Материал: Иродов. т5 Квантовая физика Основные законы. 2014, 256с

2.Электромагнитные взаимодействия осуществляются через электромагнитное поле. Они значительно слабее сильных взаимодействий, однако из-за дальнодействия электромагнитные силы во многих случаях оказываются главными. Именно эти силы вызывают разлет осколков, которые образуются при делении атомных ядер. Эти силы ответственны за все электрические и магнитные явления, наблюдаемые нами в различных формах их проявления: оптических, механических, тепловых, химических и т. д.

3.Слабые взаимодействия весьма малы по сравнению с сильными и электромагнитными. Слабые взаимодействия являются универсальными: они присутствуют во всех взаимодействиях.

4.Гравитационные взаимодействия самые слабые. Они универсальны. Но для элементарных частиц эти взаимодействия никакого значения не имеют, поэтому современная физика элементарных частиц — это физика без гравитации. В связи с этим в дальнейшем под фундаментальными мы будем понимать только сильные, электромагнитные и слабые взаимодействия.

Практически все элементарные частицы являются нестабильными (за исключением фотона, электрона и трех нейтрино). Время жизни таких частиц варьируется в пределах от 10–18 до 10–11 с (у так называемых резонансов еще меньше). Но в некоторых случаях оно оказывается весьма продолжительным: например, среднее время жизни свободного нейтрона составляет 11,7 мин.

§ 9.2. Систематика элементарных частиц

Бозоны и фермионы. Все частицы (включая и неэлементарные и так называемые квазичастицы) подразделяют на бозоны и фермионы. Бозоны — это частицы с нулевым или целочисленным спином (фотон, мезоны и др.). Фермионы же — это частицы с полуцелым спином (электрон, мюон, таон, нейтрино, протон, нейтрон и др.).

Время жизни t. Практически все элементарные частицы, как уже говорилось, являются нестабильными, распадаясь на другие частицы. По времени жизни различают стабильные,

квазистабильные и так называемые резонансы. Резонансами называют частицы, распадающиеся за счет сильного взаимодействия с временем жизни 10–23 с. Нестабильные частицы с временем жизни, превышающим 10–20 с, распадаются за счет электромагнитного или слабого взаимодействия. По сравнению с характерным ядерным временем (10–23 с) время 10–20 следует считать большим. По этой причине их и называют квазистабильными. Стабильными же частицами () & ) являются только фотон, электрон, протон и нейтрино.

Переносчики взаимодействия. Это особая группа элементарных частиц, в которую входят фотоны (переносчики электромагнитного взаимодействия), родственные им W- и Z-бозоны (переносчики слабого взаимодействия), так называемые глюоны (переносчики сильного взаимодействия) и гипотетические

гравитоны.

Все остальные частицы подразделяют по характеру взаимодействий, в которых они участвуют, на лептоны и адроны.

Лептоны. Это частицы, не участвующие в сильных взаимодействиях и имеющие спин 1/2. К ним относятся электроны, мюоны, таоны и соответствующие им нейтрино. Лептоны принимают участие в слабых взаимодействиях. За исключением нейтрино, лептоны участвуют и в электромагнитных взаимодействиях.

Все лептоны можно отнести к истинно элементарным частицам, поскольку у них, в отличие от адронов, не обнаружена внутренняя структура.

Адроны. Так называют элементарные частицы, участвующие в сильных взаимодействиях. Как правило, они участвуют и в электромагнитном, и в слабом взаимодействиях. Эти частицы образуют самую многочисленную группу частиц (свыше 400).

Адроны подразделяют на мезоны и барионы.

Мезоны — это адроны с нулевым или целочисленным спином ( т. е. бозоны). К ним относятся -, K- и -мезоны, а также множество мезонных резонансов, т. е. мезонов с временем жизни 10–23 с.

Барионы — это адроны с полуцелым спином ( т. е. фермионы) и массами, не меньшими массы протона. К ним относятся

нуклоны (протоны и нейтроны), гипероны и множество барионных резонансов. За исключением протона, все барионы нестабильны. Нестабильные барионы с массами, большими массы протона, и большим временем жизни (сравнительно с ядернымΑ–23 с) называют гиперонами. Это гипероны Ο, Π, Θ и . Все гипероны имеют спин 1/2, за исключением , спин которого 3/2. За время ) 10–10 Κ 10–19 c они распадаются на нуклоны и легкие частицы ( -мезоны, электроны, нейтрино, Λ-кванты).

Сведем для наглядности основную систематику элементарных частиц в табл. 9.2.

