1. Систематика элементарных частиц
жүктеу/скачать 2.04 Mb.
|
- Бұл бет үшін навигация:
- Переносчики взаимодействия.
- Всего -491 2. Законы сохранения в мире частиц Роль законов сохранения
- Таблица 4 Законы сохранения Энергии E универсальные
- 3. Адроны. Правило Накано – Нашиджими – Гелл-Манна
| 1. Систематика элементарных частиц
В своем развитии систематика элементарных частиц прошла несколько этапов. До недавнего времени при классификации учитывались следующие их характеристики: 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 τ. Практически все элементарные частицы, как уже говори- лось, 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 (τ → ∞) 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 ½. 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 π-, Κ- и η- мезоны, а так же множество мезонных 3 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 ядерным ~ 10-23 с) называют гиперонами. Это гипероны Λ, Σ, Ξ и Ω. Все гипероны имеют спин ½, за исключением Ω, спин которого 3/2. За время τ ~ 10-10 ÷ 10-19 с они распадаются на нуклоны и легкие частицы (π-мезоны, электроны, нейтрино, γ- кванты). Сведем для наглядности основную систематику элементарных частиц в табл. 1. Таблица 1
Пояснения к некоторым характеристикам частиц в этой таблице будут даны в дальнейшем по мере надобности. В соответствии с современной трактовкой все многообразие (около 500) частиц сводится (если не учитывать античастицы) к 12 фермионам – 6 кваркам и 6 лептонам, которые, участвуя в различных взаимодействиях (исключая гравитационное), обмениваются четырьмя бозонами (фотоном γ, глюоном g, бозонами W и Z). Эти 12 вышеупомянутых фермионов, имеющих спин ½, естественным образом делятся на три группы, которые принято называть поколениями. В каждом из поколений 2 кварка и 2 лептона (табл. 2).
Кварки и лептоны (их размер < 10-16 см) на современном уровне знаний точечны (бесструктурны), т.е. не состоят из более элементарных объектов. Их называют фундаментальными фермионами, и из них состоят все более крупные объекты – адроны, ядра, атомы, молекулы и т.д. Четыре вышеупомянутых бозона (γ, g, W и Z) имеют спин 1 и являются квантами трех фундаментальных полей – электромагнитного, сильного и 4 слабого. Эти частицы называются фундаментальными, или калибровочными бозонами (лагранжиан соответствующих им фундаментальных взаимодействий инвариантен относительно калибровочных преобразований; для описания таких взаимодействий используют калибровочные теории). Таким образом, наш мир можно свести к фундаментальным фермионам, взаимодействующим посредством обмена фундаментальными бозонами. Названия (обозначения) кварков происходят от английских слов: u (up), d (down), c (charm), s (strangeness), b (bottom, а так же beauty), t (top, а также truth). Кварки участвуют во всех видах взаимодействий. Лептоны не участвуют в сильных взаимодействиях. Все протяженные (≈ 10-13 см) сильновзаимодействующие частицы (включая резонансы), называются адронами и состоят из кварков. Есть два типа адронов: барионы – состоят из трех кварков (qi, qj, qk), не обязательно разных, имеют барионное квантовое число (заряд) В = 1 и полуцелый спин, т.е. являются фермионами; мезоны – состоят из кварка и антикварка (qi,  ), имеют барионный заряд В =0 и целый спин, т.е. являются бозонами.
Так, протон состоит из двух u-кварков и одного d-кварка (p = uud), нейтрон из двух d-кварков и одного u-кварка (n = udd). Протон и нейтрон – барионы. Кварковая структура Всеми вышеперечисленными типами частиц фундаментальные фермионы и бозоны, андроны (барионы+мезоны) и их античастицами исчерпываются известные элементарные частицы. Полное число частиц меняется, так как открываются новые частицы. Распределение этого числа по группам частиц (с учетом античастиц) дано в табл.3 (данные на 2000г.).
