Часть 6 ФИЗИКА АТОМНОГО ЯДРА И ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

Раздел 18 ФИЗИКА ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

18.2. Основные свойства элементарных частиц

Накопленный фактический материал, который включает большое количество данных о массы, заряды, спіни, способы распада и рождение частиц, способствовал выработке феноменологического подхода, на основе некоторых новых понятий, таких как изотопический спин, странность, лептонний и баріонний заряды т.д. По общим правилам квантовой теории, этим понятием отвечает дискретный набор чисел, названных квантовыми, для которых формулируются эмпирические законы сохранения и отбора, установленных с разной степенью точности. На основе этих знаний возникла первичная система элементарных частиц. Понятие, возложенные в основу современной классификации элементарных частиц, не имеющих простых классических аналогов. Они были выработаны во время попытки объяснить те закономерности, которые наблюдаются на опыте.

Одна из основных задач будущей теории - объяснить происхождение установленного спектра значений соответствующих квантовых чисел, подобно тому как квантовая механика объяснила спектр значений квантовых чисел электрона в атоме.

Теперь в физике высоких энергий известно достаточно много элементарных частиц и с помощью квантовых чисел можно дать исчерпывающую характеристику каждой из них. Рассмотрим эти квантовые числа.

1. Каждая частица характеризуется массой т. Для частиц, движущихся со скоростью света (фотон), масса равна нулю. Для других частиц она отличается от нуля. В физике высоких энергий масса частиц выражается в энергетических единицах.

2. Электрический заряд q выражается в единицах заряда электрона и для всех известных ныне элементарных частиц набирает только целочисленных значений: 0, ±1. Элементарных частиц с большим электрическим зарядом не обнаружено.

3. До открытия антинуклонів (антинейтрон было открыто в 1956 г.) можно было сформулировать закон сохранения числа нуклонов так: общее число нуклонов в любых преобразованиях остается неизменным. В связи с явлением аннигиляции нуклонов и антинуклонів было введено новое понятие - баріонний заряд В. Нейтрон и протон имеют баріонний заряд, равный +1, а антинейтрон и антипротон-1. Вместо сохранения числа нуклонов говорят о законе сохранения баріонного заряда. При любых преобразований в природе баріонний заряд сохраняется. Этот закон достаточно условный, но он отражает фундаментальное свойство природы: тяжелые частицы при преобразованиях не могут полностью распадаться на легкие. Закон сохранения баріонного заряда сходный по форме с законом сохранения электрического заряда - в природе существуют только такие электрические заряды, значение которых кратно заряда электрона. Поэтому сказать, что электрический заряд сохраняется, - это все равно, что сказать: сохраняется разность числа частиц, заряженных положительно, и числа частиц, заряженных отрицательно. Заряд, таким образом, приобретает новый смысл - он становится отличительным признаком, по которому можно подсчитать число частиц различного типа. Как электрический заряд помогает подсчитать число заряженных частиц, так баріонний заряд помогает подсчитать число тяжелых частиц - барионов. Электрический заряд равен нулю для нейтрона, π-мезона, фотона. Баріонний заряд равен нулю для лептонов и мезонов. Нуклонам и гіперонам (баріонам) свойственный баріонний заряд +1, антибаріонам соответствует баріонний заряд-1.

4. Экспериментально не наблюдается безнейтринний двойной β-распад нейтрона, хотя он не противоречит законам сохранения электрического и баріонного зарядов. Отсутствие такого процесса можно объяснить, предположив, что с каждой частицей связан еще лептонний заряд, отличный от нуля лишь для легких частиц - лептонов. Электронный лептонний заряд L_е равен +1 для электрона е^- и электронного нейтрино ν_е и -1 для позитрона е⁺ и электронного антинейтрино _е и равна нулю для других частиц. Мюонный лептонний заряд L_μ равен +1 для отрицательного мюона μ^- и мюонного нейтрино ν_μ и -1 для положительного мюона μ⁺ и мюонного антинейтрино и равна нулю для всех остальных частиц. В случае изолированной системы элементарных частиц алгебраическая сумма лептонних зарядов остается неизменной. Это положение выражает закон сохранения лептонного заряда L_е и L_μ.

Каждой элементарной частице с определенным набором четырех квантовых чисел (зарядов) - q, В, L_э, L_μ отвечает другая частица, для которой все эти четыре числа имеют противоположные знаки. При этом масса, спин, время жизни в таких частиц одинаковы. Такие две частицы образуют пару частица - античастица. Частицы, для которых эти четыре заряды равны нулю, при изменении знаков зарядов переходят сами в себя (γ-фотон, π°-мезон). Известен также третий лептонний заряд L_τ, с помощью которого отличают недавно открытый τ-лептон от электрона и мюона.

5. В 1951-1961 гг. было открыто группу частиц, свойства которых настолько необычны, что их начали называть странными. Для характеристики таких частиц ввели новую величину - странность S.

