380
7.4.7. Стабильные и долгоживущие адроны84
Мезоны
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 49.1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Обозна- |
Антича- |
Масса |
|
|
|
Время |
|
Основные |
Частица |
покоя, |
Q |
B |
S |
|
каналы |
|
|
|
чение |
стица |
МэВ/c2 |
|
|
|
жизни, с |
|
распада |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
π |
π |
139,6 |
+1 |
0 |
0 |
2,60∙10–8 |
|
|
|
|
μ νμ |
|
|
|
|
|
Пион |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
0 |
135,0 |
0 |
0 |
0 |
8,3∙10–17 |
|
|
|
|
|
|
2γ |
|
|
|
|
|
|
|
π |
π |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
, |
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
K |
K |
493,7 |
+1 |
0 |
0 |
1,24∙10–8 |
|
μ νμ |
|
|
|
π π |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
0 |
497,7 |
0 |
0 |
+1 |
8,9∙10–11 |
|
π |
|
π |
|
, |
|
2π |
0 |
Каон |
KS |
KS |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
e |
|
νe |
|
, |
|
|
|
|
0 |
|
0 |
|
|
|
|
|
|
π |
|
|
|
|
|
|
|
KL |
KL |
497,7 |
0 |
0 |
+1 |
5,2∙10–8 |
|
π μ νμ |
|
, 3π0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
η-мезон |
η |
0 |
η |
0 |
548,8 |
0 |
0 |
0 |
< 10–18 |
|
2γ |
|
, |
|
3π |
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Барионы |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 49.2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Обозна- |
Антича- |
Масса |
|
|
|
Время |
|
Основные |
Частица |
покоя, |
Q |
B |
S |
|
каналы |
|
|
|
чение |
стица |
МэВ/c2 |
|
|
|
жизни, с |
|
распада |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Протон |
p |
p |
938,3 |
+1 |
+1 |
0 |
Стабилен |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Нейтрон |
n |
n |
938,3 |
0 |
+1 |
0 |
920 |
|
|
|
pe |
|
ν |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
e |
|
|
|
|
Лямбда |
Λ |
Λ |
1115,6 |
0 |
+1 |
–1 |
2,6∙10 |
|
pπ |
|
|
, nπ |
0 |
|
|
|
0 |
0 |
|
|
|
|
–10 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Σ |
|
Σ |
1189,4 |
+1 |
+1 |
–1 |
8,0∙10–11 |
|
pπ |
0 |
|
, nπ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Сигма |
Σ0 |
Σ0 |
1192,5 |
0 |
+1 |
–1 |
6∙10–20 |
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
γ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Λ |
|
|
|
|
|
|
|
Σ |
|
Σ |
1197,3 |
–1 |
+1 |
–1 |
1,5∙10–10 |
|
|
|
|
|
nπ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ξ |
0 |
Ξ0 |
1315 |
0 |
+1 |
–2 |
2,9∙10–10 |
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
Кси |
|
|
|
|
|
Λ π |
|
|
|
|
|
|
Ξ |
Ξ |
1321 |
–1 |
+1 |
–2 |
1,64∙10–10 |
|
|
|
|
Λ0π |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Омега |
Ω |
|
Ω |
1672 |
–1 |
+1 |
–3 |
8,2∙10–11 |
|
0 |
|
|
0 |
|
, |
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
Σ π |
|
|
|
|
|
Λ K |
|
84 ТАБЛИЦЫ 49.1, 49.2, 49.3 не стоит воспроизводить во время лекции целиком на доске, а показать в виде компьютерной презентации.
382
Лекция 50
7.5. Кварковая модель адронов
7.5.1. Фундаментальные фермионы. Поколения лептонов и кварков
Все адроны состоят из частиц, называемых кварками. Имеется 6 типов (ароматов) кварков (см. ТАБЛ. 50.2).
, дробный электрический заряд, барионный заряд
Антикварки отличаются от кварков знаками зарядов Q, B, S, C, b, t.
