Элементарные частицы(уч.11кл.Стр.390-405)

Элементарные и фундаментальные частицы

Классификация элементарных частиц

Фермионы и бозоны

Принцип Паули

Античастицы

Аннигиляция и рождение пары

Лептонный заряд

Закон сохранения лептонного заряда

Слабое взаимодействие лептонов

Адроны

Классификация адронов

Мезоны и барионы

Структура адронов. Кварки

Закон сохранения барионного заряда

Цвет кварков

Взаимодействие кварков. Глюоны

Фундаментальные частицы в настоящее время.

Фундаментальные взаимодействия (см.ниже)

Элементарная частица – микрообъект, который невозможно расщепить на составные части.

Некоторые частицы (например, адроны) имеют сложную внутреннюю структуру, но разделить их на части оказывается невозможно. Другие элементарные частицы являются бесструктурными и могут рассматриваться как первичные фундаментальные частицы.

Фундаментальные частицы – бесструктурные элементарные частицы, которые до настоящего момента времени не удалось описать как составные.

До 1932 г. были известны три фундаментальные частицы: электрон, протон, нейтрон и фотон, переносящий электромагнитное взаимодействие. Казалось, что из этих частиц можно построить целостную картину мира. Протоны и нейтроны, образующие ядро, вместе с электронами составляют атомы, из атомов комбинируются молекулы, которые объединяясь образуют вещество.

Когда открыли распад нейтрона – к числу элементарных частиц добавились мюоны и пионы. Их масса составляла от 200 до 300 электронных масс.

Несмотря на то, что нейтрон распадается на протон, электрон и нейтрино, внутри него этих частиц нет, и он считается элементарной частицей.

С 1932 г. было открыто более 400 элементарных частиц.

Большинство элементарных частиц нестабильны, и имеют периоды полураспада порядка 10^-6-10^-16с.

Для их классификации используют такие физические величины, как масса покоя, электрический заряд, спин, время жизни, а так же некоторые другие.

По величине спина (собственного момента количества движения) все частицы делятся на два класса: фермионы и бозоны.

Фермионы – частицы с полуцелым спином ћ/2, 3 ћ/2, ...

К фермионам относятся, например, электрон е^-, протон p, нейтрон n, электронное нейтрино υ_e

Бозоны - частицы с целым спином 0, ћ, 2 ћ, ...

К бозонам относятся, например, фотон γ, π+мезон

Для распределения фермионов по возможным энергетическим состояниям справедлив принцип Паули:

Принцип Паули:

В одном и том же энергетическом состоянии могут находится не более двух фермионов с противоположными спинами.

Для бозонов принцип Паули не применим, поэтому в одном энергетическом состоянии может находиться любое число бозонов.

Античастицы

Для элементарных частиц справедлив принцип зарядового сопряжения:

для каждой элементарной частицы должна существовать античастица.

Античастица « »элементарной частицы «а» – элементарная частица, имеющая по отношению к «а», равную массу покоя, одинаковый спин, время жизни и противоположный заряд.

Первая античастица была обнаружена американским физиком Карлом Андерсом в 1932 г. при фотографировании в камере Вильсона траекторий космических частиц. Он обнаружил трек, принадлежащий частице с массой электрона, но двигавшейся в магнитном поле в противоположном направлении (по окружности радиуса R = m_ev/(eB) ) и следовательно обладавшей положительным зарядом, равным по модулю заряду электрона.

Античастица электрона была названа позитроном e⁺ (лат. positivus – положительный)

В 1947 г. был обнаружен антипион π^-, в 1955 – антипротон, в 1956 – антинейтрино. Были получены атомы антидейтерия, антитрития и антигелия, у которых отрицательно заряженные ядра и оболочка из позитронов.

Антивещество – вещество, построенное из антинуклонов и позитронов.

Истинно нейтральной частицей является фотон, совпадающей со своей античастицей.

