Виды взаимодействия элементарных частиц

Под элементарными частицами понимают такие микрочастицы, внутреннюю структуру которых на современном уровне развития физики нельзя представить как объединение других частиц. Во всех наблюдавшихся до сих пор явлениях каждая такая частица ведет себя как единое целое.

Элементарные частицы могут взаимно превращаться друг в друга. В настоящее время известны четыре вида взаимодействий между элементарными частицами: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное.

Первый вид взаимодействия иначе называют ядерным, так как он обеспечивает связь нуклонов в ядре. Им обусловлена исключительная прочность ядра, лежащая в основе исключительной устойчивости любого вещества на Земле. Наибольшее расстояние, на котором проявляется сильное взаимодействие, составляет . Частица, пролетающая со скоростью, близкой к скорости света, в непосредственной близости к другой частице, будет взаимодействовать с ней в течение времени .

Электромагнитное взаимодействие характеризуется неограниченным радиусом действия, в его основе лежит связь с электромагнитным полем. Оно характерно для всех заряженных элементарных частиц и обеспечивает существование атомов и молекул: им обусловлено взаимодействие положительно заряженных ядер и отрицательно заряженных электронов. Интенсивность электромагнитного взаимодействия примерно в раз меньше сильного. Время, необходимое для того, чтобы проявилось взаимодействие, обратно пропорционально его интенсивности. Поэтому для электромагнитного взаимодействия .

Слабое взаимодействие, также как и сильное, является короткодействующим, т. е. осуществляется на малых расстояниях и ответственно за многие распады ядер и элементарных частиц. Это наиболее слабое из всех взаимодействий, протекающих в микромире. Оно характеризуется довольно большим временем жизни распадающихся частиц: .

Гравитационное взаимодействие является универсальным, ему подвержены все без исключения элементарные частицы. Однако в процессах микромира в силу малости масс частиц гравитационное взаимодействие существенной роли не играет. Радиус действия его неограничен, время действия .

Для всех типов взаимодействия элементарных частиц выполняются законы сохранения энергии, импульса, момента импульса и электрического заряда.

Характерным признаком сильного взаимодействия является зарядовая независимость ядерных сил, т. е. силы, действующие между парами , , , одинаковы. Если бы в ядре осуществлялось только сильное взаимодействие, то зарядовая независимость ядерных сил привела бы к одинаковым значениям всех масс нуклонов. Различие в массах нуклонов (а также p -мезонов) обусловлено электромагнитным взаимодействием: энергии взаимодействующих заряженных и нейтральных частиц различны, поэтому и массы заряженных и нейтральных частиц оказываются неодинаковыми.

 

Частицы и античастицы

В 1928 г. английский физик Дирак вывел релятивистское волновое уравнение, которое позволило предсказать для каждой элементарной частицы существование античастицы, в частности, для электрона было предсказано существование античастицы – позитрона.

Из уравнения Дирака для полной энергии свободной частицы получаются не только положительные, но и отрицательные значения энергии:

 

.

 

Между наименьшей положительной энергией () и наибольшей отрицательной энергией () имеется интервал значений энергии, которые не могут реализоваться. В неквантовой теории энергия изменяется непрерывно и поэтому не может пересечь запрещенную зону. По этой причине считается, что энергия не может быть отрицательной. По квантовой теории энергия может изменяться скачком, поэтому запрещенная зона не может воспрепятствовать переходу частицы в состояния с отрицательной энергией. Из соотношения следует, что масса частицы с отрицательной энергией тоже будет отрицательной. Под действием тормозящей силы частица с отрицательной массой должна была бы не замедляться, а ускоряться, совершая над тормозящей силой бесконечно большое количество работы.

Чтобы обойти эту трудность в трактовке состояний частиц с отрицательными значениями энергии, Дирак предположил, что переходы частиц в состояния с отрицательной энергией не наблюдаются по той причине, что все имеющиеся уровни с отрицательной энергией уже заняты частицами. (Принцип Паули запрещает находиться в одном и том же состоянии более чем одной частице.)

