И четность элементарных частиц

В ядерных фотоэмульсиях (конец 40-х годов XX в.) в на ускорителях за- ряженных частиц (50-е годы) обнару- жены тяжелые нестабильные элемен- тарные частицы массой, большей мас- сы нуклона, названные гиперонами (от греч. hyper — сверх, выше). Извест- но несколько типов гиперонов: ламбда (Л°), сигма (Е°, кси и омега

Существование следо- вало из предложенной (1961) М. Гелл- Маном (р. 1929) (американский физик; Нобелевская премия 1969 г.) схемы для классификации сильно взаимодейству- ющих элементарных частиц. Все изве- стные в то время частицы укладывались в эту схему, но в ней оставалось одно незаполненное место, которое должна была занять отрицательно заряженная

частица массой, равной примерно В результате специально по- ставленного эксперимента был дей- ствительно обнаружен -гиперон мас- сой

Гипероны имеют массы в пределах — 3273) их спин равен (толь- ко спин равен время жизни приблизительно с (для Е°-гиперона время жизни равно при- близительно с). Они участвуют в сильных взаимодействиях, т. е. принад- лежат к группе адронов. Гипероны рас- падаются на нуклоны и легкие части- цы электроны, нейтрино и

Детальное исследование рождения и превращения гиперонов привело к ус- тановлению новой квантовой характе- ристики элементарных частиц — так называемой странности. Ее введение оказалось необходимым для объясне- ния ряда парадоксальных (с точки зре- ния существовавших представлений) свойств этих частиц. Дело в том, что гипероны должны были, как представ- лялось, обладать временем жизни при- мерно с, что в 1013 раз (!) меньше установленного на опыте. Подобные времена жизни можно объяснить лишь тем, что распад гиперонов происходит в результате слабого взаимодействия. Кроме того, оказалось, что всякий раз гиперон рождается в паре с Например, в реакции

(274.1)

с всегда рождается

зон, в поведении которого обнаружива- ются те же особенности, что и у гипе- рона. Распад же Л°-гиперона происхо- дит по схеме

(274.2)

Особенности поведения гиперонов и были объяснены в 1955 г.

М. Гелл-Маном с помощью квантового числа — странности S, которая сохра- няется в процессах сильного и электро- магнитного взаимодействий.

Если приписать каонам 5= 1, а Л°- и Е-гиперонам 5= -1 и считать, что у нуклонов и S — О, то сохра- нение суммарной странности частиц в сильном взаимодействии объясняет как совместное рождение Л°-гиперона с

так и невозможность рас- пада частиц со странностью, не равной нулю, за счет сильного взаимодействия на частицы, странность которых равна нулю. Реакция (274.2) идет с наруше- нием странности, поэтому она не может происходить в результате сильного вза- имодействия. которые рождаются совместно с двумя каонами, приписывают S = —2; —

Из закона сохранения странности следовало существование частиц, та- ких,как ко-

торые впоследствии были обнаружены экспериментально. Каждый гиперон имеет свою античастицу.

Элементарным частицам приписы- вают еще одну квантово-механическую величину — четность Р — квантовое число, характеризующее симметрию волновой функции элементарной час- тицы (или системы элементарных час- тиц) относительно зеркального отраже- ния. Если при зеркальном отражении волновая функция частицы не меняет знака, то четность частицы Р = +1 (чет- ность положительная), если меняет знак, то четность частицы Р — — 1 (от- рицательная).

Из квантовой механики вытекает закон сохранения четности, согласно которому при всех превращениях, пре- терпеваемых системой частиц, четность состояния не изменяется. Сохранение четности связано со свойством зеркаль-

нои симметрии пространства и указы- вает на инвариантность законов приро- ды по отношению к замене правого ле- вым, и наоборот. Однако исследования распадов привели американ- ских физиков и Ч.Янга (1956 г.; Нобелевская премия 1957 г.) к выводу о том, что в слабых взаимодействиях закон сохранения четности может на- рушаться. Целый ряд опытов подтвер- дили это предсказание. Таким образом, законсохранения каки закон сохранения странности, выполняется только при сильных и электромагнит- ных взаимодействиях.

