FundInt / Лекции профессора Б.С. Ишханова 2009 / pdf / l_01

1963 Кварки

М. Гелл-Манн и Г. Цвейг предложили кварковую модель адронов. Барионы “конструировались” из трёх кварков, мезоны – из кварка и антикварка.

Нобелевская премия по физике 1969 г. – М. Гелл-Манн. За вклад и открытия в

классификации элементарных частиц и их взаимодействий

Кварки

В1964 г М. Гелл – Манн и Д. Цвейг независимо предложили модель кварков - частиц из которых состоят адроны. Для того чтобы объяснить наблюдаемые свойства адронов кваркам пришлось приписать довольно необычные свойства. Кварки должны иметь дробный электрический заряд 2/3 или -1/3. Барионы “конструировались” из трех кварков, мезоны из кварка и антикварка. Все обнаруженные до 1974 г. адроны можно было описать, составляя их из кварков трех типов - u, d, s. Каждой комбинации кварков соответствовала экспериментально наблюдаемая частица.

В1974 г. были открыты частицы, в состав которых входил четвертый с – кварк.

В1977 г. был открыт b – кварк.

В1995 г. был открыт t – кварк.

Все адроны состоят из комбинации этих шести кварков, и есть достаточно веские основания считать, что число кварков не должно быть больше шести.

Каждый кварк имеет квантовое число – цвет, которое может принимать три значения: красный, синий и зеленый. Это чисто условные названия, отражающие тот факт, что каждый кварк характеризуется квантовым числом цвет, имеющим 3 значения.

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.