Часть 6 ФИЗИКА АТОМНОГО ЯДРА И ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

Раздел 18 ФИЗИКА ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

18.4. Классификация элементарных частиц

В настоящее время известно большое количество элементарных частиц, которые имеют разнообразные свойства. Попытки классифицировать их по некоторым общим признакам будут способствовать установлению закономерностей, связанных со строением и поведением частиц, дадут возможность предусмотреть еще неоткрытые частицы, как это сделал Д. И. Менделеев для химических элементов.

В табл. 18.2 приведены основные известные элементарные частицы и их характеристики. Если в основу классификации частиц положить спин, то их можно разделить на две группы - фермионы и бозоны. Если же в основу классификации частиц положить массу, то определятся четыре группы частиц: фотоны, лептоны, мезоны, барионы.

В табл. 18.2 приведены названия только для частиц. Название соответствующей античастинки для барионов, нейтральных и каонів всех видов нейтрино образуют добавлением к названию частицы приставки «анти». Например, протон - антипротон, электронное нейтрино - электронное антинейтрино. Антиелектрон называют также позитроном. До заряженных пионов и каонів срок античастица, как правило, не применяют. Речь идет о позитивных и негативных пионы (каони).

В настоящее время известно пять зарядов, которые строго хранятся: электрический q, баріонний В и три вида лептонних зарядов L_е (для ), L_μ (для ) и L_τ (для ). Характерной особенностью всех этих зарядов является их цілочислове значение. Каждый из зарядов может быть как положительным, так и отрицательным.

Фотоны, то есть γ-кванты электромагнитного поля, масса которых равна нулю, а спин равен h/(2π), участвуют только в электромагнитных взаимодействиях.

Лептоны. Еще до недавнего времени было известно четыре лептоны: два заряженных (е^-, μ^-) и два их нейтральные спутники (_e, _е). Потом было установлен третий заряженный лептон, которому присвоили символ τ. Допускается, что τ-лептон также имеет «собственное» нейтрино. Для лептонов свойственны малые значения масс. Среди этих частиц наибольшую массу имеет τ-лептон, наименьшее - электронное нейтрино. Лептоны участвуют только в электромагнитных и слабых взаимодействиях. Все лептоны имеют півцілий спин и, следовательно, описываются статистикой Ферми. Среди них есть электрически заряженные частицы (электрон, позитрон, мюони) и нейтральные (электронные и мюонные нейтрино и антинейтрино). Они имеют отличный от нуля лептонний заряд. Баріонний заряд для них равна нулю.

Электроны - это элементарные частицы, которые были обнаружены первыми при изучении атомной структуры вещества. Электрон есть носителем наименьшей порции электрического заряда. Его заряд е = 1,60 ∙ 10^-19 Кл, масса покоя m_е =9,11 ∙ 10^-31 кг. Электрону присущ собственный момент количества движения - спин, равный h/(2π). Магнитный момент электрона почти равен магнетону Бора

Знак минус означает, что магнитный и механический моменты электрона имеют противоположное направление. Электроны обозначаются символом е^-. Электрон является стабильной частицей, которая спонтанно не превращается в другие частицы. Наряду с негативными существуют положительные электроны - позитроны, которые относительно электронов является античастинками. Позитрон отличается от электрона только знаком электрического и электронного лептонного зарядов. Абсолютные значения этих зарядов и все остальные характеристики в позитронов и электронов совпадают. Позитрон является частицей, стабильной в вакууме, однако в веществе долго не может существовать вследствие того, что при столкновении с электроном они аннигилируют, превращаются в электромагнитное излучение (см. подраздел 17.12).

Мюони. Впервые мюони обнаружили 1937 г. К. Андерсон и С. Недермейєр в составе космического излучения. Известно положительные (μ⁺) и отрицательные (μ^-) мюони. Электрический заряд мюонов по абсолютному значению равен заряду электрона. Отрицательно и положительно заряженные мюони выступают соответственно как частица и античастица. Масса мюонов составляет 206,8 электронных масс, их спин равно Среднее время жизни неподвижных мюонов τ = 2,15 ∙ 10^-6 с.