§ 275. Классификация элементарных частиц. Кварки

В многообразии элементарных час- тиц, известных в настоящее время, об- наруживается более или менее строй- ная система классификации. Для ее по- яснения в табл. 13 представлены основ- ные характеристики рассмотренных выше элементарных частиц.

Характеристики античастиц не при- водятся, поскольку, как указывалось в

§ 273, модули зарядов и странности, мас- сы, спины, изотопические спины, время жизни частиц в вакууме и их античас- тиц одинаковы, они различаются лишь знаками зарядов и странности, а также знаками других величин, характеризу- ющих их электрические (а следователь- но, и магнитные) свойства. В табл. 13 нет также античастиц фотона и и

так как антифотон и анти- и антиэта-ноль-мезоны тожде-

ственны сфотономи тс0-, и В табл. 13 элементарные частицы объединены в три группы (см. § 272): фотоны, лептоны и адроны. Элементар- ные частицы, отнесенные к каждой из этих групп, обладают общими свойства-

ми и характеристиками, которые отли- чают их от частиц другой группы.

К группе фотонов относится един- ственная частица — фотон, который переносит электромагнитное взаимо- действие. В электромагнитном взаимо- действии участвуют в той или иной сте- пени все частицы, как заряженные, так и нейтральные (кроме нейтрино).

К группе лептонов относятся элек- трон, мюон, тау-лептон, соответствую- щие им нейтрино, а также их античас- тицы. Все лептоны имеют спин, равный 1/2, и, следовательно, являются ферми- онами (см. § 226), подчиняясь статис- тике Ферми (см. § 235). По- скольку лептоны в сильных взаимодей- ствиях не участвуют, изотопический спин им не приписывается. Странность лептонов равна нулю.

Элементарным частицам, относя- щимся к группе лептонов, приписыва- ют так называемое лептонное число

заряд) L. Обычно прини- мают, что L = +1 для лептонов (е~, т~, L = — 1 для антилептонов и L — 0 для всех

остальных элементарных частиц. Вве- дение L позволяет за- кон сохранения лептонного числа: в замкнутой системе при без исклю- чения процессах взаимопревращаемос- ти элементарных частиц лептонное чис- ло сохраняется.

Теперь понятно, почему при распаде (258.1) нейтральная частица названа антинейтрино, а при распаде (263.1) — нейтрино. Так как у электрона и нейт- рино L = +1, а у позитрона в антинейт- рино L = —1, то закон сохранения леп- тонного числа выполняется лишь при условии, что антинейтрино возникает вместе с электроном, а нейтрино — с по- зитроном.

Основную часть элементарных частиц составляют адроны. К группе адронов

13

относятся пионы, каоны, нук- лоны, гипероны, а также их античас- тицы (в табл. 13 приведены не все ад- роны).

Адронам приписывают барионное число (барионный заряд) В. Адроны с В — 0 образуют подгруппу мезонов (пи- оны, каоны, а адроны с В = +1 образуют подгруппу барионов (от греч.

«барис» — тяжелый; сюда относятся нуклоны и гипероны). Для лептонов и фотона 5 = 0. Если принять для бари- онов В = для антибарионов (анти- нуклоны, антигипероны) В — —1, а для всех остальных частиц В — 0, то можно сформулировать закон сохранения ба- рионного числа: в замкнутой системе привсехпроцессахвзаимопревращаемо- сти элементарных частиц барионное число сохраняется.

Из закона сохранения барионного числа следует, что при распаде барио- на, наряду с другими частицами обя- зательно образуется Примера- ми сохранения барионного числа явля- ются реакции (273.1) —(273.5). Бари- оны имеют спин, равный (только спин равен т. е. бари- оны, как и лептоны, являются ферми- онами.

