Ядерная физика - Курс лекций МГУ / ядернаяфизика_01

Стандартнаямодель

Фундаментальными частицами стандартной модели являются 6 лептонов (e-, μ-, τ-, νe, νμ,ντ) и 6 кварков (u, d, c, s, t, b). Каждый из 6 типов кварков может находиться в трёх цветовых состояниях (например: красный, зеленый, синий). Кварки и лептоны являются фермионами и имеют спин –1/2. 12 фундаментальным фермионам соответствуют 12 антифермионов.

Взаимодействия фундаментальных фермионов осуществляются за счет обмена переносчиками взаимодействия — фундаментальными (или калибровочными) бозонами.

Взаимодействие частиц, имеющих электрический заряд, происходит посредством обмена квантами электромагнитного поля — фотонами или γ-квантами. Фотон электрически нейтрален. Сильное взаимодействие осуществляется за счет обмена глюонами g — электрически нейтральными безмассовыми переносчиками сильного взаимодействия. Глюоны переносят цветовой заряд. В слабом взаимодействии принимают участие все лептоны и все кварки. Переносчиками слабого взаимодействия являются массивные W-

иZ-бозоны. Существуют положительные

W+-бозоны и отрицательные W–-бозоны, являющиеся античастицами по отношению друг к другу. Z-бозон электрически нейтрален.

Квантоваятеорияполя

Вклассической физике рассматриваются два фундаментальных объекта — частицы и поля.

Частицы описываются законами классической механики Ньютона. Положение частицы задается тремя координатами, изменение координат в зависимости от времени даёт полное описание движения частицы.

Поля имеют бесконечно большое число величин, описывающих бесконечное число степеней свободы, которые изменяются в зависимости от времени. В отличие от частиц поля могут, складываясь, усиливать или полностью гасить друг друга (интерференция).

В1900 г., изучая испускание электромагнитных волн нагретыми телами, М. Планк показал, что описание этого явления возможно только в том случае, если излучение испускается отдельными квантами. А. Эйнштейн обобщил эту идею и показал, что это испускание квантов является свойством, присущим электромагнитному излучению. Кванты электромагнитного поля были названы фотонами. Каждый фотон имеет вполне

определенную энергию E = hν и импульс p = E / c , т.е.

электромагнитное излучение обнаруживает черты дискретности, которые раньше наблюдались лишь у частиц. Исторически квантовые представления были развиты впервые для электромагнитного излучения. Корпускулярно-волновое представления о кванте электромагнитного поля было затем распространено Де Бройлем на все виды материи. Взаимодействие между электрическими зарядами в квантовой теории поля описывается как испускание и поглощение зарядами квантов электромагнитного поля — фотонов.

Квантоваятеорияполя

Нобелевская премия по физике

1965 г. — С. Томонага, Ю. Швингер и Р. Фейнман

За фундаментальные работы в области квантовой теории поля с далеко идущими последствиями для физики элементарных частиц.

ДиаграммыФейнмана

Для описания различных процессов с участием частиц используют диаграммы Фейнмана. На этих диаграммах линиям со свободными концами отвечают реальные частицы или ядра, а внутренним линиям

– виртуальные частицы. Точка, в которой рождается и поглощается виртуальная частица, называется узлом диаграммы. Узлы диаграммы содержат основную информацию о процессе – типе фундаментального взаимодействия и его вероятности. Линиям виртуальных частиц сопоставляются функции распространения этих частиц, называемые пропагаторами. Пропагатор для частицы, переносящей взаимодействие и имеющей массу m,

равен

1/(m2c2 −q2 ),

q – четырехмерный импульс частицы.

ДиаграммыФейнмана

1947

Р. Фейнман предложил диаграммный метод в квантовой электродинамике.

Richard Feinman

(1918-1988)

Пионы – квантыядерногополя

Наличие в атомном ядре нейтронов и протонов поставило проблему изучения природы ядерных взаимодействий, связывающих эти частицы в ядре. В 1935 году Х. Юкава предсказал новую частицу — квант ядерного поля. Cогласно гипотезе Юкава взаимодействие между нуклонами возникает в результате испускания и поглощения этих частиц. Они определяют ядерное поле по аналогии с электромагнитным полем, которое возникает как следствие обмена фотонами

1

U эл (r) ~ r

Взаимодействие между нуклонами, возникающее в

Принимая во внимание известные факты, что ядерные силы

— короткодействующие и имеют характерный радиус действия ~1 Фм, Юкава оценил массу квантов ядерного поля ~200 МэВ. Предсказанная Юкавой частица должна была занимать по массе промежуточное значение между электроном и протоном. Она была названа мезоном от греческого слова meso — средний. В 1947 году была обнаружена частица, которую предсказал Юкава. Ее назвали π-мезоном или пионом. Существует три разновидности π-мезонов: отрицательно заряженный π−-мезон с массой ~140 МэВ, положительно заряженная античастица π+ -мезон, и нейтральный π0-мезон с массой ~135 МэВ.

Взаимодействия

Взаимодействие между фундаментальными фермионами (кварками и лептонами) переносят калибровочные бозоны. В таблице приведены взаимодействия, частицы участвующие в различных взаимодействиях, калибровочные бозоны — переносчики взаимодействия, радиус действия, константа взаимодействия.