ВУЗ: Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники
Категория: Учебное пособие
Дисциплина: Ядерная физика
Добавлен: 23.10.2018
Просмотров: 3383
Скачиваний: 10
4.4 Характеристика взаимодействий элементарных частиц
51
T
z
(p) = +1/2, T
z
(n) = −1/2. С точки зрения сильных взаимодействий это одна
и та же частица, только в разных зарядовых (с точки зрения электромагнитных
взаимодействий) состояниях.
В сильных взаимодействиях изотопический спин любой системы не изменяет-
ся — закон сохранения изотопического спина.
Деление всех адронов на изотопические мультиплеты было первой удачной
систематикой адронов (так называемая SU(2)-симметрия). Казалось, что вот еще
чуть-чуть, и теория сильных взаимодействий будет построена. Но. . . вскоре были
открыты странные частицы (они потому и названы странными, что не укладыва-
лись в разработанную систематику изотопических мультиплетов) [4].
Странные частицы рождаются при столкновениях обычных адронов за счет
сильного взаимодействия, но при этом они обязательно возникают парами, что
не следует из известных законов сохранения. Пришлось ввести новое квантовое
число — странность (S
*
) — и новый закон сохранения — закон сохранения странно-
сти. Потому странные частицы рождаются парами, что до взаимодействия
∑ S
*
=
= 0, тогда у одной из родившихся странных частиц S
*
= 1, у другой — S
*
= −1
(
∑ S
*
= 0 сохраняется). Распадаются странные частицы на обычные за счет слабо-
го взаимодействия относительно медленно, за 10
−8
–10
−10
с. (Это-то и было главной
странностью!)
Пришлось отказаться от SU(2)-симметрии и создать SU(3)-симметрию, вклю-
чающую в себя странность. Но вскоре были открыты очарованные (charm) части-
цы (1974 г.), затем красивые (bottom) (1981 г.), и стало ясно, что SU-симметрии —
тупиковый путь.
4.4.4 Слабое взаимодействие
Физика слабого взаимодействия начинается с
β-распада ядер, при котором яд-
ра испускают электроны или позитроны. Кажущееся нарушение закона сохранения
энергии привело к предсказанию существования нейтрино, которое было открыто
экспериментально через 24 года. Затем было открыто, что существуют нейтрино
трех типов: v
e
— электронное нейтрино, v
µ
— мюонное нейтрино, v
τ
— таонное ней-
трино и три соответствующих им антинейтрино (˜v
e
, ˜v
µ
, ˜v
τ
). Напомним, что ней-
трино является непременным спутником заряженных лептонов (e
−
,
µ
−
,
τ
−
) и их
античастиц (e
+
,
µ
+
,
τ
+
). Нейтрино участвуют только в слабых взаимодействиях
и играют в них существенную роль.
Нейтрино и антинейтрино представляют собой нейтральные лептоны. Спин
всех типов нейтрино равен
±(1/2)~, т. е. это — фермионы. Нейтрино и антиней-
трино отличаются друг от друга направлением проекции спина на направление
импульса (спиральностью). Для нейтрино спиральность равна
−1/2, для антиней-
трино —
+1/2 (направление импульса и спина совпадают).
Если бы существовали нейтрино только одного типа v
e
и ˜v
e
, то были бы воз-
можны многие процессы, которые не наблюдаются на опыте, например:
µ
−
→
→ e
−
+ γ; µ
−
= e
−
+ e
+
+ e
−
;
τ
−
= e
−
+ γ и т. д. Чтобы запретить эти и подобные
им процессы и объяснить, какие процессы возможны, а какие — нет, ввели новые
аддитивные квантовые числа — лeптoнныe зapяды L
e
, L
µ
, L
τ
— и установили три
закона сохранения лептонных зарядов.
52
Глава 4. Элементарные частицы
Электронный лептонный заряд
L
e
=
⎧⎪⎪⎪
⎪⎨
⎪⎪⎪⎪
⎩
+1 (e
−
, v
e
) ,
−1 (e
+
, ˜v
e
) ,
0
(вce ocтaльныe чacтицы).
