Московский государственный технический

4. ФИЗИКА ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

Основные теоретические сведения

В современной физике элементарными называются частицы, не являющиеся атомами или их ядрами (исключение составляет протон). Кроме протонов к ним относятся фотоны, электроны, нейтроны, мезоны, гипероны – всего более 350 названий частиц. Благодаря новым открытиям их число продолжает расти. Микроскопические массы и размеры элементарных частиц обусловливают квантовый характер их поведения. Поэтому каждая элементарная частица описывается набором дискретных значений определенных физических величин. В ряде случаев эти дискретные значения выражаются через целые или дробные числа (их называют квантовыми числами) и некоторый общий множитель – единицу измерения. При описании элементарных частиц часто задают только эти числа, опуская единицы измерения. Общими характеристиками всех элементарных частиц являются масса m, время жизни τ, спин J и электрический заряд q. В зависимости от времени жизни элементарные частицы делятся на стабильные (τ > 10²¹ лет), квазистабильные (τ > 10^-20 с) и нестабильные (τ ≈ 10^-22 – 10^-24 с). Большинство частиц имеют античастицы («двойники»), отличающиеся от них лишь знаком некоторых характеристик взаимодействия (например, электрического заряда, магнитного момента). Обозначаются античастицы либо с противоположным знаком заряда (электрон е^- , позитрон е⁺), либо над символом частицы ставится знак тильда (протон р, антипротон ).

Существует много возможностей для систематики элементарных частиц: по времени жизни, по массе, по наличию или отсутствию электрического заряда, по участию в фундаментальных взаимодействиях (сильном, электромагнитном и слабом) и т.п. Обычно элементарные частицы подразделяются на три основные группы (таблица 6). В одну из них выделяется только одна частица – фотон, который участвует только в электромагнитном взаимодействии. Вторую группу образуют частицы, которые участвуют только в электромагнитном и слабом взаимодействии. Их называют лептонами. К третьей группе относятся адроны, характеризующиеся наличием у них (наряду со слабым и электромагнитным) сильного взаимодействия. Наличие гравитационного взаимодействия у всех элементарных частиц подразумевается.

Таблица 6. Классификация элементарных частиц.

Классы частиц		Тип взаимодействия	Спин	Лептонный заряд	Барионный заряд
Фотон		Электромагнитное	1	0	0
Лептоны		Слабое и электромагнитное		1	0
Адроны	Мезоны	Сильное, слабое и электромагнитное	Целый	0	0
Адроны	Барионы	Сильное, слабое и электромагнитное	Полуцелый	0	1

Лептоны

Все лептоны не участвуют в сильном взаимодействии и имеют спин (таблица 7). Известно три заряженных лептона: электрон (е^-), мюон (μ^-) и таон (τ^-). Каждому из них соответствует нейтральная частица: электронное нейтрино (ν_е), мюонное нейтрино (ν_μ), таонное нейтрино (ν_τ). Кроме того, у каждого лептона имеется антилептон. Всем лептонам приписывается свой лептонный заряд: электрону и электронному нейтрино L_e= 1, мюону и его нейтрино L_μ= 1, таону и его нейтрино L_τ= 1. Для соответствующих античастиц лептонные заряды имеют противоположный знак. Считается, что во всех без исключения взаимодействиях соблюдаются законы сохранения лептонных зарядов.

Адроны

Как уже отмечалось, адроны участвуют в сильном, слабом и электромагнитном взаимодействии. Принято подразделять адроны на две подгруппы: мезоны и барионы. Мезонами называются адроны с целыми спинами (т.е. бозоны). У барионов спин полуцелый. Кроме того барионам приписывается барионный заряд В = 1, антибарионам - В = -1. У всех остальных частиц В = 0. Для всех процессов, протекающих с участием барионов и антибарионов выполняется закон сохранения барионного заряда.

Все адроны разбиваются на небольшие семейства – изомультиплеты, членам которых приписывается одинаковое значение изоспина Т. Члены изомультиплета различаются значением проекции изоспина Т_z, изменяющейся в пределах мультиплета от -Т до +Т. При сильных взаимодействиях выполняется закон сохранения изоспина и закон сохранения проекции изоспина.

В 50-х годах прошлого века были открыты так называемые странные адроны. В связи с их странным по тем временам поведением для адронов ввели еще одно квантовое число – странность S. Закон сохранения странности выполняется только при сильных взаимодействиях.

Таблица 7. Квантовые числа некоторых элементарных частиц (античастицы имеют одинаковые с частицей значения спина, изоспина, но противоположные по знаку значения зарядов q, L и В, а также Т_z и S).

Классы	Частицы	Символ*	Спин	Заряды						Изоспин		Стран- ность
Классы	Частицы	Символ*	Спин	q/е	L_e	L_μ	L_τ	В	Т		Т_z	S
Фотон			1	0	0	0	0	0	-		-	-
Лептоны	Электрон	е^-	½	-1	+1			0	-		-	-
	Мюон	μ^-	½	-1		+1		0	-		-	-
	Тау	τ^-	½	-1			+1	0	-		-	-
	Нейтрино	ν_е	½	0	+1			0	-		-	-
		ν_μ	½	0		+1		0	-		-	-
		ν_τ	½	0			+1	0	-		-	-
Мезоны	Пи-мезоны	π⁰	0	0	0			0	1		0	0
	Пи-мезоны	π⁺ π ^-	0	+1	0			0	1		+1	0
	Ка-мезоны		0	+1	0			0	½		+½	+1
	Ка-мезоны		0	0	0			0	½		-½	+1
Барионы	Протон		½	+1	0			+1	½		+½	0
	Нейтрон		½	0	0			+1	½		-½	0
	Ламбда-гиперон		½	0	0			+1	0		0	-1
	Сигма-гипероны		½	+1	0			+1	1		+1	-1
			½	0	0			+1	1		0	-1
			½	-1	0			+1	1		-1	-1
	Кси-гипероны		½	0	0			+1	½		+½	-2
	Кси-гипероны		½	-1	0			+1	½		-½	-2
	Омега-гиперон			-1	0			+1	0		0	-3

