Учебное пособие Алматы 2013 ббк удк номер
Глава VIII Элементарные частицы
жүктеу/скачать 1,73 Mb.
|
treatise11751
| Глава VIII Элементарные частицы
Это самостоятельный раздел курса ядерной физики. Часто эту отрасль ядерной физики называют физикой высоких энергий, потому что для проведения большинства экспериментов в данной области нужны частицы весьма высокой энергии. Это обусловлено 2-мя причинами : 1) для изучения пространственной структуры элементарных частиц необходимо использовать пучки частиц с очень малой длиной волны λ, сравнимой с изучаемыми расстояниями; 2) для генерации новых частиц необходимо превысить порог генерации, определяемый их массами. Так, если при изучении ядерных реакций были достаточны энергии бомбардированных частиц ~ энергии связи нуклонов в ядрах, то есть ≥ 10 МэВ, то для опытов по рождению пионов потребовались протоны с энергией 300 МэВ, а для экспериментов по рождению пар-частиц с энергией 6 ГэВ. Естественным источником частиц высоких энергий являются космические лучи. На начальном этапе развития физики элементарных частиц, когда еще не было ускорителей, все сведения о свойствах элементарных частиц получали в процессе исследования космических лучей. В результате их исследования были впервые открыты е+, мюоны, π±-мезоны, К-мезоны, Λ-гиперон, а многие другие частицы (например, π0-мезон и антипротон) первоначально открытые на ускорителе, были впоследствии обнаружены и в составе космических лучей. В настоящее время первенствующая роль в изучении свойств элементарных частиц перешла к ускорителям, однако космические лучи до сих пор являются единственным источником частиц сверхвысоких (до 1020 эВ) энергий. Главенствующая роль ускорителей связана с тем, что интенсивность потока космических лучей сравнительно мала, и поэтому интересующие исследователей события крайне редки. Кроме того, космические частицы неуправляемые, многие параметры их при высоких энергиях неизвестны, и поэтому опыты не вполне однозначны. Совершенно новые возможности появились, когда частицы высоких энергий научились получать в лабораториях с помощью ускорителей заряженных частиц. Что такое элементарная частица? На различных ступенях человеческого знания существовали разные представления об элементарности. Первые известные нам потоки сведения всех веществ, из которых построен мир, к нескольким простым, элементарным видам вещества были предприняты еще 2500 лет назад великими древнегреческими философами – материалистами Фалесом, Гераклитом и Эмпедоклам. Они считали, что все материальные тела состоят из 4 вечно существующих элементов: земли, воды, воздуха и огня, которые, смешиваясь в разных пропорциях, дают вещества с разными свойствами. Дальше Демокрит (греческий философ) ввел понятие атом (неделимый), то есть элементарный. До конца XIX века о строении атома ничего не было известно. Но в конце XIX века было открыто сложное строение атомов и был выделен электрон как составная часть атома. Затем, уже в XX веке, были открыты p и n – частицы, входящие в состав ядра. Поначалу на все эти частицы смотрели точь-в-точь, как Демокрит смотрел на атомы: их считали неделимыми и неизменными первоначальными сущностями, основными кирпичиками мироздания. Кроме нуклонов и электронов в эти годы были известны еще 3 частицы, имеющие самое непосредственное отношение к атому и ядру. Это фотоны (γ-кванты), испускаемые атомом (ядром) в процессе энергетических переходов, а также ν и е+, которые испускаются ядром в процессе β-распада. Правда, ни об одной из этих частиц нельзя сказать, что она входит в состав атома или ядра, так как они возникают в самый момент их испускания атомом или ядром. Однако эти частицы также были названы элементарными, так как ни одну из них нельзя представить себе «состоящей» из других «более элементарных» частиц. В соответствии с этим на другом этапе развития физики элементарными частицами стали называть такие частицы, внутреннюю структуру которых нельзя описать как простое объединение, сочетание других частиц. Историю открытия элементарных частиц и исследования их свойств можно условно разбить на 4 этапа. На первом этапе, окончившимся в 1932 году, было открыто 6 элементарных частиц: