Виды взаимодействий элементарных частиц

В настоящее время элементарными частицами называют большую группу мельчайших частиц материи, которые не являются атомами или атомными ядрами (за исключением протона — ядра атома водорода) и которые при взаимодействии ведут себя как единое целое. Характерным свойством всех элементарных частиц является их способность к взаимным превращениям (рождению и уничтожению) при взаимодействии с другими частицами.

Ситуация с определением элементарности усложнилась после того, как выяснилось, что многие из этих частиц имеют внутреннюю структуру.

Известны четыре вида взаимодействий (фундаментальные взаимодействия) между элементарными частицами: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное.

Эти взаимодействия отличаются интенсивностью процессов, вызываемых среди элементарных частиц. Об интенсивности взаимодействий можно судить по скорости (или степени вероятности) процессов, вызываемых ими. Обычно для сравнения берут скорости процессов при энергиях сталкивающихся частиц около 1 ГэВ (такая энергия характерна для физики элементарных частиц). Сравнительные характеристики этих четырех типов взаимодействия приведены в табл. 17.1, где указаны интенсивности взаимодействий по сравнению с сильным, принятым за единицу, а также длительность процессов и радиус действия соответствующих сил.

Таблица 17.1

Взаимодействие	Интенсивность	Длительность процессов, с	Радиус действия, см
Сильное Электромагнитное Слабое Гравитационное	~10^-2 10^-5 10^-39	10^-24 10^-20 > 10^-8 ?	10^-13 ∞ 10^-16 ∞

 

Сильные взаимодействия обеспечивают связь нуклонов в ядре и удерживают нуклоны в атомных ядрах. Расстояние, на котором проявляется сильное взаимодействие (радиус действия r), составляет примерно 10^{-13 см.} Сильное взаимодействие выступает исключительно в качестве сил притяжения.

Электромагнитное взаимодействие 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. Электромагнитные силы могут быть как силами притяжения (между разноименно заряженными частицами), так и силами отталкивания (между одноименно заряженными частицами).

Слабое взаимодействие ответственно за все виды β-распада ядер, за все процессы взаимодействия нейтрино с веществом, а также за многие распады элементарных частиц. Слабое взаимодействие гораздо слабее не только сильного, но и электромагнитного взаимодействия. Слабое взаимодействие, как и сильное, является короткодействующим.

Гравитационное взаимодействие является универсальным и самым слабым. Ему подвержены все элементарные частицы. Радиус действия не ограничен (r = ∞). Однако в процессах микромира гравитационное взаимодействие ощутимой роли не играет. Гравитационные силы проявляют себя как силы притяжения.

 

Для элементарных частиц весьма характерна их многочисленность. В настоящее время открыто несколько сотен частиц, подавляющее большинство которых нестабильно.

По времени жизни τ различают стабильные, квазистабильные и так называемые резонансы. Резонансами называют короткоживущие 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), промежуточные векторные бозоны (переносчики слабого взаимодействия), так называемые глюоны (переносчики сильного взаимодействия) и гипотетические гравитоны (переносчики гравитационного взаимодействия).

 

Систематика элементарных частиц

Внастоящее время элементарные частицы делятся на большие классы и подклассы в зависимости от типов фундаментальных взаимодействи й, в которых эти частицы участвуют.

Элементарные частицы объединены в три группы: фотоны, лептоны и адроны. Естественно, что отнесенные к каждой из этих групп элементарные частицы обладают общими свойствами и характеристиками, которые отличают их от частиц другой группы.

1. Фотоны (γ) — (кванты электромагнитного поля) участвуют в электромагнитных взаимодействиях, но не обладают сильным и слабым взаимодействиями.

2.. Лептоны. Это частицы, не участвующие в сильных взаимодействиях и имеющие спин 1/2. К ним относятся электроны (е), мюоны (μ), таоны (τ) и соответствующие им нейтрино (ν _е,, ν_μ,, ν_τ). 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.

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

Адроны подразделяют на мезоны и барионы.

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

3.2. 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 1/2, 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. 17.2.

