= 0. Барионы состоят из трех кварков. Мезоны - из кварка и антикварка. Барионы
являются фермионами (имеют полуцелый спин), мезоны являются бозонами (имеют
нулевой или целочисленный спин). Адроны также характеризуются квантовыми числами
s (странность), c (очарование), b (красота), t (истина), изоспином I и его третьей
проекцией I
3
.
Мезоны и барионы можно образовать из кварков различных типов, составляя их
различные комбинации. Например
π
+
(u ), π-(d ), K(s ), p(uud), Δ++(uuu), ( ) и т.д.
При этом одному и тому же кварковому составу могут соответствовать различные
состояния, отличающиеся ориентациями спинов и изоспинов кварков. Например
uud p JP(I) = 1/2+(1/2)
uud Δ+ JP(I) = 3/2+(3/2)
uud N+(1520) JP(I) = 3/2-(1/2)
Глюоны - частицы со спином J = 1 и нулевой массой переносят сильное цветное
взаимодействие между кварками. При испускании или поглощении глюона кварки
изменяют свой цвет. При этом остальные квантовые числа кварка и его аромат не
изменяются. Глюоны обладают цветом. Взаимодействие глюонов ответственно за
удержание кварков внутри адрона. В отличие от константы электромагнитного
взаимодействия, константа сильного цветного взаимодействия растет с увеличением
расстояния между кварками.Экспериментально глюоны наблюдались в виде узких
адронных струй при взаимодействии частиц высоких энергий.Глюоны играют
существенную роль в формировании внутренней структуры адронов. Из процессов
глубоконеупругого рассеяния на нуклонах следует, что примерно половина энергии
нуклона приходится на глюон.
Простейшая кварковая модель столкнулась с проблемой нарушения принципа Паули при
построении таких барионов, как Ω−, Δ++, Δ−. Эти барионы состоят из трех
тождественных кварков Ω−(sss), Δ++(uuu), Δ−(ddd), находящихся в полностью
симметричном состоянии по пространственным координатам, спину и аромату (типу
кварка). Для того, чтобы сохранить принцип Паули, необходимо было ввести для
кварков еще одну дополнительную степень свободы. Эта дискретная переменная
получила название цвета и приписывается всем кваркам. Цвет имеет 3 возможных
значения, обычно это красный (к), синий (с) и зеленый (з). Волновую функцию бозона ψ
можно представить как произведение антисимметричной цветовой функции и
симметричной пространственной-спиновой-ароматовой.
=
антисим
(цвет)·
сим
(простр., спин., аромат.).
48. Фундаментальные взаимодействия. Фундаментальные
частицы. Лептоны и кварки. Стандартная модель.
Фундаментальными частицами Стандартной Модели являются лептоны, кварки и
калибровочные бозоны. Кварки и лептоны, частицы с полуцелым спином, образуют
вещество. Всего известно шесть лептонов, формирующих три поколения:
Лептон
Mасса mc2, МэВ
Время жизни, с
Электрический заряд
1
Электронное нейтрино νe
< 2·10–6
0
Электрон e-
0.511
∞
-e
2
Мюонное нейтрино νμ
< 0.19
0 Мюон μ-
105.66
2.2·10–6
-e 3 Тау-нейтрино ντ
< 18.2
0 Тау-лептон τ-
1777
2.9·10
–13
-e
Шесть кварков также сгруппированы в три поколения:
Кварк
Mасса mc2, МэВ
Электрический заряд
1
Верхний (up)
u
2.3
+2/3e
Нижний (down)
d
4.8
-1/3e
2
Очарованный (charmed)
c
1.3·103
+2/3e
Странный (strange)
s
95
-1/3e
3
Топ-кварк (top)
t
173·103
+2/3e
Ботом-кварк (bottom)
b
4.7·103
-1/3e
Из кварков состоят адроны (частицы, принимающие участие в сильном взаимодействии),
подразделяющиеся на барионы (адроны с полуцелым спином) и мезоны (адроны с целым
спином). Протон и нейтрон относятся к классу барионов.
