Основні властивості елементарних частинок



ФІЗИКА

Частина 6 ФІЗИКА АТОМНОГО ЯДРА І ЕЛЕМЕНТАРНИХ ЧАСТИНОК

Розділ 18 ФІЗИКА ЕЛЕМЕНТАРНИХ ЧАСТИНОК

18.2. Основні властивості елементарних частинок

Накопичений фактичний матеріал, який включає велику кількість даних про маси, заряди, спіни, способи розпаду і народження частинок, сприяв виробленню феноменологічного підходу, на основі деяких нових понять, таких як ізотопічний спін, дивність, лептонний і баріонний заряди тощо. За загальними правилами квантової теорії, цим поняттям відповідає дискретний набір чисел, названих квантовими,

для яких формулюються емпіричні закони збереження і відбору, встановлених із різним ступенем точності. На основі цих знань виникла первинна система елементарних частинок. Поняття, покладені в основу сучасної класифікації елементарних частинок, не мають простих класичних аналогів. Вони були вироблені під час спроби пояснити ті закономірності, які спостерігаються на досліді.

Одне з основних завдань майбутньої теорії – пояснити походження встановленого спектра значень відповідних квантових чисел, подібно до того як квантова механіка пояснила спектр значень квантових чисел електрона в атомі.

Тепер

у фізиці високих енергій відомо досить багато елементарних частинок і за допомогою квантових чисел можна дати вичерпну характеристику кожної з них. Розглянемо ці квантові числа.

1. Кожна частинка характеризується масою т. Для частинок, що рухаються зі швидкістю світла (фотон), маса дорівнює нулю. Для інших частинок вона відрізняється від нуля. У фізиці високих енергій маса частинок виражається в енергетичних одиницях.

2. Електричний заряд q виражається в одиницях заряду електрона і для всіх відомих нині елементарних частинок набирає тільки цілочислових значень: 0, ±1. Елементарних частинок із більшим електричним зарядом не виявлено.

3. До відкриття антинуклонів (антинейтрон було відкрито 1956 р.) можна було сформулювати закон збереження числа нуклонів так: загальне число нуклонів у будь-яких перетвореннях залишається незмінним. У зв’язку з явищем анігіляції нуклонів і антинуклонів було введено нове поняття – баріонний заряд В. Нейтрон і протон мають баріонний заряд, що дорівнює +1, а антинейтрон і антипротон -1. Замість збереження числа нуклонів говорять про закон збереження баріонного заряду. За будь-яких перетворень у природі баріонний заряд зберігається. Цей закон досить умовний, але він відображає фундаментальну властивість природи: важкі частинки при перетвореннях не можуть повністю розпадатися на легкі. Закон збереження баріонного заряду подібний за формою до закону збереження електричного заряду – в природі існують лише такі електричні заряди, значення яких кратне заряду електрона. Тому сказати, що електричний заряд зберігається, – це все одно, що сказати: зберігається різниця числа частинок, заряджених позитивно, і числа частинок, заряджених негативно. Заряд, таким чином, набуває нового змісту – він стає відмінною ознакою, за якою можна підрахувати число частинок різного типу. Як електричний заряд допомагає підрахувати число заряджених частинок, так баріонний заряд допомагає підрахувати число важких частинок – баріонів. Електричний заряд дорівнює нулю для нейтрона, π-мезона, фотона. Баріонний заряд дорівнює нулю для лептонів і мезонів. Нуклонам і гіперонам (баріонам) властивий баріонний заряд +1, антибаріонам відповідає баріонний заряд -1.

