В целом поток частиц космических лучей на уровне моря примерно в 100 раз меньше потока первичных космических лучей

и составляет около 0,01 частицы/см2 с.

6.4. Радиационные пояса Земли

Для заряженной частицы с энергией, не превышающей несколько ГэВ, в магнитном поле Земли существуют магнитные ловушки – области пространства, в которые заряженные частицы не могут влететь извне и из которых не могут вылететь.

Эти области имеют форму тороидов, охватывающих Землю в широтном направлении. Их удаленность от Земли зависит от энергии частицы. Чем она выше, тем ближе эти области магнитного поля расположены к поверхности Земли, и заряженные частицы накапливаются в них.

Поэтому вблизи Земли находятся зоны с повышенной концентрацией заряженных частиц. Вскоре после запуска первых искусственных спутников Земли эти зоны были обнаружены (С.Н. Вернов, А.Е. Чудаков, Д. Аллен, 1958 г.) и получили название радиационных поясов Земли.

Внутренний радиационный пояс, состоящий в основном из протонов (Ep>35 МэВ), находится на расстоянии нескольких тысяч километров от поверхности Земли. Основным механизмом инжекции протонов в него является распад нейтронов, которые образуются при взаимодействии космических лучей с ядрами атмосферы Земли. Максимум потока захваченных протонов внутреннего радиационного пояса Земли – на расстоянии ~1,5 радиуса Земли. Внешний радиационный пояс состоит в основном из электронов с энергией от нескольких сотен кэВ до ~10МэВ.

Контрольные вопросы

1.Что называется космическими лучами (КЛ)?

2.Перечислите типы космических лучей.

3.Какие космические лучи называются первичными, а какие – вторичными?

4.Каковы особенности солнечных космических лучей?

5.Опишите радиационный пояс Земли.

102

7. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ 7.1. Классификация элементарных частиц

Все элементарные частицы по величине спина делятся на два класса – фермионы и бозоны.

Фермионы – частицы с полуцелым спином (например, электрон, протон, нейтрон, нейтрино); бозоны – частицы с целым спином (например, фотон, глюон, мезон).

По видам взаимодействий элементарные частицы разделяют на составные и бесструктурные.

Составными являются адроны. Они участвуют во всех видах фундаментальных взаимодействий, состоят из кварков и подразделяются, в свою очередь, на мезоны (адроны с целым спином, т.е. бозоны) и барионы (адроны с полуцелым спином, т.е. фермионы).

Кним, в частности, относятся частицы, составляющие ядро атома,

–протон и нейтрон.

Фундаментальными (бесструктурными) являются лептоны, кварки, бозоны, фотоны, глюоны, гравитоны.

Лептоны – фермионы, имеющие вид точечных частиц, вплоть до масштабов порядка 10-18 м, не участвующих в сильных взаимодействиях. Участие в электромагнитных взаимодействиях экспериментально наблюдалось только для заряженных лептонов (элек-

троны, мюоны, τ-лептоны) и не наблюдалось для нейтрино. Известны 6 типов лептонов.

Кварки – дробнозаряженные частицы, входящие в состав адронов. В свободном состоянии они не наблюдались (для объяснения отсутствия таких наблюдений предложен механизм конфайнмента). Как и лептоны, кварки делятся на 6 типов и являются бесструктурными, однако, в отличие от лептонов, участвуют в сильном взаимодействии.

Калибровочные бозоны – частицы, посредством которых осуществляются взаимодействия.

Фотоны – частицы, переносящие электромагнитные взаимодействия.

Глюоны – частицы, переносящие сильные взаимодействия. Три промежуточных векторных бозона: W+, W-, и Z0 – перено-

сят слабое взаимодействие.

Гравитон – гипотетическая частица, переносящая гравитационное взаимодействие. Существование гравитонов, хотя пока не

103

доказано экспериментально в связи со слабостью гравитационного взаимодействия, считается вполне вероятным, однако гравитон не входит в стандартную модель.

Адроны и лептоны образуют вещество. Калибровочные бозоны – это кванты разных видов излучения.

Кроме того, в стандартной модели присутствует хигговский бозон, отвечающий за наличие массы у частиц и пока не обнаруженный экспериментально.

7.2. Характеристики частиц

Все характеристики частиц могут быть разбиты на две большие группы. Первую составляют геометрические характеристики, происхождение которых связано со свойствами симметрии про- странства-времени. Вторую – внутренние квантовые числа, отражающие симметрию фундаментальных взаимодействий.

