Элементарные частицы. Лептоны. Адроны. Мезоны. Барионы. Мультиплеты

Элементарные частицы-большая группа мельчайших частиц не являющихся атомами или атомными ядрами. Их более 350 штук на 1980 г и продолжает увеличиваться. Основные свойства:

1.Исключительно малые размеры и масса – размер протона ~ 0,8 10-13 см, размер электрона < 10-16 см; масса протона =1836 масс электрона.

2.Способность рождаться и уничтожатьсяпри с помощью сильного, электромагнитного, или слабого взаимодействий между ними.

3.Элементарные частицы разделяются на классы лептонов (легкие), адронов (сильные) и калибровочных бозонов.

Характеристики элементарных частиц: Масса m, время жизни τ, спин I, изотопический спин Т и его проекция Т3, электрический заряд Q и другие наборы дискретных значений физических величин. По времени жизни они делятся на стабильные частицы (τ>1022лет -электрон, τ>1022лет-протон), квазистабильные частицы (τ>10 -20сек), которые распадаются за счет электромагнитного и слабого взаимодействий и резонансы (τ~10-22 ÷10-24сек), которые характеризуются шириной резонанса .

Нестрогие квантовые числа элементарных частиц сохраняются только при определенных взаимодействиях. К ним относятся: изотопический спин Т, гиперзаряд , пространственная четность Р, зарядовая четность С , G- четность и квантовое число А.

Пространственная четность Р – мультипликативное квантовое число, определяется характером преобразования волновой функции элементарных частиц при зеркальном отражении. Собственные значения оператора отражения Р=±1 исходя из того, что двойное отражение есть тождественное преобразование Р2=1.

Лептоны (легкие) – бесструктурные частицы со спином ½ не участвуют в сильном взаимодействии. Известны три заряженных лептона: электрон, мюон (тяжелый электрон), тау-лептон (сверхтяжелый электрон) и три нейтральных: электронное нейтрино, мюонное нейтрино и тау-лептонное нейтрино. У каждого лептона имеется своя античастица. Характеристики лептонов приведены в табл.2.2. В электромагнитном взаимодействии рождаются пары заряженных лептонов (е+,е-),. ( ), ( ).Лептоны ведут себя как точечные бесструктурные частицы до расстояний 10-16÷10-15 см. отрицательные мюоны образуют -атомы (pμ-, dμ-, tμ-). Существуют системы (е+-)-позитроний и мюоний- (μ+е-). Все лептоны являются фермионами. В слабом взаимодействии каждый заряженный лептон рождается в сопровождении своего антинейтрино: ( ), , .

Нейтрино участвуют только в слабом взаимодействии и гравитационном. Частицы нейтрино столь же распространены в природе как и фотоны. Экспериментально наблюдались нейтрино со спиральностью только «левовинтовые», а антинейтрино со спиральностью «правовинтовые». Предполагается, что масса нейтрино близка к нулю. Значения энергий нейтрино лежат в интервале от реликтовых

10-4 эв до космических 1011Гэв. Мощными источниками (1013 частиц/см2сек) антинейтрино низких энергий(до 10 Мэв) являются ядерные реакторы. Нейтрино высоких энергий (до сотен Гэв) получают с помощью ускорителей заряженных частиц. Прямым доказательством существования нейтрино считаетс процесс обратного бета-распада , с сечением барн. Отличительное свойство нейтрино-крайне высокая проникающая способность. Антинейтрино от ядерного реактора проходят сквозь Землю, практически не испытывая соударений. Вторым свойством является быстрый рост сечений взаимодействия с ростом энергии нейтрино.

Процессы идущие с участием лептонов подчиняются законам сохранения лептонных чисел.

Лептонное число (лептонный заряд) – аддитивное внутреннее квантовое число, сопоставляемое с каждым семейством лептонов. Обычно лептонам приписывается свое лептонное число . Например, электронное лептонное число Lе-, νе) = +1, антилептонам Lе( ) = –1, Le = 0 для остальных частиц. Вследствие возможного наличия массы у нейтрино эВ и нейтринных осцилляций (самопроизвольных переходов нейтрино разных сортов друг в друга) нарушается закон сохранения отдельных лептонных зарядов. Однако полный лептонный заряд сохраняется во всех взаимодействиях с участием нейтрино.

Закон сохранения лептонного заряда: лептонный заряд системы частиц, равен алгебраической сумме лептонных зарядов, входящих в систему частиц, и есть величина постоянная для данной системы.

Характеристики лептонов приведены на таблице 2.2

Табл.2.2

Название Сим-вол Масс   Мэв Время жизни сек Спин h Магн. мом Элек. заряд е Лепт.   Le чис-   Lµ ла   Lτ
Электрон е - 0,51 стаб 1/2 eh/2m -1 +1
Мюон µ - 105,7 2,210-6 1/2 -me/m -1 +1
Тау-лептон τ - 3 10 -13 1/2   -1 +1
Электрон нейтрино νe <35 эВ Стаб 1/2 +1
Мюонное Нейтрино νµ <0,27 Стаб 1/2 +1
Тау-лепт нейтрино ντ <0,31 стаб 1/2 +1

Распады лептонов: , , .

