Характеристики элементарных частиц.
Каждой элементарной частице приписывается
определенный набор дискретных значений
физических величин (квантовых чисел).
Общими характеристиками элементарных
частиц являются масса
,
время жизни
,
спин
и заряд
.
В зависимости от времени жизни элементарные
частицы делятся на стабильные,
квазистабильные и нестабильные
(резонансы). Стабильными являются
(
лет),
протон (
лет),
фотон и нейтрино. К квазистабильным
относятся частицы, распадающиеся за
счет электромагнитного и слабого
взаимодействия (
с).
Резонансами называются частицы,
распадающиеся за счет сильного
взаимодействия (их время жизни
с).
Спин элементарной частицы бывает целым
или полуцелым кратным
.
В этих единицах спин
-
и
-мезонов
равен 0, у протона, нейтрона и электрона
,
у фотона
и т.д. Электрический заряд элементарной
частицы кратен
Кл,
называемом элементарным зарядом. У
известных элементарных частиц
.
Помимо указанных величин элементарные частицы дополнительно характеризуются рядом квантовых чисел, которые называются внутренними.
Мюоны и их свойства.
Японский физик Юкава в 1935 году высказал
предположение о существовании частиц
с массой в
раз превышающей массу электрона. В 1936
году Андерсен и Неддермейер при изучении
жесткого компонента вторичного
космического излучения обнаружили
частицы массой, близкой к
.
Эти частицы назвали мюонами. Доказано,
что жесткий компонент вторичного
космического излучения состоит из
мюонов, которые образуются вследствие
распада более тяжелых заряженных частиц
(
-
и
-мезонов).
Так как масса мюонов большая, то
радиационные потери для них пренебрежимо
малы, а поэтому жесткий компонент
вторичного излучения обладает большой
проникающей способностью. Существует
положительный и отрицательный мюоны.
Заряд мюонов равен
,
а масса равна
,
время жизни
с.
Измерения интенсивности жесткого
компонента вторичного космического
излучения показали, что на меньших
частотах мюоны имеют меньшую интенсивность.
Это говорит о том, что мюоны претерпевают
самопроизвольный распад, являясь, таким
образом, нестабильными частицами. Распад
мюонов происходит по следующим схемам:
|
,
где
и
- мюонные нейтрино и антинейтрино,
и
- электронные нейтрино.
Из схем распада следует, что спин мюонов равен . Эксперименты показали, что мюоны слабо взаимодействуют с атомными ядрами и не обнаруживаются при ядерных взрывах и являются ядерно-неактивными частицами. В 1947 году была обнаружена частица, которая распадается на мюон и нейтрино – это -мезон.
Мезоны и их свойства.
Пауэлл в 1947 на фотоэмульсиях с космическими
лучами обнаружил
-мезоны
(от греческого «средний»), или пионы.
Существуют положительный (
)
и отрицательный (
)
-мезоны
(их заряд равен
),
а также нейтральный (
).
Масса
и
одинакова и равна
,
а масса
равна
.
Все пионы нестабильны, их время жизни
и
с.
Распад заряженных пионов происходит
по схемам:
|
Спин заряженных -мезонов равен 0. Нейтральный пион разлагается на два гамма-кванта:
|
Спин нейтрального пиона равен 0, так как спины каждого фотона, равные 1, компенсируют друг друга.
В 1949 году изучение реакций с участием
частиц высоких энергий, полученных на
ускорителях, привели к открытию
-мезонов
или каонов с нулевым спином и массой
.
В настоящее время известно 4 типа каонов:
,
,
и
.
Время жизни
-мезонов
с.
Распад заряженных
-мезонов
происходит по схемам:
|
,
,
,
Нейтральные
-мезоны
распадаются по схеме для короткоживущих
:
|
,
Элементарные частицы делятся на фотон и две группы:
фотоны – это частица-квант электромагнитного излучения
лептоны (легкий) – участвуют только в электромагнитных и слабых взаимодействиях. К ним относятся электронное и мюонное нейтрино, электрон, мюон, -лептон, а также соответствующие им античастицы.
адроны (крупный, сильный) – обладают сильным взаимодействием, наряду со слабым и электромагнитным. К ним относятся протон, нейтрон, каон, пион.
Для всех типов взаимодействий элементарных частиц выполняются законы сохранения энергии и импульса, момента импульса и электрического заряда.
Характерным признаком сильных взаимодействий является зарядовая независимость. Зарядовая независимость в сильных взаимодействиях позволяет близкие по массе частицы рассматривать как различные зарядовые состояния одной и той же частицы. Так нуклон образует дуплет (нейтрон, протон), -мезон – триплет ( , , ) и т.д. Их называют изотопическими мультиплетами.