фотон,e- , p, n, e+, ν (теоретически). Второй этап исследования начался в 1935 году, когда стало ясно, что существующих частиц недостаточно для объяснения природы ядерных сил, и начались поиски ядерного кванта с массой (200-300) me. Этот период ознаменован открытием мюонов ( ) и π-мезонов ( ) и детальным исследованием их свойств. Доказано, что π-мезон пригоден на роль ядерного кванта. На третьем этапе (1949-1964гг) были открыты и изучены странные частицы, доказано нарушение четности в слабых взаимодействиях, открыты антинуклоны, экспериментально подтверждено существование е- и μ-ных нейтрино ( , ), изучена структура нуклонов, открыты резонансы. Наконец, четвертый этап ознаменован рядом успешных попыток систематизации накопленного материала. К настоящему моменту элементарных частиц обнаружено несколько десятков, а с учетом нестабильных частиц – резонансов – даже несколько сотен, то есть значительно превышает, например, число элементов, известных k моменту открытия Менделеевым его периодической системы элементов. При этом оказалось, что свойства многих из них связаны между собой и что их можно описать, введя представление о новых субэлементарных объектах – кварках. Таким образом, термин «элементарные частицы» снова становится не вполне удовлетворительным (хотя и явялется общепринятым). Все элементарные частицы превращаются друг в друга, и эти взаимные превращения – главный факт их существования. Представления о неизменности элементарных частиц оказались несостоятельными. Но идея об их неразложимости сохранилась. Главное свойство элементарных частиц – их способность рождаться при столкновении других частиц. Что же происходит при столкновении частиц сверхвысоких энергий? Они отнюдь не дробятся на составные части. Нет, они рождают новые частицы из числа тех, которые уже фигурируют в списке элементарных частиц. Чем > энергия сталкивающихся частиц, тем большее количество и притом более тяжелых частиц рождается. Возможность рождения новых частиц – релятивистский эффект, обусловленный соотношением Эйнштейна . Согласно этому соотношению, в баланс энергии при столкновении входят как кинетическая энергия сталкивающихся частиц, так и энергия, соответствующая их массам покоя. При столкновениях эти энергии могут переходить друг в друга. Рождаемые при столкновениях новые частицы никак нельзя рассматривать как составные части частиц – «родителей». Ведь «дочерние» частицы, если их ускорить, могут, не изменив своей природы, а только увеличив энергию (массу), породить в свою очередь при столкновениях сразу несколько таких же в точности частиц, какими были их «родители», да еще и множества других частиц. Как образно выразился Д.И. Блохинцев, при столкновениях p-p может породиться хоть вся Вселенная, была бы достаточно велика энергия столкновения. Античастицы. Существование античастиц было предсказано Дираком (1928г). В настоящее время известно, что, за немногими исключениями, всякой элементарной частице, в ом числе и электрически нейтральной, соответствует так называемая античастица. Частица и её античастица имеют в точности одинаковые массы, период полураспада и типы распада, если они не стабильны (единственным исключением являются нейтральные k-мезоны), а также одинаковые квантовые числа спина. Однако частица и античастица имеют противоположные электро-магнитные свойства. Если частица обладает электрическим зарядом, то её античастица имеет электрический заряд противоположного знака. Если векторы и собственного магнитного момента имеют в случае частицы одну взаимную ориентацию, то в случае античастицы они имеют противоположную взаимную ориентацию. Например, векторы и в случае направлены в противоположные стороны, а в случае они имеют одинаковые направления: : : Электрон и позитрон легко отличить друг от друга, так как они имеют заряды противоположного знака. Но даже когда частица нейтральна (например ,n), ее можно отличить от античастицы, если она имеет и спин, и магнитный момент : у одной из частиц направления и параллельны, а у другой и антипараллельны. Нейтрино электрически нейтральны, имеют спин, но не обладают магнитным моментом. Однако, так как ν существует лишь двигаясь со скоростью света, мы