Свойства адронов

Пермский военный институт ВВ МВД РФ

Кафедра общенаучных дисциплин

Курсовая работа по физике

Тема: Адроны

Пермь - 2003 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Виды взаимодействий

Классификация элементарных частиц

Адроны

Свойства элементарных частиц ( масса, заряд, спин, барионный заряд, изотопический спин, гиперзаряд, чётность, комбинированная чётность, странность, очарование, и т.д.)

Законы сохранения

Несохранение чётности в слабых взаимодействиях

Систематика адронов

Теория унитарной симметрии

Кварки

Вступление

Обнаружение на рубеже 19-20 вв. мельчайших носителей свойств вещества - молекул и атомов - и установление того факта, что молекулы построены из атомов, впервые позволило описать все известные вещества как комбинации конечного, хотя и большого, числа структурных составляющих - атомов. Выявление в дальнейшем наличия составных слагающих атомов - электронов и ядер, установление сложной природы ядер, оказавшихся построенными всего из двух типов частиц (протонов и нейтронов), существенно уменьшило количество дискретных элементов, формирующих свойства вещества, и дало основание предполагать, что цепочка составных частей материи завершается дискретными бесструктурными образованиями - элементарными частицами. Такое предположение, вообще говоря, является экстраполяцией известных фактов и сколько-нибудь строго обосновано быть не может.

Нельзя с уверенностью утверждать, что частицы, элементарные в смысле приведённого определения, существуют. Протоны и нейтроны, например, длительное время считавшиеся элементарными частицами, как выяснилось, имеют сложное строение. Не исключена возможность того, что последовательность структурных составляющих материи принципиально бесконечна. Может оказаться также, что утверждение "состоит из..." на какой-то ступени изучения материи окажется лишённым содержания.

Основная часть

Виды взаимодействий

Основные, фундаментальные взаимодействия в физике делятся на:

· гравитационные

· электромагнитные

· слабые

· сильные

Гравитационные взаимодействия, хорошо известные по своим макроскопическим проявлениям, в случае Э. ч. на характерных расстояниях ~10^-13 см дают чрезвычайно малые эффекты из-за малости масс элементарных частиц.

Электромагнитные взаимодействия характеризуются как взаимодействия, в основе которых лежит связь с электромагнитным полем. Процессы, обусловленные ими, менее интенсивны, чем процессы сильных взаимодействий, а порождаемая ими связь Э. ч. заметно слабее. Электромагнитные взаимодействия, в частности, ответственны за связь атомных электронов с ядрами и связь атомов в молекулах.

Слабое взаимодействие, одно из фундаментальных взаимодействий, в котором участвуют все элементарные частицы (кроме фотона). Слабое взаимодействие гораздо слабее не только сильного, но и электромагнитного взаимодействия, но неизмеримо сильнее гравитационного. Ожидаемый радиус действия слабого взаимодействия порядка 2·10-16 см. Слабое взаимодействие обусловливает большинство распадов элементарных частиц, взаимодействия нейтрино с веществом и др. Для слабого взаимодействия характерно нарушение четности, странности, «очарования» и др. В кон. 60-х гг. создана единая теория слабого и электромагнитного взаимодействий (так называемое электрослабое взаимодействие).

Сильные взаимодействия, самое сильное из фундаментальных взаимодействий элементарных частиц. В сильном взаимодействии участвуют адроны. Сильное взаимодействие превосходит электромагнитное взаимодействие примерно в 100 раз, его радиус действия ок. 10-13 см. Частный случай сильного взаимодействия -- ядерные силы.

Характерное время, за которое происходят элементарные процессы, вызываемые сильными взаимодействиями, составляет 10^-23--10^-24 сек. Сильные взаимодействия обладают высокой степенью симметрии; они симметричны относительно пространственной инверсии, зарядового сопряжения, обращения времени. Специфическим для сильных взаимодействий является наличие внутренних симметрий адронов: изотопической инвариантности, симметрии по отношению к фазовому преобразованию, приводящей к существованию особого сохраняющегося квантового числа -- странности, а также SU (3)-симметрии.

