Моделирование в физике элементарных частиц

Категория реферата: Рефераты по физике
Теги реферата: греция реферат, шпаргалки скачать
Добавил(а) на сайт: Levanevskij.

[pic]
Роль нейтрино не сводится только к объяснению (-распада ядер. Очень многие элементарные частицы в свободном состоянии самопроизвольно распадаются с испусканием нейтрино. Прежде всего, так ведет себя нейтрон. Только в ядрах нейтрон за счет взаимодействия с другими нуклонами приобретает стабильность. Свободный же нейтрон живет в среднем 15 минут. Это было экспериментально доказано лишь после того, как были построены ядерные реакторы, дающие мощные пучки нейтронов.
Как и другие частицы, нейтрино имеет античастицу, называемую антинейтрино.
При распаде нейтрона на протон и электрон излучается именно антинейтрино:

[pic]
Энергия нейтрона больше суммы энергий протона и электрона. Избыточная энергия уносится с антинейтрино.
Распад нейтрона и других частиц представляет собой превращение в мире элементарных частиц, а не разъединение сложной системы на составные части.
Отношение частиц-потомков к частице-предку совсем не напоминает отношение разбитого горшка к целому сосуду. В случае распада нейтрона, например, это очевидно: так как антинейтрино существует лишь в движении по прямой со скоростью света, то оно содержаться внутри нейтрона не может. Возникающие же при распаде нейтрона протон и электрон могут образовывать устойчивую систему. Однако это будет хорошо известный и превосходно изученный атом водорода, а не нейтрон.
Так же обстоит дело и с другими частицами, живущими лишь определенный интервал времени. Распад частицы совсем не является признаком того, что она не элементарна. Нейтрон, несмотря на свою нестабильность, считается элементарной частицей, а ядро атома тяжелого водорода – дейтрон, вне всяких сомнений, состоит из нейтрона и протона, хотя и стабилен.
По современным представлениям, нейтрон – это сложное трехслойное образование с ядром-керном и двойной оболочкой в виде (-мезонных облачков, плотность которых убывает к их периферии до нуля.
Нейтроны закутаны в облачные «шубы», состоящие из пионов, которыми они постоянно перебрасываются с соседними протонами. Предполагают, что все три слоя нуклона электрически заряжены. Заряды их неодинаковы. В направлении к периферии у нейтрона существуют электроположительный и электроотрицательный слои и они распределяются следующим образом: от центра до половины потенциалы увеличиваются, затем во второй половине слоя уменьшаются и сходят на нет. Радиус керна порядка 0,1 ферми. Во внутреннем облачке нейтрона с радиусом порядка 0,5 ферми рассеяны пионы двойной массы, так называемые би-пионы. Они представляют собой прочно связанные положительные и отрицательные пионы. Необходимость их существования была предсказана математически, и они были названы ро-мезонами ((-мезоны). Также была обоснована вероятность существования другой частицы, состоящей из трех пионов – положительного, отрицательного и нейтрального, названная омега- мезонами ((-мезон). Эти частицы очень недолговечны, они существуют около 10-
23 секунд, поэтому их называют моментными образованиями. Третий слой нейтрона состоит из этих три-пионных образований.
Было бы ошибкой считать, что только нейтрон имеет такое сложное строение; строение протона не менее сложно, чем нейтрона. В его состав тоже входит положительного знака тяжелый керн, окруженный мезонной оболочкой.
Для изучения структуры нейтрона американские физики Р. Хофштадтер и В.
Пановский «просвечивали» дейтерий пучком быстрых электронов, ускоренных до энергии 0,7Гэв[4] и по характеру рассеяния электронов судили о том, какая часть их рассеялась под влиянием нейтронов, а какая часть под влиянием протонов, входящих в состав дейтерия.
Дейтерий представляет довольно «рыхлую» систему, в которой протон удален от нейтрона на сравнительно большое расстояние. На рис 4 показаны распределения электрического заряда и магнитного момента как функции расстояния от центра нейтрона. В нейтроне при простреливании его электронами обнаруживаются разноименно заряженные слои, которые нейтрализуют друг друга. Эти слои состоят из одних и тех же заряженных (- мезонных облаков, действие которых усиливается в случае протона и ослабляется в случае нейтрона.
Одним из первых, кто вместо ?-частиц решил использовать нейтроны для обстрела ядер атомов, был молодой итальянский ученный Энрико Ферми. В скромной лаборатории Римского университета Ферми со студентами собрал первую установку для изучению ядерных реакций, вызываемых нейтронами.
Допустим, что бомбардируют нейтронами изотоп натрия с массовым числом 23, ядро которого содержит 11 протонов и 12 нейтронов. При поглощении нейтрона ядром атома натрия-23 энергия ядра увеличивается, оно находится в возбужденном состоянии. При этом потенциальная энергия ядра увеличивается.
Такое возбужденное ядро неустойчиво. Избыток энергии возбужденное ядро может выделить путем испускания какой-либо частицы. Реакция идет следующим образом:

23Na+n>24*Na
Ядро 24*Na, находясь в возбужденном состоянии, существует лишь как мгновенная переходная форма (что и изображено звездочкой справа) и распадается с испусканием какой-либо частицы, уносящей избыток энергии.
Реакция может произойти в таких вариантах:
Исход реакции зависит от избытка энергии в возбужденном ядре. Так как связь частицы с ядром велика, то может оказаться, что энергии возбуждения ядра недостаточно на испускание частицы. Тогда энергия связи нейтрона выделится в виде ?-кванта:

1124*Na>1124Na+ ?
Характер этого так называемого «захватного» излучения меняется у различных элементов. Поэтому удается определить какой изотоп возникает. Ядро 1124Na
«перегружено» нейтронами и не может долго существовать. В нем должны произойти какие-то изменения для того, чтобы оно вновь стало стабильным.
Прежде всего, если бы нейтрон вылетел из ядра, то ядро снова стало бы стабильным 1123Na. Но это уже не возможно. Нейтрон не может преодолеть силы сцепления в ядре и вылететь наружу, так как энергия связи уже выделилась в виде ?-излучения. В таблице стабильных изотопов существует элемент, у которого есть стабильный изотоп – 24. Отличается он от радиоактивного тем, что в нем число протонов на 1 больше и число нейтронов на единицу меньше.
Масса ядра 1124Na на ничтожную долю больше массы 1224Mg. Это означает, что собственная энергия у 1224Mg меньше чем у 1124Na. То есть при превращении ядра 1124Na в ядро 1224Mg должна выделится энергия. Следовательно, такой процесс может происходить произвольно. Это и есть процесс искусственной радиоактивности, вызванный нейтронами:

1123Na+n*>1124*Na>1224Mg+?-+?
Причем энергия, уносимая ?-частицей а антинейтрино, равна разности энергии ядер: исходного 1124Na и дочернего 1224Mg.
Вначале результаты опытов Ферми были не очень обнадеживающими. При бомбардировке легких элементов новые радиоактивные изотопы получены не были. Были испробованы водород, литий , бериллий, бор, углерод… Никаких результатов. Но когда дело дошло до фтора, то сразу получили очень радиоактивный изотоп. Период полураспада его был около 10 секунд. После этого почти каждый день обнаруживали новый радиоактивный изотоп.
Источник нейтронов приходилось держать достаточно далеко от гейгеровских счетчиков, так как на фоне сильного ?-излучения, свойственного этим источникам нейтронов, нельзя было заметить слабую наведенную радиоактивность. Поэтому счетчики и источник нейтронов были размещены в разных концах длинного коридора. Количества получаемых веществ были столь ничтожны, что ни одним из обычных химических методов анализа нельзя было воспользоваться, поэтому для определения получаемых веществ был разработан новый метод анализа.
Сущность этого метода сводилась к следующему: когда облучали нейтронами, например, железо, предполагали, что возникающая при этом активность обусловлена или радиоактивным изотопом железа, или радиоактивным изотопом какого-либо другого элемента, мало отличающегося от железа по атомному номеру. Добавляя к раствору железа соли элементов, расположенных в таблице
Менделеева по соседству с ним, например солей марганца, хрома и кобальта, путем обычных химических методов отделяли от железа эти элементы и определяли, какое из них оказывалось активным. В примере с железом активным оказался раствор с марганцем. Это означает, что при облучении железа нейтронами был получен радиоактивный изотоп марганца.
Но однажды нормальная работа лаборатории была нарушена неожиданностью. В то утро Бруно Понтекорво со своим другом Амальди облучали серебро. Поместив полый серебряный цилиндрик с источником нейтронов в свинцовый ящик,
Понтекорво с удивлением обнаружил, что величина полученной активности зависит от того, где находится цилиндрик – в середине ящика или в углу.
Попробовали облучать серебро, вне ящика, и тут начались чудеса. Выяснилось, что предметы, находящиеся вблизи от серебра, способны влиять на его активность. При облучении серебряного цилиндра на деревянном столе его активность была больше, чем на мраморном или металлическом. Вся лаборатория вместе с Ферми начала исследовать это загадочное явление. Пробовали различные вещества и смотрели, какие из них способствуют увеличению активности серебра. Взяли большой кусок парафина, внутрь него поместили источник нейтронов. Облучили серебряный цилиндрик. Когда затем этот цилиндрик поднесли к счетчику, то счетчик, к с цепи сорвался, затрещал словно пулемет. Парафин увеличивал искусственную радиоактивность в сотни раз. Ферми предположил, что среда из легких атомов увеличивает активность нейтронов. И действительно, поместив серебряный цилиндрик и источник нейтронов в воду бассейна, обнаружили, что вода тоже во много раз увеличивала искусственную радиоактивность серебра.
Чтобы оценить способность той или иной частицы вызывать ядерную реакцию, необходимо иметь какую-нибудь величину, с помощью которой можно было бы численно выразить эту способность. Такой величиной в физике является эффективное поперечное сечение ядра. Сечение рассматривают как элементарную площадку, которую один нуклон подставляет при встрече другому.
Если бы каждое соударение частицы и ядра приводило бы к ядерной реакции, то вероятность такой реакции была бы равна вероятности столкновений ядра и частицы. Но не каждое столкновение приводит к ядерной реакции, поэтому вероятность ядерной реакции будет еще меньше, чем вероятность столкновения.
Условно это можно рассматривать как кажущееся уменьшение сечения ядра, из- за чего столкновения делаются более редкими. В большинстве случаев величина поперечного сечения реакций с быстрыми нейтронами незначительно отличается от геометрического поперечного сечения ядра. Так как диаметр ядра составляет примерно 10-12см, то поперечное его сечение ([pic]) удобно измерять в единицах, равных 10-24см2. Это величина носит название барн.
Когда мы говорим об эффективном сечении, мы предполагаем, что оно может быть меньше геометрического сечения ядра. Если нейтроны будут находится в тепловом равновесии с замедлителем, то они называются тепловыми нейтронами.
Для них оказалось, что эффективное сечение реакции может в тысячи раз превышать геометрическое сечение ядра. Этот факт свидетельствует о том, что в случае медленных нейтронов уже нельзя рассматривать взаимодействие нейтрона с ядром как упругое соударение двух шариков. Ряд понятий
«классической механики» пришлось пересматривать, когда исследования коснулись недр атома. Это оказалось связано, прежде всего, с волновыми свойствами частиц. Французский физик Луи де Бройль предположил, что каждой движущейся частице можно сопоставить некую волну, длина которой определяется по формуле:

[pic], где h – постоянная Планка, равная 6,62·10-27эрг·с.
Посмотрим какова будет длина волны дробинки массой 1г, летящей со скоростью
600м/с:

[pic]см
Столь ничтожна величина длины волны по сравнению с размерами самой дробинки не оказывает никакого влияния, и ее волновые свойства ни в чем не проявляются.
Рассмотрим теперь быстрый нейтрон, имеющий массу m=1,67·10-24кг и энергию
1Мэв. Тогда, определив из формулы [pic], его импульс [pic] и подставляя его в формулу де Бройля:

[pic]
Отсюда мы получаем, что длина волны де Бройля для быстрого нейтрона с энергией 1Мэв будет равна ?=2,86·10-13см.
Как мы видим, длина волны такого быстрого нейтрона не превосходит размеров ядра, и поэтому он ведет себя при столкновениях, как частица.
Определим теперь длину волны теплового нейтрона. Нейтрон, замедлившийся до тепловых скоростей, имеет энергию E=kT, где k – постоянная Больцмана, равная 8,61·10-5эв/градус.
Поэтому нейтрон, замедлившийся до комнатной температуры, имеет энергию
Eт=8,6·10-5·290є=0,025эв. Для него длина волны равна:

[pic]
Таким образом, длина волны теплового нейтрона много больше размеров ядра
(почти в 60000 раз) и становится сравнимой с размерами атома (d=10-8 см).
Даже при энергии 1000эВ длина волны нейтрона, то есть его эффективный диаметр, много больше размеров ядра.
Явления быстрого возрастания эффективного сечения ядра при определенных скоростях нейтронов получило название резонанса. При этом особенно интенсивно происходит передача энергии.
2.5 Электрический дипольный момент

Рассмотрим движение свободного электрона, нейтрона или [pic]-кванта, в котором спин частицы целиком проецируется на направление импульса, т.е. спин параллелен импульсу (рис. 5, слева). Зеркальное отражение преобразует импульс частицы и не трогает никак ориентацию спина. В зеркале мы увидим, что частица теперь движется в противоположную сторону, а "вращается" в первоначальном направлении, т.е. имеет отрицательную проекцию спина на направление импульса. Такое зеркально симметричное движение возможно как раз благодаря P-инвариантности законов распространения указанных свободных частиц. А поскольку электромагнитные взаимодействия между заряженными частицами осуществляются посредством обмена фотонами, то и любые электромагнитные процессы инвариантны относительно операции отражения в зеркале.
|[pic] |
|Рис 5 |
|Cлева - Зеркальная симметрия свободно распространяющихся протона, |
|нейтрона и фотона. Свободное нейтрино демонстрирует нарушение зеркальной |
|инвариантности, поскольку нейтрино с положительной проекцией спина в |
|природе не существует. Штриховая вертикаль символизирует зеркало. Cправа |
|– Зеркально-неинвариантный [pic]-распад 60Co. |

Примером зеркально-неинвариантного процесса служит распространение нейтрино: в нашем мире, насколько мы знаем сегодня, не встречается нейтрино, спин которого параллелен импульсу. Впервые нарушение P- инвариантности, или, как чаще говорят, несохранение четности, было обнаружено при изучении [pic]-распада спин-поляризованных ядер 60Co группой
Ц. Ву, которая осуществила эксперимент, предложенный Ц. Ли и Ч. Янгом в
1956 г. Оказалось, что электроны предпочитают вылетать в направлении, противоположном направлению ядерного спина (рис. 5 справа). Однако симметрия все-таки может иметь место, но только относительно одновременного с зеркальным отражением перехода от частиц к античастицам. При таком преобразовании нейтрино с импульсом, направленным против спина, перейдет в реально существующее антинейтрино, спин которого параллелен импульсу. Это преобразование носит название "комбинированная инверсия" (СР). Гипотеза о возможной симметрии законов природы относительно операции СР была высказана
Л.Д. Ландау. Тогда же им было замечено, что наличие электрического дипольного момента элементарной частицы требует одновременного нарушения как пространственной (Р), так и временной (Т), а следовательно, и СР- инвариантности.
Электрический дипольный момент у нейтрона, отражает неравномерное распределение заряда по объему частицы - смещение центра распределения положительного заряда относительно центра отрицательного. Представим нейтрон упрощенно в виде двух эксцентрических шариков с противоположными зарядами [pic] (e - заряд электрона). Пусть d - вектор, соединяющий центры шариков и направленный от положительного заряда к отрицательному. По определению, ЭДМ - вектор [pic]. Наличие присущего нейтрону выделенного направления, связанного со спином S, навязывает это направление и вектору
D, который, следовательно, должен быть параллелен либо антипараллелен вектору спина. Однако между этими векторами есть существенное различие: вектор D - полярный, а S - аксиальный. Это значит, что при изменении знака всех пространственных координат вектор D переходит в - D, вектор же S никак не меняется.
|[pic] |
|Рис 6 |
|Слева - ЭДМ нейтрона, нарушающий пространственную и временную симметрии. |
|Наличие у нейтрона только магнитного момента оставляло бы частицу P- и |
|T-инвариантной. Если же нейтрон обладает и ЭДМ D, то частица в зеркальном и |
|в обращенном во времени мире не эквивалентна исходной. Справа - |
|T-инвариантные процессы распространения нейтрона, протона, фотона и |
|нейтрино. При обращении движения одновременно изменяют знаки как импульс |
|частицы, так и ее спин, поэтому частица со спином, антипараллельным |
|импульсу, переходит в себя. |

