Виды фундаментальных взаимодействий

Лекция 15. Элементарные частицы

Согласно современным представлениям, в природе осуществляется четыре типа фундаментальных взаимодействий.

Сильное (ядерное взаимодействие) обеспечивает связь нуклонов в ядре.

Электромагнитное взаимодействие – взаимодействие в основе которого лежит связь с электромагнитным полем. Оно характерно для всех элементарных частиц, за исключением нейтрино, антинейтрино и фотона. В частности, ответственно за существование атомов и молекул.

Слабое взаимодействие – наиболее медленное из всех взаимодействий, протекающих в микромире. Оно ответственно за взаимодействие частиц, происходящих с участием нейтрино и антинейтрино, а также за безнейтринные процессы распада, характеризующиеся довольно большим временем жизни распадающейся частицы .

Гравитационное взаимодействие присуще всем без исключения частицам, однако из-за малости масс элементарных частиц оно пренебрежимо мало и в процессах микромира несущественно.

Сильное взаимодействие примерно в 100 раз превосходит электромагнитное и в раз – слабое. Как сильное, так и слабое взаимодействия – короткодействующие. Радиус действия сильного взаимодействия составляет примерно , слабого – не превышает . Радиус действия электромагнитного взаимодействия практически не ограничен.

Классификация элементарных частиц

Элементарные частицы принято делить на три группы:

1. Фотоны участвуют в электромагнитных взаимодействиях

2. Лептоны (от греч. “лептос” – легкий) участвуют только в электромагнитном и слабом взаимодействиях. К лептонам относятся мюоны (), электрон, позитрон, электронные нейтрино (), мюонные нейтрино () и открытый в 1975 г. тяжелый лептон () - t -лептон (таон) с массой примерно 3487. Название лептонов связано с тем, что массы первых известных лептонов были меньше масс всех других частиц. К лептонам относится также таонное нейтрино (). Все лептоны имеют спин, равный .

3. Адроны (от греч. “адрос” – крупный, сильный) наряду с электромагнитным слабым обладают сильным взаимодействием. Из них выделяют мезоны и барионы.

К числу мезонов принадлежат p -мезоны или пионы (), K -мезоны или каоны () и эта-мезон h. Масса K -мезонов составляет порядка 970, а время жизни . Они распадаются с образованием p -мезонов и лептонов (или только лептонов). Масса эта-мезона равна 1074время жизни порядка . Эта-мезоны распадаются с образованием p -мезонов и g -фотонов.

Класс барионов (греч. “барис” – тяжелый) объединяет в себе нуклоны и нестабильные частицы с массой, большей массы нуклонов, гипероны (лямбда , сигма , кси , омега ). Спин всех барионов равен (только спин -гиперона равен ), а мезоны имеют спин равный нулю.

Элементарным частицам, относящимся к группе лептонов, приписывают лептонное число (заряд) L. Обычно принимают, что L = +1 для лептонов (), L = -1 для антилептонов () и L = 0 для всех остальных частиц. Введение L позволяет сформулировать закон сохранения лептонного числа: в замкнутой системе при всех без исключения процессах взаимопревращения элементарных частиц лептонное число сохраняется.

Адронам приписывают барионное число (заряд) B. Адроны с B = 0 образуют подгруппу мезонов, а с B = +1 подгруппу барионов. Для антибарионов B = -1 и B = 0 для всех остальных частиц. Выполняется закон сохранения барионного числа: в замкнутой системе при всех без исключения процессах взаимопревращения элементарных частиц барионное число сохраняется.

Зарядовая независимость в сильных взаимодействиях позволяет близкие по массе частицы рассматривать как различные состояния одной и той же частицы. Подобные группы похожих элементарных частиц называют изотопическими мультиплетами. Каждый изотопический мультиплет характеризуют изотопическим спином, определяющим число частиц в мультиплете . Если в мультиплете одна частица, он называется синглет, два – дублет, три – триплет. Так как число нуклонов в изотопическом мультиплете равно двум, то изоспин нуклона , изоспин пиона I = 1 (в пионном мультиплете n = 3). Изотопический спин характеризует только число членов в изотопическом мультиплете и никакого отношения ни к изотопам, ни к обычному спину не имеет. Во всех процессах, связанных с превращениями элементарных частиц, обусловленных сильными взаимодействиями, выполняется закон сохранения изотопического спина. Для электромагнитных и слабых взаимодействий этот закон не выполняется. Так как лептоны и фотоны в сильных взаимодействиях участия не принимают, то им изотопический спин не приписывается.

По современным представлениям ядерные силы между протонами и нейтронами обусловлены обменом квантами ядерного взаимодействия, которые назвали p-мезонами. Существуют p ⁺- и -мезоны ответственные за взаимодействие протон-нейтрон и p ⁰ - ответственный за взаимодействие между одноименными нуклонами. Масса p ⁺- и -мезонов одинакова и равна 273,1, p ⁰-мезона 264,1. Все пионы нестабильны: время жизни заряженных с, нейтрального с.

