Электромагнитное излучение (стр. 14 )

Слабое взаимодействие лептонов. Любое взаимодействие обусловлено обменом виртуальных частиц. Сильное взаимодействие нуклонов обеспечивается обменом л+-мезоном (см. § 80). Зная радиус действия сил слабого взаимодействия RCJ1 ~ 10~18м, можно приблизительно оценить массу т0 виртуальной частицы — переносчика слабого взаимодействия.

Согласно формуле (233):

тп =

h

Rn

1,05- 10 34 Ю-18 • 3 • 108

«3-10"25кг.

Массе т0 соответствует энергия т0с2 = 200 ГэВ = 2 • 1011 эВ.

В 1956 г. американский физик Джулиан Швингер предположил, что переносчиком слабого взаимодействия являются два заряженных промежуточных векторных бозона W+ и W~ (от англ. weak — слабый). В 1961 г. другой американский ученый Шелдон Глэшоу предположил, что таким переносчиком может быть и нейтральный Z0 - бозон. Массы промежуточных бозонов были определены экспериментально в 1983 г. группой европейских ученых под руководством Карло Руббиа и Симона Ван дер Меера.

Массы бозонов оказались равными mw = 81 ГэВ и mz = 91 ГэВ. Видно, что эти величины по порядку совпадают с нашей оценкой.

Физика высоких энергий

Бета-распад происходит с участием W - бозо-на. Сначала нейтрон распадается на протон и W~, затем промежуточный бозон W~ распадается на электрон и электронное антинейтрино (рис. 285, а). В действительности излучение или поглощение заряженных векторных бозонов — результат превращения одного типа лептона, например электрона е~, в другой — электронное антинейтрино ve (рис. 285, б). При слабом взаимодействии электрона с электронным антинейтрино W - бозон уносит отрицательный заряд, в результате чего электрон превращается в антинейтрино. Таким образом в пределах дублета возможно взаимопревращение в слабом взаимодействии лептона и нейтрино.

285 i6oe взаимодействие шстием W-бозона: \-распад; заимопревращение

ВОПРОСЫ

. На какие две группы делятся все элементарные частицы по отношению к сильному взаимодействию? !. Какие фундаментальные частицы относят к лептонам?

Каким лептонным зарядом они обладают? !. Сформулируйте закон сохранения лептонного заряда при распаде нейтрона, мюона и таона. Приведите оценку массы виртуальной частицы — переносчика слабого взаимодействия. Какие частицы переносят слабое взаимодействие? Когда они были открыты? Как происходит р-распад с участием промежуточного ИЛбозона?

92. Классификация и структура адронов

[ассификация адронов. К классу адронов в настоящее время относят эло 300 элементарных частиц, участвующих в сильном взаимодейст-и. В зависимости от значения спина адроны делятся на две группы: ме-1Ы (от греч. meso — средний) и барионы (от греч. barys — тяжелый).

Мезоны — бозоны со спином, равным 0, А, участвующие в сильном взаимодействии.

Барионы — фермионы со спином, равным А/2; ЗА/2, участвующие в сильном взаимодействии.

Элементарные частицы

381

Таблица 16 Классификация адронов

Адроны

Мезоны

(8 = 0, 1)

Я0, К+, К~,

К+, КГ, К0, К0, ц°

Нуклоны (s = 1/2) р, р, п, п

Барионы

Гипероны (s = 1/2, 3/2)

л°, л°, z+,z-,2:0,1°,

■яо яо я - я+ о - о+

В свою очередь, в группе барионов выделяют подгруппы: нуклоны (протоны и нейтроны) cs = 1/2 и гипероны (все остальные барионы) с s = = 1/2; 3/2 (табл. 16). За исключением протона, являющегося стабильной частицей (во всяком случае, его время жизни превышает 1031 лет), все другие адроны распадаются. Наиболее быстрый распад (в течение 10~23с) адронов происходит за счет сильного взаимодействия, более медленный (10~20с) за счет электромагнитного и самый медленный (1 не) при слабом взаимодействии.

