Физические явления, физика, статьи по физике.

Это — резонансные частицы. Пока неясно, являются ли

они отдельными частицами. Возможно, это всего лишь кратко­

временные соединения двух и более частиц.

Огромное количество обнаруженных частиц привело физков

в замешательство, так как было очень сложно расположить их

по порядку. Требовались новые законы поведения частиц.

Например, несмотря на то, что условия образования гипе­

ронов свидетельствуют о том, что они являются частицами

сильного взаимодействия, и несмотря на то, что продукты их

распада также являются частицами сильного взаимодействия,

тем не менее распад гиперона идет нехарактерно медлен­

но. Распад, например, лямбда-гиперона можно представить в

виде:

Я

0

-> р

+

+ п,

(Уравнение 14.18)

где Я (греческая заглавная «лямбда») обозначает лямбда-гипе­

рон. В ходе этой реакции соблюдаются все известные законы

сохранения. Сохраняется, например, спин, так как спин пиона

равен 0. Сохраняется и барионное число, а гипероны являются

барионами. (В данном случае пион не является членом ни од­

ного из участвующих в реакции семейств частиц, числа кото­

рых сохраняются, поэтому он может совершенно свободно

появляться и исчезать, не нарушая законов сохранения.) Так

как по всем признакам описанное формулой 14.18 взаимодей­

ствие является сильным, оно должно происходить не более чем

за Ю

-28

с (или около того). Однако взаимодействие длится в

течение 2,5 х 10

10

с, что в 10 трлн раз дольше, чем должно

быть, — невероятно долго по субатомным меркам.

Объяснение этому в 1953 году предложили независимо друг

от друга два физика — американец Марри Гелл-Ман и японец

Кацухико Нисидзима. Они предложили новую сохраняющуюся

величину, которую Гелл-Ман назвал странность.

Странность всех членов электронной и мюонной семей, а

также пионов, нуклонов и их античастиц равна 0. Все осталь­

ные частицы, странность которых не равна 0, имеют общее

название «странные частицы». Странность каона равна +1 ; лям­

бда-гиперона и сигма-гиперона —1; а кси-гиперона —2. Их ан­

тичастицы имеют конечно же противоположное значение числа

странности.

Значения странности не были присвоены частицам произ­

вольно, они вычислялись экспериментальным путем. Если

странность исходной частицы равна нулю, то при ее распаде

до частицы со странностью +1 обязательно должна образовы-

гиляция приведет к нарушению законов сохранения электрон­

ного и мюонного чисел.

---

No Comments »

Были открыты и другие частицы, первая из которых была об­

наружена в 1947 году. Все эти частицы, за исключением мюон-

нейтрино (его существование не столько открыли, сколько

осознали), являются тяжелыми нестабильными частицами и всту­

пают в сильные взаимодействия.

Так, были открыты К-мезоны, или каоны, — целая группа час­

тиц, масса которых в 996,5 раза больше массы электрона, то есть

приблизительно равна среднему значению массы протона и пио­

на. Как и пионы, каоны имеют спин, равный 0, и являются бозо­

нами, также существует положительный каон, являющийся час­

тицей, и отрицательный, являющийся античастицей. Есть еще и

чуть менее устойчивый — нейтральный каон, масса которого чуть

ниже массы заряженного каона. Однако в отличие от пионов ней­

тральный каон не является собственной античастицей: существу­

ет нейтральный каон и нейтральный антикаон.

Были также открыты и более тяжелые, чем протоны и ней­

троны, частицы. Все они делятся на три группы, получившие

названия по трем буквам греческого алфавита: лямбда, сигма

и кси.

В группе лямбда одна частица (нейтральная), в группе сиг­

ма — три частицы (положительная, отрицательная и нейтраль­

ная), и в группе кси — еще две частицы (отрицательная и ней­

тральная). У каждой частицы есть античастица. Масса частицы

группы лямбда в 2182 раза больше массы электрона (то есть 1,18

от массы протона). Масса частиц группы сигма больше массы

протона — примерно в 1,27 раза, а масса частиц группы кси еще

больше массы протона — в 1,40 раза. Общее название всех этих

частиц гипероны (от греческого «выше», так как их масса выше

массы протона). Все гипероны являются фермионами.

