Элементарные частицы

Космические лучи

Установлено, что атмосферный воздух всегда слабо ионизирован. Эта ионизация приписывалась действию излучений, испускаемых радиоактивными элементами земной коры. Однако в 1912 году Гесс обнаружил, что, начиная с 400м над уровнем моря, ионизация возрастает с увеличением высоты. Эти результаты объясняются только приходящими извне лучами, которые постепенно поглощаются в земной атмосфере. Эти лучи получили названия космических. Это поток элементарных частиц высокой энергии (преимущественно протонов). Среди первичных космических лучей различают высокоэнергетические (до эВ) – галактические, которые пришли извне солнечной системы и солнечные – умеренных энергий ( эВ), связанные с активностью Солнца. В космических лучах присутствуют мягкая и жесткая компоненты. При исследовании поглощения космических лучей в веществе (например, в свинце) оказалось, что одна часть полностью поглощается (в 10см свинца). Это так называемая мягкая компонента. Кроме нее еще есть жесткая компонента, проникающая способность которой во много раз больше, чем у мягкой. 1м свинца ослабляет ее всего в 1,5 раза. Таким образом, космическое излучение обладает огромной проникающей способностью. Регистрируются космические лучи в камере Вильсона, образуя ливни. Образование ливней космических лучей происходит следующим образом. При прохождении через вещество и теряют свою энергию на ионизацию атомов и на испускание «тормозного излучения». Это излучение возникает при торможении заряженных частиц в электрических полях атомных ядер. Оно состоит из фотонов различных энергий. Энергетические потери на тормозное излучение для космических лучей играют основную роль. При торможении фотон создает пару и с меньшей энергией, затем каждая из этих частиц в свою очередь испускает фотоны, которые опять образуют пару частиц с еще меньшей энергией и т.д. Мы получили лавину фотонов с различной энергией.

Элементарные частицы

Элементарные частицы – это первичные неразложимые частицы, из которых, по предположению, состоит вся материя. Общие свойства этих частиц заключается в том, что они не ассоциированы в ядре и атоме (это субъядерные частицы).

Основные свойства.

Это объекты малых масс ( г) и размеров ( см). Поведение этих частиц – квантово-механическая. Наиболее важное квантовое свойство этих частиц это способность рождаться и уничтожаться при взаимодействии с другими частицами. В этом они аналогичны фотонам. Взаимодействие элементарных частиц разделяют на сильное, электромагнитное и слабое. Кроме того, элементарные частицы обладают гравитационным взаимодействием.

Сильное взаимодействие – самая сильная связь, обусловленная взаимодействием протонов и нейтронов в ядрах атомов.

В основе электромагнитного взаимодействия лежит связь частиц с электромагнитным полем. Эта связь заметно слабее сильного взаимодействия. Оно отвечает за связь электронов с ядром и связь атомов в молекуле.

Слабое взаимодействие вызывает очень медленно протекающие процессы с элементарными частицами, в том числе распады квазистабильных элементарных частиц (их время жизни с).

Гравитационное взаимодействие на расстояниях см дает малый эффект из-за малости масс, но может быть существенным на расстояниях см.

Все изученные элементарные частицы за исключением фотона разбиты на две основные группы: адроны и лептоны, в зависимости от участия во взаимодействиях. Адроны характеризуются наличием у них сильного взаимодействия наряду с электромагнитным и слабым. Лептоны участвуют только в электромагнитном и слабом взаимодействии. Гравитационное взаимодействие подразумевается у всех элементарных частиц, включая фотон.

Характеристики элементарных частиц.

Каждой элементарной частице приписывается определенный набор дискретных значений физических величин (квантовых чисел). Общими характеристиками элементарных частиц являются масса , время жизни , спин и заряд . В зависимости от времени жизни элементарные частицы делятся на стабильные, квазистабильные и нестабильные (резонансы). Стабильными являются ( лет), протон ( лет), фотон и нейтрино. К квазистабильным относятся частицы, распадающиеся за счет электромагнитного и слабого взаимодействия ( с). Резонансами называются частицы, распадающиеся за счет сильного взаимодействия (их время жизни с). Спин элементарной частицы бывает целым или полуцелым кратным . В этих единицах спин - и -мезонов равен 0, у протона, нейтрона и электрона , у фотона и т.д. Электрический заряд элементарной частицы кратен Кл, называемом элементарным зарядом. У известных элементарных частиц .

Помимо указанных величин элементарные частицы дополнительно характеризуются рядом квантовых чисел, которые называются внутренними.

Мюоны и их свойства.

Японский физик Юкава в 1935 году высказал предположение о существовании частиц с массой в раз превышающей массу электрона. В 1936 году Андерсен и Неддермейер при изучении жесткого компонента вторичного космического излучения обнаружили частицы массой, близкой к . Эти частицы назвали мюонами. Доказано, что жесткий компонент вторичного космического излучения состоит из мюонов, которые образуются вследствие распада более тяжелых заряженных частиц ( - и -мезонов). Так как масса мюонов большая, то радиационные потери для них пренебрежимо малы, а поэтому жесткий компонент вторичного излучения обладает большой проникающей способностью. Существует положительный и отрицательный мюоны. Заряд мюонов равен , а масса равна , время жизни с. Измерения интенсивности жесткого компонента вторичного космического излучения показали, что на меньших частотах мюоны имеют меньшую интенсивность. Это говорит о том, что мюоны претерпевают самопроизвольный распад, являясь, таким образом, нестабильными частицами. Распад мюонов происходит по следующим схемам:

,

где и - мюонные нейтрино и антинейтрино, и - электронные нейтрино.