Странность для различных частиц подгруппы барионов имеет разные зна- чения (см. табл. 13).

Мезоны имеют спин, равный нулю, и, следовательно, являются бозонами (см. § 226), подчиняясь статистике Бозе (см. § 235). Для ме- зонов лептонные и барионные числа равны нулю. Из подгруппы мезонов только каоны обладают S = +1, а пио- ны и имеют S 0.

Подчеркнем еще раз, что дляпроцес- соввзаимопревращаемостиэлементар- ных частиц, обусловленных сильными взаимодействиями, выполняются все законы сохранения [энергии, импульса,

момента импульса, зарядов (электриче- ского, лептонного и барионного), изо- спина, странности и четности]. В про- цессах, обусловленных слабыми взаи- модействиями, не сохраняются только изоспин, странность и четность.

В последние годы увеличение чис- ла элементарных частиц происходит в основном вследствие расширения группы адронов. Поэтому развитие работ по их классификации все время сопровождалось поисками новых бо- лее фундаментальных частиц, которые могли бы служить базисом для пост- роения всех адронов. Гипотеза о суще- ствовании таких частиц, названных кварками, была высказана независи- мо друг от друга (1964) австрийским физиком Дж. Цвейгом (р. 1937) и аме- риканским физиком-теоретиком Гелл- Маном.

Название «кварк» заимствовано из ро-

мана ирландского писателя Джойса

«Поминки по Финнегапу» (герою снится сои, а котором чайки кричат «Три кварка для мастера Марка»).

Согласно модели га, все известные в то время адроны можно было построить, постулировав существование трех типов кварков (и, d, s) и соответствующих антикварков d, s), если им приписать характеристи- ки, указанные в табл. 14 (в том числе дробные электрические и барионные заряды). Самое удивительное (почти невероятное) свойство кварков связа- но с их электрическим зарядом, по- скольку еще никто не находил частицы с дробным значением элементарного электрического заряда. Спин кварка равен поскольку только из фермио- нов можно «сконструировать» как фер- мионы (нечетное число фермионов), так и бозоны (четное число фермио- нов).

Таблиц а 14

Адроны строятся из кварков следу- ющим образом: мезоны состоят из пары кварк — антикварк, барионы — из трех кварков (антибарион — из трех анти- кварков). Так, например, пион име- ет кварковую структуру ud, пион — ud, каон протон — нейт- рон — udd, — uus,

рон — и т. д.

Во избежание трудностей со статис- тикой [некоторые барионы, например

состоят из трех одинако- вых кварков (sss), что запрещено прин- ципом Паули; см. § 127]; предполагают, что каждый кварк (антикварк) облада- ет специфической квантовой характе- ристикой — цветом: «желтым», «си- ним» и «красным». Тогда, если кварки имеют неодинаковую «окраску», прин- цип Паули не нарушается.

Углубленное изучение модели Гелл- Мана— Цвейга, а также открытие в 1974 г. истинно нейтрального джей-пси-мезона ( массой около со временем жизни примерно с и спином, рав- ным единице, привело к введению но- вого кварка — так называемого с-квар-

ка и сохраняющейся величины —

«очарования» (от англ. charm).

Подобно странности и четности, оча- рование сохраняется в сильных и элек- тромагнитных взаимодействиях, но не сохраняется в слабых. Закон сохране- ния очарования объясняет относитель- но долгое время жизни Основные характеристики с-кварка приведены в табл. 14.

Частице приписывается кварко- вая структура Структура называ- ется чармонием — атомоподобная сис- тема, напоминающаяпозитроний (свя- занная водородоподобная система, со- стоящая из электрона и позитрона, дви- жущихся вокруг общего центра масс).

Кварковая модель позволила опре- делить почти все основные квантовые числа адронов. Например, из этой мо- дели, поскольку спин кварков равен следует целочисленный (нулевой) спин для мезонов и полуцелый — для барио- нов в полном соответствии с экспери- ментом. Кроме того, эта модель позво- лила предсказать также и новые части- цы, например Однако при

использовании модели возникают и трудности. Кварковая модель не по- зволяет, например, определить массу адронов, поскольку для этого необхо- димо знание динамики взаимодействия кварков и их масс, которые пока неиз- вестны.

