Степанова Екатерина Николаевна доцент кафедры ОФ ФТИ ТПУ Ядерная физика Сегодня: воскресенье, 4 ноября 2012 г.воскресенье, 4 ноября 2012 г.воскресенье, 4 ноября 2012 г.воскресенье, 4 ноября 2012 г.воскресенье, 4 ноября 2012 г.

Тема 16. ФИЗИКА ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ Общие сведения об элементарных частицах Виды взаимодействий Краткая классификация и свойства частиц Странные частицы Кварки и очарование Великое объединение и стандартная модель

Существование элементарных частиц физики обнаружили при изучении ядерных процессов, поэтому вплоть до середины XX века физика элементарных частиц была разделом ядерной физики. В настоящее время физика элементарных частиц и ядерная физика являются близкими, но самостоятельными разделами физики, объединенными общностью многих рассматриваемых проблем и применяемыми методами исследования. Главная задача физики элементарных частиц – это исследование природы, свойств и взаимных превращений элементарных частиц. 3

х 4

16.1. Общие сведения об элементарных Общие сведения об элементарных частицах В качестве первого приближения под элементарными частицами можно понимать такие микрочастицы, внутреннюю структуру которых на современном уровне физики нельзя представить как объединение других частиц. Во всех наблюдавшихся до сих пор явлениях каждая такая частица ведёт себя как единое целое. Элементарные частицы могут превращаться друг в друга (протон в нейтрон и наоборот, γ-квант в e – e + и наоборот и т.д.). 5

В настоящее время общее число известных элементарных частиц (вместе с античастицами) приближается к 400. Пока мы встречались только с электроном e – (позитроном e + ), протоном p, нейтроном n, фотоном γ и электронным (анти) нейтрино е ( ) Эти частицы стабильны или квазистабильны, и они существуют в природе в свободном или слабосвязанном состоянии. 6

Квазистабильные нейтроны входят в состав атомных ядер, многие из которых являются абсолютно устойчивыми. Почти все остальные элементарные частицы крайне нестабильны и образуются во вторичном космическом излучении или получаются в лаборатории с помощью ускорителей, а затем быстро распадаются, превращаясь в конечном итоге в стабильные частицы. Основные классы элементарных частиц и их наиболее важные представителей рассмотрим позже. 7

Для описания свойств отдельных элементарных частиц вводится целый ряд физических величин, значениями которых они и различаются. Наиболее известными среди них являются масса, среднее время жизни, спин, электрический заряд, магнитный момент. Другие характеристики частиц, в том числе и заряды, отличные от электрического, рассмотрим позднее. 8

На рисунке 1 показаны масштабы пространства и способы их исследования. Рисунок 1 9

Различают три уровня микромира : 1. Молекулярно-атомный 2. Ядерный 3. Мельчайшие частицы 10

Процессы, в которых участвуют различные элементарные частицы, сильно различаются по характерным временам их протекания и энергиям. Известны четыре вида взаимодействий между элементарными частицами: сильное, электромагнитное, слабое, гравитационное (перечислены в порядке убывания интенсивности) Виды взаимодействий Виды взаимодействий 11

Интенсивность взаимодействия принято характеризовать константой взаимодействия α, которая представляет собой безразмерный параметр, определяющий вероятность процессов, обусловленных данным видом взаимодействия. Отношение констант даёт относительную интенсивность соответствующих взаимодействий. 12

1. Сильное взаимодействие Этот вид взаимодействия обеспечивает связь нуклонов в ядре. Константа сильного взаимодействия имеет величину порядка 1. Наибольшее расстояние, на котором проявляется сильное взаимодействие, (радиус действия), составляет примерно 10 –15 м. 2. Электромагнитное взаимодействие. Константа взаимодействия α = 1/ –2 (константа тонкой структуры). Радиус действия не ограничен (r=). 13

