Физика (стр. 50 )

Такими рассуждениями Дирак предсказал существование позитрона. Однако это справедливо и для других элементарных частиц со спином, равным .

При встрече электрона с позитроном происходит их аннигиляция – электрон переходит с положительного уровня на вакантный отрицательный. Энергия, соответствующая разности этих уровней, выделяется в виде излучения (рис. 5.3.1, б). На рис. 5.3.1, б стрелка, направленная вверх, означает рождение пары электрон – позитрон; стрелка, направленная вниз – их аннигиляцию. Спустя четыре года позитрон был обнаружен экспериментально в космических лучах.

 

а) б)

Рис. 5.3.1

Эксперименты показали, что за немногим исключением каждой частице соответствует античастица. Были найдены античастицы для протона, нейтрона, p-мезона и многих других элементарных частиц. Они имеют одинаковые массы, одинаковые времена жизни в вакууме, одинаковые по модулю, но противоположные по знаку, электрические заряды и одинаковые квантовые числа, описывающие их состояния.

Однако существуют частицы, которые античастиц не имеют. Это так называемые истинно нейтральные частицы. К ним относятся фотон, p0-мезон и некоторые другие. Истинно нейтральные частицы не способны к аннигиляции, но испытывают взаимные превращения, являющиеся фундаментальным свойством всех элементарных частиц. Можно сказать, что каждая истинно нейтральная частица тождественна со своей античастицей.

После открытия большого числа античастиц перед учеными встала задача – найти антиядра. Иными словами, требовалось доказать существование антивещества, которое построено из античастиц, как вещество из частиц. И антиядра действительно были обнаружены: сначала был найден антидейтрон – связанное состояние антипротона и антинейтрона. Впоследствии были синтезированы ядра антигелия и антитрития.

5.3.5. Странные частицы

В начале 50-х гг. прошлого столетия в космическом излучении и на ускорителях элементарных частиц были обнаружены К-мезоны и гипероны ( и др.) – тяжелые нестабильные частицы с массой, большей массы нуклонов. Поведение этих частиц оказалось столь необычным, что им присвоили название странных частиц. Необычность поведения странных частиц заключалась в том, что рождались они явно за счет сильных взаимодействий с характерным временем порядка , а времена жизни оказались много больше: . Это указывало на то, что распад частиц происходит за счет слабых взаимодействий. Было совершенно непонятно, почему странные частицы живут так долго, что им мешает распадаться за счет сильного взаимодействия, в результате которого они возникают. Действительно, один из процессов рождения странных частиц имеет вид: . А распад -гиперона идет по схеме: . Поскольку и в рождении, и в распаде – гиперона участвуют одни и те же частицы ( и ), казалось удивительным, что скорость обоих процессов столь различна.

Дальнейшие исследования показали, что странные частицы всегда рождаются парами. Это навело на мысль, что сильные взаимодействия не могут играть роли в распаде частиц вследствие того, что для проявления этих взаимодействий необходимо присутствие двух странных частиц. По той же причине странные частицы не рождаются по одиночке.

Чтобы объяснить запрет одиночного рождения странных частиц, Гелл-Манн ввел в рассмотрение новую характеристику – квантовое число , которое назвали странностью. Это число, по предположению Гелл-Манна, должно сохраняться при сильных взаимодействиях. Поэтому оно приписывается только сильно взаимодействующим частицам, причем для нуклонов и p-мезонов полагают , а для остальных сильно взаимодействующих частиц . Так, для К-мезонов , а для -гиперонов , поэтому процесс идет с сохранением странности, а в процессе странность меняется на единицу. Следовательно, второй процесс не может идти с участием сильных взаимодействий.

5.3.6. Классификация элементарных частиц

В соответствии с характером взаимодействия, в котором они способны участвовать, элементарные частицы делятся на три класса.

1 класс – фотоны или кванты электромагнитного поля. Эти частицы участвуют в электромагнитном взаимодействии, но не обладают сильным и слабым взаимодействиями.

2 класс – лептоны (греческое «лептос» означает «легкий»). К этому классу относятся легкие элементарные частицы, участвующие только в электромагнитном и слабом взаимодействиях: электрон, мюон, таон, соответствующие этим частицам нейтрино, а также их античастицы.

Лептоны характеризуют лептонным числом (лептонным зарядом) , полагая для электронов , мюонов , таонов и соответствующих им нейтрино (). Античастицы указанных частиц () имеют лептонный заряд . (Все остальные элементарные частицы имеют .) В замкнутой системе в любых процессах взаимопревращения элементарных частиц лептонный заряд сохраняется. Это закон сохранения лептонного заряда.

3 класс – адроны (греческое «адрос» означает «крупный, массивный»). Адроны составляют основную часть элементарных частиц. Этот класс включает в себя все сильно взаимодействующие частицы. Наряду с сильным эти частицы обладают электромагнитным и слабым взаимодействиями. К ним относятся нуклоны, пионы, каоны, h-мезон, гипероны, а также их античастицы.

Адронам приписывается барионное число (барионный заряд) . Адроны с барионным числом образуют подгруппу мезонов (пионы, каоны, h-мезон). Адроны с входят в подгруппу барионов (протон, нейтрон, все гипероны). Для лептонов и фотона полагают . Если принять для антибарионов (антинуклоны, антигипероны) , то будет иметь место закон сохранения барионного числа: в замкнутых системах при всех процессах взаимопревращения элементарных частиц барионное число сохраняется.

5.3.7. Кварковая модель структурирования элементарных частиц

В последние годы увеличение числа элементарных частиц происходит в основном за счет расширения группы адронов. При этом их стало так много (более ста), что у ученых возникли серьезные сомнения в их элементарности. Каждая из сильно взаимодействующих частиц характеризуется тремя независимыми аддитивными квантовыми числами: зарядом , барионным зарядом и странностью . В связи с этим появилась гипотеза о том, что все частицы построены из трех фундаментальных частиц – носителей этих зарядов. Первая модель подобного рода была предложена японским физиком Саката, который считал фундаментальными частицами протон , нейтрон   и -гиперон. Однако эта схема оказалась неприменимой в области сильных взаимодействий.

Гелл-Манн и Цвейг ввели в рассмотрение гипотетические частицы, получившие название кварков. Согласно их модели все известные адроны можно построить, постулировав существование четырех типов кварков () и их антикварков (), если им приписать характеристики, указанные в таблице.