4. Експериментально не спостерігається безнейтринний подвійний β-розпад нейтрона, хоча він не суперечить законам збереження електричного і баріонного зарядів. Відсутність такого процесу можна пояснити, припустивши, що з кожною частинкою пов’язаний ще лептонний заряд, який відмінний від нуля лише для легких частинок – лептонів. Електронний лептонний заряд Lе дорівнює +1 для електрона е – та електронного нейтрино νе і -1 для позитрона е+ та електронного антинейтрино Основні властивості елементарних частинокЕ і дорівнює нулю для інших частинок. Мюонний лептонний заряд Lμ дорівнює +1 для негативного мюона μ- та мюонного нейтрино νμ і -1 для позитивного мюона μ+ та мюонного антинейтрино і дорівнює нулю для всіх інших частинок. У випадку ізольованої системи елементарних частинок алгебраїчна сума лептонних зарядів залишається незмінною. Це положення виражає закон збереження лептонного заряду Lе і Lμ.

Кожній елементарній частинці з певним набором чотирьох квантових чисел (зарядів) – q, В, Lе, Lμ відповідає інша частинка, для якої всі ці чотири числа мають протилежні знаки. При цьому маса, спін, час життя у таких частинок однакові. Такі дві частинки утворюють пару частинка – античастинка. Частинки, для яких ці чотири заряди дорівнюють нулю, при зміні знаків зарядів переходять самі в себе (γ-фотон, π°-мезон). Відомий також третій лептонний заряд Lτ, за допомогою якого відрізняють недавно відкритий τ-лептон від електрона і мюона.

5. У 1951-1961 рр. було відкрито групу частинок, властивості яких настільки незвичні, що їх почали називати дивними. Для характеристики таких частинок ввели нову величину – дивність S.

Незвичність у поведінці цих частинок полягала насамперед у тому, що народжувались вони внаслідок сильних взаємодій за час порядку 10-23 с. Виходячи з оборотності реакцій, слід чекати, що вони розпадатимуться за такий самий час. Тим більше, що розпад унаслідок сильних взаємодій енергетично можливий для всіх дивних частинок. Проте час життя цих частинок становить не 10-23 с, а 10-8…10-10 с, тобто вони розпадаються дуже повільно, за час, характерний для слабких взаємодій. Отже, щось заважає їм розпадатися під впливом сильних взаємодій, унаслідок яких вони утворюються. Далі виявилось, що дивні частинки завжди народжуються тільки парами. Це навело на думку, що сильні взаємодії не відіграють ролі при розпаді дивних частинок унаслідок того, що для їхнього прояву необхідна наявність двох таких частинок. Проте в основі будь-якого процесу завжди лежать закони збереження. Так, важкі частинки (наприклад, нуклони) не можуть розпастися на легкі, оскільки це заборонено законами збереження баріонного і лептонного зарядів, а розпад вільного протона на нейтрон, позитрон і нейтрино заборонений законом збереження енергії. Для пояснення заборони одиничного народження дивних частинок М. Гелл-Манн і К. Нішіджи – ма ввели нове квантове число, яке дістало назву дивності частинки. Частинкам, що не беруть участі у сильних взаємодіях, умовились приписувати значення дивності S=0. Для інших частинок, що беруть участь у сильній взаємодії, дивність відмінна від нуля і набуває значень ±1, ±2, ±3. Частинки з більшим значенням дивності поки що невідомі. Закон збереження дивності можна сформулювати так: алгебраїчна сума дивностей частинок до і після реакції дорівнює одна одній. Із закону збереження дивності випливає пояснення парного виникнення дивних частинок. Справді, дивні частинки народжуються під час зіткнень звичайних частинок, сумарна дивність яких дорівнює нулю. Проте тоді сумарна дивність народження частинок має також дорівнювати нулю і, отже, обов’язково утворюватимуться частинки з від’ємною і додатною дивністю. Виходячи із закону збереження дивності, можна пояснити неможливість розпаду дивних частинок сильною і електромагнітною взаємодіями.

Часто користуються величиною, еквівалентною дивності, яку позначають Y і називають гіперзарядом. Гіперзаряд однозначно пов’язаний із дивністю S і баріонним зарядом В частинки співвідношенням

Основні властивості елементарних частинок

6. В усіх процесах з елементарними частинками строго виконується закон збереження спіну, який у першому наближенні можна розглядати як закон незнищуваності обертального руху матеріальних об’єктів. Класичним аналогом спіну є момент обертання дзиги навколо своєї осі. Однак при цьому слід пам’ятати, що, по-перше, спін – це невід’ємна властивість елементарних частинок, його неможливо змінити, по-друге, спін може дорівнювати тільки цілому або півцілому числу сталої Планка, поділеній на 2π (h / (2π)), і, по-третє, в частинки вісь “обертання” може бути орієнтована лише в кількох певних напрямах.