Важнейшая особенность сильных взаимодействий -- их короткодействующий характер; они заметно проявляются лишь на расстояниях порядка 10^-13 см между взаимодействующими адронами, т. е. их радиус действия примерно в 100 000 раз меньше размеров атомов. На таких расстояниях С. в. в 100--1000 раз превышают электромагнитные силы, действующие между заряженными частицами. С увеличением расстояния сильные взаимодействия быстро убывают, так что на расстоянии несколько радиусов действия они становятся сравнимыми с электромагнитными взаимодействиями, а на ещё больших расстояниях практически исчезают. С короткодействующим характером сильных взаимодействий связан тот факт, что они, несмотря на их огромную роль в природе, были экспериментально обнаружены только в 20 в., в то время как более слабые дальнодействующие электромагнитные и гравитационные силы были обнаружены и изучены гораздо раньше (вследствие дальнодействующего характера электромагнитных и гравитационных сил происходит сложение сил, действующих со стороны большого числа частиц, и таким образом возникает взаимодействие между макроскопическими телами).

Для объяснения малого радиуса действия ядерных сил была выдвинута гипотеза, согласно которой сильные взаимодействия между нуклонами (N) происходит благодаря тому, что они обмениваются друг с другом некоторой частицей, обладающей массой, аналогично тому, как электромагнитное взаимодействие между заряженными частицами, согласно квантовой электродинамике, осуществляется посредством обмена «частицами света» -- фотонами. При этом предполагалось, что существует специфическое взаимодействие, приводящее к испусканию и поглощению промежуточной частицы -- переносчика ядерных сил, который назвали сильными взаимодействиями.

Согласно квантовой механике, время наблюдения системы Dt и неопределённость в её энергии DE связаны неопределённостей соотношением: DEDt ~ , где  -- постоянная Планка. Поэтому, если свободный нуклон испускает частицу с массой m (т. е. энергия системы меняется согласно формуле теории относительности на величину DE = mc2, где с -- скорость света), то это может происходить лишь на время Dt ~ /mc². За это время частица, движущаяся со скоростью, приближающейся к предельно возможной скорости света с, может пройти расстояние порядка /mc. Следовательно, чтобы взаимодействие между двумя частицами осуществлялось путём обмена частицей массы т, расстояние между этими частицами должно быть порядка (или меньше) /mc, т. е. радиус действия сил, переносимых частицей с массой m, должен составлять величину /mc. При радиусе действия ~10^-13 см масса переносчика ядерных сил должна быть около 300 m_e (где m_e -- масса электрона), или приблизительно в 6 раз меньше массы нуклона. Такая частица была обнаружена в 1947 и названа пи-мезоном (пионом, p).

В зависимости от участия в тех или иных видах взаимодействий все изученные Э. ч., за исключением фотона, разбиваются на две основные группы: адроны (от греческого hadros - большой, сильный) и лептоны (от греческого leptos - мелкий, тонкий, лёгкий).

Элементарные частицы

Элементарные частицы, мельчайшие известные частицы физической материи. Представления об элементарных частицах отражают ту степень в познании строения материи, которая достигнута современной наукой. Характерная особенность элементарных частиц -- способность к взаимным превращениям; это не позволяет рассматривать элементарные частицы как простейшие, неизменные «кирпичики мироздания», подобные атомам Демокрита. Число частиц, называемых в современной теории элементарными частицами, очень велико. Каждая элементарная частица (за исключением абсолютно нейтральных частиц) имеет свою античастицу. Всего вместе с античастицами открыто (на 1978) более 350 элементарных частиц. Из них стабильны фотон, электронное и мюонное нейтрино, электрон, протон и их античастицы; остальные элементарные частицы самопроизвольно распадаются за время от 103 с для свободного нейтрона до 10-22 -- 10-24 с для резонансов. Однако нельзя считать, что нестабильные элементарные частицы «состоят» из стабильных хотя бы потому, что одна и та же частица может распадаться несколькими способами на различные элементарные частицы.

Классификация элементарных частиц

Классификация элементарных частиц производится по типам фундаментальных взаимодействий, в которых они участвуют, и на основе законов сохранения ряда физических величин. Отдельную «группу» составляет фотон. Частицы со спином 1/2, не участвующие в сильном взаимодействии и обладающие сохраняющейся внутренней характеристикой -- лептонным зарядом, образуют группу лептонов.