3. Слабое взаимодействие. все виды β-распада ядер (включая e – захваты), за распады элементарных частиц, а также за все процессы взаимодействия нейтрона с веществом Это взаимодействие ответственно за все виды β-распада ядер (включая e – захваты), за распады элементарных частиц, а также за все процессы взаимодействия нейтрона с веществом. Константа взаимодействия равна порядку величины ÷10 –14. Слабое взаимодействие, как и сильное, является короткодействующим. 4. Гравитационное взаимодействие является универсальным, ему подвержены все без исключения элементарные частицы Константа взаимодействия имеет значение порядка 10 –38. Радиус действия не ограничен (r=). Гравитационное взаимодействие является универсальным, ему подвержены все без исключения элементарные частицы. Однако в процессах микромира гравитационное взаимодействие ощутимой роли не играет. 14

Тип взаимо- действий Механизм обмена Интен- сивность, α Радиус действия r, м Харак- терное время жизни, τ, с Сильноеглюонами110 –15 10 –23 Электромаг- нитное фотонами1/13710 –18 Слабое Промежу- точные бозоны 10 –10 10 –18 10 –13 Гравитацион- ное гравитоны10 –38 ? В таблице приведены значения (по порядку величин) константы разных видов взаимодействия, а также среднее время жизни частиц, распадающихся за счёт данного вида взаимодействия (время распада). 15

Элементарные частицы обычно подразделяются на четыре класса. В одном из них только одна частица – фотон. Второй класс образуют лептоны, Третий – адроны, (мезоны и барионы часто объединяют в один класс сильно взаимодействующих частиц, называемых адронами (греческое слово «адрос» означает крупный, массивный)) Краткая классификация и свойства частиц 16

Группа Название частицы СимволМасса Элект- ричес- кий заряд Спин Время жизни (с) Час- тица Анти- час- тица в элект- ронных массах в МэВ ФотоныФотонγ0001Стабилен Лептоны Нейтрино электронное νeνe 0001/2Стабильно Нейтрино мюонное νμνμ 0001/2Стабильно Тау-нейтриноντντ 0001/2Стабильно Электронe–e– e+e+ 10,511–1 11/2Стабилен Мю-мезонμ–μ– μ+μ+ 206,8105,66–1 11/22,2·10 –6 Тау- лептонτ τ+τ –1 11/21,46·10 –12 17

Группа Название частицы СимволМасса Электри- ческий заряд Спин Время жизни (с) Части ца Анти- час- тица в элект- ронных массах в МэВ Адро- ны Мезо- ны Пи-мезоны π0π0 264,1134,96000,87·10 –16 π+π+ π–π– 273,1139,571 –102,6·10 –8 К-мезоны K + K – 966,4493,671 –101,24·10 –8 K 0 974,1437, –10 –10 –8 Эта-нуль- мезон η0η , –18 Бари- оны Протонp1836,1933,281 –11/2Стабилен Нейтронn1838,6939,5701/2898 Лямбда- гиперон Λ0Λ0 2183,11115,601/22,63·10 –10 Сигма- гипероны Σ ,61189,41 –11/20,8·10 –10 Σ ,61192,501/27,4·10 –20 Σ – 2343,11197,4–1 11/21,48·10 –10 Кси- гипероны Ξ ,81314,901/22,9·10 –10 Ξ – 2585,61321,3–1 11/21,64·10 –10 Омега- минус- гиперон Ω–Ω– ,2–1 11/20,82·10 –11 18

Рассмотрим более подробно перечисленные классы частиц. 1. ФОТОНЫ, γ (кванты электромагнитного поля), участвуют в электромагнитных взаимодействиях, но не обладают сильным и слабым взаимодействием. 2. ЛЕПТОНЫ частицы, участвующие в электромагнитных и слабых взаимодействиях. Нейтрино участвуют только в слабых взаимодействиях. 19

Лептоны Лептоны (от греч. «лептос» – лёгкий) - легкие частицы, не обладающие сильным взаимодействием: электроны (e –, e + ), мюоны (μ –, μ + ), таоны (τ –, τ + ), а также электронные нейтрино ( е, ), мюонный нейтрино (, ) тау нейтрино (, ). Все лептоны имеют спины, равные 1/2ћ, и, следовательно являются фермионами. Все лептоны обладают слабым взаимодействием. Те из них, которые имеют электрический заряд (т.е. мюоны и электроны), обладают также и электромагнитным взаимодействием. Эти частицы являются шестой компонентой космического излучения. 20