В 1948 г. Г. Б. Жданов и А. А. Хайдаров установили, что электроны и позитроны, образованные при распаде мюонов, которые почти потеряли скорость, имеют широкий спектр энергии. Средняя энергия составляет около 35 Мэв, что соответствует 1/3 энергии покоя мюона (для электрона m_ес² =0,51 Мэв, а для мюона m_μ = 206m_е и m_μс² =106 Мэв). Это означает, что при распаде мюона кроме легкой заряженной частицы возникает не одно (как при (β-превращении), а два нейтрино. Если распад мюона, что прекратился, сопровождался, как считали сначала, излучением одного нейтрино, то при одновременном сохранении энергии 106 Мэв и при одинаковости импульсов двух частиц - электрона и нейтрино - энергия всех электронов распада была бы одинаковой и равнялась 53 Мэв. Выбрасывание двух нейтрино с антипаралельними ориентациями спинов обеспечивает при распаде и-мезона сохранения спина

Измерения показали, что средний время жизни неподвижных мезонов совпадает с рассчитанным.

Таблица 18.2

В настоящее время установлено, что нейтрино и антинейтрино, которые излучаются вместе с позитронами и электронами, отличаются от нейтрино и антинейтрино, излучаемых вместе с мюонами. В связи с этим, как отмечалось, различают электронное и мюонне нейтрино и антинейтрино. Исходя из закона сохранения электронного лептонного заряда, схему распада μ^±-мезонов (18.2) следует переписать так:

Если бы швидкорухомі мюони имели тот самый среднее время жизни, который наблюдается для неподвижных (остановились) мюонов, то средний пробег мюонов в атмосфере при их скорости, близкой к скорости света, не превышал бы 600 м ее на самом Деле пробег мюонов в атмосфере во много раз больше. Это объясняется увеличением длительности всех периодических процессов (замедление времени) при движении с большими скоростями, как это вытекает из теории относительности. Соответственно увеличивается и средний время жизни любой нестабильной частицы, если ее скорость приближается к скорости света.

Энергия быстрых мюонов в космическом излучении составляет около 3000 Мэв, тогда как энергия мюона - 100 Мэв. При такой энергии среднее время жизни мюона оказывается в 30 раз больше, чем среднее время жизни неподвижного мюона, и составляет 6 ∙ 10^-5 с. В связи с этим средний пробег мюонов в атмосфере равна 18 км При такой длине пробега следует ждать, что на пути в 1 км равно будет распадаться около 5 % мюонов. Этот расчет подтверждается измерением интенсивности жесткой компоненты космического излучения и сравнением числа быстрых мюонов в стратосфере с их числом на уровне моря.

Особый интерес представляет электронное (ν_е) и мюонне (ν_μ) нейтрино, которые имеют чрезвычайно большую проникающую способность. Они характеризуются півцілим спином и нулевой массой. В последнее время благодаря экспериментам сделано предположение о наличии в нейтрино массы.

Приведем примеры реакций, в которых излучается нейтрино:

где ν_е - электронное нейтрино; ν_μ - мюонне нейтрино. Антинейтрино () рождается в реакциях β-распада природных радиоактивных веществ и в реакциях распада мезонов по такой схеме:

где _е - электронное антинейтрино; _μ - мюонне антинейтрино. Спин обоих видов нейтрино ν_е и ν_μ обращен в сторону, противоположную направления скорости (импульса), спин антинейтрино _е и _μ совпадает со скоростью их движения.

Мезоны - частицы с массой, промежуточной между массами лептонов и массами более массивных частиц - барионов, относящихся к следующего класса. Они принимают участие во всех трех видах взаимодействия, при этом сильное взаимодействие превалирует. От класса барионов они отличаются отсутствием баріонного заряда, от класса лептонов - отсутствием лептонного заряда. Мезоны имеют нулевой спин. Они бывают электрически заряженными и нейтральными, странными и обычными, характеризуются целым и півцілим ізотопічними спинами. К группе мезонов относятся пионы (π-мезоны), каони (K-мезоны), этон (η-мезон). Мезоны, как электроны или протоны, существуют в двух видах частиц и античастиц.