Поскольку заняты все без исключения уровни энергии ниже запрещенной зоны, частицы на этих уровнях никак себя не обнаруживают, подобно тому, как в диэлектрике электроны, заполняющие все уровни валентной зоны, никак не реагируют на действие электрического поля. Если одной из частиц, находящихся на отрицательных уровнях энергии, сообщить энергию, не меньшую ширины запрещенной зоны то частица перейдет в состояние с положительной энергией и будет вести себя как обычная частица с положительной массой (рис. 5.3.1, а). Вакансия, образовавшаяся в отрицательных уровнях энергии, должна вести себя, как такая же частица, но имеющая заряд противоположного знака. Действительно, отсутствие частицы, обладающей отрицательными массой и зарядом, будет восприниматься как наличие частицы с положительной массой и положительным зарядом.

Такими рассуждениями Дирак предсказал существование позитрона. Однако это справедливо и для других элементарных частиц со спином, равным .

При встрече электрона с позитроном происходит их аннигиляция – электрон переходит с положительного уровня на вакантный отрицательный. Энергия, соответствующая разности этих уровней, выделяется в виде излучения (рис. 5.3.1, б). На рис. 5.3.1, б стрелка, направленная вверх, означает рождение пары электрон – позитрон; стрелка, направленная вниз – их аннигиляцию. Спустя четыре года позитрон был обнаружен экспериментально в космических лучах.

 

 

а) б)

Рис. 5.3.1

 

Эксперименты показали, что за немногим исключением каждой частице соответствует античастица. Были найдены античастицы для протона, нейтрона, p -мезона и многих других элементарных частиц. Они имеют одинаковые массы, одинаковые времена жизни в вакууме, одинаковые по модулю, но противоположные по знаку, электрические заряды и одинаковые квантовые числа, описывающие их состояния.

Однако существуют частицы, которые античастиц не имеют. Это так называемые истинно нейтральные частицы. К ним относятся фотон, p⁰ -мезон и некоторые другие. Истинно нейтральные частицы не способны к аннигиляции, но испытывают взаимные превращения, являющиеся фундаментальным свойством всех элементарных частиц. Можно сказать, что каждая истинно нейтральная частица тождественна со своей античастицей.

После открытия большого числа античастиц перед учеными встала задача – найти антиядра. Иными словами, требовалось доказать существование антивещества, которое построено из античастиц, как вещество из частиц. И антиядра действительно были обнаружены: сначала был найден антидейтрон – связанное состояние антипротона и антинейтрона. Впоследствии были синтезированы ядра антигелия и антитрития.

Странные частицы

В начале 50-х гг. прошлого столетия в космическом излучении и на ускорителях элементарных частиц были обнаружены К -мезоны и гипероны ( и др.) – тяжелые нестабильные частицы с массой, большей массы нуклонов. Поведение этих частиц оказалось столь необычным, что им присвоили название странных частиц. Необычность поведения странных частиц заключалась в том, что рождались они явно за счет сильных взаимодействий с характерным временем порядка , а времена жизни оказались много больше: . Это указывало на то, что распад частиц происходит за счет слабых взаимодействий. Было совершенно непонятно, почему странные частицы живут так долго, что им мешает распадаться за счет сильного взаимодействия, в результате которого они возникают. Действительно, один из процессов рождения странных частиц имеет вид: . А распад -гиперона идет по схеме: . Поскольку и в рождении, и в распаде – гиперона участвуют одни и те же частицы ( и ), казалось удивительным, что скорость обоих процессов столь различна.

Дальнейшие исследования показали, что странные частицы всегда рождаются парами. Это навело на мысль, что сильные взаимодействия не могут играть роли в распаде частиц вследствие того, что для проявления этих взаимодействий необходимо присутствие двух странных частиц. По той же причине странные частицы не рождаются по одиночке.

Чтобы объяснить запрет одиночного рождения странных частиц, Гелл-Манн ввел в рассмотрение новую характеристику – квантовое число , которое назвали странностью. Это число, по предположению Гелл-Манна, должно сохраняться при сильных взаимодействиях. Поэтому оно приписывается только сильно взаимодействующим частицам, причем для нуклонов и p -мезонов полагают , а для остальных сильно взаимодействующих частиц . Так, для К -мезонов , а для -гиперонов , поэтому процесс идет с сохранением странности, а в процессе странность меняется на единицу. Следовательно, второй процесс не может идти с участием сильных взаимодействий.