Семейство 1 ЧастицаМасса, МэВЗаряд Электрон0,00054– 1 Электронное нейтрино

АДРОНЫ 2. АДРОНЫ тяжелые, крупные частицы, участвующие в сильных, электромагнитных и слабых взаимодействиях. Класс адронов объединяет мезоны и барионы. Сегодня известно свыше сотни адронов. Барионы адроны, состоящие из трёх кварков (qqq) и имеющие барионное число B = 1. Барионы являются тяжелыми частицами. Самыми легкими из барионов являются нуклоны – протоны и нейтроны. За ними следуют так называемые гипероны (,,,,,, ). Последний - омега-минус-гиперон, открытый в 1964 г. Это тяжелая частица с массой в 3273 электронных масс. Все гипероны обладают сильным взаимодействием и, следовательно, активно взаимодействуют с атомными ядрами. Все барионы имеют спин 1/2, т.е. являются фермионами. За исключением протона все барионы нестабильны: время жизни составляет всего лишь ~10 –23 –10 –22 с. 22

Мезоны адроны, состоящие из кварка и антикварка (q, ) и имеющие барионное число B = 0. Мезоны яыляются сильно взаимодействующими нестабильными частицами, не несущими т.н. барионного заряда: π - мезоны или пионы (π +, π –, π 0 ), K - мезоны или каоны (К +, К, К 0, ) η – (эта) мезон Массы π + и π – мезонов одинакова и равна 273,1m e, m π m e Время жизни соответственно 2,610 –8 и 0,810 –16 с. Масса К-мезонов составляет 970m e. Время жизни К-мезонов 10 –8 с. Масса эта-мезонов 1074 m e, время жизни порядка 10 –19 с. 23

24 В отличии 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 они являются бозонами. КАЛИБРОВОЧНЫЕ БОЗОНЫ 4. КАЛИБРОВОЧНЫЕ БОЗОНЫ частицы переносящие взаимодействие между кварками и лептонами.

Характеристики элементарных частиц Каждая частица описывается набором физических величин - квантовых чисел определяющих её свойства. Наиболее часто употребляемые характеристики частиц: Масса частицы 1. Масса частицы, m. Массы частиц меняются в широких пределах от 0 (фотон) до 90 ГэВ (Z-бозон). Z-бозон наиболее тяжелая из известных частиц. Однако могут существовать и более тяжелые частицы. Массы адронов зависят от типов входящих в их состав кварков, а также от их спиновых состояний. 25

26 Время жизни 2. Время жизни, τ. В зависимости от времени жизни частицы делятся на стабильные частицы, имеющие относительно большое время жизни, и нестабильные. Деление частиц на стабильные и нестабильные условно: к стабильным частицам принадлежат такие частицы как электрон, протон, для которых в настоящее время распады не обнаружены, так и π 0 -мезон, имеющий время жизни τ = с. К стабильным частицам относят частицы, распадающиеся по слабому или электромагнитному взаимодействию. К нестабильным частицам относят частицы, распадающиеся в результате сильного взаимодействия. Их обычно называют резонансами. Характерное время жизни резонансов с.

27 Спин, 3. Спин, J. Величина спина измеряется в единицах ħ и может принимать 0, полуцелые и целые значения. Например, спин π, К-мезонов равен 0. Спин электрона, мюона равен 1/2. Спин фотона равен 1. Существуют частицы и с большим значением спина. Частицы с полуцелым спином подчиняются статистике Ферми Дирака, с целым спином Бозе-Эйнштейна.

28, 4. Электрический заряд, q. Электрический заряд является целой кратной величиной от е = 1, Кл (Кулон), называемой элементарным электрическим зарядом. Частицы могут иметь заряды 0, ±1, ±2., 5. Внутренняя четность, Р. Квантовое число Р характеризует свойство симметрии волновой функции относительно пространственных отражений. Квантовое число Р имеет значение +1, 1.