Структура адронов. Кварки. В среднем большие массы адронов по сравнению с лептонами позволили в 1963 г. американским физикам-теоретикам Мюррею Геллману и Джорджу Цвейгу предположить, что адроны являются составными частицами. В частности, нуклоны (протоны и нейтроны), согласно их гипотезе, состоят из трех фундаментальных, электрически заряженных частиц, названных кварками. Наличие этих частиц можно обнаружить, например, при рассеянии частиц высоких энергий.

Экспериментальное подтверждение кварковой структуры нуклонов пришло в 1969 г. из Стэнфорда, где изучалось рассеяние электронов с энергией 20 ГэВ на протонах и нейтронах. Подобно тому как в опыте Ре-зерфорда по рассеянию а-частиц было обнаружено атомное ядро в центре атома, в Стэнфордском эксперименте было обнаружено пространственное распределение электрического заряда в нуклоне. При увеличении энергии рассеивающихся электронов до 50 ГэВ удалось установить существование трех точечных зарядов в нуклонах. Эти частицы, свободно перемещающиеся внутри нуклона, как три пчелы в стакане, и есть кварки. Их заряд может быть как положительным, так и отрицательным.

Выясним основные характеристики кварков. Известно, что нуклоны имеют полуцелый спин (s = 1/2), т. е. являются фермионами. Если предположить, что все кварки имеют одинаковый спин (т. е. являются либо бозонами, либо фермионами), то он обязательно должен быть полуце-

:2

Физика высоких энергий

,ш. Только при сложении трех полуцелых спинов кварков можно полу-ггь полуцелый спин нуклона (см. рис. 282, в).

Найдем теперь возможные электрические заряды кварков, обозначив с соответственно Q и q. Учитывая различие электрических зарядов [ектронейтрального нейтрона и протона (заряд +е), их кварковый со-ав должен быть различным. Если нейтрон состоит из одного кварка с рядом Q и двух кварков с зарядом q, то протон будет иметь противопо->жный состав: два кварка с зарядом Q и один с зарядом q.

Тогда заряд нейтрона и протона можно представить в виде:

О = Q + 2q, e = 2Q + q.

Решение системы двух уравнений с двумя неизвестными дает величи-.1 зарядов кварков:

гл ^2 1

Q = +-3e, q = -ze.

Характерной особенностью кварков, не встречающейся у других час-[ц, является дробный электрический заряд. Кварк с зарядом +2/Зе на-али ы-кварком (от англ. up — вверх), а кварк с зарядом -1/Зе — d-квар-•м (от англ. down — вниз).

Тогда кварковый состав протона можно представить как uud, а нитрона — udd. Видно, что отличие состава нейтрона от протона состоит замене одного ы-кварка на d-кварк. Так как массы нейтрона и протона :ень близки друг другу, то должны быть близки и массы кварков. Нейт->ны чуть тяжелее протона (на 2,5те), поэтому d-кварк должен быть чуть желее u-кварка. В качестве оценки можно считать, что масса кварка 'лжна составлять примерно треть массы нуклонов. Действительно, мас-

и-кварка 330 МэВ, а d-кварка 333 МэВ. (Напомним, что масса протона!8,3 МэВ, а масса нейтрона 939,6 МэВ.)

Еще одной важной характеристикой кварка является его барионный ряд. Записывая уравнение ядерных реакций, мы следили за тем, чтобы мма нижних (зарядовое число) и верхних индексов (массовое число) 1ла одинакова в обеих частях уравнения. Сохранение зарядового числа ражает закон сохранения электрического заряда, а сохранение массо-го числа — закон сохранения массы, или сохранение числа нуклонов, уклоны относятся к группе барионов, для которых также выполняется кон сохранения числа барионов, или

i Закон сохранения барионного заряда ■

Во всех взаимодействиях барионный заряд сохраняется.