* Справа указаны символы соответствующих античастиц.
Смысл введённых квантовых чисел в том, что они сохраняются в определённых классах взаимопревращений частиц. Во всех фундаментальных взаимодействиях частиц сохраняются энергия, импульс, момент импульса, электрический заряд (q), лептонные заряды (L_e, L_μ, L_τ) и барионный заряд (В). В процессах взаимопревращений частиц, вызванных сильным взаимодействием, сохраняются также изоспин (Т) и его проекция (Т_z), странность (S), очарование (С) и другие квантовые числа.

Кварки

Согласно современным представлениям все адроны состоят из кварков (Q) - дробнозаряженных фундаментальных частиц. Имеется 6 сортов (или «ароматов») кварков (u, d, s, c, t, b). Значения основных квантовых чисел первых четырех кварков (необходимых для решения предлагаемых ниже задач) и их антикварков приведены в таблице 8. Кварковая гипотеза позволила систематизировать известные частицы, объяснить их свойства и предсказать ряд новых частиц.

Таблица 8. Основные квантовые числа кварков

Наименование кварка	Символ	Заряд	Спин	В	Т	Т_z	S	C
Верхний (up)	u						0	0
Нижний (down)	d						0	0
Странный (strange)	s				0	0	-1	0
Очарованный (charm)	c				0	0	0	1
Антикварки							0	0
							0	0
					0	0	1	0
					0	0	0	-1

Каждый мезон М строится из одного кварка и одного антикварка , каждый барион В - из трёх кварков:

М= , В= . (4.1)

В состав обычных адронов входят только кварки u и d, странные адроны включают еще один или несколько кварков s.

Литература.

Савельев И.В. Курс общей физики. Учебн. пособие. В 5 кн. Кн.5. Квантовая оптика. Атомная физика. Физика твердого тела. Физика атомного ядра и элементарных частиц. – М.: Наука. 1998. Гл.11.
Трофимова Т.И. Курс физики. Учебн. пособие. –М.: Высш. шк. 1990. Гл. 33.

Примеры решения задач

Пример 9

Указать причины, запрещающие нижеследующие процессы:

1. .

3. .

4. .

5. .

6. .

Решение

Проверим выполнимость законов сохранения в каждой из приведенных реакций.

В процессе 1 нарушается закон сохранения энергии – импульса. В частности, в системе отсчета центра масс, где сигма-минус-гиперон покоится, его энергия равна МэВ, что меньше суммы энергий покоя продуктов распада Мэв.

В процессе 2 нарушается закон сохранения барионного заряда. Действительно, в начальном состоянии он равен В = 0 + 1 = 1, а в конечном В = 0 + 0 = 0.

В процессе 3 нарушается закон сохранения электрического заряда (-1+ 0 ≠ -1 + 1).

В процессе 4 нарушается закон сохранения странности (0+ 0 ≠ -1-1).

В процессе 5 нарушается закон сохранения лептонного заряда L_μ ( 0 ≠ 1 + 0 + 0).

В процессе 6 нарушается закон сохранения лептонного заряда L_e. До распада L_e = 0, а после распада L_e = 2.

Пример 10

Найти кварковый состав π⁺ -мезона и протона р.

Решение

Любой адрон легко построить из кварков, зная его квантовые числа и формулы (4.1). При этом квантовые числа частиц должны совпадать с квантовыми числами соответствующей комбинации кварков (таблицы 7 и 8).

π⁺ имеет состав ,

р имеет состав .

Задачи для самостоятельного решения

9.1- 9.25. Проверить выполнимость законов сохранения лептонного заряда, барионного заряда, изотопического спина и его проекции, странности в процессе, приведенном в таблице 9.

Таблица 9.

Номер задачи	Процесс	Номер задачи	Процесс
9.1		9.14
9.2		9.15
9.3		9.16
9.4		9.17
9.5		9.18
9.6		9.19
9.7		9.20
9.8		9.21
9.9		9.22
9.10		9.23
9.11		9.24
9.12		9.25
9.13

10.1 – 10.25. Для нечетных номеров задач найти кварковый состав указанного в таблице 10 адрона, для нечетных номеров идентифицировать адрон по его кварковому составу, приведенному в таблице 10.

Таблица 10

Номер задачи	Адрон	Кварковый состав	Номер задачи	Адрон	Кварковый состав	Номер задачи	Адрон	Кварковый состав
10.1		?	10.10	?		10.18	?
10.2	?		10.11		?	10.19		?
10.3		?	10.12	?		10.20	?
10.4	?		10.13		?	10.21		?
10.5	π ^-	?	10.14	?		10.22	?
10.6	?		10.15		?	10.23		?
10.7		?	10.16	?		10.24	?
10.8	?		10.17		?	10.25		?
10.9		?

<< предыдущая страница