21

13. Элементарные частицы

13.1. Космические лучи. Происхождение космических лучей. Первичное и вторичное излучение. Интенсивность, состав, энергетический спектр. Взаимодействие первичного космического излучения с магнитным полем Земли. Радиационные пояса

И з мирового пространства на Землю непрерывно па­дает поток атомных ядер (в основном протонов) высо­кой энергии (в среднем ~10 ГэВ, энергия отдельных частиц достигает ГэВ. Эти так называемые первичные космические лучи образуют в земной атмосфере вторичное излучение, в котором встре­чаются все известные элементарные частицы.

Интенсивность первичных космических лучей на гра­нице атмосферы составляет примерно 1 частицу/см² с. Поток заряженных частиц на уровне моря равен в среднем ~2· частиц/ с. Существование магнитного поля Земли приводит к тому, что интенсивность кос­мических лучей меняется с широтой. Это явление назы­вается широтным эффектом.

Частицы первичных космических лучей претерпевают неупругие столкновения с ядрами атомов в верхних слоях атмосферы, в результате чего возникает вторич­ное излучение. На высотах ниже 20 км космические лучи практически полностью носят вторичный характер. В составе вторичных космических лучей имеются две компоненты. Одна из них сильно поглощается свинцом и поэтому была названа мягкой; вторая же проникает через большие толщи свинца и получила название жесткой.

Мягкая компонента состоит из каскадов или ливней электронно-позитронных пар. Возникший в результате ядерного превращения или резкого торможения быстрого электрона фотон, пролетая вблизи атомного ядра, создает электронно-позитронную пару (рис. 13.1). Торможение этих частиц снова приводит к образованию γ - фотонов, и т. д. Процессы рождении пар и возникновения γ - квантов чередуются друг с другом до тех пор, пока энергия γ - фотонов не станет недо­статочной для образования пар. Поскольку энергия первоначального фотона бывает очень большой, успевает возникнуть много поколений вторичных частиц, прежде чем прекращается развитие ливня.

Жесткая, проникающая компонента космических лучей состоит в основном из мюонов и возникает преимущественно в верхних и средних слоях атмосферы за счет распада заряженных π-мезонов (и отчасти К-мезонов).

Во время полетов искусственных спутников Земли и космических ракет были открыты вблизи Земли радиационные пояса, которые представляют собой две окружающие Землю зоны с резко повышенной интенсивностью ионизирующего излучения. Их существование обусловлено захватам и удержанием заряженных космических частиц магнитным полем Земли. В плоскости экватора внутрен­ний пояс радиации простирается от 600 до 6000км, внешний пояс - от 20 000 до 60000 км. На широтах 60- оба пояса приближаются к Земле на расстояние в несколько сот километров.

13.2. Фундаментальные взаимодействия и основные классы элементарных частиц. Электрослабое взаимодействие. Лептоны и адроны

Под элементарными частицами понимают такие микрочастицы, внутреннюю структуру которых на современном уровне развития физики нельзя представить как объединение других частиц. Во всех наблюдавшихся до сих пор явлениях каждая такая частица ведет себя как единое целое. Элементарные частицы могут превращаться друг в друга.

В настоящее время известны четыре вида взаимодействий между элементарными частицами: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное (мы перечислили их в порядке убывания интенсивности).

Сильное взаимодействие или ядерное обеспечивает связь нуклонов в ядре. Интенсивность взаимодействия принято характеризовать безразмерной константой взаимодействия G². Эта же константа характеризует вероятность процессов, обусловленных данным взаимодействием. Для сильных взаимодействий G²= = l. Наибольшее расстояние, на котором проявляется сильное взаимодействие (радиус действия r), составляет примерно 10^-13 с. Частица, пролетающая со скоростью, близкой к скорости света с, в непосредственной близости к другой частице, будет взаимодействовать с ней в течение времени τ ≈ r/с ≈ 10^-23 с. В соответствии с этим говорят, что сильное взаимодействие характеризуется временем взаимодействия τ_s порядка 10^-23 с.

Электромагнитное взаимодействие. Радиус действия электромагнитного взаимодействия не ограничен (r = ∞). Константа взаимодействия равна . Следовательно, интенсивность электромагнитного взаимодействия примерно в 100 раз меньше, чем сильного. Время, необходимое для того, чтобы проявилось взаимодействие, обратно пропорционально его интенсивности (или вероятности). Поэтому для электромагнитного взаимодействия .