Элементарные частицы

383

Массовое число А является барионным зарядом В ядра: В = А. Ддя всех барионов В = 1, у антибарионов В = —1, у частиц, не являющихся ба-рионами, В = 0. При (3-распаде:

п ->р + е~ + ve.

Закон сохранения барионного заряда имеет вид (с учетом того, что е~ и ve не являются барионами):

1 = 1+0 + 0.

Барионный заряд кварков принят равным 1/3, что дает для барионов (протона и нейтрона) В = 1. Сохранение барионного заряда объясняет невозможность распада протона на более мелкие частицы. Для антикварков й и d электрические и барионные заряды имеют противоположные знаки.

После обнаружения элементарных частиц, состоящих из всех комбинаций и - и rf-кварков, были открыты тяжелые адроны, для объяснения свойств которых пришлось использовать еще две пары кварков: s (от англ. strange — странный) и с (от англ. charmed — очарованный), а также Ъ (от англ. beauty — красота) и t (от англ. truth — правда). Массы этих кварков заметно превышают массы и - и d-кварков, так как они входят в состав адронов, более тяжелых, чем нуклоны. Все кварки — фермионы. Они имеют полуцелый спин, так как адроны являются фермионами.

Различные типы кварков называют ароматом. В таблице 17 приведены основные характеристики кварков и антикварков.

Таблица 17

Характеристики кварков и антикварков

Кварк (аромат) s=^/2	q	В	Антикварк (аромат) s=1/2	Я	В
и, с, t d, s, b	+2/3e - l/3e	1/3 1/3	u, с, t d, s, b	-2/3e + l/3e	-1/3 -1/3

ВОПРОСЫ

1- На какие группы по спину делят адроны? На какие подгруппы подразделяют бари-оны?

2.  В чем состояла кварковая гипотеза М. Геллмана и Д. Цвейга? Какие эксперименты подтвердили существование трех точечных зарядов в нуклонах? Почему спин этих зарядов (кварков) полуцелый?

3.  Приведите расчет электрических возможных зарядов кварков. Как назвали эти кварки?

4

Физика высоких энергий

Какие законы сохранения отражали сохранение в ядерных реакциях зарядового и массового числа? Сформулируйте закон сохранения барионного заряда. Как он подтверждает невозможность распада бариона на более мелкие частицы? Приведите важнейшие характеристики основных типов кварков. Как называют различные типы кварков?

93. Взаимодействие кварков

вет кварков. Согласно кварковой модели некоторые барионы должны >1ли состоять из кварков только одного аромата (типа). Например, ь+-барион состоял из трех одинаковых u-кварков, являющихся фермио-1ми, что невозможно по принципу Паули. Для выхода из затруднительно положения была выдвинута гипотеза, что эти кварки отличаются зетом. Согласно этой гипотезе каждый тип (аромат) кварков может меть три цветовых заряда: красный, зеленый и синий. Конкретный кварк определенно окрашен, он несет один из трех цветовых зарядов: ибо красный ик, либо зеленый и3, либо синий ис. Поэтому кварки, входя-(ие в А++-барион, не одинаковы, а отличаются цветом. Его состав можно редставить в виде (ики3ис).

Реально, конечно, кварки не окрашены. Но эта удобная аналогия с ветом позволяет легче запомнить и оперировать сложными понятиями, .нтикварки имеют антицвет, как бы нейтрализующий цвет: антикрас-ый (фиолетовый), антизеленый (красный), антисиний (желтый). Можно лазать, что основные цвета (красный, зеленый, синий) как бы подоб-ы положительному электрическому заряду, а антицвета — отрицатель-ому.

Цветовой заряд является характеристикой взаимодействия кварков, о не адронов в целом. Цветовое взаимодействие между адронами не на-пюдается на опыте.

Все адроны цветонейтралъны (так же как электронейтрален нейт-он). Все цвета представлены в равных количествах: известно, что при мешении в необходимой пропорции красного, зеленого и синего света лаз воспринимает свет как белый.