всегда (в любой системе отсчета) можем определить вектор импульса этих частиц, который направлен однозначно. Таким образом, ν отличается от ориентацией относительно . Векторы и всегда антипараллельны у ν и параллельны у . Если частица имеет массу покоя, то она не может (подобно ν) двигаться со скоростью света и поэтому всегда можно найти такую систему отсчета, в которой частица будет покоиться. Следовательно, направление импульса такой частицы неоднозначно. Если, кроме того, частица лишена спина ( и, следовательно, не имеет магнитного момента), то в этом случае частицу нельзя отличить от античастицы: частица такого типа тождественна своей античастице. подобно фотону относятся к этой категории частиц (Дж. Б. Мэрион). Массы, спины, изотоп спины и четности частицы и античастицы в точности равны. Знаки электрического и нуклонного зарядов, странностей, а также магнитных моментов частицы и античастицы противоположны. В вакууме античастицы имеют то же время жизни, что и частицы, так например, и стабильны. Отличительной особенностью пары – частица и античастица - являются их способность аннигилировать при встрече друг с другом, превращаясь в другие формы материи; при этом энергия, эквивалентная сумме масс покоя пары, переходит в энергию покоя и кинетическую энергию новых частиц или в энергию γ-квантов. Энергия покоя – самый грандиозный и концентрированный резервуар энергии во Вселенной. И только при аннигиляции она полностью высвобождается, превращаясь в другие виды энергии. Поэтому антивещество – самый совершенный источник энергий, самое калорийное «горючее». Наоборот, для рождения пары требуется затратить энергию, эквивалентную или превращающую ту, которая определяется их массами покоя. Открытие Дирака послужило основанием для формулировки общего свойства материи, названного зарядовым сопряжением, согласно которому наряду с частицей должна существовать её античастица. Известны 3 частицы, у которых античастиц не существует. Можно сказать, что такие частицы тождественны своим античастицам. Это - фотон, -мезон и -мезон, их называют абсолютно нейтральными. Фотон имеет спин, равный 1, однако в противоположность ν фотон может иметь спин, направленный либо в направлении движения фотона, либо противоположно ему. Поэтому между фотоном и «антифотоном» не существует различия. Кроме того, из квантовой теории следует, что нейтральную частицу нельзя отличить от её античастицы не потому, что их спин =0, а скорее потому, что эти частицы явялются бозонами: фотоны, пионы и эта-мезоны представляют собой бозоны. (Дж. Б. Мэрион) Фермионы (такие, как электроны и нуклоны) всегда возникают или аннигилируют парами; исключения из этого правила никогда не наблюдались. С другой стороны, бозоны (такие, как фотоны, пионы и k-мезоны) могут рождаться или поглощаться как по одному, так и группами по нескольку частиц. Конечно, энергия, импульс и заряд должны сохраняться в любом процессе – как при рождении частиц, так и при их аннигиляции. Принцип зарядового сопряжения (закон сохранения зарядовой четности) гласит, что законы природы не меняется для системы, в которой все частицы заменены античастицами. Этот принцип справедлив для сильных и электромагнитных взаимодействий, как выяснилось впоследствии. Иными словами, если исключить из рассмотрения слабое взаимодействие, то мир, составленный из частиц и античастиц, тождественны по своим свойствам. Первой античастицей, которую обнаружили экспериментально, был . В 1933 году впервые удалось наблюдать процесс образования пары и фотонами радиоактивных источников по фотографиям треков в камере Вильсона (1932 год - открытие в составе космических лучей). Антипротоны были зарегистрированы группой американских физиков в 1955 году при бомбардировке Cu –мишени протонами с энергией 6,2 ГэВ. Всего в первом опыте было зарегистрировано 60 . Антинейтроны впервые были получены в 1956 году. Атомы, ядра которых состоят их антинуклонов, а оболочка из позитронов, образуют антивещество. В 1965 году Брукхейвене (США) при помощи масс-спектрометра, примыкающего к Be-мишени 30 ГэВ ускорителя, было зарегистрировано несколько случаев образования антиядер дейтерия – антидейтонов. В 1970 году на Серпуховском