Во всех процессах происходящих в природе разности общего числа барионов и антибарионов сохраняется.

Барионное число В является аддитивным квантовым числом. Барионное число В = +1 имеют такие частицы как нуклон (p, n), гипероны (, ,...) резонансы (,...). Соответствующие античастицы имеют барионное число B = -1. Мезоны и лептоны имеют барионное число B = 0.
Барионные числа наблюдающих частиц легко получить если приписать кваркам барионное число В = , а антикваркам В = . Тогда все частицы состоящие из трех кварков (барионы) будут иметь барионное число В = +1, частицы состоящие из трех антикварков (антибарионы) - В = -1, частицы состоящие из кварка и антикварка (мезоны) - В = 0.

Конфа́йнмент — явление в физике элементарных частиц, состоящее в невозможности получения кварков в свободном состоянии, поскольку в экспериментах наблюдаются только агрегаты кварков, состоящие из двух (мезоны) или трёх (барионы) кварков. Тем не менее имеются веские указания в пользу того, что сами кварки существуют: кварки хорошо описывают систематику элементарных частиц и наблюдаются внутри них в качестве партонов при глубоко неупругих столкновениях.

Неупру́гое рассе́яние — столкновение частиц (включая столкновения с фотонами), сопровождающееся изменением их внутреннего состояния, превращением в другие частицы или дополнительным рождением новых частиц.

Асимптоти́ческая свобо́да — физический эффект, возникающий в некоторой калибровочной теории, в которой взаимодействие между частицами, такими как кварки, становится каким угодно малым при уменьшении расстояния между частицами. Другими словами в асимптотическом пределе частицы перестают взаимодействовать и становятся свободными.

Парто́н — точечноподобная составляющая адронов, проявляющаяся в экспериментах по глубоко неупругому рассеянию адронов на лептонах и других адронах. Партонная модель была предложена Ричардом Фейнманом в 1969 году. После экспериментального обнаружения скейлинга Бьоркена, подтверждения кварковой модели и асимптотической свободы в квантовой хромодинамике, партоны были отождествлены с кварками и глюонами, составляющими адроны. Партонная модель является хорошим приближением для взаимодействий адронов при высоких энергиях.

Кварки должны иметь дробный электрический заряд или . Барионы "конструировались" из трех кварков, мезоны "конструировались" из кварка и антикварка.

Каждый кварк обладает новым внутренним квантовым числом, условно называемым цветовым зарядом, или просто цветом. Термин «цвет», конечно же, не имеет никакого отношения к оптическим цветам и введён исключительно для целей популяризации. Дело в том, что инвариантная в цветовом пространстве комбинация есть сумма трёх различных цветов. Это напоминает то, что сумма трёх основных оптических цветов — красного, зелёного и синего — дает белый цвет, то есть бесцветное состояние. Именно в этом смысле базисные векторы в цветовом пространстве часто называют не первый, второй, третий, а «красный» (к), «зелёный» (з) и «синий» (с). Антикваркам соответствуют анти-цвета (ак, аз, ас), причём комбинация «цвет + антицвет» тоже бесцветна. Глюоны же в цветовом пространстве есть комбинации «цвет-антицвет».

Глюоны - частицы со спином и нулевой массой переносят сильное цветное взаимодействие между кварками. При испускании или поглощении глюона кварки изменяют свой цвет. При этом остальные квантовые числа кварка и его аромат не изменяются.