Отдельный кварк имеет цвет и поэтому не может существовать в сво-одном состоянии. Воспользуемся аналогией: атом — бесцветный, а ион — ветной. Ион имеет большую энергию и старается присоединить антиц-етной электрон, чтобы, образовав атом, стать бесцветным.

Подобным образом цветные кварки, притягивая друг друга, образуют есцветные комплексы, например нуклоны (рис. XV на цветной вклейке, . 385).

13—

нов, 11 кл., вклейка

► XIV

'лазменный дисплей:

) принципиальная

инструкция;

I разряд в ячейке пикселя.

Внешнее стеклянное экрытие, Слой диэлектрика

Внешний электрод

Покрытие оксида агния MgO

Ребро жесткости

Пиксель

Люминофор (к, з, с) . Внутренний электрод. Слой диэлектрика 9. Внутреннее стеклянное окрытие

1.  Электрический разряд

2.  Ультрафиолетовое излучение

4 3

Таблица I

Три поколения фундаментальных частиц

Поколение Частица Цвет	а т> q ГэВ
и • • 1 Кварк т d • • е- . # Лептон ! v* j °	3е 0,330 -|е 0,333 - е ; 5,11 • 10~4 0 < 1,4 • 10"8
Кварк ТТ s • • Лептон Vh ! о	Iе j LB ~\е о,54 - е 0,106 0 < 2,5 • 10"4
• • Кварк - ш > : • • Ш т-\ Лептон VT о	|е 173 ~\е 5 - е 1,78 0 < 0,035

I-

-1^

а)

■1«

A xv

Кварковая структура нуклонов: о) протон; б) нейтрон

Л XVI

Кварковая структура мезона:

а) кЛ-мезон;

б) К - мезон

Таблица II

Лереносчики фундаментальных взаимодействий

Взаимодействие	Переносчики взаимодействий
Сильное	—:ф Q ф *, ф • о О*»™ К К 3 3 с с
Электромагнитное Слабое	Г у J Фотон гИ^ //7»1 (И^) Промежуточные V^_y Kzy V_y векторные бозоны
Гравитационное	rpiiBii гон S= 2

#© а)

#| б)

W

к XVII

Тзменение цвета кварка: ) излучение глюона; ) поглощение глюона

к XVIII

заимодействие кварков в нейтроне:

) обмен глюоном;

I диаграмма Фейнмана

а)

А XIX

Изменение аромата кварка при (3 -распаде

б)

а)

б)

А хх

Спектральные линии излучения звезды:

а) звезда покоится (и = 0);

б) звезда движется

от наблюдателя (v = 0,1с)

А ххп

Анизотропия температуры реликтового излучения, измеренной космическим аппаратом СОВЕ, как подтверждение флуктуации плотности первичного газа примерно через лет с момента Большого взрыва

а)

б)

jflfev ^^ш j^B
Начальное вращение			Эллиптическая галактика Спиральная галактика
облака невелико Начальное вращение облака существенно		&~

А ххш

Образование галактик из газового облака

а) эллиптической;

б) спиральной

► XXV

Ядро предсверхновой звезды. Процентный состав химических элементов примерно такой же, как на Земле

ecic^VJeM*- \ инФдМ

1019 Юга lO'a

rvJia

н*0'

drv

-

o*a

?

r

£

u, d, s, t, c, b кварки	Щ	мезон	фотон
g ГЛЮОН
e электрон qq		барион
\r мюон v«> vx> vn нейтрино х - таон		ион	м Дгд галактика
W, Z бозон		атом	^> ^ черная дыра

А XXI

Периоды эволюции Вселенной

щ

ф0тл°н' \эра .cuw^3 \ на* \

\тп°н оНнаяэр» \<

J?0^ " ^ с

,обР^ГноН>СКиЗС

L xxiv

жабовидная туманность гк результат взрыва ерхновой

к XXVI

гзопылевые диски, провождающие рождение <вых звезд в созвездии шона. У половины звезд зжожно образование шнетарных систем

А XXVII

Процесс образования Солнечной системы

► XXVIII

иопылевой диск у звезды Пикторис (фотография телескопа Хаббла). центральной области. ходится яркая звезда ближайшая к ней планета

Элементарные частицы

385

Протоны и нейтроны состоят из кварков, но выделить кварки нельзя. Свободные кварки не наблюдаемы. Это принципиально ограничивает бесконечное дробление структуры материи.