Элементарные частицы, участвующие во всех фундаментальных взаимодействиях, включая сильное, называются адронами. Характерным для адронов сильным взаимодействиям свойственно максимальное число сохраняющихся величин (законов сохранения), в т. ч. специфического для них -- барионного заряда, странности, изотопического спина, «очарования».

Адроны делятся на барионы и мезоны. По современным представлениям, адроны имеют сложную внутреннюю структуру: барионы состоят из 3 кварков, мезоны -- из кварка и антикварка. При столкновениях элементарных частиц происходят всевозможные превращения их друг в друга (включая рождение многих дополнительных частиц), не запрещаемые законами сохранения.

Последовательная теория элементарных частиц, которая предсказывала бы возможные значения масс элементарных частиц и другие их внутренние характеристики, еще не создана.

Адроны

(термин происходит от греч. hadros - большой, сильный; термин предложен Л. Б. Окунем в 1967).

Частицы, участвующие в сильном взаимодействии. К адронам относятся все барионы (в т. ч. нуклоны - протон и нейтрон) и мезоны. Адроны обладают сохраняющимися в процессах сильного взаимодействия квантовыми числами: странностью, очарованием, красотой и др. Близкие по массе адроны, имеющие одинаковые значения указанных квантовых чисел, а также барионного числа и спина могут быть объединены в изотопические мультиплеты, включающие в себя адроны с различными электрическими зарядами. Изотопические мультиплеты, отличающиеся только значением странности, могут быть, в свою очередь, объединены в более обширные группы частиц - супермультиплеты группы SU(3).

Адроны с В = +1 образуют подгруппу барионов (сюда входят протон, нейтрон, гипероны, барионные резонансы), а адроны с В = 0 - подгруппу мезонов (p- и К-мезоны, бозонные резонансы). Название подгрупп адронов происходит от греческих слов barэs - тяжёлый и mйsos - средний, что на начальном этапе исследований Э. ч. отражало сравнительные величины масс известных тогда барионов и мезонов. Более поздние данные показали, что массы барионов и мезонов сопоставимы. Для лептонов В = 0. Для фотона В = 0 и L = 0.

Барионы и мезоны подразделяются на уже упоминавшиеся совокупности:

обычных (нестранных) частиц (протон, нейтрон, p-мезоны), странных частиц (гипероны, К-мезоны) и

очарованных частиц. Этому разделению отвечает наличие у адронов особых квантовых чисел: странности S и очарования (английское charm) Ch с допустимыми значениями: 151 = 0, 1, 2, 3 и |Ch| = 0, 1, 2, 3. Для обычных частиц S = 0 и Ch = 0, для странных частиц |S| № 0, Ch = 0, для очарованных частиц |Ch| № 0, а |S| = 0, 1, 2. Вместо странности часто используется квантовое число гиперзаряд Y = S + В, имеющее, по-видимому, более фундаментальное значение.

Свойства элементарных частиц. Классы взаимодействий

Характеристики элементарных частиц.

Наиболее важное квантовое свойство все элементарных частиц. - их способность рождаться и уничтожаться (испускаться и поглощаться) при взаимодействии с другими частицами.

Характеристики элементарных частиц.

Каждая элементарных частиц, наряду со спецификой присущих ей взаимодействий, описывается набором дискретных значений определённых физических величин, или своими характеристиками

Общими характеристиками всех элементарных частиц являются масса (m), время жизни (t), спин (J) и электрический заряд (Q). Пока нет достаточного понимания того, по какому закону распределены массы элементарных частиц и существует ли для них какая-то единица измерения.

Масса, одна из основных физических характеристик материи, определяющая ее инертные и гравитационные свойства.

Все элементарные частицы являются объектами исключительно малых масс и размеров. У большинства из них массы имеют порядок величины массы протона, равной 1,6Ч10^-24 г (заметно меньше лишь масса электрона: 9Ч10^-28 г). Определённые из опыта размеры протона, нейтрона, p-мезона по порядку величины равны 10^-13 см. Размеры электрона и мюона определить не удалось, известно лишь, что они меньше 10^-15 см.