Перечислим наиболее важные характеристики, значениями которых частицы отличаются друг от друга.

1. Масса М измеряется в мегаэлектронвольтах (для самых тяжелых частиц – в гигаэлектронвольтах) в соответствии с формулой Эйнштейна: Е0 = тс2.

Масса в наибольшей степени индивидуализирует частицу: нет двух частиц (кроме пары частица – античастица), массы которых были бы абсолютно одинаковыми. Никакой видимой закономерности в спектре масс не наблюдается.

В первоначальный период, когда частиц было совсем мало, их систематика основывалась именно на значениях масс. От нее, в частности, ведут свое происхождение такие термины, как лептоны (легкие), мезоны (средние) и барионы (тяжелые). В настоящее время они потеряли свой первоначальный смысл: к лептонамотносится таон, масса которого больше массы многих барионов, а самые тяжелые из известных мезонов (Г) имеют массу, в 11 раз превышающую массу протона (бариона). Нельзя так же, как это делалось раньше, называть мюон, являющийся лептоном, мю-мезоном.

2. Спин J измеряется в единицах и определяет собственный момент импульса частицы. Известны частицы со спинами от

0 (скажем, пион π) до 11/2 (например, изобара ∆2420 ). Спины ста-

104

бильных частиц таковы: фотон – 1; гравитон – 2; лептон – 1/2; мезон – 0; барион (кроме Ω) – 1/2; Ω −гиперон – 3/2.

Спин является важной характеристикой. Для покоящейся частицы только его вектор задает выделенное направление. Кроме того, значение спина однозначно определяет тип статистики: все частицы с целыми спинами – бозоны, с полуцелыми – фермионы. Наконец, спин фиксирует трансформационные свойства волновой функции (и полевого оператора) частицы относительно собственных преобразований Лоренца, не включающих отражения. Частицы с J = 0 описываются скалярными, с J=1/2 – спинорными, с J = 1

– векторными волновыми функциями (полевыми операторами) и т.д.

3. Пространственная четность ηp определяет поведение вол-

новой функции частицы относительно пространственной инверсии. При таком преобразовании она либо не меняется (ηp = +1), либо изменяет знак (ηp = – 1). Саму частицу (а не ее состояния) характеризует внутренняя пространственная четность. Именно об этой величине идет речь, когда говорят об актовых числах частиц.

У всех стабильных бозонов, кроме гравитона, пространственная четность отрицательна, а среди мезонных резонансов имеются частицы как с отрицательной, так и с положительной четностью. У всех барионов пространственная четность положительна, у всех антибарионов – отрицательна; среди барионных резонансов имеются частицы с разными значениями четности. Для лептонов понятие четности обычно не вводится. Для частиц, как и для состояний атомных ядер, значения спина и четности приводят в таблицах совместно, упо-

требляя общий символ J η p. Эта характеристика равна 1– для фотона, 2+ для гравитона, 0– для пиона, 1/2+ для протона и т. д.

Тремя указанными величинами исчерпываются геометрические характеристики частиц. Все прочие являются внутренними квантовыми числами. Несколько особняком стоят электромагнитные моменты частиц, которые относятся к смешанному типу и имеют динамическую природу.

4. Электрический заряд q измеряется в единицах элементарного заряда е. Для всех непосредственно наблюдаемых частиц он принимает целочисленные значения, причем факт квантованности заряда является строгим. У подавляющего большинства частиц заряд по модулю равен 0 или 1. У нек оторых ∆ -резонансов

105

q = +2, а у их античастиц q = −2. То же относится и к не очень надежно идентифицированному гиперону ΣС++ .

5. Магнитный момент µ характеризует взаимодействие поко-

ящейся частицы с внешним магнитным полем и обычно измеряется в единицах соответствующего магнетона: µ0 = e / 2m. Магнитный

момент связан со спином, причем он свойствен лишь частицам с J ≥1/ 2. Магнитный момент имеет динамическое происхождение и не может служить первичным классификационным признаком.

6. Лептонный заряд L по определению равен +1 для лептонов,

–1 для антилептонов, 0 для остальных частиц. В настоящее времяраз-

личают электронный заряд Lе, мюонный заряд Lµ и таонный заряд

Lτ, причем

Le + Lµ + Lτ = L.