На рисунке 6 слева изображен нейтрон, полученный в результате эквивалентной операции - отражения в зеркале: здесь, наоборот, направление вектора D осталось прежним, а направление вращения изменилось на противоположное.
Аналогично и при изменении знака времени вектор D не меняется, тогда как вектор S знак меняет, поскольку направление "вращения" частицы меняется на противоположное. Другими словами, инвариантность относительно любого из этих преобразований означала бы равновероятные в противоположных направлениях ориентации вектора D, среднее значение которого из-за этого обращалось бы в нуль. Поскольку Р- инвариантность нарушается слабыми взаимодействиями и в то же время последние не нарушают Т-инвариантность
(рис 6 справа), наличие ЭДМ может, с одной стороны, свидетельствовать о нарушении Т-симметрии, а с другой - о существовании какого-то, до сих пор неизвестного, взаимодействия.
В 1964 г. произошло важное событие: было непосредственно обнаружено нарушение CP-инвариантности в распаде нейтрального K-мезона на два заряженных [pic]-мезона. Природа этого нарушения остается загадкой до сих пор. Пока это единственный известный случай СР-нарушения. Косвенное свидетельство такого нарушения - барионная асимметрия Вселенной, т. е. тот факт, что наша Вселенная преимущественно состоит из частиц.
Хотя у нейтрона и отсутствует электрический заряд, тем не менее движущийся нейтрон взаимодействует с электрическим полем, поскольку имеет магнитный момент. Взаимодействие представляет собой релятивистский эффект, теоретическое описание которого в рамках квантовой электродинамики дал Ю.
Швингер в 1948 г. Прежде всего, магнитный момент [pic] напрямую взаимодействует с магнитным полем напряженности H, давая основной вклад в энергию взаимодействия: [pic], где [pic]- единичный вектор вдоль направления спина.
Если есть электростатическое поле и незаряженная, но имеющая магнитный момент частица движется со скоростью v, то в связанной с частицей системе отсчета появляется магнитное поле [pic]. В результате энергия взаимодействия приобретает релятивистскую поправку, которая равна:
[pic]

Наконец, если у нейтрона есть ЭДМ, то должно появиться непосредственное взаимодействие с электрическим полем. Энергия этого взаимодействия равна
[pic]

Прямое магнитодипольное взаимодействие нейтрона с магнитным полем вызывает прецессию вектора спина частицы вокруг вектора H., направляя электрическое поле, например, по магнитному полю или против него, мы уменьшим или увеличим угловую скорость прецессии

[pic],

Изменение угла [pic] при переключении знака электрического поля непосредственно содержит информацию об ЭДМ и подлежит экспериментальному определению в методе УХН - магниторезонансном методе с использованием ультрахолодных нейтронов. Последние обладают столь низкой кинетической энергией, что полностью отражаются от стенок ловушки, не имея возможности преодолеть потенциальный барьер и проникнуть внутрь вещества. В результате их можно накапливать и хранить в полости. Идея о возможности хранения ультрахолодных нейтронов в замкнутой полости за счет полного внешнего отражения принадлежит Я.Б. Зельдовичу.
Очевидно, что эффекты, которые обусловлены наличием у нейтрона ЭДМ, должны расти с возрастанием электрического поля, приложенного к нейтрону, а также с увеличением времени пребывания нейтрона в этом поле. Абсолютная погрешность при измерениях ЭДМ указанным способом, характеризующая чувствительность метода, оценивается как
[pic]
Величина [pic] обусловливает экспериментально наблюдаемый эффект, например изменение скорости счета нейтронов в детекторе при изменении направления электрического поля или спина нейтрона. N - полное число зарегистрированных детектором событий за все время измерения. Таким образом, чтобы улучшить чувствительность метода, нужно увеличивать электрическое поле, действующее на нейтрон, время пребывания нейтрона в этом поле, а также стараться собрать в области действия поля как можно больше самих нейтронов.
Существование в веществе сильных межатомных электрических полей [pic]В/см следует из простых соображений: энергия выхода электронов из вещества лежит в интервале 1-10 эВ, значит, разность потенциалов на атомах и между ними 1-
10 В; межатомные же расстояния около [pic]см. Эти поля быстро осциллируют в веществе и поэтому при движении частиц обычно усредняются, обращаясь в нуль.
Однако бывают ситуации, например при дифракции нейтронов в монокристаллах, когда, в силу регулярности потенциала кристалла и соответствующей регулярности волновой функции нейтрона в нем, нейтрон может оказаться в сильном электрическом поле на протяжении всего времени прохождения кристалла. Именно это обстоятельство, т.е. эффективное взаимодействие с внутрикристаллическим полем нейтронов при их динамической дифракции по Лауэ в прозрачном нецентросимметричном кристалле, и было использовано при постановке нового - дифракционного - опыта по уточнению верхнего предела на величину ЭДМ нейтрона.
Физика явлений, лежащих в основе метода, следующая. Из динамической теории дифракции следует, что движение нейтрона в кристалле в направлениях, близких к брэгговским, можно описать волнами двух типов [pic]и [pic]. Это две волны, сформированные в результате многократного отражения нейтрона от кристаллографических плоскостей, причем стоячие в перпендикулярном к плоскостям направлении. Дифрагирующие нейтроны в этих состояниях, распространяясь в среднем вдоль плоскостей, оказываются сконцентрированными на "ядерных" плоскостях и между ними соответственно.
В нецентральносимметричных кристаллах для некоторых систем кристаллографических плоскостей положения максимумов электрического потенциала смещены относительно максимумов ядерного потенциала:
[pic],