Лептоны и кварки группируются в три поколения (ТАБЛ. 50.1). Частицы I поколения – самые лёгкие, III поколения – самые тяжёлые.
Таблица 50.1
|
|
|
Поколения лептонов и кварков |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
I |
|
|
II |
III |
|
|
|
|
|
|
e– |
|
|
μ– |
τ– |
|
|
|
|
|
|
νe |
|
|
νμ |
ντ |
|
|
|
|
|
|
d |
|
|
s |
b |
|
|
|
|
|
|
u |
|
|
c |
t |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 50.2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Обозначение |
|
Электрический |
Странность |
Шарм |
Красота |
Истина |
(аромат) кварка |
|
заряд Q |
S |
c |
b |
t |
u |
верхний |
|
2 |
|
0 |
0 |
0 |
0 |
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
d |
нижний |
|
|
1 |
|
0 |
0 |
0 |
0 |
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
s |
странный |
|
1 |
–1 |
0 |
0 |
0 |
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
c |
очарованный |
|
2 |
|
0 |
1 |
0 |
0 |
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
b |
прекрасный |
|
1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t |
истинный |
|
2 |
|
0 |
0 |
0 |
1 |
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
7.5.2. Взаимодействие кварков и образование адронов
Сильное взаимодействие между кварками осуществляется через обмен глюонами g. Фейнмановская диаграмма взаимодействия кварков показан на РИС. 50.1.
Спин глюона s = 1, чётность P = –1.
383
Кварки не наблюдаются в свободном состоянии. Имеет место пленение кварков –
конфайнмент.
Потенциал типа воронки, описывающий конфайнмент кварка внутри адрона, показан на РИС. 50.2 (r0 ≈ 10–15 м).
U
q |
q |
|
|
|
|
|
g |
0 |
r0 |
r |
q |
q |
|
|
|
|
|
Рис. 50.1 |
|
Рис. 50.2 |
|
Мезоны состоят из кварка и антикварка.
Барионы состоят из трёх кварков; гипероны состоят из трёх кварков, не все из которых – u или d.
Спин адрона:
J L Ls . |
сумма орбитальных |
сумма спинов |
моментов кварков |
кварков |
Системы, состоящие из одной и той же комбинации кварков, но с разным суммарным спином, являются разными элементарными частицами!
ПРИМЕРЫ
|
|
|
|
|
|
|
Пи-мезоны – π |
|
:ud , π |
|
Протон – p:uud . |
|
|
Нейтрон – n:udd . |
|
Каоны – K |
|
:us |
, K |
0 |
:ds |
|
|
Лямбда – Λ :uds .
7.5.3. Цвет
Кварки характеризуются ещё одним квантовым числом – цветом. Цвет может принимать три значения (ТАБЛ. 50.3)
При испускании и поглощении глюонов кварк изменяет цвет, но его аромат при этом сохраняется.
Антикварки характеризуются антицветом. Глюоны характеризуются цветом и антицветом.
Закон сохранения цвета: цветовой заряд закрытой системы не изменяется.
384
Закон сохранения цвета не выполняется в процессах, обусловленных слабым взаимодействием.
Таблица 50.3
Цвет |
Антицвет |
Красный |
Антикрасный (зелёный) |
Жёлтый |
Антижёлтый (фиолетовый) |
Синий |
Антисиний (оранжевый) |
ПРИМЕРЫ
Испускание глюона кварком:
|
q q |
|
|
к |
ж |
Поглощение глюона кварком: |
|
qк g |
|
qж |
, |
кж |
|
|
g |
, qк qс |
кж |
|
|
g |
qс , qк |
|
кс |
|
Так как глюон имеет цветовои заряд, он испускает глюоны. На расстояниебольше r0 цветовые заряды вырваться не могут. Поэтому в свободном виде могут существовать только бесцветные (белые) комбинации цветовых зарядов.
Принцип бесцветности адронов: возможны только такие сочетания кварков разных цветов, смесь которых бесцветна.
7.5.4. Распад кварков
Аромат кварков может изменяться в процессах, обусловленных слабым взаимодействием.