Из схем распада следует, что спин мюонов равен . Эксперименты показали, что мюоны слабо взаимодействуют с атомными ядрами и не обнаруживаются при ядерных взрывах и являются ядерно-неактивными частицами. В 1947 году была обнаружена частица, которая распадается на мюон и нейтрино – это -мезон.

Мезоны и их свойства.

Пауэлл в 1947 на фотоэмульсиях с космическими лучами обнаружил -мезоны (от греческого «средний»), или пионы. Существуют положительный ( ) и отрицательный ( ) -мезоны (их заряд равен ), а также нейтральный ( ). Масса и одинакова и равна , а масса равна . Все пионы нестабильны, их время жизни и с. Распад заряженных пионов происходит по схемам:

Спин заряженных -мезонов равен 0. нейтральный пион разлагается на два гамма-кванта:

Спин нейтрального пиона равен 0, так как спины каждого фотона, равные 1, компенсируют друг друга.

В 1949 году изучение реакций с участием частиц высоких энергий, полученных на ускорителях, привели к открытию -мезонов или каонов с нулевым спином и массой . В настоящее время известно 4 типа каонов: , , и . Время жизни -мезонов с. Распад заряженных -мезонов происходит по схемам:

, , ,

Нейтральные -мезоны распадаются по схеме для короткоживущих :

,

Элементарные частицы делятся на три группы:

1. фотоны – это частица-квант электромагнитного излучения
2. лептоны (легкий) – участвуют только в электромагнитных и слабых взаимодействиях. К ним относятся электронное и мюонное нейтрино, электрон, мюон, -лептон, а также соответствующие им античастицы.
3. адроны (крупный, сильный) – обладают сильным взаимодействием, наряду со слабым и электромагнитным. К ним относятся протон, нейтрон, каон, пион.

Для всех типов взаимодействий элементарных частиц выполняются законы сохранения энергии и импульса, момента импульса и электрического заряда.

Характерным признаком сильных взаимодействий является зарядовая независимость. Зарядовая независимость в сильных взаимодействиях позволяет близкие по массе частицы рассматривать как различные зарядовые состояния одной и той же частицы. Так нуклон образует дуплет (нейтрон, протон), -мезон – триплет ( , , ) и т.д. Их называют изотопическими мультиплетами.

Частицы и античастицы

В 1928 году Дирак предсказал существование позитрона на основе релятивистского волнового уравнения. Через 4 года обнаружили эту частицу в составе космического излучения.

Выводы релятивистской квантовой теории привели к заключению, что для каждой элементарной частицы должна существовать античастица (принцип зарядового сопряжения). Эксперименты показывают, что за исключением фотона и -мезона, действительно, каждой частице соответствует античастица. Из общих принципов квантовой теории следует, что частица и античастица должны иметь одинаковые массы, время жизни в вакууме, модуль зарядов, спины, квантовые числа и т.д. До 1956 года считалось, что имеется полная симметрия между частицами и античастицами, однако доказано, что подобная симметрия характерна только для сильного и электромагнитного взаимодействия и нарушается для слабого. Примером может служить столкновение частицы и античастицы, в результате которой возникают другие элементарные частицы (фотоны): . Антипротон может аннигилировать не только с протоном, но и с нейтроном.

Истинно нейтральные частицы не имеют античастиц. Это фотон, -мезон, -мезон. Они не способны аннигилировать, но испытывают взаимные превращения.

Классификация элементарных частиц. Кварки.

В многообразии элементарных частиц обнаруживается стройная система классификации. Для ее пояснения в таблице приведены рассмотренные элементарные частицы и их основные характеристики.

В последние годы увеличение элементарных частиц происходят в основном за счет расширения группы адронов. Поэтому развитие работ по их классификации сопровождается поиском новых фундаментальных частиц, которые явились бы базисом для построения адронов. Эти частицы – кварки. Согласно модели Гелл-Манн-Цвейга, все известные к 1964 году адроны можно было построить, постулировав существование трех типов кварков ( , , ) и антикварков ( , , ), если им приписать характеристики, указанные в таблице (в том числе дробные электрические и барионные заряды). Самое невероятное свойство кварков сведено к их электрическим зарядом, поскольку никто еще не находил частиц с дробным значением электрического заряда. Спин кварка равен .

Адроны состоят из кварком следующим образом: мезоны состоят из пары кварк – антикварк, барионы – из трех кварков (антибарионы из трех антикварков).

В настоящее время признана точка зрения, согласно которой между лептонами и кварками существует симметрия: число лептонов должно быть равно числу типов кварков. Является ли схема из 6 лептонов и 6 кварков окончательной или же число лептонов (кварков) будет расти покажут дальнейшие исследования.