В зависимости от времени жизни элементарные частицы делятся на стабильные, квазистабильные и нестабильные (резонансы).

Стабильными, в пределах точности современных измерений, являются электрон (t > 5Ч10²¹ лет), протон (t > 2Ч10³⁰ лет), фотон и нейтрино.

К квазистабильным относят частицы, распадающиеся за счёт электромагнитных и слабых взаимодействий. Их времена жизни > 10^-20 сек (для свободного нейтрона даже ~ 1000 сек). Резонансами называются элементарные частицы, распадающиеся за счёт сильных взаимодействий. Их характерные времена жизни 10^-23-10^-24 сек. В некоторых случаях распад тяжёлых резонансов (с массой і 3 Гэв) за счёт сильных взаимодействий оказывается подавленным и время жизни увеличивается до значений - ~10^-20 сек.

Спин (англ. spin, букв. -- вращение), собственно момент количества движения микрочастицы, имеющий квантовую природу и не связанный с движением частицы как целого; измеряется в единицах Планка постоянной ћ и может быть целым (0, 1, 2,...) или полуцелым (1/2, 3/2,...).

Спин p- и К-мезонов равен 0, у протона, нейтрона и электрона J= 1/2, у фотона J = 1

Барионный заряд (барионное число) (B), одна из внутренних характеристик барионов. У всех барионов B = +1, а у их античастиц B = -1 (у остальных элементарных частиц B = 0). Алгебраическая сумма барионных зарядов, входящих в систему частиц, сохраняется при всех взаимодействиях.

Изотопический спин (изоспин, I), внутренняя характеристика адронов и атомных ядер, определяющая число ( n) частиц в одном изотопическом мультиплете: n = 2 I+1. В процессах сильного взаимодействия изотопический спин сохраняется.

Четность- квантовое число, характеризующее симметрию волновой функции физической системы или элементарной частицы при некоторых дискретных преобразованиях: если при таком преобразовании не меняет знака, то четность положительна, если меняет, то четность отрицательна. Для абсолютно нейтральных частиц (или систем), которые тождественны своим античастицам, кроме четности пространственной, можно ввести понятия зарядовой четности и комбинированной четности (для остальных частиц замена их античастицами меняет саму волновую функцию).

Важной характеристикой адронов является также внутренняя чётность Р, связанная с операцией пространств, инверсии: Р принимает значения =1.

,изотопический спин, гиперзаряд, чётность, комбинированная чётность, странность, очарование, и т.д.).

Странность (S), целое (нулевое, положительное или отрицательное) квантовое число, характеризующее адроны. Странность частиц и античастиц противоположны по знаку. Адроны с S0 ?называются странными. Странность сохраняется в сильном и электромагнитном взаимодействиях, но нарушается (на 1) в слабом взаимодействии.

«Красота» («прелесть»), квантовое число, характеризующее адроны; сохраняется в сильном и электромагнитном взаимодействиях и не сохраняется в слабом. Носителем «красоты» является b-кварк. Адроны с ненулевым значением «красоты» называются «красивыми» («прелестными»), обнаружены на опыте.

«Очарование» (чарм, шарм), квантовое число, характеризующее адроны (или кварки); сохраняется в сильном и электромагнитном взаимодействиях, но нарушается слабым взаимодействием. Частицы с ненулевым значением «очарование» называются «очарованными» частицами.

Цвет, квантовое число, характеризующее кварки и глюоны. Для каждого типа кварка принимает одно из трех возможных значений. В квантовой хромодинамике с «цветом» связан специфический «цветовой заряд», определяющий взаимодействие «цветных» частиц.

DМ=Zmp+Nmn-M(Z,N)=Eсв/c2, где M -- масса ядра, имеющего Z протонов и N нейтронов; mp, mn -- массы протона и нейтрона. Для атомов, молекул, кристаллов величина дефекта массы пренебрежимо мала.

Сохранения законы, законы, согласно которым численные значения некоторых физических величин не изменяются с течением времени при различных процессах. Важнейшие законы сохранения -- законы сохранения энергии, импульса, момента количества движения, электрического заряда. Кроме этих строгих законов сохранения существуют приближенные законы сохранения, которые справедливы лишь для определенного круга процессов; напр., сохранение четности нарушается лишь слабыми взаимодействиями.