Мюонный лептонный заряд
L
µ
=
⎧⎪⎪⎪
⎪⎨
⎪⎪⎪⎪
⎩
+1 (µ
−
, v
µ
) ,
−1 (µ
+
, ˜v
µ
) ,
0
(вce дpyгиe чacтицы).
Таонный лептонный заряд
L
τ
=
⎧⎪⎪⎪
⎪⎨
⎪⎪⎪⎪
⎩
+1 (τ
−
, v
τ
) ,
−1 (τ
+
, ˜v
τ
) ,
0
(вce дpyгиe чacтицы).
Закон сохранения лептонных зарядов: алгебраическая сумма лептонных заря-
дов сохраняется во всех процессах. С учетом сохранения этих зарядов распады
частиц выглядят так:
π
+
→ µ
+
+v
µ
;
π
−
→ µ
−
+ ˜v
µ
;
π
+
→ e
+
+v
e
;
µ
+
→ e
+
+ ˜v
µ
+v
e
;
µ
−
→ e
−
+v
µ
+ ˜v
e
и т. д.
Закон сохранения лептонных зарядов подтвержден с большой точностью.
Слабое взаимодействие, в отличие от сильного и электромагнитного, не инва-
риантно относительно пространственного отражения (Р — четности) и замены ча-
стицы на античастицу (С — четности). Неинвариантность слабых взаимодействий
по отношению к пространственному отражению впервые обнаружена в 1957 г.
в экспериментах группы ученых США под руководством Ц. Ву (1913–1997 гг.).
Изучался
β-распад поляризованных магнитным полем ядер
60
Co и измерялось рас-
пределение электронов в зависимости от угла
θ между импульсом электрона и спи-
ном ядра. Опыт показал, что число электронов, вылетающих в одну и другую сто-
роны (под углом
θ и π − θ), не одинаково. В этих же опытах было обнаружено
и нарушение С-четности.
Нарушение Р-четности было потом обнаружено в распадах:
π
+
→ µ
+
+ v
µ
;
µ
+
→ e
+
+ ˜v
µ
+ v
e
и других. То есть нарушение СР-четности является общим свой-
ством слабого взаимодействия. Ответа на вопрос, почему в слабых взаимодействи-
ях нарушается СР-четность, пока нет.
В слабых взаимодействиях нарушаются и законы сохранения странности (S
*
),
очарования (c) и красоты (b) [4].
Свойства нейтрино. Электрический заряд и магнитный момент нейтрино
и антинейтрино всех типов равен нулю. Но нейтрино — не истинно нейтральная
частица, так как у нее отличен от нуля лептонный заряд. Что касается массы ней-
трино, то она либо очень мала, либо равна нулю. В первоначальной теории слабого
взаимодействия Ферми считал, что m
v
= 0, но не исключал возможности, что она
есть, но очень мала.
4.4 Характеристика взаимодействий элементарных частиц
53
Советские ученые Е. Ф. Третьяков, В. А. Любимов (институт эксперименталь-
ной и теоретической физики) в течение длительного эксперимента (несколько лет)
нашли, что энергия покоя нейтрино
14 эB
⩽ E
0v
⩽ 46 эB, т. е. 30 ± 16 эВ (
m
e
m
v
≅ 2 ⋅ 10
4
).
Чтобы окончательно считать, что нейтрино обладают массой, необходимо под-
тверждение этих результатов другими лабораториями мира, но пока этого не слу-
чилось.
Нейтрино в природе образуются:
I. За счет реакций распада:
n → p + e
−
+ ˜v
e
(
β
−
-распад);
p → n + e
+
+ v
e
(
β
+
-распад, только внутри ядер, так как m
p
< m
n
);
p + e
−
→ n + v
e
(электронный захват).
II. За счет ядерных реакций и слабых взаимодействий в недрах звезд (в том
числе и внутри Солнца):
p + p → Д + e
+
+ v
e
; p
+ p + e
−
→ Д + v
e
(Д — ядро дейтерия).
Эти нейтрино малой энергии образуют мощный поток от Солнца на Зем-
лю. (По расчетам ежесекундно через тело каждого из нас пролетает 10
13
нейтрино.)