Как и мюоны, которые могут замещать электроны внутри

атома и образовывать мезоатомы, лямбда-гипероны могут заме­

щать частицу внутри атомного ядра и образовывать короткожи-

вущее гиперъядро.

В 1960-х годах было обнаружено несколько крайне коротко-

живущих частиц, период полураспада которых равнялся всего

10

23

No Comments »

Что касается мюона, он является не только «тяжелым элек¬ троном», но полноправным членом семейства электронов. По¬ этому отрицательному мюону можно присвоить электронное число +1 , как у электрона, а положительному мюону электрон¬ ное число —1, как у позитрона. Тогда общее электронное число образующихся по формуле 14.5 положительного мюона (—1) и нейтрино (+1) равно 0, что совпадает с электронным числом исходного пиона (пион не является членом семейства электронов, поэтому его электрон¬ ное число равно 0). Точно так же образование по формуле 14.6 отрицательного мюона (+1) требует образования и антинейтри¬ но (—1), так как общее электронное число равно 0. Трудность вызывает процесс распада мюона. Мюон распада¬ ется на электрон и два нейтрино. Если электронное число со¬ храняется, то один из нейтрино должен быть антинейтрино. Распад отрицательного мюона можно записать так: /Г -> е+ v° + v°. (Уравнение 14.7) Электронное число отрицательного мюона равно +1 . Общее электронное число продуктов распада равно +1 (электрон — 1, нейтрино +1 и антинейтрино —1). Электронное число сохра¬ няется.

Но почему же тогда нейтрино и антинейтрино в некоторых

случаях аннигилируют друг друга, превращаясь в энергию, а в

других случаях происходит соединение частицы и античасти­

цы? Если это так, то, возможно, в некоторых случаях мюон

распадается только на электрон, а оставшаяся масса переходит

в фотоны?

Впрочем, такого не наблюдается, и физики пришли к выво­

ду, что образующиеся в процессе распада мюона нейтрино и

антинейтрино не являются противоположными друг другу час­

тицами. Возможно ли, что нейтрино образуется в связи с мюо-

ном, а антинейтрино в связи с электроном и что мюоны и элек­

троны образуют различные типы нейтрино?

В 1962 году это удалось проверить следующим способом. Пу­

чок электронов очень высокой энергии направили на атомы бе­

риллия, и в результате столкновения образовался поток интен­

сивных пионов. Пионы моментально распадались на мюоны и

нейтрино, а затем все эти частицы ударялись о лист брони 13,5 м

толщиной. Лист останавливал все частицы, за исключением ней­

трино. Те свободно проходили сквозь броню внутрь детектора, где

они вступали во взаимодействие с нейтроном, образуя протон и

электрон или же отрицательный мюон.

Если существует лишь один тип нейтрино, то в процессе его

распада отрицательные мюоны и электроны должны образовы­

ваться в равных количествах:

v” + п° -> р

+

+ е,

(Уравнение 14.8)

v° + л° -> р

+

+ \г.

(Уравнение 14.9)

Как видите, и в том и в другом случае барионное число сохра­

няется. Сохраняется и электронное число, так как и электронное

число исходного нейтрино, и электронные числа образующихся

электрона и отрицательного мюона равны +1 . Во время субатом­

ных взаимодействий все, что может произойти, происходит, по­

этому физики и были уверены, что если существует лишь один

тип нейтрино, то мюоны и электроны будут образовываться в

равных количествах.

Как бы не так! Образовывались лишь отрицательные мюоны.

Это означало, что нейтрино, образующиеся в результате рас­

пада пионов на мюоны и нейтрино, являются мюон-нейтрино,

особой разновидностью нейтрино, которое может образовывать

только мюоны, но никак не электроны. Аналогично обычные

нейтрино, образующиеся в связи с электронами и позитрона­

ми, являются электрон-нейтрино, и они могут образовывать

только электроны или позитроны, но никак не мюоны.