Слабое ( распадное) взаимодействие ответственно за все виды β-распадов ядер (включая K-захват), за многие распады элементарных частиц, а также за все процессы взаимодействия нейтрино с веществом. Слабое взаимодействие, как и сильное является короткодействующим. Константа взаимодействия G²=G²_W равна 10^-14, время взаимодействия τ_w ≈ 10^-9 с.

Гравитационное взаимодействие. Радиус действия не ограничен

(r =∞). Константа взаимодействия крайне мала: G² = = 10^-39, время взаимодействия составляет _g ≈ 10⁹ лет. Гравитационное взаимодействие является универсальным, ему подвержены все без исключения элементарные частицы. Однако в процессах микромира гравитационное взаимодействие ощутимой роли не играет.

В соответствии с характером взаимодействий, в которых они способны участвовать, элементарные частицы делятся на три класса.

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

2.Лептоны (греческое «лептос» означает легкий). К их числу относятся частицы, не обладающие сильным взаимодействием: мюоны ), электроны ) и нейтрино (v, v). Все лептоны имеют спин, равный 1/2. Такие частицы подчиняются статистике Ферми —Дирака (учитывающей принцип Паули), и называются фермионами. Все лептоны обладают слабым взаимодействием. Те из них, которые имеют электрический заряд (т. е. мюоны и электроны), обладают также электромагнитным взаимодействием.

3.Адроны (греческое «адрос» означает крупный,массивный). Этот класс включает в себя все сильно взаимодействующие частицы. Наряду с сильным эти частицы обладают также слабым и электромагнитным взаимодействиями. Адроны подразделяются на две подгруппы: мезоны и барионы.

Мезоны — сильно взаимодействующие нестабильные частицы, не несущие так называемого барионного заряда. К их числу принадлежат π-мезоны (π⁺, π^-,π⁰) и K-мезоны¹), или каоны (К⁺, К^-, K⁰). Масса K-мезонов составляет ~970m_е (494 МэВ для заряженных и 498 МэВ для нейтральных K-мезонов). Время жизни K-мезонов имеет величину порядка 10^-8с. Они распадаются с образованием π-мезонов и лептонов или только лептонов. Заряженные π-мезоны распадаются с образованием лептонов; π°-мезон распадается преимущественно с образованием γ-фотонов. Распад мезонов (за исключением π°-мезона) идет за счет слабого взаимодействия, вследствие чего они отличаются временами жизни (~10^-8 с), значительно превышающими ядерные времена. Распад π°-мезона на γ-фотоны определяется не слабым, а электромагнитным взаимодействием (фотоны в слабых взаимодействиях не участвуют). В соответствии с этим время жизни π°-мезона (~10⁶с) на много порядков меньше, чем времена жизни остальных мезонов. В отличие от лептонов мезоны обладают не только слабым (и, если они заряжены, электромагнитным), но также и сильным взаимодействием, проявляющимся при взаимодействии их между собой, а также при взаимодействии между мезонами и барионами. Спин всех мезонов равен нулю, так что принцип Паули на них не распространяется. Частицы с целым (или нулевым) спином подчиняются статистике Бозе — Эйнштейна, и называются бозонами.

Подгруппа барионов объединяет в себе нуклоны (р, n) и нестабильные частицы гипероны с массой, большей массы нуклонов. Они обладают сильным взаимодействием и активно взаимодействуют с атомными ядрами. Спин всех барионов равен 1/2 (фермионы). За исключением протона, все барионы нестабильны. При распаде бариона, наряду с другими частицами, обязательно образуется барион. Эта закономерность является одним из проявлений закона сохранения барионного заряда.

В последнее время обнаружено около 70 короткоживущих частиц - резонансов. Они представляют собой резонансные состояния, образованные двумя или большим числом элементарных частиц. Время жизни резонансов ~ 10^-23—10^-22 с. Их распад происходит за счет сильного взаимодействия. Распад других частиц осуществляется за счет слабого (иногда электромагнитного) взаимодействия. Поэтому времена жизни их значительно больше.

Некоторые из резонансов являются бозонами и должны быть отнесены к классу мезонов. Таковы, например, ω-резонанс (или ω-мезон), распадающийся на три π-мезона, или К*-резонанс (К*-мезон), распадающийся на К-мезон и π-мезон. Другие резонансы — фермионы и должны быть причислены к классу гиперонов. Примером может служить Ξ*-резонанс (Ξ*-гиперон), распадающийся на Ξ-гиперон и π-мезон.