ускорителе были получены ядра антигелия . Было выделено 5 антиядер среди других фоновых частиц. В 1973 году на Серпуховском ускорителе было открыто ещё одно антиядро – антитритий . Всего в эксперименте было зарегистрировано 4 ядра на частиц. Нейтрино также была предсказана теоретически в 1931 году в связи с процессами β-распада (опыт Аллена, 1942 год ). Но только в 1956 году удалось обнаружить прямое взаимодействие ν с веществом ( . Согласно принципу зарядового сопряжения у ν должна быть античастица . Действительно, уже экспериментальные данные 1956-1957 гг. свидетельствовали в пользу существования , отлично по своим свойствам от ν. В 1962 году был обнаружен совершенно новый факт: ν существует 2-х типов: при β-распаде образуется , а при распаде π-мезона образуется мюонное нейтрино . Эксперимент показал, что они отличаются по типу взаимодействий. Мезоны – частицы с массой, промежуточной между массами и p, были предсказаны в 1935 году Юкавой при построении теории ядерных сил. Эти частицы являются квантами ядерного поля, испускаются и поглощаются протонами и нейтронами в процессе взаимодействия, а при подходящих условиях могут породить нулон-антинуклонные пары. При аннигиляции нуклона с антинуклоном их энергия и импульс переходят к мезонам. Согласно Юкаве мезоны существуют в малой области ядерного взаимодействия ( ) в виртуальном (несвободном) состоянии. Любой нуклон окружен облаком виртуальных мезонов. Виртуальные мезоны недоступны наблюдению. Экспериментально мезоны Юкавы можно обнаружить только в том случае, если существуют условия для их образования в свободном состоянии. Так как для образования частицы с массой m необходима энергия , то одним из таких условий является избыток кинетической энергии у взаимодействующих нуклонов. В 30-х годах в распоряжении физиков еще не было ускорителей заряженных частиц на большие энергии. Единственным возможным источником процессов, происходящих при больших энергиях, могли быть только космические лучи. В 1938 году Андерсон и Неддермейер с помощью камеры Вильсона получили фотографию траектории заряженной частицы с массой ~200 me. Так как обнаруженная частица имеет массу, промежуточную между me и mp, то она была названа мезоном. В настоящее время их принято называть мюонами. Мюоны нестабильны и за время 2,2*10-6с распадаются по схеме: Мюон не взаимодействует с ядром, участвует только в слабых взаимодействиях и не может быть ответственным за поле ядерных сил. Подобно и , и является частицей и античастицей. Нейтрального мюона не существует. Свойства мюонов, тип взаимодействий, в которых они участвуют, аналогичны свойствам электронов. В этом смысле их часто и рассматривают как нестабильные тяжелые электроны. Возникает мюон в результате распада пиона. Из ядерной пассивности и малого времени жизни мюонов следует, что единственным источником их появления вблизи поверхности Земли должен быть распад других, более тяжелых ядерно-активных частиц. Этими частицами оказались π-мезоны, которые были открыты в 1947 году английским физиком Пауэллом, при помощи метода толстослойных фотографических пластинок. Последующие опыты показали, что существуют π-мезоны с электрическим зарядом (+), (-), и (0). Положительные и отрицательные π-мезоны нужно рассматривать соответственно как частицу и античастицу. . . Спины пионов =0. Все пионы нестабильны. Свойства пионов оказались именно такими, какие предсказывались теорией Юкавы. Было подтверждено сильное взаимодействие π-мезонов с ядрами. Поиски частиц Юкавы привели к открытию и другого семейства мезонов К-мезонов (каонов). Это еще более тяжелые частицы (нестабильные). . - частица, - античастица. Они могут распадаться самыми различными способами, преимущественно образуя π- и μ-мезоны. Кроме заряженных существуют 2 нейтральных зарядосопряженных и мезонов. . K –мезоны сильно взаимодействуют с ядрами и также могут быть квантами ядерного поля. Установлено существование еще одного мезона - (этон) с массой 1090 . Гипероны. После 1947 году было обнаружено существование целого класса нестабильных частиц, более тяжелых, чем протон, называемых гиперонами (лямбда–ноль-гиперон) M=2182 распадается преимущественно на p и