Сильное взаимод-е. Этот вид взаимодействия обеспечивает связь нуклонов в ядре. Интенсивность взаимод-я принято характеризовать с помощью константы взаимод-я, которая представляет собой безразмерный параметр, определяющий вероятность процессов, обусловленных данным видом взаимод-я. Отнош-е значений констант дает относительную интенсивность соответствующих взаимод-й. Константа сильного взаимод-я имеет величину . Радиус действия см. Адроны — частицы, участвующие во всех видах фундаментальных взаимодействий. Они состоят из кварков и подразделяются, в свою очередь, на: мезоны (адроны с целым спином, то есть бозоны); барионы (адроны с полуцелым спином, то есть фермионы). К ним, в частности, относятся частицы, составляющие ядро атома, — протон и нейтрон. Мезоны – сильно взаимодействующие нестабильные частицы, не несущие так наз. барионного заряда. К их числу принадлежат π-мезоны или пионы (), К-мезоны или каоны () и эта-мезон (). Масса К-мезонов оставляет . Время жизни К-мезонов с. Они распадаются с образованием -мезонов и лептонов или только лептонов. Масса эта-мезона равна 549 МэВ, время жизни порядка с. Эта-мезоны распадаются с образованием -мезонов и -фотонов. Мезоны обладают не только слабым (и, если они заряжены, э\магнитным), но также и сильным взаимод-ем, проявляющимся при взаимодействии их м\у собой, а также при взаимод-ии м\у мезонами и барионами. Спин всех мезонов = 0, так что они явл-ся бозонами. 4. Класс барионов объединяет в себе нуклоны (p, n) и нестабильные частицы с массой, большей массы нуклонов, получившие название гиперонов().Все барионы обладают сильным взаимод-ем и, сл-но, активно взаимод-ют с атомными ядрами. Спин всех барионов , так что барионы явл-ся фермионами. За исключением протона, все барионы нестабильны. При распаде бариона, наряду с другими частицами, обязательно образ-ся барион. Эта закономерность явл-ся одним из проявлений з-на сохр-ния барионного заряда. Бвло обнаружено, что- и барионы (антибарионы) и мезоны (антимезоны) образуют группы по 8-10 частиц с одинаковым спином и четностью (эти группы называют супермультиплетами)- характеристики адронов связаны правилом Накано, Нишиджима и Гелл-Манна (ННГ) и в диктуемой этим правилом координатной плоскости супермультиплеты образуют фигуры с высокой степенью симметрии. Правило ННГ связывает электрический заряд адрона Q, его третью проекцию изоспина , барионный заряд В и странность S выражением , где Y-гиперзаряд.Гипотеза о существовании кварков родилась из попыток представить адроны супермультиплетов в виде совокупности минимального числа более фундаментальных частиц. В соответствии с кварковой моделью барионы состоят из 3 кварков, а мезоны – из 2 кварков и антикварка. Вначале было введено 3 кварка: u, d, s. Их было достаточно для описания известных в то время (самых легких) адронов. Сейчас известны еще 3 кварка: с (charm), b (bottom), t (top). Все аддитивные квантовые числа, присущие сильному взаимодействию (кроме барионного заряда, который равен для всех кварков, привязаны к конкретным кваркам. Изоспином обладают кварки d и u, странностью только s -кварк, очарованием – с -кварк, квантовое число bottom несет b -кварк, а top – t -кварк. След-но все эти квантовые числа можно определить по по кварковому составу адрона. Кварковый состав бариона , антибариона , где нижний индекс отличает тип (аромат) кварка. Ароматы кварков, входящих в состав адронов могут совпадать. Кварковая структура мезонов имеет вид , антимезонов – .С учетом тяжелых кварков с, b, t и связанных с ними квантовых чисел Charm, Bottom, Top обобщаем понятие гиперзаряда: . При этом с обобщенным гиперзарядом остается справедливым правило ННГ: . Появление кварковой модели свело сотни адронов к 6 точечным частицам-кваркам. Но простая кварковая модель не объясняет выделенности наблюдаемых кварковых комбинаций. Так комбинации типа в природе реализуются, но все остальные возможности – нет. Так, например, не обнаружены кварковые сочетания , да и самих отдельных кварков не наблюдается. Эти трудности устраняются введением нового квантового числа, получившего название цвет. Кварки бывают 3 цветов: красного (К), зеленого (З) и синего (С). Наблюдаемые в природе адроны бесцветны. Антикваркам приписывают антицвета - (голубой), (пурпурный), (желтый), которые называют антикрасным, антизеленым, антисинем. Понятие постулата о бесцветности наблюдаемых комбинаций ограничивает эти комбинации следующими возможностями: 1. Смесь кр., зел., син. поровну – КЗС; 2. Смесь антикр., антизел., антисин. поровну - ; 3. Смесь цвета и его антицвета поровну – . Эти возможности соответствуют наблюдаемым адронам: 1 – барионы, 2 – антибарионы, 3 – мезоны/антимезоны.

Сильное взаимодействие устроено так, что цветные состояния значительно тяжелее бесцветных и поэтому энергетически менее выгодны.Сильное взаимодействие осуществляется обменом безмассовой электрически нейтральной частицей со спином 1, отрицательной четностью и нулевым изоспином – глюоном. Эта ч-ца как бы «склеивает» кварки в адронах. Испуская или поглощая глюон, кварк определенного цвета может сохранить этот цвет или изменить его. При испускании и поглощении глюона выполняется закон сохранения цвета или цветового заряда. Т.о., понимая под -цветовые заряды (цвета) кварков, а под g – цвет глюона, можно записать

Сильное взаимодействие – это обмен глюонами, т.е. цветом. Теория, описывающая такое взаимодействие, наз-ся квантовой хромодинамикой (КХД).