Необычность в поведении этих частиц заключалась прежде всего в том, что рождались они в результате сильных взаимодействий за время порядка 10^-23 с. Исходя из обратимости реакций, следует ожидать, что они будут распадаться за такое же время. Тем более, что распад вследствие сильных взаимодействий энергетически возможен для всех странных частиц. Однако время жизни этих частиц составляет не 10^-23 с, а 10^-8...10^-10 с, то есть они распадаются очень медленно, за время, характерное для слабых взаимодействий. Значит, что-то мешает им распадаться под воздействием сильных взаимодействий, в результате которых они образуются. Дальше оказалось, что странные частицы всегда рождаются только парами. Это навело на мысль, что сильные взаимодействия не играют роли при распаде странных частиц вследствие того, что для их проявления необходимо наличие двух таких частиц. Однако в основе любого процесса всегда лежат законы сохранения. Так, тяжелые частицы (например, нуклоны) не могут распасться на легкие, поскольку это запрещено законами сохранения баріонного и лептонного зарядов, а распад свободного протона на нейтрон, позитрон и нейтрино запрещен законом сохранения энергии. Для объяснения запрета единичного рождения странных частиц М. Гелл-Манн и К. Нішіджи - ма ввели новое квантовое число, которое получило название странности частицы. Частицам, что не участвуют в сильных взаимодействиях, условились приписывать значение странности S=0. Для других частиц, участвующих в сильном взаимодействии, странность отлична от нуля и приобретает значений ±1, ±2, ±3. Частицы с большим значением странности пока неизвестны. Закон сохранения странности можно сформулировать так: алгебраическая сумма странностей частиц до и после реакции равен друг другу. Из закона сохранения странности следует объяснение парного возникновения странных частиц. Действительно, странные частицы рождающихся при столкновениях обычных частиц, суммарная странность которых равна нулю. Однако тогда суммарная странность рождения частиц должна также равняться нулю и, следовательно, обязательно будут образовываться частицы с отрицательной и положительной дивністю. Исходя из закона сохранения странности, можно объяснить невозможность распада странных частиц сильной и электромагнитной взаимодействиями.

Часто пользуются величиной, эквивалентной странности, которую обозначают Y и называют гіперзарядом. Гиперзаряд однозначно связан с дивністю S и баріонним зарядом В частицы соотношением

6. Во всех процессах с элементарными частицами строго выполняется закон сохранения спина, который в первом приближении можно рассматривать как закон незнищуваності вращательного движения материальных объектов. Классическим аналогом спина является момент вращения волчка вокруг своей оси. Однако при этом следует помнить, что, во-первых, спин - это неотъемлемое свойство элементарных частиц, изменить его невозможно, во-вторых, спин может быть равен только целому или півцілому числу постоянной Планка, деленной на 2π (h / (2π)), и, в-третьих, в частицы ось «вращения» может быть ориентирована лишь в нескольких определенных направлениях.

Со спином связана поведение частицы в группе одинаковых частиц, или так называемая статистика частиц. Существует два типа статистик: статистика Ферми - Дирака для частиц с півцілим спіновим числом 1/2, 3/2, ... и статистика Возе - Эйнштейна для частиц с целым спіновим числом 0, 1, 2, ... . Частицы, имеющие півцілий спин, называют ферміонами. К ним относятся все легкие частицы - лептоны и все тяжелые частицы - барионы. Для них выполняется принцип Паули, который утверждает, что в определенной системе тождественных фермион любые два из них не могут одновременно находиться в одном квантовом состоянии. Частицы с целым спином называют бозонами, к ним относятся фотон и все мезоны - частицы промежуточной массы. В случае бозонов в одном и том же состоянии может находиться произвольное число частиц.

7. Представление о изотонический спин впервые было введено в физику для объяснения факта одинаковости ядерных взаимодействий протона и нейтрона. Электромагнитные свойства этих частиц существенно отличаются: протон электрически заряжен, нейтрон - нет, магнитный момент протона - положительный, нейтрона - отрицательный. Итак, в электромагнитных взаимодействиях участвуют две разные частицы, а в сильных - одна, что находится в двух различных состояниях: нейтронном и протонном. Два состояния (протонный и нейтронный) одной частицы - нуклона - напоминают ситуацию со спином электрона.

Электрон в реальном пространстве может иметь лишь два фиксированных положения: или вдоль некоторого выбранного направления, или навстречу ему. При этом электрону приписывают понятие спина со значением его проекций ±1/2. Нуклонам, кроме обычного спина, для описания их зарядовых свойств по аналогии приписывают понятие изотопического спина со значением проекций ±1/2. Проекции ізоспіну также отчисляют от выбранного направления, но уже в некотором абстрактном ізотопічному пространстве. При этом нейтроны приписывают значение проекции ізоспіну-1/2, протону - +1/2. Подобная ситуация бывает и при электромагнитных и сильных взаимодействиях пионов. Введение квантового числа И (изотопического спина) позволяет выяснить поведение элементарных частиц относительно сильных и электромагнитных взаимодействий. Сильные взаимодействия зависят только от абсолютного значения вектора ізоспіну, тогда как электромагнитная взаимодействие зависит и от ориентации этого вектора в ізотопічному пространстве.