2. Законы сохранения в мире частиц Роль законов сохранения. Законы сохранения играют особо важную роль в физике элементарных частиц. Это обусловлено следующими двумя обстоятельствами. 5 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. В процессе взаимодействий и превращений частиц выполняется ряд законов сохранения. Они двух типов - аддитивные и мультипликативные (разъяснение ниже в этом разделе). Ряд законов сохранения универсален, т.е. выполняется всегда (при всех взаимодействиях). Другие в некоторых взаимодействиях не выполняются (нарушаются). К универсальным законам сохранения относятся те, которые обусловлены инвариантностью уравнений движения относительно трансляций (сдвигов) в пространстве и во времени. С этими типами симметрий – однородностью пространства и времени – связано существование законов сохранения импульса и энергии изолированных систем частиц. Изотропность 3-мерного пространства, т.е. инвариантность уравнений движения относительно поворотов (вращений), приводит к закону сохранения момента количества движения. Если преобразование волновой функции, отвечающее закону сохранения, имеет непрерывный характер (т.е. может быть как угодно малым), то соответствующий закон сохранения аддитивен, т.е. в реакции a + b  c + d +… (1)
сохраняется сумма соответствующих характеристик (или квантовых чисел): Na + Nb = Nc + Nd + … = const. (2) Трансляции и повороты – непрерывные преобразования и соответствующие законы сохранения (энергии, импульса и момента количества движения) – аддитивны. Аддитивными сохраняющимися величинами являются также электрический заряд Q, барионное квантовое число (барионный заряд) В, лептонное квантовое число (лептонный заряд) L, изоспин I, а также ряд других квантовых чисел, имеющих кварковую природу – странность (strangeness) S, очарование (charm) C, Bottom (Beauty- красота) В, Top (Truth-истина) Т. С какими типами симметрий связаны законы сохранения всех этих аддитивных квантовых чисел (Q, B, L, I, S, C, B, T)? В настоящее время
известен ответ лишь для электрического заряда Q и изоспина I. Так, сохранение изоспина в сильных взаимодействиях - следствие инвариантности этого взаимодействия относительно поворотов в специальном изоспиновом (зарядовом) пространстве. Сохранение же электрического заряда, как можно показать, есть следствие того, что не существует способа измерить абсолютное значение электрического потенциала и во всех соотношениях он является относительной величиной. Не возникает никаких новых физических явлений, если этот потенциал изменить (сдвинуть) на одно и то же значение во всех точках пространства. Такой одинаковый сдвиг (одинаковую калибровку) шкалы потенциала во всем пространстве называют глобальным, а неизменность физических уравнений к такого рода преобразованиям – глобальной калибровочной симметрией (инвариантностью). В квантовой физике существует калибровочная инвариантность и другого типа - инвариантность к изменению фазы волновой функции. Нет способа определить абсолютное значение фазы волновой функции. Последняя относительна и любое взаимодействие должно быть инвариантно к изменению этой фазы, причем фаза может меняться различным образом в различных точках пространства – времени. Такая локальная калибровочная симметрия должна быть присуща всем квантовым теориям поля. Из нее следует существование калибровочных сил, действие которых осуществляется обменом калибровочными бозонами, и сохранение источника поля – соответствующего заряда. Барионное квантовое число (или барионный заряд) В имеют лишь барионы - адроны с полуцелым спином. Для них В = +1, для антибарионов В = -1. Барионный заряд сохраняется в сильных, электромагнитных и слабых взаимодействиях. Лептонное квантовое число L (лептонный заряд) присущ только лептонам. Существует три типа лептонного заряда Le, L  и L ,каждый из которых сохраняется в отдельности. Лептонным зарядом Le = +1 обладают лептоны 1-го поколения ( e, e-); Lμ = +1 для лептонов 2-го поколения (μ,-) и L=+1 для лептонов 3-го поколения (,- ). У антилептонов соответствующий лептонный заряд -1 (Le= -1 для  e и e+; Lμ= -1 для μ и +; L=-1 для и
τ+). Протон – самый легкий барион, и если закон сохранения барионного заряда абсолютен, то протон должен быть стабильной частицей. Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что время жизни протона Если преобразование волновой функции, отвечающее закону сохранения, дискретно, то соответствующий закон сохранения мультипликативен, т.е. в реакции (1) сохраняется произведение соответствующих характеристик (квантовых чисел) 7 Na ∙ Nb = Nc ∙ Nd … = const. (3) Пример дискретных преобразований – операция зеркального отражения (пространственной инверсии). Инвариантность к такому преобразованию приводит к квантовому числу – четности P. Все взаимодействия, кроме слабого, инвариантны к пространственной инверсии и для них справедлив закон сохранения P-четности в мультипликативной форме. Приведем перечень законов сохранения, действующих в мире частиц, с указанием их статуса. Эти законы можно разделить на два класса – универсальные (действующие во всех взаимодействиях) и те, которые в некоторых взаимодействиях не выполняются (табл.4). Таблица 4 Законы сохранения 
