Файл: fiz_1_1_mekh_otnosit_vm_i_as_rab_var_1_09_12.doc

Все известные фундаментальные фермионы (s = 1/2) перечислены в таблице 1. Из их свойств в этой же таблице указан лишь электрический заряд. Эти 12 фермионов делятся на три «поколения», в каждом из которых имеется по два лептона и два кварка. В теории частиц существует устоявшаяся терминология, которая несколько необычна, но к этому следует привыкнуть. При этом, все эти понятия, конечно же, не имеют никакого отношения к обыденному смыслу тех слов, которыми они обозначаются.

Лептоны, такие как электрон и электронное нейтрино, известны уже давно. Кварки также давно изучаются экспериментально и сомнения в их реальности – последствие их теоретической родословной и связаны с невозможностью их наблюдения в свободном состоянии (конфайнмент(в переводе с английского – пленение)).

Нужно подчеркнуть, что кварки абсолютно реальны, они четко наблюдаются внутри адронов в многочисленных экспериментах при высоких энергиях. У каждого заряженного фермиона есть своя античастица с другим знаком электрического заряда. Есть ли античастицы у нейтрино, сейчас неизвестно, возможно, что они являются так называемыми истинно нейтральными частицами.

Таблица. 1 Фундаментальные фермионы

Поколения

Кварки («верхние» и «нижние»)

+2/3

-1/3

Лептоны (нейтрино и заряженные)

v_e

v_μ

v_τ

-1

Все остальные субъядерные частицы являются составными и строятся из кварков.

Заметим только, что из троек кварков строятся барионы, т. е. фермионы типа протона, нейтрона и разнообразных гиперонов, тогда как из пар кварк-антикварк строятся мезоны, т. е. бозоны типа π-мезонов, К-мезонов и т. п.

Барионы и мезоны объединяются в класс частиц, именуемых адронами, - эти частицы участвуют во всех типах взаимодействий, известных в природе: сильном, электромагнитном и слабом. Лептоны участвуют только в электромагнитных и слабых взаимодействиях. Аналогичные частицы из разных поколений отличаются только по массе, все остальные квантовые числа у них просто совпадают. Например, мюон μ во всех отношениях аналогичен электрону, но примерно в 200 раз тяжелее, природа этой разницы не известна. В таблице 2 приведены экспериментальные значения масс всех фундаментальных фермионов (в энергетических единицах), а также времена жизни (или соответствующие ширины резонансов) в случае нестабильных частиц. Там же указан год открытия соответствующей частицы. Год открытия, конечно, определен иногда достаточно условно. В некоторых случаях указан год теоретического предсказания.

Значения масс кварков (так же, как и их времена жизни) не следует понимать слишком буквально, поскольку кварки не наблюдаются в свободном виде. Эти значения характеризуют кварки, находящиеся глубоко внутри адронов.

Таблица 2. Массы и времена жизни фундаментальных фермионов

ν_e<10 eV(1956)	ν_μ<170 KeV (1962)	v_τ< 24 MeV (1975)
e = 0.5 MeV(1897)	μ=105.7 MeV, 2 10^-6s (1937)	т = 1777 MeV, 3 10^-13s (1975)
u = 5 MeV(1964)	с = 1300 MeV, 10^-12 s (1974)	t = 176 GeV, Г = 2 GeV (1994)
d= 10MeV(1964)	s= 150 MeV (1964)	b=4.3GeV, 10^-12s(1977)

Следует отметить, что для построения всего окружающего нас мира, состоящего реально из атомов, т.е. ядер и электронов, а соответственно, из таких стабильных (или относительно стабильных) частиц, как электрон, протон, нейтрон и нейтрино, достаточно частиц только из первого поколения! Необходимость в еще двух поколениях пока не ясна.

1.2. Векторные бозоны

Помимо фундаментальных фермионов, являющихся основными «кирпичиками» материи, известны из опыта еще 4 векторных (s = 1) бозона, являющихся переносчиками основных взаимодействий: фотон γ, глюон g, нейтральный слабый бозон Z⁰ и заряженные слабые бозоны W^± (являющиеся античастицами по отношению друг к другу). Основные свойства этих частиц приведены в таблице 3.

Таблица 3. Фундаментальные бозоны, их массы и ширины

Бозон	γ(1900)	g (1973)	Z (1983)	W (1983)
Масса	0	0	91.2 GeV	80.4 GeV
Ширина	0	0	2.5 GeV	2.1 GeV

Лучше всего изучены, естественно, фотоны. Это радиоволны, свет, рентгеновские и γ - лучи. Масса фотона равна нулю, так что энергетический спектр свободного фотона (закон дисперсии) имеет вид:

Е= ћc|k|.

