- •Элементарные частицы
- •13.2. Фундаментальные взаимодействия и основные классы элементарных частиц. Электрослабое взаимодействие. Лептоны и адроны
- •13.3. Частицы и античастицы
- •13.4. Изотопический спин
- •13.6. Странные частицы
- •13.7. Несохранение четности в слабых взаимодействиях
- •13.8. Нейтрино
- •Стандартная модель элементарных частиц. Проблема объединения фундаментальных взаимодействий. Кварки
13.8. Нейтрино
Нейтрино — единственная частица, которая не участвует ни в сильных, ни в электромагнитных взаимодействиях. Исключая гравитационное взаимодействие, в котором участвуют все частицы, нейтрино может принимать участие лишь в слабых взаимодействиях.
Гипотеза о существовании нейтрино была высказана в 1932 г. Непосредственное наблюдение антинейтрино было осуществлено в серии опытов Ф. Рейнеса и К. Коуэна. Наблюдалась реакция v + p→n+ , которая является обращением реакции распада нейтрона. Свидетельством того, что антинейтрино вступило в реакцию с протоном, служил факт одновременного возникновения нейтрона и позитрона (рис. 13.6). Позитрон практически сразу же аннигилировал с электроном, что приводило к возникновению двух γ-квантов, энергия каждого из которых равна 0,51 МэВ. Нейтрон после замедления захватывался ядром кадмия. Образовавшееся в результате возбужденное ядро высвечивало несколько γ-фотонов с суммарной энергией 9,1 МэВ.
Э кспериментально было установлено, что в одних процессах нейтрино (или антинейтрино) возникает вместе с электроном (позитроном), в других процессах—вместе с мюоном. Считалось, что первые (электронные) нейтрино νе тождественны со вторыми (мюонными или мю-мезонными) нейтрино νе . В 1962 г. было доказано экспериментально, что это не так. Понтекорво предложил облучать вещество образующимися при распаде π+→μ++ νμ мюонными нейтрино и наблюдать возникающие частицы. Присутствие среди них как , так и указывало бы на тождественность ve и νμ. Присутствие только свидетельствовало бы о различии электронных и мюонных нейтрино.
Опыт был осуществлен Ледерманом, Шварцем и др.. Из камеры ускорителя на 30 ГэВ были выведены π+-мезоны с энергией в 15 ГэВ. Процесс π→μ-распада приводил к образованию мюонных нейтрино с энергией ~500 МэВ. Поток νμ направлялся в искровую камеру. Было зарегистрировано 34 случая рождения мюонов и ни одного случая рождения электронов. Этот результат служит доказательством того, что существуют четыре различных нейтрино:νе , νе , νμ , νμ .
Стандартная модель элементарных частиц. Проблема объединения фундаментальных взаимодействий. Кварки
Таблица 13.2
Закон сохранения |
Сильное взаимодействие |
Электромагнитное взаимодействие |
Слабое взаимодействие |
Энергии Е |
+ |
+ |
+ |
Импульса р |
+ |
+ |
+ |
Момента импульса (спина) М |
+ |
+ |
+ |
Электрического заряда Q |
+ |
+ |
+ |
Барионного заряда В |
+ |
+ |
+ |
Лептонного заряда L |
+ |
+ |
+ |
Изотопического спина Т |
+ |
- |
- |
Гиперзаряда Y (или странности S) |
+ |
+ |
- |
Зарядового сопряжения C |
+ |
+ |
- |
Четности Р |
+ |
+ |
- |
Комбинированной четности СР |
+ |
+ |
- |
Закономерности, наблюдаемые в мире элементарных частиц, могут быть сформулированы в виде законов сохранения ( табл.13.2). Некоторые из них оказываются не точными, а лишь приближенными. Так, например, закон сохранения гиперзаряда Y (или странности S) выполняется в случае сильных и электромагнитных взаимодействий и нарушается в слабых взаимодействиях (соблюдение закона в данном виде взаимодействия указано в табл. 13.2 знаком плюс, нарушение —знаком минус).
Каждый закон сохранения выражает определенную симметрию системы. Законы сохранения импульса р, момента импульса М и энергии Е отражают свойства симметрии пространства и времени: сохранение энергии есть следствие однородности времени, сохранение р обусловлено однородностью пространства, а сохранение М — его изотропностью. Закон сохранения четности связан с симметрией между правым и левым (Р-инвариантность). Симметрия относительно зарядового сопряжения (симметрия частиц и античастиц) приводит к сохранению зарядовой четности (С-инвариантность). Законы сохранения электрического, барионного и лептонного зарядов выражают особую симметрию волновой функции. Наконец, закон сохранения изотопического спина отражает изотропность изотопического (зарядового) пространства. Несоблюдение одного из законов сохранения означает нарушение в данном взаимодействии соответствующего вида симметрии. Например, электромагнитное взаимодействие нарушает симметрию изотопического пространства, вследствие чего изотопический спин Т не сохраняется в электромагнитных взаимодействиях.