π- -мезоны. – сигма гипероны. Для всех существуют свои античастицы. Гипероны и k-мезоны назвали странными частицами, так как обнаружили их неожиданные свойства. Резонансы – резонансные состояния элементарных частиц, представляющих короткоживущие образования (частицы), возникающие при взаимодействии элементарных частиц. Характерная особенность резонансов – их малое время жизни ( , то есть генерация и распад резонансов происходят практически в одной точке. В связи с этим их существование было обнаружено косвенными методами по наблюдению продуктов их можно рассматривать как кратковременную ассоциацию других элементарных частиц, например, пионов и гиперонов. В то же время резонансы имеют достаточно определенные значения энергии, заряда, спина, изотопического спина и по существу отличаются от других частиц только необычайно малым временем жизни. Поэтому внесение их в отдельный класс не означает признания принципиального отличия их от других частиц, это сделано больше для удобства систематизации. Почти все элементарные частицы нестабильны. Частиц стабильных в свободном состоянии, существует всего 9 (11) и 4 сорта нейтрино (6). Многие частицы имеют времена жизни, колоссальные по сравнению с характерным ядерным временем 10-23 с . Так нейтрон живет 11,7 мин, мюон 10-6 с, заряженный пион 10-8 с, гиперон и каоны 10-10 с . Все эти частицы распадаются только за счет слабых взаимодействий, то есть были бы стабильными, если бы слабых взаимодействий не существовало. Еще меньшее время (~10-16 с) существуют π0 и η-мезоны. Распад этих частиц обусловлен электромагнитными взаимодействиями. Наконец, существует большее количество резонансов, времена жизни которых столь близка к времени пролета, что многие из них частицами можно считать с большой натяжкой. Эти частицы называются резонансами, так как они регистрируются непосредственно, а по резонансам на кривых зависимости различных сечений от энергии, примерно так же, как например, уровни ядер идентифицируются по резонансам в сечениях ядерной реакций. Многие резонансные состояние часто трактуются как возбужденные состояния нуклонов и некоторых других частиц. В противовес многочисленности элементарных частиц взаимодействия между частицами свелись всего лишь к 4 функциональным типам взаимодействий: Сильные взаимодействия создают ядерные силы, то есть обеспечивают высокую устойчивость атомных ядер. Они создают высокоинтенсивные силы не только между нуклонами, но и между многими другими частицами – пионами, каонами, гиперонами и т.д. Кроме того, сильные взаимодействия приводят к интенсивному рождению новых частиц при столкновениях частиц высоких энергий. Но у сильных взаимодействий есть и слабые стороны, позволяющие в ряде ситуаций выдвигаться на первый план другим взаимодействиям. 1) Сильные взаимодействия – самые короткодействующие. Их роль быстро становится ничтожной при переходе к расстояниям > 10-15 м. Поэтому обеспечивая стабильность ядер, эти силы не влияют на атомные явления. 2) «слабым местом» сильных взаимодействий является их не универсальность. Существуют частицы (фотон, ) которые не подвержены их действию и не могут рождаться за счет сильных взаимодействий при столкновениях. Частицы, подверженные сильным взаимодействиям, называются адронами. Наконец, 3) ограничительным свойством сильных взаимодействий является то, что для них существует ряд законов сохранения, не выполняющихся по отношению к другим взаимодействиям. Для того, чтобы можно было сравнить силу различных взаимодействий частиц с соответствующим полем, по аналогии с кулоновскими электрическими зарядами вводится понятие ядерного заряда – g. Сила взаимодействия единичного заряда с полем определяется безразмерной константой связи, которая для случая ядерного поля равна. Электромагнитные взаимодействия. Их интенсивность значительно ниже сильных, но на много порядков выше остальных. Безразмерной константой связи, характеризующей их силу, является постоянная тонкой структуры α: В отдельных случаях электромагнитные взаимодействия оказываются конкурентоспособными по отношению к сильным даже в области действия последних. Например, именно кулоновскими силами объясняется процесс деления ядер. Но главной областью действия электромагнитных сил являются расстояния от 10-14 м до сантиметров. Тут и структура атомов, молекул, кристаллов, а также химические реакции, термические, механические свойства тел, силы трения, радиоволны и т.