[pic].
Здесь [pic]- ядерный потенциал, ответственный за дифракцию нейтронов, [pic]- электрический, g - вектор обратной решетки, характеризующий выбранную систему плоскостей; [pic], [pic]- амплитуды ядерного и электрического потенциалов соответственно. Величина [pic]характеризует смещение максимумов ядерного потенциала относительно максимумов электрического. В результате нейтроны в состояниях [pic]и [pic]оказываются в сильных ([pic] В/см) межплоскостных электрических полях противоположного знака:
[pic].
Наличия таких внутрикристаллических полей еще недостаточно для повышения точности измерения ЭДМ. Важное свойство приведенное на схеме дифракции по
Лауэ - возможность увеличить время пребывания нейтрона в электрическом поле кристалла путем перехода к углам Брэгга [pic], близким к [pic].
Причина в том, что при дифракции по Лауэ нейтрон, имея полную скорость v, вдоль кристаллографических плоскостей в среднем движется со скоростью
[pic], которая может быть существенно уменьшена по сравнению с v при выборе угла дифракции [pic]вблизи [pic]. Поскольку при этом [pic], время
[pic]растет по мере приближения [pic]к [pic]. Максимально близкий к
[pic]угол Брэгга определит максимальную чувствительность метода. Дальнейшее его увеличение, в принципе может оказаться невозможным.
|[pic] |
|Рис 7 |
|Движение нейтронов вдоль кристаллографических плоскостей при дифракции. |
|Кружками изображены области максимальной концентрации нейтронов в |
|состояниях [pic]и [pic], здесь частицы двигаются в электрических полях |
|разного знака. k - волновые векторы нейтрона, связанные с его скоростью |
|k=mv/h; так как нейтроны в состояниях [pic]и [pic]оказываются в разных |
|потенциалах, их кинетические энергии, а значит, и k, отличаются. На |
|выходе из кристалла показаны волновые векторы двух продифрагировавших |
|пучков, прямого и отраженного. Их геометрическое расположение определяет |
|условие наблюдения брэгговских пиков дифракции, задающее угол Брэгга. |
3. Кварковая модель элементарных частиц

3.1 Существование кварков
Главная идея, высказанная впервые М. Гелл-Манном и Дж. Цвейгом, состоит в том, что все частицы, участвующие в сильных взаимодействиях, построены из более фундаментальных частиц – кварков. Кроме лептонов, фотонов и промежуточных бозонов, все уже открытые частицы являются составными.
Первоначально была введена гипотеза о существованиях трех кварков. Кварки обозначаются буквами u, d, s. Они должны иметь дробные электрические заряды. Первый из них – u-кварк имеет заряд +[pic]е, а d- и s-кварки имеют одинаковые заряды, равные -[pic]е (где е – модуль заряда электрона). Было предсказано существование четвертого – c-кварка, названного «очарованным».
Затем экспериментально были обнаружены частицы, содержащие этот кварк.
Впоследствии были предсказаны, а затем и открыты еще более тяжелые b- и t- кварки.
Подобно тому как в опытах Резерфорда по рассеянию (-частиц было обнаружено малое образование внутри атома – атомное ядро, в опытах по рассеянию электронов на протонах и нейтронах сначала было обнаружено пространственное распределение электрического заряда в этих частицах. Затем с увеличением энергии рассеиваемых частиц до 50МэВ удалось установить существование точечных образований в протонах и нейтронах. Так подтвердилась кварковая структура нуклонов.
Все барионы построены из трех кварков. В состав протона входят два u-кварка и один d-кварк. Нейтрон составлен из двух d-кварков и одного u-кварка. В результате заряд протона равен е, а нейтрона – нулю. Античастицы состоят из антикварков. Мезоны построены иначе. Каждый мезон состоит из одного кварка и одного антикварка. Так, (+-мезон содержит u-кварк и d-антикварк, (--мезон составлен из d-кварка и u-антикварка. Все адроны состоят из кварков, но расщепить их на кварки не удалось. Кварки искали и ищут среди материковых пород, отложений на дне океана, в лунном грунте. Но свободные кварки обнаружены не были. Не удалось их получить и с помощью ускорителей элементарных частиц. Конечно, может быть, масса кварков очень велика, а энергия связи в нуклонах огромна. Мощности современных ускорителей не хватает для расщепления протонов и нейтронов на отдельные кварки. А в природе свободных кварков очень мало. Однако сейчас более правдоподобной и привлекательной кажется иная точка зрения. Свободных кварков в природе не существует и не может существовать. Кварки не могут вылетать из адронов.
Развивается несколько теорий, объясняющих невозможность разделения адронов на кварки. В основе этих теорий лежит утверждение о том, что межкварковые силы, в отличие от всех других сил в природе, не убывают с расстоянием. При увеличении расстояния они остаются постоянными, а может быть, даже и возрастают. Если это справедливо, то извлечь кварк из адрона нельзя.
Удаление электрона из атома требует энергии порядка 10эВ. Расщепление ядра требует гораздо большей энергии – несколько мегаэлектронвольт. Удаление же одного кварка на расстояние 3 см от протона требует энергии около 1013 Мэв.
Этой энергии достаточно для того, чтобы поднять человека на высоту 10 м над
Землей. Однако задолго до этого начнет действовать особый механизм рождения частиц. Когда при удалении кварка из нуклона потенциальная энергия достигает достаточно высокого уровня, начнут образовываться за счет этой энергии пары кварк – антикварк. Кварк остается в нуклоне и восстанавливает эту частицу, а антикварк объединяется с удаляемым кварком и образует мезон.
Вместо удаления кварка из нуклона происходит рождение мезона. При столкновении частиц высокой энергии, например электрона с позитроном, образуется пара кварк – антикварк. Кварк и антикварк разлетаются в противоположные стороны, и каждый из них рождает множество андронов
(преимущественно пионов).
По современным представлениям все лептоны, как и кварки, лишены внутренней структуры. В этом смысле лептоны и кварки могут считаться истинно элементарными частицами. Без учета античастиц сейчас открыто шесть лептонов. Кварков открыто тоже шесть. Существует кварк-лептонная симметрия, которая выражается в том, что в природе встречается шесть лептонов, а все сильно взаимодействующие частицы состоят из шести кварков. При этом можно выделить три поколения лептонов и кварков. Массы частиц возрастают от поколения к поколению.
Стабильное вещество Вселенной, все атомы построены из частиц первого поколения: электронов, u- и d-кварков. Кварки u и d образуют нуклоны и, следовательно, атомные ядра. Электронное нейтрино хотя и не входит в состав атомов, но играет ключевую роль в термоядерных реакциях Солнца и других звезд.
Кварки внутри адронов взаимодействуют друг с другом. Взаимодействие это, очевидно, сильное. Иначе адроны без труда можно было бы расщепить на составляющие их кварки. Теория этих взаимодействий, называемая квантовой хромодинамикой, успешно развивается. Согласно основным идеям квантовой хромодинамики взаимодействие кварков осуществляется посредством обмена особыми частицами – глюонами (от английского glue – клей). Глюоны
«склеивают» кварки воедино. Подобно фотонам, глюоны лишены электрического заряда и не имеют массы покоя. При обмене глюонами кварки меняют свой цвет, но не аромат. Например, красный u-кварк, испуская глюон, превращается в зеленый или синий, но не может превратиться в d- или s-кварк. Именно беспрестанный обмен глюонами приводит к тому, что кварки в адронах непрерывно меняют свой цвет, оставляя адрон во все моменты времени бесцветным. Цвет – главная характеристика кварка в сильных взаимодействиях.