Введение квантового числа Т (изотопического спина) позволило объединить частицы в зарядовые мультиплеты. Расширение схемы изотопического спина привело Гелл-Манна и независимо от него Ю.Неймана к созданию в 1961г. Теории унитарной симметрии элементарных частиц. В этой теории предполагается, что сильное взаимодействие относительно специальных преобразований инвариантно в некотором трехмерном комплексном векторном пространстве (пространстве унитарного спина), которые сохраняют неизменным изотопический спин Т и гиперзаряд Y. Таким способом удается сгруппировать зарядовые мультиплеты в супермультиплеты (или унитарные мультиплеты). Частицы, составляющие супермультиплет, должны иметь одинаковые спин и четность Р. Они могут отличаться по массе, электрическому заряду, гиперзаряду и изотопическому спину, однако эти величины должны быть связаны между собой определенными правилами.
Систему симметрии частиц, устанавливаемую унитарной теорией, называют также восьмеричным путем, поскольку в ней производятся действия над восемью квантовыми числами.
Н а рис13.7 изображен октет (супермультиплет, включающий 8 частиц), объединяющий нуклоны (n, р) и Λ-, -, Ξ-гипероны. Все они имеют спин 1/2 и положительную четность. Справа приведена масса частиц (в МэВ), внизу— электрический заряд Q, слева —значения гиперзаряда Y и изотопического спина Т.
Резонансы, обозначаемые Δ , образуют декаплет, приведенный на рис. 13.8.
Массы этих частиц отличаются на почти одинаковую величину (~145 МэВ).Частицы, входящие в декаплет, имеют спин 3/2 и положительную четность. В момент создания теории Ξ*-гипероны и -гиперон еще не были известны. Резонансы Ξ*- и S*0 были обнаружены в 1962 г. Оставалась незаполненной вершина пирамиды. Гелл-Манн предсказал, что отвечающая ей частица должна иметь спин, равный 3/2, гиперзаряд Y = -2 и массу около 1676 МэВ (на 146 МэВ больше, чем масса Ξ*-частиц). В 1964 г. был зафиксирован процесс рождения и распада -гиперона. Его свойства, в частности масса, в точности совпали с предсказанными теорией. Таким образом, открытие -гиперона явилось триумфом теории унитарной симметрии.
Так называемых элементарных частиц стало так много (вместе с резонансами более ста), что возникли серьезные сомнения в их элементарности. Каждая из сильно взаимодействующих частиц характеризуется тремя независимыми аддитивными квантовыми числами: зарядом Q, гиперзарядом Y и барионным зарядом В. В связи с этим появилась гипотеза о том, что все частицы построены из трех фундаментальных частиц — носителей этих зарядов, кварков. Первая модель подобного рода была предложена японским физиком С. Саката, который считал фундаментальными частицами протон р, нейтрон n и Λ°-гиперон. Однако схема Саката оказалась неприменимой в области сильных взаимодействий. Кваркам приписываются дробные квантовые числа, в частности электрический заряд, равный -1/3, -1/3 и + 2/3 соответственно для каждого из трех кварков. Были предприняты попытки обнаружить кварки, для чего искали частицы со значительно меньшей ионизирующей способностью, чем у обычных частиц (ионизирующая способность частицы с зарядом 1/3 должна быть в 9 раз меньше, чем у частицы с зарядом 1). Однако пока кварки не обнаружены, и их существование является проблематичным.
Положение, сложившееся в физике элементарных частиц, сильно напоминает положение, создавшееся в физике атома после открытия в 1869 г. Д. И. Менделеевым периодического закона. Точно так же физики научились систематизировать элементарные частицы, разработанная систематика в ряде случаев позволила предсказать существование новых частиц и предвосхитить свойства этих частиц. Однако, поиски систематики частиц находятся примерно в такой же стадии, как поиски периодической системы элементов, когда ими начинал заниматься Менделеев. Сейчас мы подходим к новому этапу познания фундаментальных законов строения природы, из которых как частный случай общего должны будут вытекать и квантовая теория, и теория относительности, и теория Ньютона.