Зі спіном пов’язана поведінка частинки в групі однакових частинок, або так звана статистика частинок. Існує два типи статистик: статистика Фермі – Дірака для частинок з півцілим спіновим числом 1/2, 3/2, … і статистика Возе – Ейнштейна для частинок з цілим спіновим числом 0, 1, 2, … . Частинки, що мають півцілий спін, називають ферміонами. До них належать усі легкі частинки – лептони і всі важкі частинки – баріони. Для них справджується принцип Паулі, який стверджує, що у певній системі тотожних ферміонів будь-які два з них не можуть одночасно перебувати в одному квантовому стані. Частинки з цілим спіном називають бозонами, до них належать фотон і всі мезони – частинки проміжної маси. У випадку бозонів в одному і тому самому стані може перебувати довільна кількість частинок.

7. Уявлення про ізотонічний спін уперше було введено у фізику для пояснення факту однаковості ядерних взаємодій протона і нейтрона. Електромагнітні властивості цих частинок істотно відрізняються: протон електрично заряджений, нейтрон – ні, магнітний момент протона – позитивний, нейтрона – негативний. Отже, в електромагнітних взаємодіях беруть участь дві різні частинки, а в сильних – одна, що перебуває у двох різних станах: нейтронному і протонному. Два стани (протонний і нейтронний) однієї частинки – нуклона – нагадують ситуацію зі спіном електрона.

Електрон у реальному просторі може мати лише два фіксовані положення: або вздовж деякого обраного напряму, або назустріч йому. При цьому електрону приписують поняття спіну зі значенням його проекцій ±1/2. Нуклонам, крім звичайного спіну, для описання їхніх зарядових властивостей за аналогією приписують поняття ізотопічного спіну зі значенням проекцій ±1/2. Проекції ізоспіну також відраховують від обраного напряму, але вже в деякому абстрактному ізотопічному просторі. При цьому нейтрону приписують значення проекції ізоспіну -1/2, протону – +1/2. Подібна ситуація буває й при електромагнітних і сильних взаємодіях піонів. Введення квантового числа І (ізотопічного спіну) дає змогу з’ясувати поведінку елементарних частинок щодо сильних і електромагнітних взаємодій. Сильні взаємодії залежать тільки від абсолютного значення вектора ізоспіну, тоді як електромагнітна взаємодія залежить і від орієнтації цього вектора в ізотопічному просторі.

Ізоспін частинки введено за аналогією зі звичайним спіном, і тому він математично характеризується тими самими формальними властивостями, що і звичайний спін. Однак фізичний зміст їх істотно різний. Якщо спін як квантова характеристика частинок виникає із властивостей симетрії (ізотропності) реального простору і не залежить від виду взаємодії, в яких частинка бере участь, то ізоспін як квантова характеристика має зміст вектора в деякому формальному просторі – ізопросторі, який виявляє властивості ізотропії лише для певної (сильної) взаємодії.

Отже, слово “спін”, яке фігурує в назві нового квантового числа I-ізотопічного спіну, підкреслює лише той факт, що математичний апарат, який його описує, такий самий, як і математичний апарат звичайного спіну. Зауважимо, що квантове число І немає ніякого відношення до ізотопів. Слово “ізотопічний” в його назві з’явилось через те, що протон і нейтрон відносно сильної взаємодії є різновидами однієї частинки – нуклона, подібно до того як ізотопи утворюють різновиди певного хімічного елемента. Введення поняття ізотопічного спіну мало велике значення для вивчення сильних взаємодій, яким властива зарядова незалежність, а також накреслили шляхи в установленні систематики елементарних частинок. Дослідження показали, що в усіх процесах, пов’язаних з перетвореннями елементарних частинок, зумовленими зарядово-незалежними сильними взаємодіями, виконується закон збереження ізотопічного спіну. При цьому зберігається як сам ізотопічний спін I, так і його проекція ІZ. Для електромагнітних взаємодій зберігається тільки його проекція ІZ, значення ізотопічного спіну не зберігається. При слабких взаємодіях змінюються як I, так і ІZ.