Каждому фермиону соответствует его античастица, имеющая ту же массу и спин, но
противоположный знак заряда и магнитного момента.
В природе известно четыре типа фундаментальных взаимодействий: сильное,
электромагнитное, слабое и гравитационное. В масштабах физики элементарных частиц вклад
гравитации несущественен и данное взаимодействие не входит в теоретическую схему
Стандартной Модели. Основные свойства фундаментальных сил приведены в таблице:
Взаимодействие
Взаимодействующие
фермионы
Квант поля (калибровочный
бозон)
Спин
Сильное
Кварки
8 глюонов g
1
Электромагнитно
е
Имеющие электрический
заряд
Фотон γ
1
Слабое
Кварки, лептоны
Бозоны W±, Z
1
Гравитационное
Все частицы
«Гравитон»
2
Переносчики фундаментальных взаимодействий, калибровочные бозоны, составляют еще
один класс фундаментальных частиц Стандартной Модели.
Квантом электромагнитного поля является фотон, γ-квант, обладающий нулевой массой.
Посредством обмена фотоном взаимодействуют все частицы, обладающие такой
характеристикой, как электрический заряд: кварки, заряженные лептоны и бозоны. Для
описания электромагнитного взаимодействия существует наиболее разработанный вариант
релятивисткой теории поля – квантовая электродинамика (КЭД), обеспечивающая
феноменальную точность теоретических предсказаний.
В слабом взаимодействии принимают участие частицы, обладающие так называемым
слабым зарядом – это кварки и лептоны. Переносчиками взаимодействия являются массивные
калибровочные бозоны W± и Z. Крупнейшим достижением теоретической физики XX века стало
построение теории электрослабого взаимодействия кварков и лептонов, объединяющей
электромагнитное и слабое взаимодействия и включающей в себя КЭД.
Участвующие в сильном взаимодействии частицы должны обладать квантовой
характеристикой – цветовым зарядом, носителями которого являются кварки. Также цветом
обладают переносчики сильного взаимодействия – восемь безмассовых частиц глюонов g. Для
описания сильного взаимодействия на фундаментальном уровне построена теория, называемая
квантовой хромодинамикой (КХД). Между составными системами, барионами, не обладающими
цветом в явном виде, действует остаточное сильное взаимодействие, примером которого
являются ядерные силы между нуклонами. Переносчиками этих сил являются мезоны.
Бозон Хиггса – массивный квант поля Хиггса, ответственного за возникновение масс
фундаментальных частиц. Открыт в 2012 году в экспериментах на Большом адроном коллайдере
(ЦЕРН, Женева). Бозон Хиггса имеет спин J = 0 и массу mc2 ~ 125 ГэВ
Лептоны.
Класс лептонов образуют частицы со спином J = 1/2, не участвующие в сильных
взаимодействиях. Это электрон e-, отрицательно заряженные мюон μ- и тау-лептон τ- и три
нейтральные частицы - электронное нейтрино νe, мюонное нейтрино νμ и тау-нейтрино ντ.
Лептоны считаются бесструктурными частицами. Размер их < 10
-17
см. Лептоны формируют три
поколения, состоящие из заряженного лептона и нейтрино. Каждый лептон имеет античастицу.
Это позитрон e+, положительно заряженные мюон μ+ и таон τ+ и три типа антинейтрино e, μ, τ.
Частицы
Античастицы
Поколения
I
II
III I II
III
νe
νμ
ντ e μ τ
e-
μ-
τ-
e+
μ+
τ+
Основные характеристики заряженных лептонов
Электрон
Мюон
Тау-лептон
Масса, mc2 (МэВ)
0.511
105.66
1777
Спин J (ћ)
1/2
1/2
1/2
Соседние файлы в папке Введение в ядерную физику (6 сем)