7.Барионный заряд В по определению равен +1 для барионов, –1 для антибарионов, 0 для остальных частиц. Барионный заряд, как и лептонный, является аддитивным квантовым числом.

8.Изоспин Т приписывается изомультиплету в целом и опре-

деляет число его членов N по формуле

В этом отношении изоспин Т аналогичен спину J, который определяет число различных спиновых состояний, равное 2T+1 и называемое в атомной физике мультиплетностью терма.

Совершенно очевидно, что изоспин, как и обычный спин, может принимать только целые и полуцелые значения. Реально они лежат в пределах от 0 до 3/2. Как следует из формулы (16), T = 0 для изомуль-

типлетов η, Λ, Ω, ΛC ; Т = 1/2 для K, D, N, Ξ;Т =1для π и Σ .

Наибольшее значение изоспина, равное 3/2, имеет ∆ -изобара.

9. Проекция изоспина T3 различает отдельные члены изомультиплета аналогично тому, как значениями проекции обычного спина характеризуются различные компоненты атомных мультиплетных термов. Величина T3 в данном изомультиплете пробегает значения от −T до Т через единицу, в порядке возрастания электриче-

ского заряда. Вот три типичных примера: а) у нейтрона T3 = −1/ 2; б) у пионов π− , π0 , π+ проекции изоспина равны соответственно

106

−1, 0, +1; в) у ∆ -изобар ∆− , ∆0 , ∆+ , ∆++ величина T3 имеет значе-

ния −3 / 2, −1/ 2, +1/ 2, +3 / 2.

Сначала понятие изоспина применялось только к нуклонам (В. Гейзенберг, 1932 г.) и пионам (Н. Кеммер, 1938 г.), так как другие адроны не были известны. Электрические заряды членов этих изомультиплетов могут быть вычислены по формуле

10. Странность S вводится таким образом, чтобы электрические заряды странных частиц удовлетворяли соотношению Гелл- Манна-Нишиджимы, обобщающему формулу (17):

Первоначально значения S были приписаны странным частицам чисто эмпирически (М. Гелл-Манн, 1953 г., и независимо К. Нишиджима, 1954 г.) для объяснения с помощью соответствующего закона сохранения особенностей их поведения. Поэтому формула (18) и называется соотношением, хотя в настоящее время она рассматривается фактически как определение странности. Из нее видно, что S=0 у «обычных» частиц π, η, N ; S = +1 у каона К;

S = −1 у гиперонов Λ, Σ; S = −2 у каскадного гиперона Ξ ; S = −3

у гиперона Ω. Последний обладает максимальной по модулю странностью, и в этом смысле он является «самой странной» частицей.

11. Гиперзаряд Y для обычных и странных частиц вводится определением

С учетом (19) соотношение Гелл-Манна-Нишиджимы может быть переписано в форме, полностью аналогичной (17):

q =T3 + 12 Y.

107

Отсюда следует, что удвоенное значение гиперзаряда равно среднему арифметическому электрического заряда данного изомультиплета:

В настоящее время это равенство рассматривается в качестве наиболее общего определения гиперзаряда. В таком виде оно пр и- менимо, в частности, и к лептонным дублетам, которым приписывается «слабый гиперзаряд» у = −1. При теоретических исследова-

ниях гиперзаряд оказывается более удобным квантовым числом, чем странность.

12. Очарование С вводится аналогично странности из тех соображений, чтобы распространить соотношение Гелл-Манна- Нишиджимы и на очарованные частицы:

q =T3 + 12 (B + S +C).

Отсюда и из выражения (20) следует, что в общей ситуации гиперзаряд можно расписать следующим образом:

Y = (B + S +C ).

Чтобы найти по формуле (20) очарование того или иного адрона, нужно предварительно определить его странность. Это можно сделать или применяя соответствующие правила отбора с участием данной частицы, или зная кварковый состав последней.

Именно так установлено, что у D-мезона и ΛС -гиперона С = +1

(у их античастиц С = −1, а у всех прочих частиц С = 0, т.е. они не обладают очарованием).

13.Зарядовая четность ηС в формальном отношении сходна

спространственной четностью ηP . Это квантовое число определя-

ет поведение волновой функции частицы при операции зарядового сопряжения С ˆ. По определению последняя переводит волновую функцию частицы в волновую функцию соответствующей ей античастицы:

Х = ηС Х.

108