Также существуют истинно-нейтральные частицы, полностью совпадающие со своими античастицами (пи-нуль-мезон π⁰ и эта-нуль-мезон η⁰).

При столкновении частицы и античастицы они аннигилируют.

Аннигиляция – процесс взаимодействия элементарной частицы с ее античастицей, в результате которого они превращаются в γ-кванты (фотоны) электромагнитного поля или другие частицы.

Например: e^- + e⁺  2γ

Образование одного γ-кванта невозможно из-за необходимости одновременного выполнения законов сохранения импульса и энергии.

Минимальная энергия образующихся γ-квантов: E_min = 2m_ec² ≈ 1.02МэВ

При аннигиляции вещества выделяется энергия почти в 1000 раз большая чем при термоядерном взрыве.

Фундаментальные частицы взаимопревращаются – они могут как исчезать, так и рождаться.

Рождение пары – процесс, обратный аннигиляции.

В соответствии с законами сохранения, частицы никогда не возникают поодиночке.

Электрон-позитронная пара может возникнуть, например, при взаимодействии γ-кванта с веществом.

γ  e^- + e⁺ (Выполняется закон сохранения заряда)

Для рождения пары у γ-кванта должна быть минимальная энергия равная сумме покоя образующихся частиц 2m_ec². При больших энергиях возможно рождение частиц большей массы.

Лептонный заряд

Наиболее удобной является классификация элементарных частиц по видам взаимодействия, в которых они участвуют.

Все частицы, обладающие массой, гравитационно взаимодействуют друг с другом.

По отношению к сильному взаимодействию все элементарные частицы делятся на две большие группы:

адроны (греч. hadros – большой, сильный) – элементарные частицы, участвующие в сильном взаимодействии

лептоны (греч. leptos – легкий) - элементарные частицы, не участвующие в сильном взаимодействии

К лептонами относятся 12 частиц (6 частиц и 6 античастиц).

Все лептоны являются фермионами – обладают полуцелыми спинами ћ/2.

В реакции слабого взаимодействия лептонов участвуют лептон-нейтринные дуплеты.

Для выделения класса лептонов вводят понятие лептонного заряда L.

Для лептонов L = 1, для антилептонов L = -1, для адронов L = 0.

Закон сохранения лептонного заряда:

Сумма лептонных зарядов до и после взаимодействия сохраняется.

Лептонный заряд электрона e^- и электронного нейтрино ν_е, образующих первый лептонный дуплет, равен единице, а позитрона e⁺ и электронного антинейтрино -1.

Для реакции β-распада закон сохранения лептонного заряда:

n  p + e^- + 0 = 0 + 1 -1

Второй лептонный дуплет образуют отрицательно заряженный мюон μ^- и мюонное нейтрино ν_μ. Мюон был открыт в 1936 г. в космических лучах и по своим свойствам напоминает тяжелые электроны. Он тяжелее электрона примерно в 200 раз. Мюон распадается на электрон, электронное антинейтрино и мюонное нейтрино.

Лептонный заряд мюона и мюонного нейтрино L = 1, для их античастиц L = -1.

μ^-  e^- + + ν_μ 1 = 1 – 1 + 1

Третий лептонный дуплет составляют таон и таонное нейтрино.

В 1975 г. был открыт самый тяжелый лептон – таон τ^-. Он в 3492 раза тяжелее электрона и в 2 раза тяжелее протона. Распадается на мюон μ^-, мюонное антинейтрино и таонное нейтрино ν_τ.

Лептонный заряд таона и таонного нейтрино L = 1

τ ^-  μ^- + + ν_τ 1 = 1 – 1 +1

Слабое взаимодействие лептонов

Любое взаимодействие обусловлено обменом виртуальными частицами.

Сильное взаимодействие нуклонов обеспечивается обменом π⁺-мезоном.