В настоящее время признана точка зрения, что между лептонами и квар- ками существует симметрия: число должно бытьравно числу ти-

пов кварков. В 1977 г. был открыт сверхтяжелый мезон массой около

20 который представляет собой структуру из кварка и антикварка но- вого типа — [является носи- телем сохраняющейся в сильных вза- имодействиях величины, названной

(от англ. beauty)]. Заряд

равен — Предполагается, что существует и шестой кварк t с за- рядом который назвали истин- ным (от англ. truth — истина), подоб- но тому как с-кварк называют очаро- ванным, — прелестным. В фи- зике элементарных частиц введен «аро- мат» — характеристика типа кварка (см. табл. 14) d, s, с, b, t?), объеди- няющая совокупность квантовых чи- сел (странность, очарование, прелесть и др.), отличающих один тип кварка от другого, кроме цвета. Аромат сохраня- ется в сильных и электромагнитных взаимодействиях. Является ли схема из шести лептонов и шести кварков окончательной или же число лептонов (кварков) будет расти, покажут даль- нейшие исследования.

Контрольные вопросы

Какова природа первичного и вторичного космического излучений? Назовите их свой- ства.

Приведите схемы распада мюонов. Чем объясняется выброс нейтрино (анти- нейтрино)?

Приведите примеры распада Дайте характеристику

Какие фундаментальные типы взаимодействий осуществляются в природе и как их мож- но охарактеризовать? Какой из них является универсальным?

Какие законы сохранения выполняются для всех типов взаимодействий элементарных частиц?

Что является фундаментальным свойством всех элементарных частиц? Назовите свойства нейтрино и антинейтрино. В чем их сходство и различие?

Какие характеристики являются для частиц и античастиц одинаковыми? Какие — раз- ными?

Что такое странность и четность элементарных частиц? Для чего они вводятся? Всегда ли выполняются законы их сохранения?

Почему магнитный момент протона имеет то же направление, что и спин, а у электрона направления этих векторов противоположны?

Какие законы сохранения выполняются при сильных взаимодействиях элементарных частиц? при слабых взаимодействиях?

Каким элементарным частицам и почему приписывают лептонное число? барионное чис- ло? В чем заключаются законы их сохранения?

Зачем нужна гипотеза о существовании кварков? Что объясняется с ее помощью? В чем ее трудность?

Почему потребовалось введение таких характеристик кварков, как цвет и очарование? Какие имеются группы элементарных частиц? Каковы критерии, по которым элемен- тарные частицы относятся к той или иной группе?

ЗАДАЧИ

33.1. Принимая, что энергия релятивистских мюонов в космическом излучении состав- ляет 3 ГэВ, определите расстояние, проходимое мюонами за время их жизни, если собствен- ное время жизни мюона 2,2 мкс, в энергия покоя 100 МэВ. [19,8 км]

33.2. Нейтральный пион распадается на два Принимая массу пионаравной определите энергию каждого из возникших [67,7 МэВ]

33.3. При столкновении нейтрона и антинейтрона происходит их аннигиляция, в резуль- тате чего возникают два а энергия частиц переходит в энергию Опреде- лите энергию каждого из возникших принимая, что кинетическая энергия нейт-

позитрона до их столкновения пренебрежимо мала. [942 МэВ]

33.4. Определите, какие из приведенных ниже процессов запрещены законом сохране- ния лептонного числа: 1) К~ + 2) —> +

33.5. Определите, какие из приведенных ниже процессов разрешены законом сохране- ния странности: 1) р + £ + 2) р + К~ + +п.