Теория унитарной симметрии SU (3)

Открытие большого числа резонансов и установление их квантовых чисел показало, что адроны, входящие в разные изотопические мультиплеты, могут быть объединены в более широкие группы частиц с одинаковыми спинами, чётностью и барионным зарядом, но с разными гиперзарядами -- т. н. супермультиплеты. Например, 8 барионов со спином ¹/₂ и положит. чётностью: нуклоны N (протон и нейтрон) с изотопическим спином I = ¹/₂ и гиперзарядом Y = 1, S-гипероны (S⁺,S⁰,S^-) c I = 1, Y = 0, L-гиперон с I = 0, Y = 0, X-гипероны (X⁰, X^-) с I = ¹/₂, Y = - 1 могут быть объединены в единый супермультиплет -- октет барионов. В супермультиплет (декаплет) объединяются также барионы со спином ³/₂ и положительной чётностью; этот мультиплет включает резонансы D (D⁺⁺, D⁺, D⁰, D^-) с I = ³/₂, Y = 1, резонансы S* (S⁺*, S⁰*, S^-*) c l = 1, Y = 0, резонансы X* (X⁰*, X^-*) с I = ¹/₂, Y = - 1 и W^- = гиперон с I = 0, Y = - 2. Аналогичным образом в супермультиплеты объединяются и мезоны. Например, p-мезоны (p⁺, p⁰, p^-) с I = 1, Y = 0, K-мезоны (K⁺, K⁰, K^-, K⁰) с I = ¹/₂, Y = ± 1 и h-мезон c I = 0, Y = 0 объединяются в октет мезонов со спином 0 и отрицательной чётностью. Поскольку, однако, массы частиц, входящих в один и тот же супермультиплет, заметно отличаются друг от друга, ясно, что симметрия С. в., вследствие которой существуют группы «похожих» частиц, является не точной, а приближенной симметрией. Можно считать, что С. в. складывается из обладающего высокой степенью симметрии т. н. «сверхсильного» взаимодействия и нарушающего симметрию «умеренно сильного» взаимодействия.

Кварки

Кварки - гипотетические фундаментальные частицы, из которых по современным представлениям, состоят все адроны (барионы -- из трех кварков, мезоны -- из кварка и антикварка). Кварки обладают спином 1/2, барионным зарядом 1/3, электрическими зарядами -2/3 и +1/3 заряда протона, а также специфическим квантовым числом «цвет». Экспериментально (косвенно) обнаружены 6 типов («ароматов») кварков: u, d, s, c, b, t. В свободном состоянии не наблюдались.

Гипотетические электрически нейтральные частицы с нулевой массой и спином 1, осуществляющие взаимодействие между кварками называются глюонами,. Подобно кваркам, глюоны обладают квантовой характеристикой «цвет».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Изучение структуры различных элементарных частиц, и в первую очередь протона и нейтрона, находится на самом переднем крае фронта исследований в физике элементарных частиц. Протон и нейтрон - это окончательные основные состояния всех барионов. Из обеих этих частиц построены все атомные ядра, находящиеся в своих основных состояниях.

Классификация адронов оказалась очень успешной, при этом удалось немного заглянуть в структуру адронов, представить их состоящими из кварков. Но многое еще предстоит выяснить.

Не так давно появилась новая теория элементарных частиц, названная «теорией зашнуровки». Согласно ей ни одна из частиц не является более фундаментальной и элементарной, чем остальные. Каждая элементарная частица существует потому, что существуют все остальные частицы.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

В.Акоста, К.Кован, Б.Грэм « Основы современной физики», М. Просвещение, 1981;

И.Розенталь «Элементарные частицы и структура Вселенной», М. Наука, 1984;

К.Мухин «Занимательная ядерная физика», М. Энергоатомиздат, 1985

Боголюбов Н. Н., Медведев Б. В., Поливанов М. К., Вопросы теории дисперсионных соотношений, М., 1958;

Логунов А. А, Основные тенденции в развитии теории сильных взаимодействий, «Физика элементарных частиц, и атомного ядра (ЭЧАЯ)», 1974, т. 5, в. 3;