В 1956 г. американский физик Джулиан Швингер предположил, что переносчиком слабого взаимодействия являются два заряженных векторных бозона W^-,W⁺ (англ. weak – слабый)

В 1961 г. американский ученый Шелдон Глэшоу предположил, что таким переносчиком может быть нейтральный Z⁰ бозон.

Массы промежуточных бозонов были определены экспериментально в 1983 г. группой европейских ученых под руководством Карло Руббиа и Симона Ван дер Меера.

Классификация адронов

К классу адронов относится порядка 300 элементарных частиц, участвующих в сильном взаимодействии.

В зависимости от спина адроны делятся на две группы:

мезоны (греч. meso – средний) – бозоны со спином 0, ћ, участвующие в сильном взаимодействии

барионы (греч. barys – тяжелый) – фермионы со спином ћ/2, 3ћ/2, участвующие в сильном взаимодействии.

В группе барионов выделяют две подгруппы:

нуклоны (протон и нейтрон) с s = ½

гипероны (все остальные барионы) с s =1/2, 3/2

За исключением протона (время жизни 10³¹ лет) все другие адроны распадаются. Наиболее быстрый распад (10^-23с) адронов происходит за счет сильного взаимодействия, более медленный (10^-20с) за счет электромагнитного, самый медленный (1нс) при слабом взаимодействии.

Структура адронов. Кварки

Большие массы адронов по сравнению с лептонами позволили в 1963 г. американским физикам-теоретикам Мюррею Геллману и Джорджу Цвейгу предположить, что адроны являются составными частицами. Согласно их гипотезе, нуклоны состоят из трех фундаментальных, электрически заряженных частиц, названных кварками.

Наличие этих частиц можно обнаружить, например, при рассеивании частиц высоких энергий.

В 1969 г. в Стэнфорде было экспериментально подтверждена кварковая структура нуклонов при опытах по рассеиванию электронов с энергией 20 ГэВ на протонах и нейтронах. Было обнаружено пространственное распределение электрического заряда в нуклоне.

При увеличении энергии рассеивающихся электронов до 50ГэВ удалось установить существование трех точечных зарядов в нуклонах. Эти частицы, свободно перемещающиеся внутри нуклона, и есть кварки.

Их заряд может быть как положительным, так и отрицательным

Кварки имеют полуцелый спин

Характерной особенностью кварков, не встречающихся у других частиц, является дробный электрический заряд.

Кварк с зарядом +2/3е – u-кварк (англ. up – вверх)

Кварк с зарядом -1/3е – d-кварк (англ. down – вниз)

Кварковый состав протона можно представить как uud, нейтрона – udd

Важной характеристикой кварка является его барионный заряд.

Закон сохранения барионного заряда:

Во всех взаимодействиях барионный заряд сохраняется.

Массовое число А является барионным зарядом ядра : В = А

Для всех барионов В = 1, у антибарионов В = -1.

У частиц, не являющихся барионами, В = 0.

При β-распаде закон сохранения барионного заряда имеет вид:

n  p + e^- + 1 = 1 + 0 + 0

Барионный заряд кварков принят равным 1/3, что дает для барионов (протона и нейтрона) В = 1.

Сохранение барионного заряда объясняет невозможность распада протона на более мелкие частицы.

Для антикварков электрические и барионные заряды имеют противоположные знаки.

После обнаружения элементарных частиц, состоящих из всех комбинаций u- и d-кварков, были открыты тяжелые адроны, для объяснения свойств которых пришлось использовать еще два пара кварков: s (англ. strange - странный), c(англ. charmed - очарованный), b(англ. beauty - красота), t(англ. truth - правда) Массы этих кварков значительно превышают массы u- и d-кварков.

Все кварки – фермионы. Они имеют полуцелый спин, так как адроны являются фермионами.

Различные типы кварков называют ароматом.

Цвет кварков

Использование кварковой модели привело к тому, что некоторые барионы должны были состоять из кварков только одного аромата, что невозможно по принципу Паули.