Набор глюонов, обеспечивающий перенос всех цветов между всеми кварками, по необходимости оказывается довольно обширным. Согласно предсказаниям теории их должно быть восемь. В то же время электромагнитные взаимодействия обусловлены обменом частицами одного сорта – фотонами, а слабые взаимодействия – обменом тремя сортами промежуточных бозонов: W+, W-, и Z0.
В отличие от фотонов, глюоны взаимодействуют друг с другом. Глюоны, как и кварки, в свободном состоянии не существуют.
Сильные взаимодействия адронов должно сводиться к первичным межкварковым взаимодействиям. Взаимодействие бесцветных адронов – не более чем слабый остаток от основного взаимодействия цветных кварков. Точно так же, как межмолекулярные силы между нейтральными молекулами – только слабый след электромагнитных сил, которые притягивают электроны к ядру, большие силы, действующие между адронами, - лишь слабый след сил, действующих внутри отдельного адрона.
Для согласования кварковой модели адронов с принципом Паули был предложен новый, усложненный вариант модели. Эта модель была предложена в 1965г Н. Н.
Боголюбовым, Б. В. Струминским, А. Н. Тавхелидзе в СССР и независимо Й.
Намбу, М. И. Ханом в США. В ней каждый из кварков может появляться в трех различных состояниях, идентичных по всем свойствам, кроме нового особого свойства, названного «цветом» (например, кварки могут быть красными, синими или зелеными). Цвет не имеет прямого отношения к тому, что принято называть цветом в повседневной жизни. Кварки никак нельзя мыслить в виде окрашенных шариков.
Определенный тип кварков (u, d или s) часто именуют «ароматом». Кварки, как говорят, различают по цвету и аромату. Согласно этой терминологии каждый аромат кварка может проявляться в трех различных цветовых состояниях, характеризуемых одинаковыми массами, электрическими зарядами и всеми другими свойствами. Антикварки имеют цвета, дополнительные другим к цветам кварков: сине-зеленый, пурпурный и желтый. Число различных кварков, включая антикварки, равно: 6Х2Х3=36.
На первый взгляд может показаться, что утроение числа кварков должно привести к значительному увеличению числа адронов, составленных из кварков.
Однако в действительности это не так. Чтобы результаты новой кварковой модели согласовались с действительностью, вводится принцип «бесцветности».
Согласно этому принципу все адроны должны быть бесцветными или белыми. Это означает, что каждый барион должен состоять из трех кварков различных цветов. Так как кваркам приписывают основные цвета спектра, то каждая комбинация может быть названа белой, поскольку при смешении основных цветов получается белый цвет. При таком построении барионов принцип Паули выполняется автоматически.
Мезоны также бесцветны: каждый из них состоит из кварка и антикварка, цвета которых дополнительны. Причем цвет и антицвет кварков любого аромата непрерывно меняются. Аналогично цвета кварков в барионах не фиксированы и претерпевают непрерывные изменения. Гипотеза бесцветности однозначно приводит к определенным правилам конструирования барионов и мезонов из кварков и автоматически исключает комбинации из двух или четырех кварков.
Их них нельзя составить белые адроны.
Правила компонации адронов после введения постулата бесцветности остаются теми же, что и раньше, но получают некоторое обоснование. Правда, сам постулат убедительного теоретического обоснования пока не имеет. Косвенное же экспериментальное подтверждение гипотезы цветных кварков удается получить. При аннигиляции электронно-позитронных пар высокой энергии в одних случаях появляются адроны, а в других пары (-, (+- мюонов. Отношение числа случаев рождения адронов к числу случаев рождения мюонов зависит, согласно теории, от числа различных кварков. Гипотеза цветных кварков приводит к неплохому согласию с экспериментом, в то время как первоначальная кварковая модель дает заведомо неверные результаты.
Адроны наряду с сильными взаимодействиями участвуют также в слабых. С точки зрения кварковой модели адронов это означает, что в слабом взаимодействии участвуют кварки. Обмен глюонами, ответсвенный за сильные взаимодействия, меняет только цвет кварков, оставляя все его остальные свойства неизменными. При слабом взаимодействии кварки обмениваются промежуточными бозонами W+, W-, и Z0. Этот обмен приводит к изменению аромата кварков, то есть почти всех его свойств.
Распад нейтрона за счет взаимодействия в кварковой модели выглядит так.
Один из двух d-кварков нейтрона испускает W—мезон и превращается в u-кварк.
В результате образуется протон, состоящий из одного d-кварка и двух u- кварков. W—мезон распадается на лептоны: электрон и антинейтрино. Таким образом, слабые взаимодействия осуществляют определенную связь между кварками и лептонами – частицами, которые в первую очередь можно считать истинно элементарными.