29 Наряду с общими для всех частиц характеристиками, используют также квантовые числа, которые приписывают только отдельным группам частиц. Квантовые числа: лептонное число лептонное число L барионное число барионное число В, странность странность s, очарование очарование (charm) с, красота красота (bottomness или beauty) b, верхний верхний (topness) t, изотопический спин изотопический спин I приписывают только сильно взаимодействующим частицам адронам.

30 Лептонные числа 1. Лептонные числа L e, L μ, L τ. Лептонные числа приписывают частицам, образующим группу лептонов. Лептоны e, μ и τ участвуют только в электромагнитных и слабых взаимодействиях. Лептоны ν e, μ и τ участвуют только в слабых взаимодействиях. Лептонные числа имеют значения L e, L μ, L τ = 0, +1, 1. Например, e имеет L e = +1; e +, e имеют L e = 1. Все адроны имеют L e, L μ, L τ = 0.

31 Барионное число 2. Барионное число В. Барионное число имеет значение В = 0, +1, 1. Барионы, например, n, р, Λ, Σ, нуклонные резонансы имеют барионное число В = +1. Мезоны, мезонные резонансы: В = 0. Антибарионы В = 1. Странность 3. Странность s. Квантовое число s может принимать значения 3, 2, 1, 0, +1, +2, +3 и определяется кварковым составом адронов. Например,гипероны Λ, Σ имеют s = 1; K +, K -мезоны имеют s = +1.

32 Charm 4. Charm с. Квантовое число с может принимать значения 3, 2, 1, 0, +1, +2, +3. В настоящее время обнаружены частицы, имеющие с = 0, +1 и 1. Например, барион Λ + имеет с = +1. Bottomness 5. Bottomness b. Квантовое число b может принимать значения 3, 2, 1, 0, +1, +2, +3. В настоящее время обнаружены частицы, имеющие b = 0, +1, 1. Например, В + -мезон имеет b = +1. Topness 6. Topness t. Квантовое число t может принимать значения 3, 2, 1, 0, +1, +2, +3.

33 Изоспин 7. Изоспин I. Сильно взаимодействующие частицы можно разбить на группы частиц, обладающих схожими свойствами (одинаковое значение спина, чётности, барионного числа, странности и др. квантовых чисел, сохраняющихся в сильных взаимодействиях) изотопические мультиплеты. Величина изоспина I определяет число частиц, входящих в один изотопический мультиплет: n и р составляют изотопический дуплет I = 1/2; Σ +, Σ, Σ 0 изотопический триплет I = 1, Λ изотопический синглет I = 0, Число частиц, входящих в один изотопический мультиплет, 2I + 1.

Четность Четность G это квантовое число, соответствующее симметрии относительно одновременной операции зарядового сопряжения C и изменения знака третьей компоненты I z изоспина. G четность сохраняется только в сильных взаимодействиях. 34

В начале 50-х годов ХХ в. было обнаружено, что некоторые из недолго до того открытых частиц, а именно К,, ведут себя странно в двух отношениях. Во-первых, они всегда рождаются парами. Например, реакция проходит с вероятностью, близкой к 1, а реакция π – + p K 0 + n никогда не наблюдалась. Это казалось тем боле странным, что вторая реакция не нарушала ни одного из известных законов сохранения и для её осуществления было достаточно энергии Странные частицы 35

36 странных Во-вторых, хотя рождение странных частиц (как их стали называть) было обусловлено сильным взаимодействием (т.е. происходило с большой вероятностью), их распады не имели характерного для сильного взаимодействия времени жизни, хотя они и распадались на сильно взаимодействующие частицы например, K 2π, + p + π 0. Время жизни странных частиц оказалось в пределах от 10 – 10 до 10 –8 с, что характерно для слабого взаимодействия. странностьзакон сохранения (сохранности) Для объединения этих фактов были введены новое квантовое число странность и новый закон сохранения (сохранности). Так вот в первой реакции странность частиц до реакции совпадает со странностью частиц после реакции, а во второй реакции странность не сохраняется и поэтому эта реакция не идет.