Существование и нестабильность мезонов были предусмотрены до их открытия квантово-механической теории внутриядерных сил, предложенной японским физиком X. Юкавою (1935 г.). В теории Юкавы предполагалось, что: 1) мезоны могут иметь заряд электрона или позитрона; 2) их масса в 200-300 раз больше массы электрона; 3) мезоны нестабильны и имеют спонтанно распадаться на электрон (или позитрон) и нейтрино; 4) среднее время жизни мезона составляет миллионную долю секунды.

Некоторое время физики отождествляли мюони с частицами, предусмотренным теорией X. Юкавы. Однако изучение их свойств показало, что в мюонов нет основного свойства частиц Юкавы: они, на отличие от частиц Юкавы, ядерно неактивные.

Аналогом частиц Юкавы оказались π^±-мезоны (пионы), которые также имеют заряд электрона (π^--мезоны) или позитрона (π⁺-мезоны). Спин их равна нулю. Масса π-мезонов примерно в 4/3 раза больше от массы мюонов m_π± =273,2m_е.

Заряженные π-мезоны были открыты в космическом излучении 1947 г., а в 1949 г. их было получено в лабораторных условиях (на ускорителе в Беркли) при столкновении быстрых протонов с протонами и нейтронами:

В 1950 г. было открыто π-мезоны, которые не имеют заряда, нейтральные π⁰-мезоны, которые иногда называют нейтретто. их масса немного меньше массы заряженных π-мезонов: как и заряженные π-мезоны, π°-мезоны имеют нулевой спин. (Существование нейтральных μ-мезонов не обнаружено.) Как и μ-мезоны, π-мезоны являются нестабильными частицами и спонтанно распадаются с очень малым средним временем жизни. Соответствующие измерения показали, что среднее время жизни заряженных π⁺-мезонов одинакова и составляет 2,6 ∙ 10^-8 с, то есть на два порядка меньше, чем в μ-мезонов. Именно этим объясняется тот факт, что в космическом излучении на уровне моря число π-мезонов намного меньше числа μ-мезонов. Заряженные π-мезоны распадаются за такой схеме:

Итак, в результате распада π⁺-мезонов образуются μ^±-мезоны и мюонне нейтрино (или антинейтрино).

Среднее время жизни π°-мезона составляет 0,76 ∙ 10^-16 с. Нейтральный π°-мезон распадается на два фотона:

γ-кванты высокой энергии, возникающие при этом дают начало каскадном образованию электронно-позитронных пар.

В отличие от μ-мезонов π-мезоны сильно взаимодействуют с атомными ядрами и, проникая в них, вызывают ядерные превращения. Особое значение для физики ядра имеет возможный виртуальный обмен заряженными π-мезонами между разнородными нуклонами и нейтральными π°-мезонами между однородными нуклонами внутри ядра. Исходя из идей, которые высказали еще в 1934 г. И. Есть. Тамм, Д. Д. Иваненко, X. Юкава, считают, что, подобно фотонов электромагнитного поля, π-мезоны со спином, который равен нулю, излучаются и поглощаются нуклонами и являются квантами ядерного (мезонного) поля:

Поглощение этих мезонов другими нуклонами приводит к сильному взаимодействию между ними, которая реализуется по одной из таких схем:

К группе мезонов относятся также K-мезоны. Как и π-мезонам, К-мезонам свойственный нулевой спин. Масса их больше массы π-мезонов и составляет 966,3m_е для заряженных K⁺-мезонов и 974,5m_е для нейтральных K-мезонов (К°) и анти-ка-ноль-мезонов (⁰). K-мезон имеет элементарный положительный заряд, а K^--мезон - элементарный отрицательный заряд. В зависимости от типа K-мезонов среднее время жизни изменяется от 10^-8 до 10^-10 с. Существует несколько схем распада K-мезонов. Так, в случае K-мезона возможны следующие виды распадов:

Как отмечалось, π-мезоны могут быть образованы при ядерных реакциях с частицами высоких энергий в мощных ускорителях; μ-мезоны образуются в результате превращение π- и K-мезонов. K-мезоны рождаются с большой интенсивностью мезонов при столкновениях протонов или высокой энергии с нуклонами. Если один из видов частиц, например, негативные мезоны, назвать частицами, то положительные мезоны будут античастинками. Можно принять и противоположное обозначение.