Таблица 17.2

Фотоны	Лептоны	Адроны
Мезоны	Барионы
Нуклоны	Гипероны
γ	е, μ, τ, ν е, ν μ, ν τ	π, К, η и резонансы	p, n	Λ, Σ, Ξ, Ω и резонансы

Более подробно классификация элементарных частиц приведена в Приложении 1. Пояснения к некоторым характеристикам частиц в этой таблице будут даны в дальнейшем.

Частицы и античастицы

Уравнение Шрёдингера не удовлетворяет требованиям теории относительности — оно не инвариантно по отношению к преобразованиям Лоренца. В 1928 г. П. Дираку удалось найти релятивистское квантовомеханическое уравнение для электрона, из которого вытекает ряд замечательных следствии. Прежде всего из этого уравнения естественным образом, без каких-либо дополнительных предположений, получаются спин и числовое значение собственного магнитного момента электрона. Таким образом, выяснилось, что спин представляет собой величину одновременно и квантовую, и релятивистскую.

Но этим не исчерпывается значение уравнения Дирака. Оно позволило также предсказать существование античастицы электрона — позитрона. Из уравнения Дирака получаются для полной энергии свободного электрона не только положительные, но и отрицательные значения. Исследование уравнения показывает, что при заданном импульсе р частицы существуют решения уравнения, соответствующие энергиям

(17.1)

 

Между наибольшей отрицательной энергией (- т_ес²) и наименьшей положительной энергией (+т_ес²) имеется интервал значении энергии, которые не могут реализоваться. Ширина этого интервала равна 2 т_ес² (рис. 17.1). Следовательно, получаются две области собственных значений энергии: одна начинается с +т_ес² и простирается до +∞, другая начинается с - т_ес² и простирается до -∞.

Рис. 17.1.

 

В неквантовой релятивистской механике энергия выражается через импульс с помощью соотношения, совпадающего с (17.1), так что формально также может иметь отрицательные значения. Однако в неквантовой теории энергия изменяется непрерывно и поэтому не может пересечь запрещенную зону и перейти от положительных значений к отрицательным. В квантовой теории энергия может изменяться не только непрерывно, но и скачком, так что существование запрещенной зоны не может воспрепятствовать переходу частицы в состояния с отрицательной энергией.

Согласно Дираку вакуум есть такое состояние, в котором все уровни отрицательной энергии заселены электронами, а уровни с положительной энергией свободны (рис. 17.2 а). Поскольку заняты все без исключения уровни, лежащие ниже запрещенной полосы, электроны на этих уровнях никак себя не обнаруживают. Если одному из электронов, находящихся на отрицательных уровнях, сообщить энергию

Е ≥ 2 mec ^2,

(17.2)

то этот электрон перейдет в состояние с положительной энергией и будет вести себя обычным образом, как частица с положительной массой и отрицательным зарядом.

 

 

Рис. 17.2.

Вакансия («дырка»), образовавшаяся при этом в совокупности отрицательных уровней, должна вести себя как электрон, имеющий положительный заряд. Действительно, отсутствие частицы, обладающей отрицательными массой и зарядом (из соотношения Е = тс² вытекает, что у частицы с отрицательной энергией масса также будет отрицательной), будет восприниматься как наличие частицы с положительной массой и положительным зарядом. Эта первая из предсказанных теоретически частиц была названа позитроном.

При встрече позитрона с электроном они аннигилируют (исчезают) — электрон переходит с положительного уровня на вакантный отрицательный. Энергия, соответствующая разности этих уровней, выделяется в виде излучения. На рис. 17.2 б стрелка 1 изображает процесс рождения пары электрон — позитрон, а стрелка 2— их аннигиляцию. Термин «аннигиляция» не следует понимать буквально. По существу происходит не исчезновение, а превращение одних частиц (электрона и позитрона) в другие (γ-фотоны).

В 1932 г. Андерсон обнаружил позитрон в составе космического излучения. В камере Вильсона, помещенной между полюсами электромагнита, позитрон оставлял такой же след, как и рождавшийся одновременно с ним электрон, только этот след был закручен в противоположную сторону (рис. 17.3).

 

Рис. 17.3.

