Лекции и конспекты по физике

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

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 (νе), мюонное нейтрино (νμ), таонное нейтрино (ντ). Кроме того, у каждого лептона имеется антилептон. Всем лептонам приписывается свой лептонный заряд: электрону и электронному нейтрино Le= 1, мюону и его нейтрино Lμ= 1, таону и его нейтрино Lτ= 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 Тz, 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 Тz и S).

Классы

Частицы

Символ*

Спин

Заряды

Изоспин

Стран-

ность

q/е

Le

В

Т

Тz

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

νе

½

0

+1

0

-

-

-

νμ

½

0

+1

0

-

-

-

ντ

½

0

+1

0

-

-

-

Мезоны

Пи-мезоны

π0

0

0

0

0

1

0

0

 

π+ π -

0

+1

0

0

1

+1

0

 

Ка-мезоны

 

0

+1

0

0

½

+1

 

   

0

0

0

0

½

+1

 

Барионы

Протон

 

½

+1

0

+1

½

0

 

Нейтрон

 

½

0

0

+1

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

-2

 

 

½

-1

0

+1

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 (Le, Lμ, Lτ) и барионный заряд (В). В процессах взаимопревращений частиц, вызванных сильным взаимодействием, сохраняются также изоспин (Т) и его проекция (Тz), 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

Тz

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. .

2.

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 Lμ ( 0 ≠ 1 + 0 + 0).

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

Атомное ядро. Закон радиоактивного распада