Фотоны с

Е ≠ ћc|k|

называются виртуальными, например кулоновское поле в атоме водорода создают виртуальные фотоны с

ћ²c²k² >> Е².

Источником фотонов является электрический заряд. Соответствующая безразмерная константа взаимодействия - известная постоянная тонкой структуры

α = е²/ ћc ~ 1/137.

Все электромагнитные взаимодействия обусловлены обменом фотонами.

Теория, описывающая электромагнитные взаимодействия, называется квантовой электродинамикой (КЭД).Здесь выписываются в явном виде ћ и с, но обычно переходят на естественную для квантовой теории поля систему единиц ћ = с = 1. Свойства и правила работы в такой системе прекрасно описаны в литературе. Когда это нужно, ћ и с легко восстановить.

Массивные векторные бозоны Z и W^± являются переносчиками короткодействующего слабого взаимодействия. Вместе с фотоном они входят в единую группу электрослабого взаимодействия. Соответствующие безразмерные константы взаимодействия

α_w = g_w²/ ћc ~ α_Z = g_Z²/ ћc ~ α ,

т. е. порядка электромагнитной константы.

Глюоны являются переносчиками сильного взаимодействия. Источниками глюонов являются специфические «цветовые» заряды. Каждый из 6 сортов кварков (или, как говорят, «ароматов») u, d, с, s, t, b существует в трех цветовых разновидностях: красной r, зеленой g, синей b. Антикварки обладают соответствующими антицветами: ˉr, ˉg, ˉb. Цвета кварков не зависят от их ароматов. Адроны состоят из симметричных или противоположных по цвету комбинаций кварков - они «белые», их цвет равен нулю. С учетом античастиц, кварков 12, а с учетом цвета - 36. Но для каждого аромата речь идет просто о разных по цвету состояниях одной частицы. Цветовая симметрия является точной.

Цветовые состояния глюонов сложнее. Глюон имеет не один цветовой индекс, а два. Всего имеется 8 цветных глюонов: 3x3=8+1, одна комбинация rˉr+gˉg+bˉb является белой и не несет цветового заряда. В отличие от электродинамики, где фотоны электрически нейтральны, глюоны, как носители цветовых зарядов, взаимодействуют и с кварками, и между собой, т.е. излучают и поглощают новые глюоны («светящийся свет»). Эта особенность является одной из причин конфайнмента: при попытке развести кварки и глюоны их энергия возрастает, что и приводит к невылетанию кварков. Теория взаимодействия кварков называется квантовой хромодина-микой (КХД).

11.Элементарные частицы

11.1. Основные понятия и законы

11.1.1.Виды взаимодействий

Сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Сильное взаимодействие осуществляется между адронами посредством обмена пионами и внутри адронов путем конфайнмента кварков при обмене глюонами. В электромагнитном взаимодействии переносчиками являются фотоны. Слабое взаимодействие характеризует процессы, которые осуществляется путем обмена заряженными(реакция с заряженным током) или нейтральными(реакция с нейтральным током) бозонами. Гравитационное взаимодействие осуществляется гравитонами(пока не открыты).

11.1.2.Законы сохранения

Рождение элементарных частиц является результатом взаимодействия (столкновения) высокоэнергетичных частиц между собой, т. е. они появляются в результате ядерных реакций. Это свойство элементарных частиц — релятивистский эффект, обусловленный соотношением между массой частицы m, ее энергией Е и импульсом р:

Е²=р²с²+m²с⁴. (11.1.2.1)

Отсюда сразу следует известное соотношение Эйнштейна

Е₀=mс², (11.1.2.2)

означающее, что энергия покоя тела пропорциональна его массе. Тем самым массу частиц можно выражать в энергетических единицах, что и принято в физике элементарных частиц.

Имеется 8 строгих законов сохранения при взаимодействии частиц: законы сохранения энергии E, импульсаP, момента импульсаJ, электрическогоQ, лептонного (электронногоL_e, мюонногоL_μ, таонногоL_τ) и барионногоBзарядов.

В сильных взаимодействиях сохраняются все характеристики.

В электромагнитном не сохраняется изоспин.

В слабых взаимодействиях не сохраняются странность s, очарование с, боттомb, топt, изоспинI, проекция изоспинаI₃, пространственная Р, зарядовая С и комбинированная СР четность, инвариантность к обращению времени Т. СРТ-инвариантность справедлива для всех видов взаимодействий.

11.1.3. Процессы взаимодействия частиц и их распады наглядно изображаются в виде диаграмм

Рис. 11.1. Диаграмма β -распада отрицательного мюона

Процесс идет с испусканием промежуточного бозона. Промежуточные стадии могут при записи реакций опускаться и тогда на рисунке промежуточный бозон отсутствует.