Барионы - массивные элементарные частички. Они состоят из двух подгрупп - нуклонов и гипероны. Для них баріонний заряд отличный от нуля, лептонний заряд равен нулю, они характеризуются півцілим спином и есть ферміонами. С мезонами их объединяет способность участвовать в сильном взаимодействии, вследствие чего мезоны и барионы объединяют в группу адронов. Адронами называют все сильно взаимодействующие частицы.

Нуклоны. К нуклонов относятся протон (г), антипротон (), нейтрон (n) и антинейтрон ().

Протон имеет массу, равна 1836,5 электронным массам, то есть m_г = 1,672 ∙ 10^-27 кг. Положительный заряд протона по абсолютному значению равен заряду электрона, то есть q_p =

=1,60 ∙ 10^-19 Кл. Спин протона равен , магнитный момент μ_p =2,7929μ_я, где

Протон является одной из самых удобных частиц для ускорения в ускорителях и использования для ядерных реакций. Для протона приняты следующие обозначения: ¹₁Н или г.

Протон - стабильная частица. Однако, как показывают теоретические расчеты, время жизни его меньше 10³² лет. Экспериментально распад протона не зафиксировано.

Существование антипротона было предусмотрено теорией Дирака, но экспериментальное открытие его стало возможным только через четверть века после соответствующего развития техники ускорителей заряженных частиц. Он был открыт в конце 1955 г. группой физиков в составе Е. Сегре, О. Чемберлена и других при бомбардировке медной мишени протонами, ускоренными в бетатроні Калифорнийского университета в энергии 6,3 БеВ.

Антипротон имеет массу, равную массе протона, и заряд, равный по значению и знаком с электроном. Спин антипротона равен Магнитный момент одинаковый по значению с магнитным моментом протона, но имеет отрицательный знак, то есть направленный противоположно спину. Следовательно, μ =2,7929μ_я. Антипротон обозначают символом .

Протон и антипротон, подобно электрона и позитрона, образуют систему частица - античастица. Если в системе электрон - позитрон положительно заряженная частица после прохождения через вещество быстро аннигилирует, то в паре частиц протон - антипротон стабильной является именно положительная частица - протон. Антипротон, хоть и стабилен в вакууме, однако в веществе быстро аннигилирует с протоном, образуя π- и K-мезоны и реже жесткие γ-фотоны. Следовательно, наряду с электронно-позитронним вакуумом должно существовать протонно-антипротонный вакуум. Антипротон относительно протона является античастицей. Протон является одной из важнейших составляющих частиц сложных ядер и сам составляет ядро атома водорода. Вместе с электроном протон образует нейтральный атом водорода. Можно представить себе обратную систему, то есть систему антипротон - позитрон, которая будет за всеми свойствами (оптическими, химическими, магнитными и др.) аналогичная атомам водорода. Это будет антиатом водорода.

Элементарная частица нейтрон имеет массу почти одинаковую с массой протона, но не имеющая электрического заряда. Вследствие этого нейтроны свойственна большая проникающая способность, поскольку он во время движения в веществе не тратит энергию на йонізацію, излучения и т.д. Кроме того, через отсутствие кулоновского отталкивания нейтроны очень легко проникают в атомные ядра и поэтому являются очень эффективными частицами, которые вызывают ядерные реакции со всеми ядрами атомов. Масса нейтрона равна 1838,6 электронным массам, а электрический заряд - нулю. Спин нейтрона равен , а магнитный момент нейтрона μ_n =-1,9131μ_я. Обозначают нейтрон символом n: иногда ¹n или ¹₀n. Это указывает на то, что его массовое число - единица, а заряд равна нулю. Нейтрон является нестабильной элементарной частицей и после его освобождение из атомного ядра через некоторое время распадается. Период полураспада нейтрона 16,9 мин. Он распадается по схеме:

где _е - электронное антинейтрино.

