Элементарные частицы. Лептоны. Адроны. Мезоны. Барионы. Мультиплеты

Элементарные частицы - большая группа мельчайших частиц не являющихся атомами или атомными ядрами. Их более 350 штук на 1980 г и продолжает увеличиваться. Основные свойства:

1.Исключительно малые размеры и масса – размер протона ~ 0,8 10^{-13 см} , размер электрона < 10^{-16 см} ; масса протона =1836 масс электрона.

2.Способность рождаться и уничтожатьсяпри с помощью сильного, электромагнитного, или слабого взаимодействий между ними.

3.Элементарные частицы разделяются на классы лептонов (легкие), адронов (сильные) и калибровочных бозонов.

Характеристики элементарных частиц: Масса m, время жизни τ, спин I, изотопический спин Т и его проекция Т₃, электрический заряд Q и другие наборы дискретных значений физических величин. По времени жизни они делятся на стабильные частицы (τ>10²² лет -электрон, τ>10²² лет -протон), квазистабильные частицы (τ>10 ^-20 сек), которые распадаются за счет электромагнитного и слабого взаимодействий и резонансы (τ~10^-22 ÷10^-24 сек), которые характеризуются шириной резонанса .

Нестрогие квантовые числа элементарных частиц сохраняются только при определенных взаимодействиях. К ним относятся: изотопический спин Т, гиперзаряд , пространственная четность Р, зарядовая четность С, G - четность и квантовое число А.

Пространственная четность Р – мультипликативное квантовое число, определяется характером преобразования волновой функции элементарных частиц при зеркальном отражении. Собственные значения оператора отражения Р =±1 исходя из того, что двойное отражение есть тождественное преобразование Р ²=1.

Лептоны ( легкие ) – бесструктурные частицы со спином ½ не участвуют в сильном взаимодействии. Известны три заряженных лептона: электрон, мюон (тяжелый электрон), тау-лептон (сверхтяжелый электрон) и три нейтральных: электронное нейтрино, мюонное нейтрино и тау-лептонное нейтрино. У каждого лептона имеется своя античастица. Характеристики лептонов приведены в табл.2.2. В электромагнитном взаимодействии рождаются пары заряженных лептонов (е+,е-),. (), ().Лептоны ведут себя как точечные бесструктурные частицы до расстояний 10^-16÷10^{-15 см} . отрицательные мюоны образуют -атомы (pμ^-, dμ^-, tμ^-). Существуют системы (е⁺,е^-)- позитроний и мюоний - (μ⁺е^-). Все лептоны являются фермионами. В слабом взаимодействии каждый заряженный лептон рождается в сопровождении своего антинейтрино: (), , .

Нейтрино участвуют только в слабом взаимодействии и гравитационном. Частицы нейтрино столь же распространены в природе как и фотоны. Экспериментально наблюдались нейтрино со спиральностью только «левовинтовые», а антинейтрино со спиральностью «правовинтовые». Предполагается, что масса нейтрино близка к нулю. Значения энергий нейтрино лежат в интервале от реликтовых

10^-4 эв до космических 10¹¹ Гэв. Мощными источниками (10¹³ частиц/см²сек) антинейтрино низких энергий(до 10 Мэв) являются ядерные реакторы. Нейтрино высоких энергий (до сотен Гэв) получают с помощью ускорителей заряженных частиц. Прямым доказательством существования нейтрино считаетс процесс обратного бета-распада , с сечением барн. Отличительное свойство нейтрино-крайне высокая проникающая способность. Антинейтрино от ядерного реактора проходят сквозь Землю, практически не испытывая соударений. Вторым свойством является быстрый рост сечений взаимодействия с ростом энергии нейтрино.

Процессы идущие с участием лептонов подчиняются законам сохранения лептонных чисел.

Лептонное число (лептонный заряд) – аддитивное внутреннее квантовое число, сопоставляемое с каждым семейством лептонов. Обычно лептонам приписывается свое лептонное число . Например, электронное лептонное число L_е (е^-, ν_е) = +1, антилептонам L_е () = –1, L_e = 0 для остальных частиц. Вследствие возможного наличия массы у нейтрино эВ и нейтринных осцилляций (самопроизвольных переходов нейтрино разных сортов друг в друга) нарушается закон сохранения отдельных лептонных зарядов. Однако полный лептонный заряд сохраняется во всех взаимодействиях с участием нейтрино.

Закон сохранения лептонного заряда: лептонный заряд системы частиц, равен алгебраической сумме лептонных зарядов, входящих в систему частиц, и есть величина постоянная для данной системы.

Характеристики лептонов приведены на таблице 2.2

Табл.2.2

Распады лептонов: , , .

Спиральность - квантовое число λ равное проекции спина элементарной частицы на направление его импульса. Спиральность инвариантна относительно преобразования Лорентца для скорости направленной на вдоль импульса частицы (направления движения). Если λ>0, то говорят, что частица имеет правовинтовую спиральность, если λ<0, то спиральность левовинтовая. Для всех электронных лептонов, знак спиральности противоположен знаку лептонного заряда. Для фотонов возможна только спиральность λ=±1, т.е. спин фотона направлен только по направлению движения или против направления движения. Для частиц с ненулевой массой покоя под спиральностью надо понимать знак продольной поляризации при данных конкретных условиях. Для электрона возможны случаи поперечной поляризации λ=±1/2, т.е. спин перпендикулярен направлению движения.