В пределах очень маленьких расстояний кварки перестают взаимодействовать и ведут себя как свободные. В этом суть явления асимптотической свободы в сильном взаимодействии кварков. Обратной стороной асимптотической свободы является рост силы притяжения двух кварков с увеличением расстояния между ними, приводящий к невылетанию кварков из адронов. Это явление называют пленением или конфайнментом кварков.

 

 

Слабые взаимодействия

Класс лептонов образуют 6 частиц, не участвующих в сильных взаимодействиях. Это электрон , отрицательно заряженный мюон , отрицательно заряженный лептон и три нейтральные частицы - электронное нейтрино , мюонное нейтрино и тау-нейтрино . Лептоны считаются бесструктурными частицами. Размер их < 10^-16 см. Детальное изучение свойств лептонов показывает, что они группируются парами, каждая пара состоит из заряженного лептона и нейтрино. Таким образом 6 лептонов образуют 3 поколения.

^1-е поколение	2-е поколение	3-е поколение
e^-	μ^-	τ^-
νe	νμ	ντ

Все лептоны имеют спин s = 1/2. Заряженные лептоны участвуют в электромагнитных и слабых взаимодействиях. Нейтральные лептоны (ν_e, ν_μ, ν_τ) участвуют только в слабых взаимодействиях. Каждый лептон имеет античастицу. Они также объединены в три поколения

^1-е поколение	2-е поколение	3-е поколение
e^+	μ^+	τ^+
e	μ	τ

Лептонное число (лептонный заряд*) − аддитивное квантовое число, которое сопоставляется каждому поколению лептонов. Лептонам приписывается лептонное число , антилептонам . У частиц не являющихся лептонами лептонные числа равны 0. Лептонное число системы частиц равно алгебраической сумме лептонных чисел входящих в нее частиц.

В качестве современного субатомного эксперимента, сочетающего достижения в ускорительной технике и технике детектирования частиц, мы в данном разделе опишем эксперимент в ЦЕРНе по поиску, так называемых, промежуточных бозонов и , завершившийся их открытием в 1983 г. С точки зрения фундаментальной физики это событие имело исключительно важное значение. Дело в том, что бозоны и , являются частицами, “реализующими” слабое взаимодействие.

Слабые распады бывают трех типов: лептонные (без участия адронов), полулептонные (с участием лептонов и адронов) и безлептонные или адронные (без участия лептонов).

Примером лептонного распада является распад мюона.

В полулептонных распадах выполняется соотношение ΔQ =ΔS, где ΔQ, ΔS - изменение суммарного электрического заряда и странности адронов. Происхождение этого правила связано с тем, что бозон заряжен. Поэтому изменение странности ΔS должно сопровождаться изменением заряда ΔQ.

Безлептонные или адронные распады

в этом процессе разности масс между начальной частицей и суммой масс адронов в конечном состоянии меньше массы K-мезона. В противном случае был бы возможен сильный распад с сохранением странности.

 

 

66. Современные астрофизические представления. Эволюция и состав Вселенной. Реликтовое излучение. Космологический нуклеосинтез в горячей Вселенной. Распространенность химических элементов. Нейтринная астрономия. Сверхновые. Нейтронные звезды. Черные дыры. Космические лучи.

Эволюция Галактики.

Примерно 15 млд лет назад, на месте Нашей Галактики было почти сферически-симметричное, газово-пылевое облако. Масса, как масса Галактики сейчас. Масса огромна, под действием само гравитации, облако стало медленно сжиматься, кроме сжатия в облаке родилась гравитационная неустойчивость, которая нарушила однородность облака. Отдельные, более плотные газово-пылевые облака звездных масс.( И каждое из этих облаков, стало сжиматься самостоятельно под действием облаков. Процесс дробления облаков называется-процесс гравитационной конденсации, и он не избежим. Каждое из этих маленьких облаков сжимается, возникает внутри неоднородность, формируется внутри глобула, сжимается, оставшееся вещество разлетается, превращается в протозвезду. Термоядерные реакции, образуется звезда. Таким образом родились звезды в Нашей Галактике. В сферически-симметричном облаке, звезда сохранила момент количества движения, который был направлен к центру симметрии облака. Гано сохранило свою сферическую симметрию с момента формирования первых звезд. Не весь газ вошел в звезды. Возникла звездная и газово-пылевая подсистема. Газ и звезды эволюционировали по-разному. Звезды подчиняются 2-м законам.

1)сумма кинетической и потенциальной всех звезд сохраняется.