И 7 Проекции изоспина I3
Первые шесть законов универсальны, т.е. выполняются всегда (во всех взаимодействиях). Изоспин сохраняется только в сильных взаимодействиях. Остальные законы сохранения не выполняются в слабых взаимодействиях. Мы видим, что в мире частиц действует много новых законов сохранения (с 9-го по 12-й). Эти четыре закона, а так же, как мы увидим ниже,
Закон сохранения изоспина, напрямую связаны с кварковой структурой адронов, т.е. со специфическими квантовыми числами, присущими кваркам. Квантовое число странность было введено в 1953 г. Гелл-Манном задолго до появления кварковой модели. Название этого квантового числа происходит от казавшегося странным поведения некоторых частиц, которые рождались только парами, а распадались по одиночке. Так, наблюдались два процесса
(4)
0 + 0 = -1 + 1 Λ  p + π-,
(5)
-1 ≠ 0 + 0 Первый из них - рождение частицы Λ- происходит быстро (за время ≈ 10-23 с), т. е. за счет сильного взаимодействия. Второй – распад Λ - сравнительно медленно (≈ 10-10 с), за счет слабого взаимодействия. Важно то, что частица Λ в первой реакции появляется только в паре с другой (Κ0). Распадается же Λ вполне «самостоятельно» с образованием тех же двух частиц р и π-, столкновение которых приводит к появлению Λ совместно с Κ0. Существование двух обсуждаемых процессов можно объяснить введением нового квантового числа (странности S), которое равно нулю для p и π-, -1 для Λ и +1 для Κ0. Если при этом предположить, что странность сохраняется в сильных взаимодействиях и не сохраняется в слабых, то процессы (4) и (5) получают объяснение (квантовые числа странности приведены под символами частиц в процессах (4) и (5)). В заключение этого раздела сформулируем точное различие частицы и античастицы. При переходе от частицы к античастице (и наоборот) знаки всех аддитивных квантовых чисел (имеющих смысл зарядов различного типа) меняются на противоположные, т. е. меняют знак Q, B, Le, Lμ, Lτ, I3, S, C, B, T, а также магнитный момент частицы, так как он пропорционален электрическому заряду Q; не меняются масса частицы, ее спин, изоспин I, величина магнитного момента, время жизни и способ распада частицы (с заменой всех частиц распада на античастицы). Так, из (5) следует, что частица 9
(6) +1 ≠ 0 + 0 Цифры под символами античастиц в (6) – их квантовые числа странности. Электрический заряд антипротона (в единицах е) равен -1. Если все аддитивные квантовые числа (заряды) частицы равны нулю, то такая частица тождественна своей античастице, т.е. ничем от нее не отличается. Подобные частицы называются истинно нейтральными. Примерами таких частиц являются фотон (γ), π0- мезон и Z- бозон. 3. Адроны. Правило Накано – Нашиджими – Гелл-Манна Адроны - это протяженные частицы, участвующие в сильных взаимодействиях. Их около 450. Это самый обширный класс частиц. Как уже говорилось, адроны с полуцелым спином (фермионы) называют барионами (для них барионное число В = 1). Адроны с целым и нулевым спином (бозоны) называют мезонами (В = 0). Довольно давно было известно, что адроны неточечны и имеют размер ≈ 1 Фм. Лишь с появлением кварковой модели удалось навести порядок в обширном семействе адронов. Решающее значение для классификации адронов имело правило (формула), установленное Накано, Нашиджимой и Гелл-Манном в 1953 г., которое для краткости мы будем называть правилом ННГ. Было обнаружено, что - и барионы (антибарионы), и мезоны (антимезоны) образуют группы по 8-10 частиц с одинаковым спином и четностью Jp (эти группы называют супермультиплетами); - характеристики адронов связаны правилом ННГ и в диктуемой этим правилом координатной плоскости суnермультиnлеты образуют фигуры с высокой степенью симметрии. Правило ННГ связывает электрический заряд адрона Q (в единицах е), его третью проекцию изоспина I3, барионный заряд В и странность S выражением Q = I3 +  (7)
или
Q = I3 +  , (8)
где Y – так называемый гиперзаряд. 10 Формулы (7) и (8) – это обобщение связи между зарядом Q частицы и ее проекцией изоспина I3. В качестве примеров в дальнейшем будем рассматривать три супермультиплета (два барионных и один мезон/антимезонный), в которые группируются самые легкие адроны:
Δ++ , Δ+ , Δ0 , Δ- , Σ+* , Σ0* , Σ-* , Ξ0* , Ξ-* , Ω-. (9)
жүктеу/скачать 2.04 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
+ и 
, 
d (черта сверху обозначает античастицу).
,W +, Z)
зоспина I выполняется только в сильном взаимодействии
.
Λ + Κ0?
(антилямбда-гиперон) распадается следующим образом: 
+ π+
;