III. Более мощные потоки нейтрино могут возникать при коллапсе звезд (идея
Я. Б. Зельдовича). При сжатии звезды электроны вдавливаются в протоны,
при этом образуются нейтроны и испускаются нейтрино. По расчетам 15%
энергии уносится именно нейтрино.
IV. Есть основания считать, что Вселенная заполнена более медленными ре-
ликтовыми нейтрино (с энергией
∼ 10
−3
эВ), оставшимися от Большого
взрыва. Концентрация их
∼ 150 см
−3
. Может оказаться, что основная масса
Вселенной сосредоточена именно в нейтрино.
V. Нейтрино высоких энергий образуются при рождении и распаде неста-
бильных частиц: в космических лучах, в реакторах и ускорителях (реактор
мощностью 10
3
МВт излучает 2
⋅ 10
20
с
−1
нейтрино, уносящих
∼ 5% мощ-
ности).
Схема получения пучков нейтрино (или антинейтрино). Используется про-
тонный синхротрон в ЦЕРНе — кольцо из отклоняющих и фокусирующих электро-
магнитов, помещенных в подземный туннель длиной 7 км. Примерно 10
13
прото-
нов циркулирует в вакуумной трубе, делая
≅ 500 000 оборотов за 2 с и ускоряясь до
энергии
≅ 400 ГэВ. Затем пучок протонов выводят из кольца и стреляют по берил-
лиевой мишени. Образуются в основном пионы (
π
+
,
π
−
). Опять длинная цепочка
отклоняющих и фокусирующих магнитов (другая), предназначенных для отбора
пионов одного знака и одинакового импульса. Затем пионы попадают в вакуумный
туннель, где свободно летят и распадаются на мюоны и нейтрино:
π
+
→ µ
+
+v
µ
или
π
−
→ µ
−
+ ˜v
µ
(длина этого тоннеля
≅ 350 м). Далее — стальной и каменный экраны,
54
Глава 4. Элементарные частицы
задерживающие любые частицы, кроме нейтрино. Весь цикл занимает
≅ 8 с. Пучок
нейтрино попадает в БЕПК (Большая европейская пузырьковая камера), в которой
находится 10 тонн жидкой смеси водорода с неоном. Фотографируются треки ча-
стиц, образовавшихся в результате взаимодействия нейтрино с ядрами жидкости.
Треки самих нейтрино не видны.
4.5 Единство природы электромагнитных и слабых
взаимодействий
В 1957 г. Ю. Швингер (1918–1994 гг.) предположил, что слабое взаимодей-
ствие осуществляется путем обмена квантами некоего поля. Предполагалось, что,
как и у фотона, спин этого кванта равен 1. Предполагалось наличие двух кван-
тов, они были названы промежуточными векторными W -бозонами (W
−
и W
+
).
В 1959 г. уже более подробную строгую аналогию между электромагнитным и сла-
бым взаимодействиями развил Ш. Глэшоу (р. 1932 г.). Именно он выдвинул идею
о тождественности обоих взаимодействий при сверхвысоких энергиях (
∼ 10
2
ГэВ).
Глэшоу оценил массу W -бозона (
∼ 30 ГэВ). Из теории следовало, что W-бозон и γ-
квант — это разновидности одной частицы и, следовательно, у фотона должен быть
тяжелый нейтральный аналог, его назвали Z
0
-бозоном.
В 1967 г. С. Вайнберг (США, р. 1933 г.) и А. Салам (Пакистан, 1926–1996 гг.),
развивая идеи Глэшоу, создали законченную теорию электрослабого взаимодей-
ствия (оба, совместно с Глэшоу, получили Нобелевскую премию в 1979 г.).
До сих пор, говоря о слабых процессах, мы имели в виду взаимодействия
заряженных слабых токов. Нейтральными называются токи, не меняющие элек-
трических зарядов участвующих в них лептонов и кварков. Нейтральные токи ис-
тинно нейтральны: они не меняют не только заряды, но и другие квантовые числа
частиц, они лишь переводят лептон или кварк в самих себя. Например, реакция
слабых заряженных токов
v
µ
+ n → µ
−
+ p + π
+
+ π
−
,
а реакция слабых нейтральных токов
v
µ
+ p → v
µ
+ p + π
+
+ π
−
.