Таким образом, для электрона возможна поперечная поляризация:1) (спин↓, импульс→); 2)(спин↑,импульс→), и продольная поляризация: (спин→,импульс→) -праваяспиральность; (спин←,импульс→) -левая спиральность.

Адроны -структурныечастицы, участвующие в сильном взаимодействии. К адронам относятся мезоны (средние) и барионы (тяжелые). Мезоны имеют целый спин, барионы – полуцелый спин. Адроны обладают, сохраняющимися в процессах сильного взаимодействия, квантовыми числами: барионным числом В странностью S, очарованием C и др., из которых образуется электрический заряд Q. Все мезоны имеют нулевое барионное число В = 0. Мезоны образуют наиболее многочисленные семейства, отличающие по массе и свойствам. Среди них пи-мезоны, К-мезоны и другие семейства.

Мезоны

π-мезоны (пионы) – легчайшие частицы из класса мезонов. Заряженные -и - мезоны были открыты в 1947 фотоэмульсионным методом в составе космических лучей, нейтральные -мезоны системой счетчиков с использованием ускорителей заряженных частиц. Масса заряженных пи-мезонов равна 139,56 Мэв, т.е. 273 m_e. Они распадаются по каналу слабого взаимодействия за время . Масса нейтрального пи-мезона 264 m_e. Он распадается по каналу электромагнитного взаимодействия , имея время жизни 0, 8 10^-16 сек. Спин пионов равен 0.

Согласно мезонной теории ядерных сил пи-мезоны являются квантами ядерного взаимодействия. Они вносят основной вклад в передачу сильного взаимодействия между нуклонами и лругими адронами на расстояниях порядка комптоновской длины волны пи- мезона ( см). Пи-мезоны обладают изотопическим спином Т =1, который сохраняется в сильных взаимодействиях. Пи-мезоны образуют изотопический триплет с проекциями изоспина , , , которые сохраняются в сильном и электромагнитном взаимодействиях.Для мезонов справедлива формула для электрического заряда

где T _z - третья проекция изоспина, Y – гиперзаряд.

π-мезоны в большом количестве рождаются в нуклон-нуклонных взаимодействиях при энергии налетающих нуклонов Мэв. Большие интенсивности пучков π-мезонов получают на сильноточных протонных ускорителях («мезонных фабриках»).

К^- - мезоны (каоны)-группа нестабильных частиц в которую входят два заряженных К⁺ и К^- и два нейтральных , каона с нулевыми спинами и массами Мэв Мэв. К-мезоны участвуют в сильно взаимодействии, и обладают квантовым числом странностью (S). Каоны К ⁺ и К ⁰ с S =+1 и образуют изомультиплет, а у изомультплет их античастиц К^- с S= -1 и другой изомультиплет. Из-за различия в странности К ⁰ и являются частицами, по-разному участвующими в сильном взаимодействии.

К-мезоны представляю собой нижнее по массе состояние с отличной от нуля странностью. Поэтому их распады могут происходят также по слабому взаимодействию с изменением странности на1 состояние, а времена жизни на 13-14 порядков превышает характерное время сильного взаимодействия. сек.. Основные распады: (вероятность 63,5%); (21%); (5,59%).

В вакууме для нейтральных К-мезонов существуют две суперпозиции состояний соответствующая короткоживущему мезону , и соответствующая долгоживущему мезону . Эти мезоны обладают различными временами жизни сек, сек, их массы практически равны. Основные распады:

вероятность 63,6%, (31,4%),

(38,8%), (27%), (21,5%).

Под действием слабого взаимодействия, меняющего странность, возможны взаимные превращения нейтральных каонов .За счет суперпозиции квантовых состояний и возникают процессы:

1. - мезонных осцилляций, когда К ₀ –мезон, возникая за счет сильного взаимодействия, на некотором расстоянии частично превращается в и вызывает реакции запрещенные для К ₀. Эти взаимопревращения происходят вследствие слабых взаимодействий между кварками, их которых состоят К -мезоны:

.

Период осцилляций равен сек.

2.Регенерация (появление в пучке) короткоживущих -мезонов при прохождении через вещество только долгоживущих -мезонов.

Открытие несохранения пространственной четности Р в слабом взаимодействии в распадах К-мезонов позволяет экспериментально отличить левое от правого. Только в распадах нейтральных мезонов наблюдается эффект нарушения СР -четности.

Помимо обычных пи-мезонов и странных К -мезонов открыты многочисленные классы очарованных мезонов, прелестных мезонов, например, к мезонам относятся ()- мезон со спином 1 и массой 3096,9 Мэв, к мезонам относится ипсилон-мезон () с массой 9460, 32 Мэв и спином 1.