Существование p -мезонов было доказано теоретически в 1935 г. японским физиком Х. Юкава. Затем они были обнаружены С. Пауэллом с сотрудниками в космических лучах (1947). Заряженные p -мезоны распадаются на m - мезоны и на мюонное нейтрино: ,

.

Мюоны были обнаружены еще раньше (1936) К. Андерсоном и С. Неддермейером. Масса мюонов равна 206,8, время жизни с. Мюоны претерпевают самопроизвольный распад, являясь нестабильными частицами:

,

.

Исследования в космических лучах (1949) и изучение реакций с участием частиц высоких энергий привели к открытию K- мезонов (каонов) с массой 970 m_е. Существуют , , и - каоны. Время жизни K- мезонов лежит в пределах в зависимости от их типа.

Одновременно с каонами в ядерных фотоэмульсиях и ускорителях заряженных частиц были обнаружены тяжелые нестабильные частицы, названные гиперонами. Существование -гиперона следовало из предложенной (1961) М. Гелл-Манном схемы для классификации сильно взаимодействующих частиц. Все известные в то время частицы укладывались в эту схему, но в ней оставалось одно незаполненное место, которое должна была занять отрицательно заряженная частица с теоретически предсказанной массой. В результате специально поставленного эксперимента и был обнаружен -гиперон.

Гипероны имеют массы в пределах (2183-3273), их спин равен , время жизни приблизительно . Детальное исследование рождения и превращения гиперонов привело к введению новой квантовой характеристики элементарных частиц, которую назвали странность. Она позволила объяснить некоторые парадоксальные свойства этих частиц. Дело в том, что гипероны должны были бы обладать временем жизни примерно , что в раз меньше установленного на опыте. Подобное можно объяснить лишь тем, что распад гиперонов происходит в результате слабого взаимодействия. Кроме того, оказалось, что всякий раз гиперон рождается в паре с K- мезоном. Например,

,

причем в поведении -мезона обнаруживаются те же особенности, что и у гиперона. Распад же -гиперона происходит по схеме: .

Особенности поведения гиперонов и -мезонов были объяснены М. Гелл-Манном и К. Нишиджимом с помощью введения странности S, которая сохраняется в процессах сильного и электромагнитного взаимодействий. Если приписать каонам S = 1, а - и S-гиперонам S = -1 и считать, что у нуклонов и p -мезонов S = 0, то сохранение суммарной странности частиц в сильном взаимодействии объясняет как совместное рождение -гиперона с -мезоном, так и невозможность распада частиц с не равной нулю странностью на частицы, странность которых равна нулю. X-гиперонам, которые рождаются совместно с двумя каонами, приписывают S = -2; W-гиперонам S = -3. Тогда электрический заряд частицы может быть выражен через проекцию изотопического спина, барионный заряд и странность:

. (9.12)

Соотношение (9.12) выполняется для всех известных частиц.

Элементарным частицам приписывают еще одну квантово-механическую величину – четность P – квантовое число, характеризующее симметрию волновой функции частицы относительно зеркального отражения. Если при зеркальном отражении волновая функция частицы не меняет знака, то P = +1, если меняет знак, то P = -1.

Из квантовой механики вытекает закон сохранения четности, согласно которому при всех превращениях, претерпеваемых системой частиц, четность состояния не изменяется. Однако, закон сохранения четности, как и закон сохранения странности, выполняется только при сильных и электромагнитных взаимодействиях.

В последние годы увеличение числа частиц происходит в основном вследствие расширения группы адронов. Частиц, называемых элементарными стало так много, что возникли серьезные сомнения в их элементарности. В 1964 г. Дж. Цвейгом и Гелл-Манном независимо друг от друга была высказана гипотеза о существовании таких частиц – кварков, которые служат базисом для построения всех адронов. Выделяют три типа кварков (u, d, s) и соответствующих антикварков (). Самое удивительное свойство кварков связано с электрическим зарядом, который принимает дробные значения. Спин кварка равен . Адроны строятся из кварков следующим образом: мезоны состоят из пары кварк – антикварк, барионы – из трех кварков (антибарион – из трех антикварков). Во избежание трудностей со статистикой (некоторые барионы состоят из трех одинаковых кварков, что запрещено принципом Паули) предполагают, что каждый кварк (антикварк) обладает специфической квантовой характеристикой – цветом: желтым, синим и красным. Цвет кварка стал также выражать различие в свойстве, определяющем их взаимное притяжение и отталкивание. По аналогии с квантами полей различных взаимодействий были введены частицы – переносчики взаимодействия между кварками. Эти частицы были названы глюонами. Они переносят цвет от одного кварка к другому, в результате чего кварки удерживаются вместе. Гипотеза кварков оказалась довольно плодотворной. Она позволила не только систематизировать уже известные частицы, но и предсказать новые. Естественно предпринимались попытки обнаружить кварки. Однако они пока успехом не увенчались.

Дата добавления: 2014-01-13