Спиральность- квантовое число λ равное проекции спина элементарной частицы на направление его импульса. Спиральность инвариантна относительно преобразования Лорентца для скорости направленной на вдоль импульса частицы (направления движения). Если λ>0, то говорят , что частица имеет правовинтовую спиральность, если λ<0, то спиральность левовинтовая. Для всех электронных лептонов, знак спиральности противоположен знаку лептонного заряда. Для фотонов возможна только спиральность λ=±1, т.е. спин фотона направлен только по направлению движения или против направления движения. Для частиц с ненулевой массой покоя под спиральностью надо понимать знак продольной поляризации при данных конкретных условиях. Для электрона возможны случаи поперечной поляризации λ=±1/2, т.е. спин перпендикулярен направлению движения.

Таким образом, для электрона возможна поперечная поляризация:1) (спин↓ , импульс→); 2)(спин↑,импульс→), и продольная поляризация: (спин→,импульс→) -праваяспиральность; (спин← ,импульс→) -левая спиральность.

Адроны -структурныечастицы, участвующие в сильном взаимодействии. К адронам относятся мезоны (средние) и барионы (тяжелые). Мезоны имеют целый спин, барионы – полуцелый спин. Адроны обладают, сохраняющимися в процессах сильного взаимодействия, квантовыми числами: барионным числом В странностью S, очарованием C и др., из которых образуется электрический заряд Q. Все мезоны имеют нулевое барионное число В = 0. Мезоны образуют наиболее многочисленные семейства, отличающие по массе и свойствам. Среди них пи-мезоны, К-мезоны и другие семейства.

Мезоны

π-мезоны (пионы) – легчайшие частицы из класса мезонов. Заряженные - мезоны были открыты в 1947 фотоэмульсионным методом в составе космических лучей, нейтральные -мезоны системой счетчиков с использованием ускорителей заряженных частиц. Масса заряженных пи-мезонов равна 139,56 Мэв, т.е. 273 me. Они распадаются по каналу слабого взаимодействия за время . Масса нейтрального пи-мезона 264 me. Он распадается по каналу электромагнитного взаимодействия , имея время жизни 0, 8 10-16 сек. Спин пионов равен 0.

Согласно мезонной теории ядерных сил пи-мезоны являются квантами ядерного взаимодействия. Они вносят основной вклад в передачу сильного взаимодействия между нуклонами и лругими адронами на расстояниях порядка комптоновской длины волны пи- мезона ( см). Пи-мезоны обладают изотопическим спином Т=1, который сохраняется в сильных взаимодействиях. Пи-мезоны образуют изотопический триплет с проекциями изоспина , , , которые сохраняются в сильном и электромагнитном взаимодействиях.Для мезонов справедлива формула для электрического заряда

где T z - третья проекция изоспина, Yгиперзаряд.

π-мезоны в большом количестве рождаются в нуклон-нуклонных взаимодействиях при энергии налетающих нуклонов Мэв. Большие интенсивности пучков π-мезонов получают на сильноточных протонных ускорителях («мезонных фабриках»).

К- - мезоны (каоны)-группа нестабильных частиц в которую входят два заряженных К+ и К- и два нейтральных , каона с нулевыми спинами и массами Мэв Мэв. К-мезоны участвуют в сильно взаимодействии, и обладают квантовым числом странностью(S). Каоны К+ и К0 с S =+1 и образуют изомультиплет, а у изомультплет их античастиц К- с S= -1 и другой изомультиплет. Из-за различия в странности К0 и являются частицами, по-разному участвующими в сильном взаимодействии.

К-мезоны представляю собой нижнее по массе состояние с отличной от нуля странностью. Поэтому их распады могут происходят также по слабому взаимодействию с изменением странности на1 состояние, а времена жизни на 13-14 порядков превышает характерное время сильного взаимодействия. сек.. Основные распады: (вероятность 63,5%); (21%); ( 5,59%).

В вакууме для нейтральных К-мезонов существуют две суперпозиции состояний соответствующая короткоживущему мезону , и соответствующая долгоживущему мезону . Эти мезоны обладают различными временами жизни сек , сек , их массы практически равны. Основные распады:

вероятность 63,6%, (31,4%),

(38,8%), (27%), (21,5%).

Под действием слабого взаимодействия, меняющего странность, возможны взаимные превращения нейтральных каонов .За счет суперпозиции квантовых состояний и возникают процессы:

1. -мезонных осцилляций, когда К0 –мезон, возникая за счет сильного взаимодействия, на некотором расстоянии частично превращается в и вызывает реакции запрещенные для К0. Эти взаимопревращения происходят вследствие слабых взаимодействий между кварками, их которых состоят К-мезоны:

.

Период осцилляций равен сек.

2.Регенерация (появление в пучке) короткоживущих -мезонов при прохождении через вещество только долгоживущих -мезонов.

Открытие несохранения пространственной четности Р в слабом взаимодействии в распадах К-мезонов позволяет экспериментально отличить левое от правого. Только в распадах нейтральных мезонов наблюдается эффект нарушения СР-четности.

Помимо обычных пи-мезонов и странных К-мезонов открыты многочисленные классы очарованных мезонов , прелестных мезонов, например, к мезонам относятся ( )- мезон со спином 1 и массой 3096,9 Мэв, к мезонам относится ипсилон-мезон ( ) с массой 9460, 32 Мэв и спином 1.








Дата добавления: 2014-12-18; просмотров: 6164;


Поиск по сайту:

При помощи поиска вы сможете найти нужную вам информацию.

Поделитесь с друзьями:

Если вам перенёс пользу информационный материал, или помог в учебе – поделитесь этим сайтом с друзьями и знакомыми.
helpiks.org - Хелпикс.Орг - 2014-2024 год. Материал сайта представляется для ознакомительного и учебного использования. | Поддержка
Генерация страницы за: 0.013 сек.