д. Часто электромагнитные взаимодействия играют роль и на космических расстояниях (излучения Солнца и звезд). Подобно сильным, электромагнитные взаимодействия имеют ряд свойств, ограничивающих проявление их мощи. 1) они у разных частиц проявляются с различной интенсивностью наиболее велики эти взаимодействия у электрически заряженных частиц. Слабее проявляются у нейтральных частиц с ненулевыми массой и спином. Такие частицы обладают магнитным моментом , где M – масса частицы. Через этот момент они в основном взаимодействуют с электромагнитным полем. Еще слабее электромагнитного взаимодействия проявляются у нейтральных безспиновых частиц, например, у нейтрального пиона. Наконец, ν практически не подвержены электромагнитным взаимодействиям. 2) Для электромагнитных взаимодействий соблюдаются некоторые из законов сохранения, которые нарушаются в слабых (но не в сильных) взаимодействиях. 3)Наконец, исключительно важным свойством является наличие как отталкивания, так и притяжения в законе Кулона. Из-за этого взаимодействия между атомами и вообще между любыми 2-мя телами с нулевыми суммарными зарядами имеет короткий радиус действия, несмотря на длиннодействующий характер кулоновских сил. Слабые взаимодействия на всех доступных исследованию расстояниях безнадежно малы по сравнению с сильными и электромагнитными взаимодействиями и не способны удерживать какие-либо частицы друг около друга, с тем чтобы образовались связанные состояния. Правда они быстро нарастают с уменьшением расстояний, и на расстояний м они могут стать сравнимыми с сильным. Но, исследования на такие расстояниях лежат вне технических возможностей. Слабые взаимодействия ответственны за β-распад ядер, распад элементарных частиц, за все процессы взаимодействия ν с веществом. β-распад: Распад заряженных мезонов: Слабые взаимодействия представляют собой несколько особый случай в том отношении, что «квантами поля» являются не отдельные частицы, а пары частиц , или , . Фотон является квантом электромагнитного поля. Ядерные взаимодействия осуществляются с помощью обмена π-мезонами – квантами ядерного поля. Для того, чтобы свести поле слабых взаимодействий к обычному типу вводится квант этого поля – промежуточный векторный бозон: и - бозоны и нейтральный бозон . Время их жизни с, а масса (В 1983 году все 3 векторных бозона были обнаружены экспериментально). Гравитационное взаимодействие – самое слабое взаимодействие. 1)дальнодействие 2) абсолютная универсальность 3) одинаковость знака сил между любой пар частиц. В мире элементарных частиц роль гравитации ничтожна. Сильные взаимодействия можно подразделить на сверхсильные и полусильные, различающиеся по интенсивности примерно на порядок. Всякое фундаментальное взаимодействие можно характеризовать тремя числовыми параметрами: интенсивностью, радиусом и временем, в течение которого осуществляется его элементарный акт. Их значения приведены в таблице.
Интенсивность электромагнитного взаимодействия связывают с элементарным зарядом е=1,6*10-19Кл. Однако это величина является размерной, а потому не совсем удобна. Гораздо удобнее и нагляднее задавать интенсивность электро-магнитного взаимодействия некой безразмерной комбинацией, составленной из элементарного заряда е и фундаментальных констант с и ħ. В нее должна входить также системная константа – электрическая постоянная ε0. Свое название она получила потому, что входит в квантово-механическую формулу для тонкого расщепления энергетических уровней атомов. Интенсивность других фундаментальных взаимодействий также связывают с соответствующими им «зарядами» (константами связи). Так, сильное взаимодействие нуклонов (pиn) описывалось в 50-е годы двумя полуфенологическими теориями, в которых роль «сильного заряда» , подобного е*, играют две разные величины g и f. Соответствующие безразмерные комбинаций аналогичные постоянной тонкой структуры: жүктеу/скачать 1,73 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|