33.6. Определите, какие законы сохранения нарушаются в приведенных ниже запрещен- ных способах распада: 1) + п + 2) р + р р +

ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ И ФОРМУЛЫ

Физические основы механики

Средняяскорость

Мгновенная скорость

Среднее ускорение

Мгновенное ускорение

Тангенциальная составляющая

Нормальная составляющая ускорения

Полное ускорение

Кинематические уравнения равнопере- менного поступательного движения

Угловая скорость

Угловое ускорение

Кинематические уравнения равнопере- менного вращательного движения

Связь между линейными и угловыми величинами при вращательном движении

Импульс (количество движения) Второй закон Ньютона

Сила

Закон сохранения импульса (для замк- нутой системы)

Работа переменной силы на участке тра- ектории 1 — 2

Мгновенная мощность

Кинетическая энергия

Потенциальная тела, поднятого над поверхностью Земли,

Потенциальная энергия упругодефор- Штейнера тела

Полная механическая энергия системы

Кинетическая энергия вращающегося тела относительно неподвижной оси

Закон сохранения механической энергии силы относительно неподвиж- (для консервативной системы)

Момент силы относительно

Скорость шаров массами после абсолютно упругого центрального удара

Момент импульса материальной точки относительно неподвижной точки

Момент импульса твердого тела относи-

Скорость шаров после абсолютного не- тельно неподвижной оси упругого удара

Уравнение динамики вращательного

Момент инерции системы (тела) твердого тела

Моменты инерции полого и сплошного сохранения момента импульса цилиндров (или диска) относительно оси замкнутой системы)

