где е± обозначает электрон или позитрон, v и ve — нейтральные частицы (мюонное и электронное нейтрино) ; черточка над символом' обозначает античастицы.
Слабое взаимодействие мюонов с нуклонами подтверждается, в частности, тем, что может захватываться ядрами на К-, L-, ... оболочки атома, при этом образуются мезоатомы Радиус мюонной орбиты в 207 раз меньше радиуса электронной орбиты, в результате чего для элементов с Z > 30 размеры К-орбиты мюона становятся сравнимыми с размерами ядер. При этом мюон большую часть времени проводит внутри ядер. Несмотря на это, не наблюдается резкого уменьшения средней продолжительности жизни мюона, что можно объяснить только слабым взаимодействием мюонов с нуклонами. Роль мюона в ядерных процессах неясна. Ясно, однако, что он не может играть роли кванта ядерного поля из-за слабого взаимодействия с нуклонами.
В 1947 г. в составе космического излучения были обнаружены частицы, сильно взаимодействующие с нуклонами. Их назвали -мезонами . Год спустя они были получены искусственным путем бомбардировкой ядер различных элементов быстрыми (300 — 400 Мэв) -частицами, протонами и нейтронами. Сначала были обнаружены только заряженные -мезоны, которые распадаются по схеме
Такой распад -мезона называется -распадом.
В 1950 г. были обнаружены нейтральные -мезоны () , вернее, пары - квантов, возникающих при их распаде:
Энергия каждого кванта 70 Мэв. Спустя некоторое время было установлено, что существует и другой, на два порядка менее вероятный тип распада:
Используя понятие изотопического спина, можно рассматривать +-, - и -мезоны как три различных зарядовых состояния -мезона. Естественно поэтому предполагать, что изотопический спин -мезона равен единице и различные -мезоны соответствуют трем его проекциям на ось:
Такая связь -компоненты изотопического спина с различными -мезонами соответствует правилу (использованному и при рассмотрении нуклонов): заряд частицы возрастает с ростом Т.
В начале 50-х годов были открыты К-мезоны.
В начале 60-х годов была открыта новая разновидность частиц, получившая название резонансов (резонансных состояний). На сегодняшний день открыто более 100 резонансов, причем рост их числа не предвещает пока насыщения.
Классификация элементарных частиц
В 1932 г. в составе космического излучения был обнаружен позитрон, существование которого было предсказано теорией Дирака еще в 1929 г. Этот факт имел очень большое значение не только для подтверждения правильности теории Дирака, но и потому, что позитрон явился первой из открытых античастиц. Последующее открытие других античастиц привело к мысли о том, что законы физики симметричны относительно изменения знака электрического заряда частицы. В результате этого возникло представление о зарядовом сопряжении, т. е. преобразовании, при котором частицы заменяются античастицами с одновременным изменением в уравнениях знаков всех зарядов, магнитных моментов и электромагнитныхполей, причем сами уравнения, описывающие поведение системы, остаются неизменными.
Первоначальная интерпретация позитрона как дырки в сплошь заполненном электронном фоне в настоящее время оставлена. Нецелесообразность такого объяснения стала очевидной после того как в 1934 г. была создана релятивистская теория заряженных частиц со спином, равным нулю, применимая, в частности, к -мезонам. Из этой теории следовала возможность образования пар –-мезонов -квантами и аннигиляция этих пар, причем вероятность обоих процессов могла быть вычислена по формулам, отличающимся только постоянными множителями от соответствующих формул для электронов и позитронов. Поскольку же -мезоны подчиняются статистике Бозе — Эйнштейна, к ним неприменим принцип Паули, необходимый для представления о заполненном частицами фоне. Таким образом, существование частиц и античастиц и характерные для них процессы рождения и аннигиляции не потребовали для своего объяснения концепции фона. Электрон и позитрон во всех отношениях являются совершенно равноправными частицами.
Известные в настоящее время частицы могут быть разделены на четыре группы:
1. Фотон.
2. Легкие частицы (лептоны) с массой, меньшей массы -мезона (нейтрино двух типов, электрон, мюон). Все лептоны являются фермионами, т. е. имеют спин ½ и подчиняются статистике Ферми — Дирака.
3. Мезоны и мезонные резонансы, к которым относятся -мезоны и более массивные частицы с целочисленным спином. Все они являются бозонами, т. е. подчиняются статистике Бозе — Эйнштейна.
4. Барионы и барионные резонансы . К ним относятся нуклоны и более массивные частицы. Все они являются фермионами и имеют полуцелый спин.
После открытия позитрона, являющегося античастицей по отношению к электрону, возник вопрос: существуют ли античастицы у всех «элементарных» частиц?
Представление, что нейтрино имеет античастицу — антинейтрино, возникло почти одновременно с первыми попытками дать теоретическое объяснение электронного и позитронного распада (бета-распада ядер); однако только последние исследования двойного бета-распада дали право утвердительно ответить на этот вопрос.