8. Серед величин, що характеризують елементарні частинки, є ще одна суто квантово-механічна величина, яку називають парністю Р. Розглянемо її. Відомо, що в квантовій механіці стан однієї частинки або системи частинок описується хвильовою функцією, яка задовольняє рівняння Шредінгера і залежить від координат і часу. Під парністю стану, або парністю хвильової функції, розуміють характер її поведінки при просторовій інверсії – зміні знака всіх координат частинки на протилежні (х на – х, у на – у, z на – z), що еквівалентно дзеркальному відображенню, або переходу від правогвинтової системи координат до лівогвинтової. При такій просторовій інверсії можливі два випадки: хвильова функція залишається незмінною або змінює свій знак на протилежний. У першому випадку хвильова функція є парною, а в другому – непарною.

Поведінка хвильової функції при інверсії визначається внутрішніми властивостями частинок, які вона описує. Саме для того, щоб наголосити на цьому, і вводять нове квантове число Р. Частинкам із парною хвильовою функцією приписують позитивну парність (Р=+1). Вважають, що частинки з непарною хвильовою функцією мають негативну парність (Р=-1). Парність системи частинок визначається добутком парностей окремих частинок, що входять до складу системи.

Із квантової механіки випливає закон збереження парності, який стверджує: при всіх перетвореннях, яких зазнає система частинок, парність стану залишається незмінною. Закон збереження парності означає, що процеси в природі не залежать від вибору правогвинтової або лівогвинтової системи координат, в яких ці процеси вивчають, або, що те саме, немає різниці між об’єктом і його дзеркальним відображенням. Отже, закон збереження парності пов’язаний із властивостями дзеркальної симетрії простору. До 1956 р. вважали, що закон збереження парності має загальний характер і виконується при всіх видах взаємодії. В 1956 р. було з’ясовано, що при слабких взаємодіях закон збереження парності порушується.

Ми розглянули основні квантові числа елементарних частинок. Кожне з них об’єднує велику групу частинок за тією ознакою, яку вона має. Електричний заряд поділяє всі частинки на заряджені позитивно, заряджені негативно і нейтральні. Баріонний заряд об’єднує частинки у велику групу баріонів, для яких він відмінний від нуля. Зазначимо, що баріони можуть бути електрично нейтральними або зарядженими позитивно чи негативно. Лептонний заряд об’єднує групу легких частинок – лептони, які беруть участь в електромагнітних і слабких взаємодіях і не беруть участі в сильних. Дивність групує частинки на дивні, куди входять як баріони, так і мезони з баріонним зарядом, що дорівнює нулю, і на звичайні – недивні, куди також входять баріони і мезони, але з нульовою дивністю. Звичайний спін поділяє всі частинки на ферміони (з півцілим спіном) і бозони (з цілим спіном), кожній групі з яких відповідає своя статистика. Те саме можна сказати і про ізоспін, який об’єднує відомі нам частинки в ізотопічні мультиплети.

Отже, за допомогою квантових чисел можна повністю охарактеризувати кожну елементарну частинку. Проте слід зазначити їхню істотну відмінність, яка насамперед полягає в тому, що не всі вони є універсальними квантовими числами, здатними описувати всі види взаємодії. Деякі з них (парність, ізотопічний спін) змінюють своє значення при слабких взаємодіях, закон збереження ізотопічного спіну порушується також при електромагнітній взаємодії (див. підрозділ 18.9).


1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд (1 votes, average: 5,00 out of 5)


Піраміда енергії.
Ви зараз читаєте: Основні властивості елементарних частинок