Каждый барион, являясь фермионом, состоит из трех ароматов разного цвета. В целом барион — цветонейтрален.

Мезоны, как и все адроны, цветонейтральны.

Являясь бозонами, мезоны имеют целый спин. Это означает, что мезон может состоять из двух кварков, имеющих полуцелый спин. Для того чтобы мезон имел целочисленный заряд и был цветонейтральным, он должен состоять из кварка и антикварка. При этом ароматы кварка и антикварка могут быть любыми, а цветовые заряды обязательно противоположными (цвет — антицвет). На рисунке XVI на цветной вклейке (с. 385) приведена кварковая структура мезонов. Барионныи заряд мезона равен нулю: (1/3 - 1/3) = 0.

Таким образом, с помощью определенной комбинации разноцветных кварков можно построить любой адрон. Учитывая, что существует 6 кварков и 6 антикварков, каждый из которых может иметь 3 цвета, полное число кварков — 36.

Фундаментальные частицы. В настоящее время фундаментальными частицами считают кварки и лептоны. Кварки — фундаментальные частицы, участвующие в сильном взаимодействии.

Лептоны — фундаментальные частицы, не участвующие в сильном взаимодействии. Лептонов и антилептонов — 12.

Все фундаментальные частицы являются фермионами.

Учитывая, что известно 6 кварков и 6 лептонов, можно говорить о кварк-лептонной симметрии мира.

Лептоны и кварки образуют начальный структурный уровень организации материи.

Окружающая Вселенная состоит из 48 фундаментальных частиц.

Соответствующие пары кварков и лептонов образуют три поколения фундаментальных частиц (табл. I на цветной вклейке, с. 384). Все стабильные структуры окружающего нас сравнительно низкотемпературного мира состоят из фундаментальных частиц первого поколения: двух стабильных лептонов (электрона и нейтрино) и двух кварков (и и d). При более высоких температурах и больших энергиях существуют второе и третье поколения нестабильных частиц, которые рождались на ранних этапах возникновения горячей Вселенной. В настоящее время такие частицы возникают в результате сильных и слабых взаимодействий в мощных ускорителях заряженных частиц. Как шутят физики, горячая Вселенная являлась гигантским ускорителем для бедняков, подчеркивая

14—, 11 кл.

Физика высоких энергий

кт огромных расходов на строительство мощных современных ускорили заряженных частиц.

Взаимодействие кварков. Глюоны. Сильное взаимодействие между фками осуществляется при обмене глюонами (от англ. glue — клей). Глюон — бозон со спином ft, переносчик сильного взаимодействия. оон электрически нейтрален и не имеет массы покоя. Фотон, являясь >еносчиком электромагнитного излучения, не переносит заряд. Глюон >еносит цветовой заряд: цвет — антицвет. Учитывая, что существует вета и 3 антицвета, полное число их парных комбинаций (цвет — ан-1;вет) должно равняться 3-3 = 9. Однако комбинации: красный — ан-срасный, зеленый — антизеленый, синий — антисиний — бесцветны, этому цветовой заряд несут лишь 6 глюонов. Как следует из теории, ываемой квантовой хромодинамикой (от греч. chroma — цвет), бес-:тных глюонов — 2. Тогда полное число глюонов оказывается равным ъми.

Общая закономерность в систематике элементарных частиц заключа-я в том, что все фундаментальные частицы (а их 48) являются фермио-ш, а все переносчики взаимодействия — бозонами (их 13) (табл. II на тной вклейке, с. 385).