Была выдвинута гипотеза, что кварки отличаются цветом. Согласно этой гипотезе каждый тип (аромат) кварков может иметь три цветовых заряда: красный, зеленый, синий. Поэтому кварки одинакового аромата не одинаковы, а отличаются цветом.

Реально кварки не окрашены. Цвет – удобная аналогия для оперирования сложными понятиями.

Антикварки имеют антицвет: антикрасный (фиолетовый), антизеленый (красный), антисиний (желтый) Основные цвета (красный, зеленый, синий) как бы подобны положительному электрическому заряду, а антицвета – отрицательному.

Цветовой заряд является характеристикой взаимодействия кварков, а не адронов в целом. Цветовое взаимодействие между адронами не наблюдается на опыте.

Все адроны цветонейтральны.

Все цвета представлены в равных количествах, что в результате дает белый цвет

Отдельный кварк имеет цвет и потому не может существовать в свободном состоянии. Цветные кварки, притягивая друг друга, образуют бесцветные комплексы, например нуклоны.

Протоны и нейтроны состоят из кварков, но выделить кварки нельзя. Свободные кварки не наблюдаемы. Это принципиально ограничивает бесконечное дробление структуры материи.

Каждый барион, являясь фермионом, состоит из трех ароматов разного цвета.

В целом барион – цветонейтрален.

Мезоны, как и все адроны, цветонейральны.

С помощью определенной комбинации разноцветных кварков можно построить любой адрон. Существует 6 кварков и 6 антикварков, каждый из них может иметь по три цвета.

Полное число кварков - 36

Фундаментальные частицы

В настоящее время фундаментальными частицами считаются кварки и лептоны.

Кварки – фундаментальные частицы, участвующие в сильном взаимодействии

Лептоны – фундаментальные частицы , не участвующие в сильном взаимодействии.

Лептонов и антилептонов - 12

Все фундаментальные частицы являются фермионами.

Учитывая, что известно 6 кварков и 6 лептонов, можно говорить о кварко-лептонной симметрии мира. Лептоны и кварки образуют начальный структурный уровень организации материи.

Окружающая нас Вселенная состоит из 48 фундаментальных частиц.

Соответствующие пары кварков и лептонов образуют три поколения фундаментальных частиц.

Все стабильные структуры окружающего низкотемпературного мира состоят из фундаментальных частиц первого поколения: двух стабильных лептонов (электрона и нейтрино) и двух кварков (u и d)

При более высоких температурах и больших энергиях существуют второе и третье поколения нестабильных частиц, которые рождались на ранних этапах возникновения горячей Вселенной. В настоящее время такие частицы возникают в результате сильных и слабых взаимодействий в мощных ускорителях заряженных частиц.

Взаимодействие кварков. Глюоны

Сильное взаимодействие между кварками осуществляется при обмене глюонами (англ. glue – клей)

Глюон – бозон со спином 1, переносчик сильного взаимодействия.

Глюон электрически нейтрален и не имеет массы покоя.

Фотон, являясь переносчиком электромагнитного излучения, не переносит заряд.

Глюон переносит цветовой заряд: цвет-антицвет.

Полное число глюонов – 8 (6 с цветовым зарядом, 2 бесцветных)

Общая закономерность в систематике элементарных частиц заключается в том, что все фундаментальные частицы (48) являются фермионами, а все переносчики взаимодействия – бозонами (13)

Поглощение или излучение глюона, несущего цветовой заряд, изменяет цвет кварка, но не его аромат. Обмениваясь глюонами, кварки как бы меняются местами, происходит цветовой обмен.

Цветовой обмен кварков показан на диаграмме Фейнмана.

При всех ядерных распадах, идущих через слабое взаимодействие, изменяется аромат кварков.

Цветовой заряд кварка при слабом взаимодействии не изменяется.

Теория элементарных частиц в настоящее время не завершена и активно разрабатывается чтобы глубже понять природу фундаментальных частиц, пространства и времени.

(См.ниже «Фундаментальные взаимодействия»)