2)теорема Вириалла: . удвоенная полная кинетическая плюс полная потенциальная равняется половине второй производной по времени от момента инерции. Звезда приближается к ее центру, при этом кинетическая энергия растет, гравитационная потенциальная уменьшается, наступает равновесие стационарного состояния, дальше падение звезды на центр прекращается.

При сжатии газа, сумма потенциальной гравитационной не сохраняется. У газа есть еще одна энергия, при нагреве газа, начинает светить. Для газа не работает теория Вериала.

Поскольку облако первоначально вращается, теряет сферическую симметрию. Работает закон сохранения момента количества движения. Когда система вращается, возникает центробежная сила, и с одной стороны сила тяжести, а с другой- центробежная. Газ уплощается, рождаются звезды первого поколения. Эволюционируют очень быстро, взрываются как сверхновые. Эти взрывы рождают ударные волны в межзвездной среде. А кроме того взрывы обогащают среду тяжелыми элементами, которые синтезируют в массивных звездах, в ходе тер реакций. Таким образом звезды второго поколения рождаются из уплощенного газа, во вторых из вещества, обогащённого тяжелыми элементами.

Сейчас в гало, процесс звездообразования не идет, так как газ упал весь на диск.

Рассмотрим трехмерную модель галактики и содержание тяжелых элементов.

Экстремальное гало – сферическая подсистема, самая старая. В ней только звезды, нет газа и пыли. Содержание тяжелых элементов очень мало.

Промежуточное гало – имеет эллиптическую форму, звезды Б.К. и Н.З, нет пыли и газа.

Старый диск – много газа и пыли, рассеянные звездные скопления. Звезды Г.П., Б.К., К.Г., субкарлики, субгиганты.

Диск – большое количество газа и пыли, полный звездный состав,

Балдж – сферическая подсистема, много газа и пыли, повышенная концентрация звезд.

Ядро – плотность звезд очень высокая.

Сверхновые звезды.

Сверхновые звезды – это исторически сложившееся название, не отражающие суть, так как взорвавшаяся звезда на поздней стадии эволюции, выделяется энергия и звезда разрушается. Взрыв может быть один раз. В максимуме блеска светимость составляет , поэтому мы видим взрыв сверхновой везде. Эта светимость сравнима со всей светимостью галактики. Взрыв сверхновой бывает в 1000 раз реже чем новой звезды, один взрыв за 30 лет, видим взрыв в таких местах, что излучение поглощается межзвездными газом и пылью. За всю историю человечества в нашей галактике зарегистрировано всего 10 взрывов сверхновых звезд, последний в 1668 году.

Когда взрывается сверхновая звезда в нашей галактике, земляне видят огромный взрыв который виден даже днем. Основная информация сверхновых звезд – это их кривые блеска, измерение показателя цвета и изменение со временем, получение спектров.На основе этих наблюдений проведена классификация. Выделяют 2 типа сверхновых звезд: SNI – быстрое нарастание блеска в течении 100 дней, видимая звездная величина изменяется . Плавное уменьшение до прежнего примерно за 100 дней. В спектре отсутствуют линии водорода. Мы видим свечение сброшенной оболочки в max блеска. У SNI масса сброшенной оболочки и расширяется со скоростью . SNI взрываются в таких галактиках, где нет молодых звезд. Взрываются старые объекты с массой . И SNII – изменение видимой звездной величины . Здесь в спектре много линий водорода. Взрывы этих звезд зарегистрированы в молодых галактиках, т. е. взрываются молодые массивные звезды.

В обоих случаях энергия взрыва распространяется по 3м каналам: энергия электромагнитного излучения, энергия сброшенной оболочки и энергия уносимая нейтрино.

Светимость в max

Если – термоядерные реакции будут идти в плоть до синтеза железа. Прекращение всех термоядерных реакций приводит в взрывному сбросу оболочки, но оставшееся ядро превращается не в Белый карлик, а в нейтронную звезду:

В результате такой высокой плотности происходит нейтронизация вещества, т.е. все вещество превращается в нейтрино: . Нейтронные звезды – это долгоживущие, стационарные объекты, которые состоят только из нейтронов.

Гравитационный радиус – это такое расстояние от центра месс, на котором предельно допустимая кинетическая энергия тела будет = его потенциальной гравитационной энергии. Он зависит только от массы тела. Если масса ядра звезды больше трех масс солнца, то это приведет к тому, что радиус тела будет меньше его гравитационного радиуса, тогда такой объект будет называться черной дырой.

Космические лучи – заряженные частицы с большой энергией, приходящие их космоса.