В 1955 г. был открыт антипротон, а в 1956 г. было установлено, что столкновения антипротона с протоном могут привести либо к их аннигиляции, либо к превращению антипротона в антинейтрон в результате обменного эффекта. Таким образом, протон р и нейтрон n имеют античастицы: антипротон и антинейтрон .
В связи с существованием античастиц у нейтрино и нейтрона возникает вопрос: чем отличается незаряженная частица от своей античастицы? Можно предположить, что отличие проявляется в знаке магнитного момента. Однако это не всегда правильно. Магнитный момент антинейтрона действительно должен быть противоположен по знаку магнитному моменту нейтрона; но этот критерий неприменим по отношению к нейтрино, магнитный момент которого равен, по-видимому, нулю. Значит, различие между частицами и античастицами связано с каким-то иным свойством незаряженных частиц, изменяющимся при переходе к их античастицам.
Это свойство может быть установлено, если предположить, что все барионы характеризуются специфическим барионным зарядом A. Он равен +1 для барионов и —1 для антибарионов. Для барионного числа (заряда) выбрано обозначение, совпадающее с обозначением массового числа, поскольку массовое число — это фактически барионное число ядра, состоящего из А протонов и нейтронов. Таким образом, можно считать, что основным отличием протона и нейтрона от соответствующих им античастиц является отличие в знаке барионного заряда, но не в знаке электрического заряда или магнитного момента. Соответственно лептоны и антилептоны отличаются противоположными знаками лептонного заряда (числа), по модулю равного единице . Для мезонов барионный и лептонный, заряды равны нулю.
Cведения о частицах, античастицах и их взаимных, превращениях значительно расширились за последние годы в результате открытия и интенсивного изучения мезонов, барионов и их резонансов. За последнее время появился ряд работ , в которых делаются попытки классифицировать наблюдаемые факты и явления в рамках феноменологической теории..
ГеллМанн обратил внимание на существование следующих типов взаимодействия между элементарными частицами: (если не учитывать гравитации):
1. Сильные взаимодействия, возникающие между барионами, антибарионами и мезонами. Этими взаимодействиями обусловлены ядерные силы между нуклонами и процессы образования мезонов и гиперонов при ядерных столкновениях. Однако учет одних лишь сильных взаимодействий следует рассматривать как первое приближение.
2. Электромагнитные взаимодействия, возникающие при воздействии фотонов на заряженные частицы (второе приближение).
3. Слабые взаимодействия, проявляющиеся при и -распадах и обусловливающие, кроме того, медленные распады гиперонов и мезонов (третье приближение).
В этой теории нуклоны, антинуклоны и -мезоны считаются обычными частицами, в отличие от «странных» частиц, к которым отнесены К-мезоны и гипероны. Свойства обычных частиц изучены лучше свойств странных частиц, поэтому мы сначала ограничимся рассмотрением процессов, происходящих с учетом первых.
При учете только сильного взаимодействия справедлив закон сохранения изотопического спина: каждой частице или системе частиц соответствует изотопический спин, являющийся точным квантовым числом. Состоянию с изотопическим спином Т отвечает кратность вырождения 2Т+1, причем каждая компонента такого мультиплета соответствует определенному зарядовому состоянию частицы или системы частиц. Как обычно, будем считать, что заряд возрастает с увеличением Т. Центры мультиплетов, т. е. средние заряды, различны для разных мультиплетов. Для нуклонного дублета средний заряд (полусумма зарядов протона и нейтрона) равен +1/2. Для антинуклонного дублета —1/2, а для -мезонного триплета он равен нулю.
Заряд Z системы частиц определяется соотношением
,
Центр мультиплета, соответствующего такой системе, равен А/2. Преобразование зарядового сопряжения меняет знаки Z, T и А.
При учете электромагнитного взаимодействия изотопический спин теряет свойства точного квантового числа и вырождение по изотопическому спину снимается. Так возникает различие между массами частиц, находящихся в разных зарядовых состояниях.
Процессы, в которых проявляются только сильные взаимодействия, называются быстрыми. К ним относятся процессы, происходящие при столкновении нуклонов с большой энергией, например образование -мезонов, распад резонансных состояний, образующихся при рассеянии мезонов барионами, и т. д. Эти процессы протекают за промежутки времени порядка 10-22 сек.
Процессы, обусловленные электромагнитным взаимодействием, называют электромагнитными. К ним относится, например, распад °-мезона на два -кванта. Характерное время электромагнитных процессов – порядка 10— 10 сек.
Наконец, процессы, идущие под влиянием только слабых взаимодействий, например лептонный распад, и требующие «больших» промежутков времени (~10 сек), называются медленными.
Литература
1. В.В Маляров «Основы теории атомного ядра» Издательство «Наука», М. 1967г.
2. И.В. Савельев «курс общей физики» том 3. Издательство «Наука», М. 1982 г.
3. И.В Корсунский «Атомное ядро». Издательство «Наука», М, 1968г