В результате распада положительного мюона образуются по­

зитрон, электрон-нейтрино и мюон-антинейтрино.

В ходе распада отрицательного или положительного мюона

не происходит взаимной аннигиляции нейтрино и антинейтри­

но, так как они не являются античастицами. Взаимная анни-

гиляция приведет к нарушению законов сохранения электрон­

ного и мюонного чисел.

И электрон-нейтрино, и мюон-нейтрино являются безмассо­

выми незаряженными частицами со спином ‘/,. До сих пор ос­

тается загадкой, чем же они отличаются друг от друга.

No Comments »

Из всех открытых частиц первыми отдельными частицами,

спин которых равнялся 0, и первыми бозонами, обладающими

массой, стали пионы.

Легкость, с которой пион вступает в реакцию с ядерными

частицами, — яркий пример сильного взаимодействия реакции,

характеризующегося высокой скоростью ее протекания. Дви­

жущийся практически со скоростью света пион находится в

непосредственной близости от протона или нейтрона всего

10

23

с, однако этого времени вполне достаточно для сильного

взаимодействия. Именно сильное взаимодействие удерживает

микрочастицы внутри ядра, вопреки силам электромагнитно­

го отталкивания.

Впрочем, существует и другой тип взаимодействия субатом­

ных частиц, для начала которого необходимо гораздо больше

времени — не менее одной стомиллионной доли секунды. Ра­

диус такого слабого взаимодействия, как и сильного, очень мал,

однако его интенсивность в триллион раз ниже интенсивности

сильного взаимодействия. Хотя интенсивность слабого взаимо­

действия и ниже электромагнитного в 10 млрд раз, оно все рав­

но гораздо сильнее гравитационной силы, которая считается

самой слабой силой в природе.

Раз пионы являются частицами обмена при сильном взаимо­

действии, у слабого взаимодействия также должны быть свои

частицы обмена. Такая «слабая частица обмена» (обозначается

w) должна быть еще более неуловимой, чем пион и фотон, но

менее неуловимой, чем гравитон. Она должна быть бозоном,

масса которого больше протона, но меньше пиона. Поэтому

такую частицу и называют иногда средним бозоном. По некото­

рым данным, эту частицу удалось обнаружить, но информация

еще не проверена.

Протон, антипротон, положительный пион и отрицатель­

ный ион могут вступать в следующие четыре вида взаимодей­

ствий: сильные, слабые, электромагнитные и гравитационные.

Не обладающие электрическим зарядом нейтрон, антинейтрон

и нейтральный пион не вступают лишь в электромагнит­

ные взаимодействия, а электрон, позитрон, положительный

мюон и отрицательный ион не вступают в сильные взаимодей­

ствия.

Больше всего в этом отношении «не повезло» нейтрино и ан­

тинейтрино. Они не вступают в сильные взаимодействия; они не

обладают электрическим зарядом, поэтому не вступают в элект­

ромагнитные взаимодействия; не обладая массой, они не вступа­

ют в гравитационные взаимодействия. Нейтрино и антинейтрино

вступают лишь в слабые взаимодействия. Поэтому появление в 

ходе распада частицы нейтрино или антинейтрино является вер­

ным признаком слабого взаимодействия. Слабым взаимодействи­

ем является, например, распад нейтрона.

Период полураспада свободного положительного или отрица­

тельного пиона равен одной двадцатипятимиллиардной секунды,

то есть образовавшиеся свободные пионы тут же распадаются на

мюоны и нейтрино. Обозначив пионы как л, а мюоны как jd (гре­

ческая «мю»), запишем формулу распада положительного и отри­

цательного пионов:

л

+

-» ц

+

+ v°,

(Уравнение 14.5)

тГ —> /г + v°.

(Уравнение 14.6)

Вначале физики предположили, что масса образующегося в

ходе распада пиона нейтрино должна быть гораздо больше

массы обычного нейтрино и, возможно, в 100 раз больше мас­

сы электрона. Какое-то время они называли такой нейтрино

мю-мезонным, однако в ходе последующих исследований выяс­

нилось, что продукт распада пиона является безмассовым ней­

трино.

No Comments »