Для объяснения особенностей распада странных частиц предполагается, что странность сохраняется в сильном взаимодействии и не сохраняется в слабом взаимодействии. Следовательно, хотя закон сохранения запрещает распад странных частиц на более лёгкие не странные частицы, за счёт сильного взаимодействия, такие распады и происходят за счёт слабого взаимодействия. Но слабые распады происходят гораздо медленнее, что соответствует большим временам жизни. Сохранение странности оказалось первым примером «частично сохраняющейся величины»: странность сохраняется в сильном и не сохраняется в слабом взаимодействии. 37

16.5. Кварки и очарование Почти все наблюдаемые частицы принадлежат одному из двух семейств: лептонам и адронам. Основное различие между ними состоит в том, что адроны не участвуют в сильном взаимодействии, а лептоны участвуют. Другое важное различие состоит в том, что в 60-х годах были известны четыре лептона (e –, µ –, ν e, ν µ ) и их античастицы и более сотни адронов. Лептоны считаются элементарными частицами, т.к. они, насколько известно, не распадаются на составные части, не обнаруживают никакой внутренней структуры и не имеют определённого размера. Попытки определить размеры лептонов показали, что верхний предел составляет 10 –18 м. 38

39 С другой стороны, адроны оказались более сложными частицами. Эксперименты показали, что адроны обладают внутренней структурой, и их обилие наводит на мысль, что адроны совсем не элементарны. кварками Для решения этой проблемы М. Гелл-Манн и Г. Цвейг в 1963 г. независимо высказали идею, согласно которой все известные адроны неэлементарны, а построены из трёх более фундаментальных точечных объектов, называемых кварками.

Мюррей Гелл-Манн (род. 1929) - американский физик, лауреат Нобелевской премии по физике в 1969 год «за открытия, связанные с классификацией элементарных частиц и их взаимодействий». Джордж Цвейг род. 1937, Москва, СССР - американский физик и нейробиолог. Предложил гипотезу (независимо от Гелл-Манна) существования кварков, называл «тузами», т.к.полагал, что существует всего четыре кварка. 40

41 Подобно лептонам кварки представляют собой истинно элементарные частицы. Три «сорта» кварков были обозначены буквами u (up – вверх), d (down – вниз), s (strange – странный).

Спин составной частицы равен сумме спинов кварков 42

Заряд составной частицы равен сумме зарядов кварков u d 43 нейтрон

Заряд составной частицы равен сумме зарядов кварков d u 44 протон

45

Барионы состоят из трёх кварков: нейтрон: n = ddu, антипротон: 46 Все известные в то время адроны теоретически можно было построить из кварков трёх видов: u, d, s. Мезоны состоят из сочетания: - кварк-антикварк. Например, π+-мезон представляет собой пару

47

48

49 В 1964 г. ряд физиков высказал предположение о существовании четвертого кварка. Они основывались на глубокой симметрии природы, включая связь кварков и лептонов. Если существуют (как считали в 60-х годах) четыре лептона, то и кварков должно быть четыре. Четвертый кварк получил название очарованный. Его электрический заряд должен быть равен 2/3е. Кроме того, четвёртый кварк должен обладать ещё одним свойством, отличающим его от трёх остальных кварков. Это новое свойство или квантовое число, было названо очарованием. Предполагалось, что очарование с ведёт себя подобно странности: сохраняется в сильном и электромагнитном взаимодействии и не сохраняется в слабом взаимодействии. У нового очарованного кварка с = +1, у его антикварка с = – 1.

50 Между тем до 1974 г. необходимости в очарованном кварке не возникало. В этом году был открыт тяжёлый J/Ψ-мезон: его масса 3100 МэВ/c 2. Для объяснения существования этого тяжёлого мезона и других тяжёлых мезонов, которые были открыты позже, и понадобился очарованный кварк. После открытия (экспериментального) τ-лептона с массой 178 МэВ/с и соответствующего ν τ, семейство лептонов стало насчитывать шесть частиц (и шесть античастиц). Исходя из симметрии природы физики предположили существование ещё двух кварков: b-кварки (bottom – низ или beauty - красивый) t-кварки (top – высший или truth - истинный). Соответственно новые свойства (квантовые числа), отличающие новые кварки от ранее известных, называются t- и b-свойствами или истиной и красотой.