ПРИМЕРЫ
1) β-распад нейтрона
Распад нейтрона (свободного или связанного в β–-радиоактивном ядре)
n pe νe
эквивалентен распаду d-кварка
Фейнмановские диаграммы этих процессов изображены на РИС. 50.3А, Б.
d |
d |
|
d |
u |
n u |
u |
p |
|
|
|
d |
u |
|
|
W– |
|
|
|
|
|
e– |
|
|
e– |
|
а |
|
|
б |
|
|
|
Рис. 50.3 |
|
385
2) Распад пиона (РИС. 50.4)
π+
u 
μ+
Рис. 50.4
7.6. Теории фундаментальных взаимодействий
1. Квантовая электродинамика
Квантовая электродинамика – теория взаимодействия фотонов и электронов.
2. Квантовая хромодинамика
Квантовая хромодинамика – теория взаимодействия глюонов и кварков.
3. Стандартная теория электрослабого взаимодействия
Стандартная теория описывает слабое и электромагнитное взаимодействия как единое взаимодействие.
Электрослабая симметрия: должны существовать 4 безмассовых бозона – 2 заряженных и 2 нейтральных + массивный бозон Хиггса.
В реальности существуют 1 безмассовый бозон (фотон) и 3 массивных ( ± и 0).
Константы взаимодействий |
|
|
|
|
|
|
|
|
Константа |
|
Константа |
электромагнитного взаимодействия |
слабого взаимодействия |
α |
e |
2 |
|
|
|
g |
2 |
|
1 |
|
|
α |
|
|
g |
|
|
W |
W |
|
|
|
|
|
|
|
|
W , |
|
|
c |
|
|
|
|
c |
|
30 |
|
gW – слабый заряд; gW > e
Характеристики бозона Хиггса
1.Энергия W ≈ 116 ÷ 130 ГэВ
2.Спин s = 0
3.Электрический заряд Q = 0
Роль бозона Хиггса
1.Массы лептонов, кварков и промежуточных бозонов
2.Нарушение CP- и P-симметрий при слабом взаимодействии
3.Количественное преобладание u-кварков над d-кварками
4.Теория Великого объединения
Теория Великого объединения описывает сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия как единое взаимодействие.
Константа сильного взаимодействия
αS αGU 401 .
386
Заряды – сильный, слабый, электрический – функции 4-импульса; соответственно, константы взаимодействий также зависят от 4-импульса. Причина этого – поляризация вакуума. (Это явление аналогично поляризации диэлектрика.)
Благодаря поляризации вакуума с ростом 4-импульса сильный gS и слабый gW заряды растут, а электрический заряд e – падает.
Константы взаимодействий выравниваются и цветовая и электрослабая симметрии объединяются при энергиях
Единая симметрия: должны существовать 24 бозона – глюоны, промежуточные бозоны, фотон, X-, Y-бозоны.
Характеристики X-, Y-бозонов
|
1. |
Энергия W ≈ 1015 ГэВ |
|
|
|
2. |
Спин s = 1 |
|
|
|
3. |
Электрический заряд QX |
4 |
, QY |
|
3 |
|
|
|
|
4. Каждый бозон характеризуется 3
ПРИМЕРЫ |
|
|
1) Превращение протона в позитрон |
2) Превращение нейтрона в электронное |
(РИС. 50.5) |
|
антинейтрино (РИС. 50.6) |
u |
e+ |
u |
|
|
|
X |
Y |
|
u |
d |
|
Рис. 50.5 |
Рис. 50.6 |
5. Суперобъединение
Теория суперобъединения описывает все фундаментальные взаимодействия как одно взаимодействие.
Суперсимметрия реализуется при энергиях W ≈ 1019 ГэВ и на расстояниях r ≈ 10–33 см для объектов массой порядка mPl = 102 кг (масса Планка). При таких условиях энергия гравитационного поля сравнивается с кинетической энергией частиц при их электромагнитном взаимодействии.
При энергиях и импульсах порядка массы Планка гравитационное взаимодействие становится определяющим.
