Элементарные частицы. Античастицы, взаимные
превращения частиц
Горохов А.В.
Одним
из самых важных результатов в физике высоких энергий является открытие
античастиц. Первая античастица -позитрон теоретически предсказан и открыт в
начале 30 годов. Он имеет точно такую же массу и абсолютную величину заряда,
как и электрон, но знак заряда позитрона противоположен знаку заряда электрона.
Электрон и позитрон обозначают соответственно e- и e+.
В
вакууме позитрон так же стабилен как и электрон, однако при встрече электрона и
позитрона происходит их аннигиляция, превращение в g- кванты. При аннигиляции
испускается, как првило, два или три фотона.
e+ + e- -->g+ g, e+ + e- --> g+ g+ g.
На
ускорителях наблюдается также реакция, обратная аннигиляции электрона и
позитрона.
При
столкновении двух g- квантов рождается пара "электрон + позитрон".
g+ g-->e+ + e-.
Подобных
процессы с высокой точностью рассчитываются в рамках квантовой теории поля -
объединяющей квантовую механику и теорию относительности.
Вслед
за позитроном были открыты и другие античастицы. В середине 50-х годов на
ускорителях были созданы антипротон и антинейтрон, а затем даже антиядра, а в
самое последнее время и антиатомы. Как правило, античастицы обозначаются теми
же буквами, что и соответствующие частицы, но над буквой ставиться черточка
(или тильда). Например, [`(p)] - антипротон, [`(n)] - антинейтрино и т.п.
Масса
каждой частицы строго равна массе соответствующей античастицы, а знаки их
зарядов противоположны. Мысленная операция замены "частица -->
античастица" называется зарядовым сопряжением. При этой операции фотон,
который не несет какого-либо заряда, переходит сам в себя. Фотон принадлежит к
сравнительно редкомку типу истинно нейтральных частиц, не имеющих зарядовых
двойников.
Типы частиц, фундаментальные взаимодействия
Все
элементарные частицы в зависимости от спина делятся на фермионы, если спин
полуцелый (в единицах (h/2p)), и бозоны, если спин целый.
Кроме
того, в зависимости от типов взаимодействий, которым подвержены частицы,
различают два семейства: адроны - частицы как с целым, так и полуцелым спином,
участвующие во всех фундаментальных взаимодействиях, и лептоны - частицы с
полуцелым спином, которые участвуют во всех взаимодействиях, за исключением
сильного.
В
настоящее время известны четыре фундаментальных типа взаимодействий:
гравитационное,
слабое, электромагнитное и сильное.
Слабое
взаимодействие отвечает, например, за бета-распады ядер, электромагнитное -
связывает электрон и протон в атоме водорода, а сильное взаимодействие -
нуклоны в атомных ядрах. С современной точки зрения внутриядерное
взаимодействие не является истинно фундаментальным, а устроено наподобие т.н.
"химических" сил, которые являются следствием сложной игры
кулоновского (электромагнитного) взаимодействия и принципа запрета Паули.
Адроны
с целым спином называют мезонами, с полуцелым - барионами Известно несколько
сотен адронов. Большинство их крайне нестабильны - это т.н. резонансы: они
распадаются на более легкие частицы посредством сильного взаимодействия.
Типичное время жизни резонансов ~ 10-21 с.
Квазистабильные
адроны живут гораздо дольше и распадаются посредством слабого и
электромагнитного взаимодействий. Конечными продуктами распадов квазистабильных
мезонов являются более легкие мезоны, лептоны и фотоны, а также, если
распадающиеся мезоны достаточно массивны, то пары "барион +
антибарион".
Самые
легкие барионы (протон и нейтрон) называются нуклонами. Более тяжелые
квазистабильные барионы (L , S, X, W,... ) называют гиперонами. Конечными
продуктами распадов гиперонов являются лептоны, мезоны, фотоны и обязательно
нуклон.
Из
протонов и нейтронов состоят атомные ядра, остальные адроны не входят в состав
окружающего нас стабильного вещества, они рождаются при столкновениях частиц,
обладающих высокими энергиями. Согласно современным представлениям все адроны
не являются истинно элементарными частицами. Все они состоят из кварков и
глюонов.
В
отличие от адронов лептоны истинно элементарные частицы (по крайней мере в
рамках т.н. стандартной модели). Известны три заряженных лептона: электрон e-,
мюон m и тау-лептон t- и три нейтральных: электронное нейтрино ne, мюонное
нейтрино mn и тау-нейтрино nt. У каждой из этих частиц имеется соответствующая античастица.
Мюон и t- лептон распадаются за счет слабого взаимодействия, а электрон
стабилен.
В
слабых распадах каждый из заряженных лептонов рождается в сопровождении соего
антинейтрино. В электромагнитных взаимодействиях рождаются пары заряженных
лептонов: e+e-,m+m-,t+t-.
Эти
закономерности удается объяснить, если предположить, что все лептоны обладают
своего рода лептонным "зарядом", равным +1 для лептонов и -1 для
антилептонов. Во всех наблюдавшихя процессах лептонный заряд сохраняется.
Предсказаны
процессы, в которых ожидается несохранение лептонного заряда: распад протона,
двойной бета-распад, нейтринные осцилляции.
(Нейтринные
осцилляции предсказаны в середине 50-х Б. Понтекорво для обяснения
наблюдающегося дефицита солнечных (электронных) нейтрино. (Будучи испущенным на
Солнце, электронное нейтрино с заметной вероятностью превращается по пути на
Землю в мюонное и не регистрируется детектором, настроенным на ne. Летом 1998
г. процесс нейтринной осцилляции был обнаружен в лабораторных условиях).
С
середины 70-х годов общепринятым стал подход т.н. калибровочных теорий поля, в
которых все взаимодействия рассматриваются по аналогии с электродинамикой. На
основе теории Глэшоу - Вайнберга - Салама было предсказано, что слабое
взаимодействие осуществляется за счет обмена W - и Z- бозонами - квантами поля
слабого взаимодействия. Для того, чтобы это взаимодействие было слабым и
короткодействующим, нужно, чтобы масса этих промежуточных бозонов была очень
большой ~ 100 ГэВ. Эти частицы были обнаружены в 1983 г. на протон - антипроном
коллайдере В Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН). Оказалось, что при
энергиях ~ 100 ГэВ электромагнитное и слабое взаимодействие перестают быть
различными и объединяются в единое электрослабое взаимодействие.
Список литературы
Для
подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://ermine.narod.ru