Вайнберг и Салам рассчитали вероятность процессов с нейтральными токами,
осуществляемыми с помощью Z
0
-бозонов. (Заряженные токи — с помощью W
−
-
и W
+
-бозонов).
Собственно, они дали физическое объяснение Z
0
-бозону, нашли его место
в слабом взаимодействии, указали четкую структуру слабого взаимодействия. (За-
метим, что подобно фотону и глюону, бозоны — переносчики слабого взаимодей-
ствия — являются векторными, т. е. переносчики всех взаимодействий, кроме, мо-
жет быть, гравитона, являются векторами.)
Теория Вайнберга и Салама давала значения масс промежуточных векторных
бозонов в интервале 80–90 ГэВ. Поэтому их поиски начались только в 1981 г., когда
в ЦЕРНе был запущен протон-антипротонный коллайдер (ускоритель на встречных
4.6 Кварковая модель строения адронов
55
пучках) на 270 ГэВ в каждом пучке. В 1982 г. W
−
- и W
+
-бозоны были обнаружены.
Треков они не дают, так как существуют всего 3
⋅ 10
−25
с. Обнаруживают их по
распадам W - и Z-бозонов на лептоны, причем направления образующихся частиц
почти перпендикулярны встречающимся пучкам p и ˜p. Распады:
W
+
→ e
+
+ v
e
;
W
−
→ e
−
+ ˜v
e
;
Z
0
→ e
+
+ e
−
.
Установка уникальна: магнит, создающий B
= 0,7 Тл в объеме 80 м
3
, из них
25 м
3
— центральный детектор. Это камера, заполненная смесью аргона и этана.
В ней 6
⋅ 10
3
регистрирующих проволочек и 17
⋅ 10
3
проволочек, создающих элек-
трическое поле. Вероятность процесса образования W -бозона 10
−8
, а Z
0
-бозона —
10
−9
от числа столкновений p и ˜p. В течение тридцатисуточного сеанса в ноябре-
декабре 1982 г. электроника отбросила как неинтересные 999
⋅ 10
6
процессов и от-
правила в компьютер лишь 10
6
событий тех, в которых были частицы с боль-
шой поперечной энергией. Среди этих событий было только около 10
3
электронов
с поперечной энергией более 15 ГэВ. Из этой тысячи физики отобрали только
шесть (!) кандидатов в W -бозоны, и из них четыре были признаны W
+
-бозонами.
(Как дорого добываются тайны у Природы!) В апреле-июне 1983 г. состоялся еще
один сеанс работы коллайдера, во время работы которого суммарная статисти-
ка W -бозонных событий приблизилась к сотне и было обнаружено около десяти
электрон-позитронных распадов Z
0
-бозона.
4.6 Кварковая модель строения адронов
Как уже отмечалось в разделе 4.4.3, были попытки систематизации адронов,
поскольку именно они составляют большинство элементарных частиц. Первым
крупным успехом теоретиков была SU(2)-симметрия, которая приводила к закону
сохранения изотопического спина. После появления странных частиц была создана
SU(3)-симметрия — большая и сложная теория, в которую, кроме закона сохране-
ния изотопического спина, входил уже закон сохранения странности.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Таким образом, странность, введенная вначале чисто эмпириче-
ски, получила теоретическое обоснование. Заметим, что странные
и обычные адроны образуют объединения (группы), которые бы-
ли названы унитарными мультиплетами. Число входящих в них
частиц либо восемь, либо десять, других вариантов нет.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Анализируя унитарные мультиплеты, Д. Цвейг (р. 1937 г.) и независимо от него
М. Гелл-Манн (р. 1929 г., Нобелевская премия, 1969 г.) пришли к гипотезе кварков.
Все адроны являются комбинацией кварков (q-квapк, ˜q-aнтиквapк). Составной ха-
рактер адронов уже доказан экспериментально при обстреле адронов электронами
и нейтрино. При обстреле протонов нейтрино с энергией
∼ 100 ГэВ получено, что
протоны состоят из частиц, размеры которых
∼ 10
−17
м, т. е. примерно в сто раз
меньше, чем размер самого протона.