3.2 Кварковая модель адронов

Кварковую модель адронов начнем описывать с рисунка силовых линий, исходящих из источника - кварка с цветным зарядом и заканчивающихся на антикварке (рис. 10 б). Для сравнения на рис. 10, а мы показываем, что в случае электромагнитного взаимодействия силовые линии расходятся от их источника - электрического заряда веером, ибо виртуальные фотоны, испущенные одновременно источником, не взаимодействуют друг с другом. В результате получаем закон Кулона.
В отличие от этой картины глюоны сами обладают цветными зарядами и сильно взаимодействуют друг с другом. В результате вместо веера из силовых линий мы имеем жгут, показанный на рис. 10 б. Жгут протянут между кварком и антикварком, но самое удивительное то, что сами глюоны, имея цветные заряды, становятся источниками новых глюонов, число которых нарастает по мере их удаления от кварка. Такая картина взаимодействия соответствует зависимости потенциальной энергии взаимодействия между кварками от расстояния между ними, показанной на рис. 11. А именно: до расстояния R >
10-13 см зависимость U(R) имеет воронкообразный характер, причем сила цветного заряда в этой области расстояний относительно невелика, так что кварки при R > 10-15 cм в первом приближении можно рассматривать как свободные, невзаимодействующие частицы. Это явление имеет специальное название асимптотической свободы кварков при малых R. Однако при R больше некоторого критического [pic]cм величина потенциальной энергии взаимодействия U(R) становится прямо пропорциональной величине R. Отсюда прямо следует, что сила F = -dU/dR = const, то есть не зависит от расстояния. Никакие другие взаимодействия, которые физики ранее изучили, не обладали столь необычным свойством.
Расчеты показывают, что силы, действующие между кварком и антикварком, действительно, начиная с [pic]см, перестают зависеть от расстояния, оставаясь на уровне огромной величины, близкой 20 т. На расстоянии
R ~ 10-14 м цветные силы более чем в 100 тыс. раз больше электромагнитных.

Если сравнить цветную силу с ядерными силами между протоном и нейтроном внутри атомного ядра, то оказывается, что цветная сила в тысячи раз больше.
Таким образом, перед физиками открылась новая грандиозная картина цветных сил в природе, на много порядков превышающих ныне известные ядерные силы. К сожалению, такие силы нельзя заставить работать как источник энергии.
Естественно, встает и другой вопрос: до каких расстояний R между кварками потенциальная энергия линейно растет с ростом R? Ответ простой: при больших расстояниях жгут силовых линий рвется, так как энергетически более выгодно образовать разрыв с рождением кварк-антикварковой пары частиц. Это происходит, когда потенциальная энергия в месте разрыва больше массы покоя кварка и антикварка. Процесс разрыва жгута силовых линий глюонного поля показан на рис. 10 в.
Такая качественная модель о рождении кварка-антикварка позволяют понять, почему одиночные кварки вообще не наблюдаются и не могут наблюдаться в природе. Кварки навечно заключены внутри адронов. При высоких энергиях жгуту может быть выгоднее разорваться сразу во многих местах, образовав множество [pic]-пар. Таким путем мы подошли к проблеме множественного рождения кварк-антикварковых пар и образованию жестких кварковых струй.
Чрезвычайно важно, что оба партнера пары имеют при этом одинаковый цветной заряд и такой же антизаряд, так что их пара независимо от ароматов кварков не имеет цвета.
Все кварки и антикварки имеют спин, равный 1/2h. Поэтому суммарный спин сочетания кварка с антикварком равен либо 0, когда спины антипараллельны, либо 1, когда спины параллельны друг другу. Но спин частицы может быть и больше 1, если сами кварки вращаются по каким-либо орбитам внутри частицы.
В табл. приведены некоторые парные и более сложные комбинации кварков с указанием, каким известным ранее адронам данное сочетание кварков соответствует.