Рождение электрон-позитронных пар происходит, в частности, при прохождении γ-фотонов через вещество. Это — один из основных процессов, приводящих к поглощению γ-лучей веществом. В полном соответствии с теорией Дирака минимальная энергия γ-фотона, при которой наблюдается рождение пар, оказывается равной 2 т_ес² = 1,02 МэВ (см. (17.2)). Для соблюдения закона сохранения импульса в процессе рождения пары должна участвовать еще одна частица (электрон или ядро), которая воспринимает избыток импульса γ^_фотона над суммарным импульсом электрона и позитрона. Следовательно, схема рождения пары имеет вид

γ + е ^- → е ^- + е ^- + е^+

(17.3)

либо

 

γ + X → X + е ^- + е^+

(17.4)

где X — ядро, в силовом поле которого происходит рождение пары. Электрон-позитронные пары могут также возникать при столкновениях между двумя заряженными частицами, например электронами:

е ^- + е ^- → е ^- + е ^-+ е ^- + е^+

(17.5)

 

При аннигиляции требования закона сохранения импульса удовлетворяются тем, что возникают два (реже три) γ-фотона, разлетающихся в разные стороны (рис. 17. 4):

 

е ^- + е ^+ → γ +γ (+ γ).

(17.6)

 

Доля энергии, получаемая ядром X в ходе процесса (17.4), столь мала, что порог реакции образования пар (т. е. необходимая для этого минимальная энергия γ-фотона) практически равен 2 m _ес². Порог реакции (17.3) составляет 4 m _ес², а реакции (17.5) — 7 m _ес² (в последнем случае под порогом реакции подразумевается минимальная суммарная энергия сталкивающихся электронов). Таким образом, требования одновременного сохранения энергии и импульса приводят к тому, что порог реакции может оказаться заметно больше, чем суммарная энергия покоя рождающихся частиц.

 

Рис. 17.4.

В несколько измененном виде уравнение Дирака применимо не только к электронам, но и к другим частицам со спином, равным 1/2. Следовательно, для каждой такой частицы (например, протона и нейтрона) должна существовать античастица. По аналогии с (17.5) рождения пары протон-антипротон ()или нейтрон-антинейтрон () можно было ожидать при столкновении нуклонов достаточно большой энергии. (Античастицу обозначают той же буквой, что и соответствующую ей частицу с добавлением тильды (~)).

Теория Дирака была построена для фермионов. Однако впоследствии выяснилось, что античастицами обладают не только фермионы, но и бозоны. Поэтому исходные фундаментальные идеи Дирака были в дальнейшем развиты в рамках современной квантовой теории поля и современной теории физического вакуума. Выяснилось, что существование античастиц является универсальным свойством элементарных частиц. Каждой частице соответствует своя античастица.

В общем случае античастица отличается от частицы только знаками так называемых зарядов (электрического, барионного, лептонного, странности), с которыми связаны определенные законы сохранения. 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 γ, π°-мезон и η°-мезон.

Понятия частицы и античастицы относительны. Условившись считать электрон и протон частицами, далее с помощью законов сохранения можно однозначно установить, чем является каждая элементарная частица — частицей или античастицей.

Аннигилируют не только электрон с позитроном, но и любая другая частица со своей античастицей. Однако при аннигиляции тяжелых частиц и античастиц возникают преимущественно π-мезоны (доля γ-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.

 

Лекция 18 (2 часа)

 

Современная физическая картина мира.

(Научная картина мира с точки зрения физики на структуру Вселенной. Фундаментальные взаимодействия в природе. Классификация и взаимопревращения элементарных частиц. Кварки.)

 

Законы сохранения

В физике элементарных частиц не существует законченной теории, тогда как законы сохранения хорошо соблюдаются. 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.

Как можно считать сейчас установленным, каждый закон сохранения связан с какой-либо симметрией законов природы, хотя и не для всех законов эта симметрия выяснена. Так, в основе законов сохранения энергии Е, импульса р и момента импульса М лежат соответственно однородность времени, однородность и изотропия пространства.

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.