Более подробно классификация элементарных частиц приведена в таблице на заднем форзаце. Пояснения к некоторым характеристикам частиц в этой таблице будут даны в дальйшем по мере надобности.

§ 9.3. Античастицы

Частицы и античастицы. Существование античастиц является универсальным свойством элементарных частиц. Каждой частице соответствует своя античастица: например, электрону e– — позитрон e , протону p — антипротон p–, нейтрону n —

антинейтрон ~ и т. д. Позитрон и антипротон отличаются от n

электрона и протона прежде всего знаком электрического заряда. Антинейтрон отличается от нейтрона знаком магнитного момента.

В общем случае античастица отличается от частицы только знаками так называемых зарядов (электрического, барионного, лептонного, странности), с которыми связаны определенные законы сохранения (подробнее об этом в следующем параграфе).

Такие же характеристики как масса, спин, время жизни у них одинаковы.

В некоторых случаях античастица совпадает со своей частицей, т. е. все свойства частицы и античастицы одинаковы. Такие частицы называют истинно нейтральными. К ним относятся, например, фотон Λ, !-мезон и !-мезон.

Понятия частицы и античастицы относительны. Электрон считают частицей, а позитрон — античастицей только потому, что во Вселенной преобладают именно электроны, а позитроны более экзотические частицы. Условившись считать электрон и протон частицами, далее с помощью законов сохранения можно однозначно установить, чем является каждая элементарная частица — частицей или античастицей (см. пример в следующем параграфе).

Аннигиляция и рождение пар. При встрече электрона c позитроном происходит их аннигиляция, т. е. превращение их в Λ-кванты, например так:

e– e & Λ Λ.

Заметим, что один Λ-квант при этом излучиться не может: в этом случае нарушался бы закон сохранения импульса. Это легко понять, если рассмотреть процесс в Ц-системе, где суммарный импульс электрона и позитрона равен нулю.

Существует процесс, обратный аннигиляции, — рождение пар: Λ-квант может породить пару e e–. Для этого необходимо, чтобы энергия Λ-кванта была не меньше собственной энергии пары 2mec2. Этот процесс может происходить только в поле атомного ядра, иначе нарушался бы закон сохранения импульса. В самом деле, в Ц-системе суммарный импульс образовавшейся пары был бы равен нулю, тогда как импульс породившего ее Λ-кванта отличен от нуля. При наличии атомного ядра импульс Λ-кванта будет восприниматься ядром без нарушения закона сохранения импульса.

Пример. Определим наименьшую энергию Λ-кванта, мин, при которой возможно рождение пары электрон-позитрон на покоившемся протоне:

Λ p & p e– e .

Воспользуемся инвариантностью выражения (П.3 ), т. е. E2 – p2 m2, записав левую часть равенства в Л-системе, а правую — в Ц-системе:

( мин mp)2 – 2мин (mp 2me)2,

где учтено, что pмин мин , и тот факт, что все три частицы в Ц-системе должны покоиться при мин. После раскрытия скобок и сокращения соответствующих слагаемых получим:

мин 2me(1 me/mp) % 2me 1,02 МэВ.

Аннигилируют не только электрон с позитроном, но и любая другая частица со своей античастицей. Однако при аннигиляции тяжелых частиц и античастиц возникают преимущественно-мезоны (доля Λ-квантов весьма мала). Это обусловлено проявлением различных типов взаимодействий: аннигиляция электрона с позитроном вызывается электромагнитным взаимодействием, тогда как аннигиляция более тяжелых частиц — адронов — сильным взаимодействием.

§ 9.4. Законы сохранения

Роль законов сохранения. Законы сохранения играют особо важную роль в физике элементарных частиц. Это обусловлено следующими двумя обстоятельствами.

1.Они не только ограничивают последствия различных взаимодействий, но определяют также все возможности этих последствий, и поэтому отличаются высокой степенью предсказательности.

2.В этой области открытие законов сохранения опережает создание последовательной теории. Многие законы сохранения для элементарных частиц уже установлены из опыта, а соответствующие фундаментальные законы их поведения еще неизвестны. Поэтому законы сохранения играют здесь главенствующую роль и позволяют анализировать процессы, механизм которых еще не раскрыт.

Для элементарных частиц выполняется гораздо больше законов сохранения, чем для макроскопических процессов. Все эти законы подразделяются на точные и приближенные. Точные законы сохранения выполняются во всех фундаментальных взаимодействиях, а приближенные — только в некоторых.