Ізоспін частицы введен аналогии с обычным спином, и поэтому он математически характеризуется теми самыми формальными свойствами, что и обычный спин. Однако физический смысл их существенно различен. Если спин как квантовая характеристика элементарных частиц возникает из свойств симметрии (изотропность) реального пространства и не зависит от вида взаимодействия, в которых частица участвует, то ізоспін как квантовая характеристика имеет смысл вектора в некотором формальном пространстве - ізопросторі, который проявляет свойства ізотропії только для определенной (сильной) взаимодействия.

Итак, слово «спин», которое фигурирует в названии нового квантового числа I-изотопического спина, подчеркивает лишь тот факт, что математический аппарат, который его описывает, такой же, как и математический аппарат обычного спина. Заметим, что квантовое число И нет никакого отношения к изотопов. Слово «изотопический» в его названии появилось за то, что протон и нейтрон относительно сильного взаимодействия являются разновидностями одной частицы - нуклона, подобно тому как изотопы образуют разновидности определенного химического элемента. Введение понятия изотопического спина имело большое значение для изучения сильных взаимодействий, которым свойственна зарядовая независимость, а также наметили пути в установлении систематики элементарных частиц. Исследования показали, что во всех процессах, связанных с превращениями элементарных частиц, обусловленными зарядово-независимыми сильными взаимодействиями, выполняется закон сохранения изотопического спина. При этом сохраняется как сам изотопический спин I, так и его проекция И_Z. Для электромагнитных взаимодействий сохраняется только его проекция И_Z, значения изотопического спина не хранится. При слабых взаимодействиях меняются как I, так и И_Z.

8. Среди величин, характеризующих элементарные частицы, есть еще одна чисто квантово-механическая величина, которую называют четностью Г. Рассмотрим ее. Известно, что в квантовой механике состояние частицы или системы частиц описывается волновой функцией, которая удовлетворяет уравнению Шредингера и зависит от координат и времени. Под четностью состояния, или четностью волновой функции, понимают характер ее поведения при пространственной инверсии - изменении знака всех координат частицы на противоположные (х на-х,- у, z на -z), что эквивалентно зеркальному отражению, или перехода от правогвинтової системы координат к лівогвинтової. При такой пространственной инверсии возможны два случая: волновая функция остается неизменной или меняет свой знак на противоположный. В первом случае волновая функция является парной, а во втором - нечетной.

Поведение волновой функции при инверсии определяется внутренними свойствами частиц, которые она описывает. Именно для того, чтобы акцентировать внимание на этом, и вводят новое квантовое число Г. Частицам из парной волновой функцией приписывают положительную четность (Р=+1). Считают, что частицы с нечетным волновой функцией имеют отрицательную четность (Р=-1). Четность системы частиц определяется произведением парностей отдельных частиц, входят в состав системы.

Из квантовой механики вытекает закон сохранения четности, который утверждает: при всех преобразованиях, которые претерпевает система частиц, четность состояния остается неизменной. Закон сохранения четности означает, что процессы в природе не зависят от выбора правогвинтової или лівогвинтової системы координат, в которых эти процессы изучают, или, что то именно, нет разницы между объектом и его зеркальным отражением. Следовательно, закон сохранение четности связан со свойствами зеркальной симметрии пространства. До 1956 г. считали, что закон сохранения четности имеет общий характер и выполняется при всех видах взаимодействия. В 1956 г. было выяснено, что при слабых взаимодействиях закон сохранения четности нарушается.

Мы рассмотрели основные квантовые числа элементарных частиц. Каждое из них объединяет большую группу частиц по той признаком, которую она имеет. Электрический заряд разделяет все частицы на заряженные положительно, заряженные отрицательно и нейтральные. Баріонний заряд объединяет частицы в большую группу барионов, для которых он отличен от нуля. Отметим, что барионы могут быть электрически нейтральными или заряженными положительно или отрицательно. Лептонний заряд объединяет группу легких частиц - лептоны, участвующие в электромагнитных и слабых взаимодействиях и не участвуют в сильных. Странность группирует частицы на странные, куда входят как барионы, так и мезоны с баріонним зарядом, равна нулю, и на обычные - неудивительны, куда также входят барионы и мезоны, но с нулевой дивністю. Обычный спин разделяет все частицы на фермионы (с півцілим спином) и бозоны (с целым спином), каждой из которых соответствует своя статистика. То же самое можно сказать и о ізоспін, который объединяет известные нам частицы в ізотопічні мультиплети.

Итак, с помощью квантовых чисел можно полностью охарактеризовать каждую элементарную частицу. Однако следует отметить их существенное отличие, которое заключается прежде всего в том, что не все они являются универсальными квантовыми числами, способными описывать все виды взаимодействия. Некоторые из них (четность, изотопический спин) меняют свое значение при слабых взаимодействиях закон сохранения изотопического спина нарушается также при электромагнитном взаимодействии (см. подраздел 18.9).