Точными являются законы сохранения энергии, импульса и момента импульса. Точными являются и законы сохранения всех зарядов. Происхождение этих законов пока не установлено. Ясно только одно: каждый из этих зарядов характеризует некое внутреннее свойство частицы.

Необходимость введения зарядов (кроме электрического) была продиктована многочисленными экспериментальными фактами, объяснить которые оказалось возможным только при допущении, что существуют заряды неэлектрической природы, которые также сохраняются.

Установлено пять зарядов: электрический Q, барионный В и три лептонных: L _e, L _μи L _τ.У всех элементарных частиц эти заряды имеют только целочисленные значения (заряд Q — это число единиц элементарного заряда).

Барионный заряд принимается равным +1 для всех барионов и барионных резонансов и -1 для их античастиц. Все остальные частицы имеют барионный заряд В = 0. Для всех процессов с участием барионов и антибарионов суммарный барионный заряд будет сохраняться. Это и называют законом сохранения барионного заряда.

Заряды аддитивны. Например, барионный заряд атомного ядра равен сумме всех барионных зарядов нуклонов, из которых построено ядро. Иными словами, барионный заряд ядра равен массовому числу А. Таким образом,

B = +1 для барионов (нуклонов и гиперонов), B = -1 для антибарионов.

(17.7)

Лептонные заряды позволяют простейшим образом интерпретировать установленный на опыте закон, согласно которому в замкнутой системе при любых процессах остается постоянной разность между числом лептонов и антилептонов каждого вида.

То же, но немного в другой формулировке: при всех процессах взаимопревращаемости элементарных частиц лептонный заряд сохраняется, в этом заключается закон сохранения лептонного заряда. Лептонный заряд не связан ни с какими полями, а просто является средством учета количества лептонов в реакциях.

Условились считать, что лептонный заряд L _е равен +1 (для е ^- и ν _e), L _μ =+ 1(для μ^- и ν _μ), L _τ=+1 (для τ^- и ν _τ) и -1 для всех антилептонов. Здесь ν _e, ν _μ, ν _τ - электронное, мюонное и таонное нейтрино. Из эксперимента следует, что это разные нейтрино. Для всех остальных элементарных частиц лептонные заряды принимаются равными нулю. Таким образом,

L е = L μ = L τ= +1 для лептонов (е ^-, ν e; μ^-, ν μ; τ^-, ν τ), L е = L μ = L τ= -1 для антилептонов (е ^+, ; μ^+, ; τ^+, ).

(17.8)

Странность S. Было обнаружено, что гипероны рождаются при столкновениях адронов высоких энергий. Значит их рождение связано с сильным взаимодействием, и время жизни гиперонов должно быть порядка 10^-23 с (время, характерное для процессов, обусловленных сильным взаимодействием). На опыте же было найдено, что их время жизни в 10¹³ раз больше. Такое поведение гиперонов представлялось странным.

Оказалось также, что гипероны в этих процессах рождаются не поодиночке, а только парами. Например, при столкновении протонов Λ⁰-гиперон появляется только совместно с К ⁺-мезоном или с Σ⁺-гипероном.

Гипероны и К -мезоны назвали странными частицами. После рождения эти частицы медленно и независимо друг от друга распадаются за счет слабого взаимодействия.

Для количественного описания парного рождения и медленного распада странных частиц было введено квантовое число S — странность. Поведение странных частиц можно объяснить, если считать, что частицы Λ°, Σ и К ^- имеют странность S = -1, частицы Ξ — S= -2 и Ω ^--гиперон — S = -3. У соответствующих античастиц странность одинакова по модулю, но противоположна по знаку.

Закон сохранения странности: странность в сильных и электромагнитных взаимодействиях сохраняется, а в слабых может меняться на ±1.

Чётность. Элементарным частицам приписывают еще одну квантово-механическую характеристику — четность (Р), характеризующую симметрию волновой функции элементарной частицы (или системы элементарных частиц) относительно зеркального отражения. Если при зеркальном отражении волновая функция частицы не меняет знака, то четность частицы Р = + 1 (четность положительная), если меняет знак, то четность частицы Р = - 1 (отрицательная).