51

52

53

Вскоре после возникновения модели кварков было выдвинуто предположение, что кварки обладают ещё одним свойством (или качеством), которое получило название цвет. Различие между шестью кварками u, d, s, c, b, t стали называть аромат. Согласно существующим представлениям, каждый из ароматов кварка может иметь три цвета, обычно обозначаемых как КРАСНЫЙ, ЗЕЛЁНЫЙ и СИНИЙ. Цвета антикватков называются соответственно антикрасный, антизеленый и антисиний. 54

55

56

57

Барионы содержат три кварка – по одному каждого цвета; мезоны состоят из пары: кварк – антикварк определенного цвета и соответствующего антицвета, поэтому и барионы, и мезоны оказываются «белыми» или «бесцветными». 58

Первоначально цвета кварков были введены для того, чтобы удовлетворить принципу Паули для частиц со спинами 1/2 (или любым полуцелым спином, например, 3/2, 5/2 и т. д.) – таким, как электрон или нуклон. Т.к. спин кварков равен 1/2, они должны подчиняться принципу Паули. Но у трёх барионов uuu, ddd, sss все три кварка имели бы одинаковые квантовые числа, и по крайней мере у двух из них спины имели бы одинаковое направление (т.к. существует только два возможных направления спина +1/2 и –1/2). Это означало бы нарушение принципа Паули. 59

Но если бы кварки обладали дополнительным числом (цветом), которое у каждого кварка принимало своё значение, то кварки могли бы различаться этим квантовым числом и принцип Паули не нарушался бы. Хотя цвет кварков и связанное с ним (троекратное) увеличение числа кварков было введено искусственно, это позволило улучшить согласие теории с экспериментом и, в частности, предсказать правильное время жизни π 0 -мезона. Кроме того, представление в цвете вскоре стало центральным моментом теории, поскольку именно с цветом стали связывать взаимодействие, удерживающее кварки в адроне. 60

61

Каждому кварку приписывается ЦВЕТОВОЙ ЗАРЯД, аналогичный электрическому заряду и сильное взаи- модействие между кварками часто называют ЦВЕТОВЫМ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕМ. квантовой хромодинамики («хрома» – цвет) или КХД. Новая теория сильного взаимодействия получила название квантовой хромодинамики («хрома» – цвет) или КХД. 62

63 сильное взаимодействие адронов Считается, что сильное взаимодействие адронов сводится к взаимодействию составляющих их кварков. Частицы, переносящие взаимодействие, называются ГЛЮОНАМИ (от англ. glue – клей). Согласно теории существует восемь глюонов все с нулевой массой покоя, часть из них имеют цветовой заряд. Переносчиками слабого взаимодействия Переносчиками слабого взаимодействия являются W и Z 0 – частицы. Это взаимодействие обусловлено слабым зарядом, которым обладает каждая частица.

64

электрон фотон 65

66

67

10 23 эВ 10 8 эВ 10 4 эВ 1эВ 68

69 Таким образом, у каждой элементарной частицы есть: электрический заряд, слабый заряд, цветовой заряд и гравитационная масса (хотя одна или даже несколько из этих характеристик могут быть равны нулю). Например, цветовой заряд всех лептонов равен нулю, поэтому они не участвуют в сильном взаимодействии.

Резюмируя все выше изложенное, можно сделать вывод, что в современных теориях истинно элементарными частицами являются фотон, лептоны, кварки, глюоны, W и Z 0 – частицы. До сих пор наблюдались только комбинации кварков (барионы, мезоны). Весьма вероятно, что кварки не существуют в свободном состоянии. С другой стороны, некоторые физики считают, что лептоны и кварки не являются фундаментальными частицами, а состоят из ещё более фундаментальных частиц. 70