|Кварки |Мезоны | |Кварки |Барионы |
| |J=0 |J=1 | | |J=1/2 |J=3/2 |
| |частицы |резонансы | | |Частицы |резонансы |
|[pic] |[pic] |[pic] | |uuu | |[pic] |
| |(пион+) |(ро+) | | | |(дельта++)|
|[pic] |[pic] |[pic] | |uud |P |[pic] |
| |(пион-) |(ро-) | | |(протон) |(дельта+) |
|[pic] |[pic] |[pic] | |udd |N |Delta^0 |
| |(пион0) |(ро0) | | |(нейтрон) |(дельта0) |
|[pic] |[pic] |[pic] | |ddd | |[pic] |
| |(эта) |(омега) | | | |(дельта-) |
|[pic] |[pic] |[pic] | |uus |[pic] |[pic] |
| |(каон0) |(каон0*) | | |(сигма+) |(сигма+*) |
|[pic] |[pic] |[pic] | |uds |[pic] |[pic] |
| |(каон+) |(каон+*) | | |(лямбда0) |(сигма0*) |
|[pic] |[pic] |[pic] | |dds |[pic] |[pic] |
| |(каон-) |(каон-*) | | |(сигма-) |(сигма-*) |
|[pic] |[pic] |[pic] | |uss |[pic] |[pic] |
| |(дэ+) |(дэ+*) | | |(кси0) |(кси0*) |
|[pic] |[pic] |[pic] | |dss |[pic] |[pic] |
| |(де-эс+) |(дэ-эс+*) | | |(кси-) |(кси-*) |
|[pic] |Чармоний |[pic] | |sss |[pic] | |
| | |(джей-пси) | | |(омега-) | |
|[pic] |Боттоний |Ипсилон | |udc |[pic] | |
| | | | | |(лямбда-цэ+)| |
|[pic] |[pic] |[pic] | |uuc |[pic] | |
| |(дэ0) |(дэ0*) | | |(сигма-цэ++)| |
|[pic] |[pic] |[pic] | |udb |[pic] | |
| |(бэ-) |(бэ*) | | |(лямбда-бэ) | |

Из наиболее изученных в настоящее время мезонов и мезонных резонансов наибольшую группу составляют легкие неароматные частицы, у которых квантовые числа S = C = B = 0. В эту группу входят около 40 частиц. Таблица
3 начинается с пионов [pic]±,0, открытых английским физиком С.Ф. Пауэллом в
1949 году. Заряженные пионы живут около 10-8 с, распадаясь на лептоны по следующим схемам:
[pic]и [pic].
Их "родственники" в таблице - резонансы [pic]±,0 имеют в отличие от пионов спин J = 1, они нестабильны и живут всего около 10-23 с. Причина распада
[pic]±,0 - сильное взаимодействие.
Причина распада заряженных пионов обусловлена слабым взаимодействием, а именно тем, что составляющие частицу кварки способны испускать и поглощать в результате слабого взаимодействия на короткое время t виртуальные калибровочные бозоны: [pic]или [pic], причем в отличие от лептонов осуществляются и переходы кварка одного поколения в кварк другого поколения, например [pic]или [pic]и т.д., хотя такие переходы существенно более редкие, чем переходы в рамках одного поколения. Вместе с тем при всех подобных превращениях электрический заряд в реакции сохраняется.
Перейдем к рассмотрению тяжелых адронов - барионов. Все они составлены из трех кварков, но таких, у которых имеются все три разновидности цвета, поскольку, так же как и мезоны, все барионы бесцветны. Кварки внутри барионов могут иметь орбитальное движение. В этом случае суммарный спин частицы будет превышать суммарный спин кварков, равный 1/2 или 3/2 (если спины всех трех кварков параллельны друг другу).
Барионом с минимальной массой является протон p (см. табл.). Именно из протонов и нейтронов состоят все атомные ядра химических элементов. Число протонов в ядре определяет его суммарный электрический заряд Z.
В табл. 3 показано кварковое состояние протона uud и нейтрона udd. Но при спине этой комбинации кварков J = 3/2 образуются резонансы [pic]и
[pic]соответственно. Все другие барионы, состоящие из более тяжелых кварков s, b, t, имеют и существенно большую массу. Среди них особый интерес вызывал W--гиперон, состоящий из трех странных кварков. Он был открыт сначала на бумаге, то есть расчетным образом, с использованием идей кваркового строения барионов. Были предсказаны все основные свойства этой частицы, подтвержденные затем экспериментами. Многие экспериментально наблюденные факты убедительно говорят сейчас о существовании кварков. В частности, речь идет и об открытии нового процесса в реакции соударения электронов и позитронов, приводящей к образованию кварк-антикварковых струй.
Эксперимент выполнен на коллайдерах в Германии и США. На рисунке показаны стрелками направления пучков e+ и e-, а из точки их столкновения вылет кварка q и антикварка [pic]под зенитным углом [pic]к направлению полета e+ и e-. Такое рождение [pic]пары происходит в реакции
[pic]
Как мы уже говорили, жгут (струна) силовых линий при достаточно большом растяжении рвется на составляющие. При большой энергии кварка и антикварка, как говорилось ранее, струна рвется во многих местах, в результате чего в обоих направлениях вдоль линии полета кварка q и антикварка образуются два узких пучка вторичных бесцветных частиц, как это показано на рисунке. Такие пучки частиц названы струями. Достаточно часто на опыте наблюдается образование трех, четырех и более струй частиц одновременно.
4. Практическая часть

В настоящее время пока еще мало материала, способствующего усвоению учащимися основных понятий в физике элементарных частиц, поэтому реальный смысл многих из них ускользает от учащихся, что приводит к отсутствию глубоких знаний по предмету. Так довольно трудное понятие свойств элементарных частиц и их строение, оказывается усвоенной ими формально. В данной работе предлагается апробированная методика формирования этих понятий.

Поделитесь этой записью или добавьте в закладки