Античастицей нейтрона относительно есть антинейтрон. Это элементарная частица с той же массой, как и нейтрон, из зарядом, равна нулю, и спин Магнитный момент антинейтрона равна по абсолютному значению магнитному моменту нейтрона, но противоположный ему по знаку. Антинейтрон обозначают символом . Впервые антинейтрони обнаружили (1956 г.) американские физики Бы. Корк, Г. Ламбертсон, О. Піччоні, В. Вензель, которые наблюдали антинейтрони, возникшие в результате перезарядки антипротонов, при движении их через вещество. Реакция перезарядки заключается в обмене зарядами между нуклоном и антинуклоном по такой схеме:

Выход этих реакций очень небольшой, однако все же удается наблюдать возникновение антинейтронів. Открытие антинейтронів наряду с открытием антипротонов является блестящим подтверждением современной теории элементарных частиц.

Исследования космического излучения методом фотоэмульсии, а также с камерами Вильсона специальных конструкций привели к открытию тяжелых нестабильных частиц, которые названы гіперонами. Масса гипероны больше массы нуклонов (протонов и нейтронов), но меньше массы дейтронов. Нуклоны и гіперони относятся к группе барионов, то есть тяжелых частинок. их обозначают прописными буквами греческого алфавита. Существуют нейтральные и заряженные гіперони, их спин равен

При некоторых столкновениях пиона с нуклоном пион исчезал, а вместо него рождался новый мезон, который назвали K-мезоном, или каоном. Нуклон при этом превращался в новую частицу. Эта новая частица, как и нуклон, была баріоном. Время жизни ее был около 10^-10 с. Если она розпадалась, то появлялся пион и нуклон и все возвращалось в исходное состояние, только с «добавкой» K-мезона. По сравнению с ядерным временем продолжительность жизни 10^-10 с довольно велика, и новые барионы с этой точки зрения можно рассматривать как стабильные.

Гіперони рождаются при столкновении пионов высокой энергии с нуклонами. При этом образуются, в частности, λ°-гіперони с массой 2182,75m_е, два разных сигма-гіперони с почти одинаковыми массами (Σ⁺ с массой 2327,6m_е и Σ^- с массой 2342,6m_е), а также нейтральный сигма-гиперон (Σ°). Время жизни его 10^-14с или меньший. Масса Σ°-гиперон близка к массе Σ⁺- и Σ^--гипероны и равна 2333,4m_е. Кроме Σ- и Λ-гипероны были выявлены и другие гіперони. Необычными показались физикам два кси-гіперони и , которые розпадались так:

Во-первых, необычным было то, что кси-гіперони не распадались сразу на нуклоны, а обязательно сначала превращались в ламбда-гиперон. Во-вторых, в кси-гиперон не оказалось положительно заряженного антипода. Кси-гіперони были похожи на пару нуклонов, а не на три сигма-гіперони. Массы их близкие 2584,7m_e в и 2572m_e. в . Необычной была также появление кси-гипероны. Они рождались в сопровождении двух каонів, например так:

Последний представитель гипероны, который привлек к себе внимание, это Ω^- (омега-минус-гиперон), масса которого составляет 3278m_е, время жизни - 1,3 ∙ 10^-10 с. Образуется он также при столкновении пиона с нуклоном, но в сопровождении трех каонів:

Впервые Ω^--гиперон обнаружено на Брукхейвенському синхротроне 1964 г. при осуществлении реакции:

При этом было получено 300 тыс. снимков и только на восьми из них обнаружены следы Ω^--гипероны. На этих же снимках было зафиксировано и распад Ω^--гипероны. Ω^--гиперон излучает пион π^- и превращается в -гиперон. Кси-нуль-гиперон, в свою очередь, распадается на λ°-гиперон и нейтральный пион. Нейтральный пион, как мы знаем, превращается в два фотоны, каждый из которых рождает пару электрон - позитрон. λ°-гиперон превращается в протон и отрицательный пион.

Итак, гіперони берут свое начало от нуклонов. Нуклоны являются также конечными продуктами их распада. Именно это дает возможность рассматривать гіперони как возбужденные нуклоны. В пользу такого мнения свидетельствует и тот факт, что гіперони способны заменять нуклоны в атомных ядрах, в результате чего возникают нестабильные гіперядра.