симметрии

Момент инерции шара относительно оси, проходящей через центр шара,

Закон всемирного тяготения

Сила тяжести

Момент инерции тонкого стержня отно- оси, перпендикулярной стержню

и проходящей через его середину,

Напряженность поля тяготения

Потенциал поля тяготения

Момент инерции тонкого стержня отно- сительно оси, перпендикулярной стержню

и проходящей через его конец, Взаимосвязь между потенциалом поля

тяготения и его напряженностью

ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ

Аберрации (погрешности) оптических систем 308

- астигматизм

- дисторсия 309

- кома 309

- сферическая 308

- хроматическая 309

Автоколебания 268

Адиабата 107

Активность нуклида 484

Акустоэлектроника 293

Акцепторы 458

Альфа-распад 484

Ампер (единица силы тока) 5 Амплитуда вероятности 404

- волны 283

- колебаний гармонических 253

затухающих 265

Анализ гармонический 262

- люминесцентный 463

- минералогический 364

- рентгеноструктурный 343

- спектральный абсорбци- онный 353

Анализатор 359

Анастигматы 310 Анизотропия оптическая

искусственная 366

Анизотропность 132

Аннигиляция 500

Антикварк 523

Антинейтрино 487,

Антинейтрон 517 Антипротон

- — теории Бора 395 Ахроматы 310

База 473

Барионы 522

Барн 497

Барьер потенциальный 30,

Беккерель (единица актив- ности) 484

Бел 289

Бета-распад 486-488, 499 Бетатрон

Биения 261

Бипризма Френеля 323

Бозе-газ 443

Бозоны 425

Бридер 507

Бэр 490

Вакуум 96

Ватт (единица мощности) 24

Вебер (единица магнитного

Вектор магнитной индук- ции 203

- магнитного момента рам- ки с током 203

- напряженности магнитно- го поля 205 электростатического по- ля 148

- перемещения 9

- плотности потока энергии 283

- ускорения 10

- электрического смещения 163

Векторы аксиальные (псев- довекторы) 12

Вероятность термодинами- ческая

Вес тела 48

Весы крутильные 47, 147 Вещества оптически актив-

ные 367

- лево- и правовращающие 368

- поверхностно-активные 128

Взаимодействие гравитаци- онное 514

- обменное 432

- проводников с токами 207

- сильное 514

- слабое 514

- электромагнитное 514

Волна бегущая 283

- гармоническая 282

- де Бройля 400

- монохроматическая элек- тромагнитная 298

- опорная 345

- плоская 283

- предметная 345

- стоячая 287

- сферическая 283

- упругая поперечная 282 продольная 282

- электромагнитная 294,

297

Античастицы 516

Антиядра 518

Апланаты 310 Апохроматы

Атом водорода в квантовой

механике 418

- скорости мгновенной 9 9

- Умова 283

- Умова 299

Волны звуковые (акустиче- ские) 289

- когерентные 286

- упругие (или механиче- ские) 282

- электромагнитные 282 Вольт (единица потенциа-

ла) 157

Восприимчивость вещества диэлектрическая 162

магнитная 239 Вращение плоскости поля-

ризации магнитное 365

- удельное 367

Время жизни радиоактивно- го ядра среднее 483

- когерентности 319

- реверберации 291

- релаксации 227, 265

Высотомер (альтиметр) 91

Высота звука 290

Выход энергетический 462

Вязкость 62

- динамическая 62

- кинематическая 63

Газ идеальный 83

- реальный 83,

- ультраразреженный 96

Гамма-дефектоскопия 490

Гамма-излучение 488 Гармоники периодического

колебания 262

Генератор 224

- оптический квантовый 436

- электростатический 169 Генри (единица индуктивно-

сти) 226

Герц (единица частоты) 254 Гидроаэромеханика 57

Гипероны 518

Гипотеза 5

- квантовая Планка 374 Гироскоп 41

Голограмма 346

Голография 345

Градиент скаляра 26

- скорости 62

Градус Цельсия 82

Граница красная фотоэф- фекта 380

Грей 490

Громкость звука 289

Группа пространственная 133

Давление 57

- внутреннее 119

- гидростатическое 58, 60,

- динамическое 60

- критическое 120

- молекулярное 127

- парциальное 84

- полное 60

- света 384

- статическое 60

Двигатель вечный первого рода 102

второго рода ИЗ

- тепловой 109, Движение апериодическое

- броуновское 92

-заряженной частицы в магнитном поле 210

- вращательное 8

- поступательное 8

- неравномерное 10

плоское 10

равномерное 10 Двойственность корпуску-

света 318

вещества 398

Декремент затухания 266

логарифмический 266

Детандер 125

Дефект массы 478 Дефекты в кристаллах 137

Дефектоскопия люминес- центная 463

- ультразвуковая 293

Деформация 42

- относительная 43

- пластическая (остаточ- ная) 43

- сдвига 45

- упругая 43

Децибел 289

Джоуль (единица работы, энергии) 24, 102

Диаграмма направленности излучения диполя 300

- напряжений 44

- состояния 143

Диамагнетики 237

Диамагнетизм 237

Диаметр молекулы эффек- тивный 91

Динамика 7

Диод вакуумный 192

- полупроводниковый 472

- плоскостной 472

- точечный 472

Диоптрия 307

Диполь электрический 150,

Дислокации 138 Дисперсия аномальная и

нормальная 350

- вещества 350

- волн 284

- света 349

- электронная теория 350 Диссипация (рассеяние)

энергии 28 Дифракционная решетка од-

номерная 339

трехмерная (простран- ственная) 341

Дифракция на простран- ственной решетке

- рентгеновского излучения 342

- света 332

- Френеля на диске 336

на круглом отверстии 335

- Фрауигофера (в парал- лельных

Диффузия 94

Дихроизм 363 Диэлектрик изотропный

Диэлектрики 147, 160

Длина волны 282

- когерентности 319

- приведенная физического маятника 258

- пути 9

- пути оптическая

- свободного пробега моле- кул

91

- тел в разных системах от- счета 73

Длительность событий 72 Добротность колебательной

системы 266

Доза биологическая 490

- излучения поглощенная 490

экспозиционная 490

Домены 166, 243

Доноры 458 Дросселирование адиабат-

ное 124

Дроссель 124

Дырка 454

Единица физической вели- чины 5

5

5

Емкость электрическая 170

конденсатора

уединенного проводни- ка 170