Учебная работа. Доклад: Элементарные частицы. Античастицы, взаимные превращения частиц
Горохов А.В.
Одним из самых принципиальных результатов в физике больших энергий является открытие античастиц. 1-ая античастица -позитрон на теоретическом уровне предсказан и открыт сначала 30 годов. Он имеет буквально такую же массу и абсолютную величину заряда, как и электрон, но символ заряда позитрона противоположен знаку заряда электрона. Электрон и позитрон обозначают соответственно e- и e+.
В вакууме позитрон так же стабилен как и электрон, но при встрече электрона и позитрона происходит их аннигиляция, перевоплощение в g- кванты. При аннигиляции испускается, как првило, два либо три фотона.
e+ + e- –>g+ g, e+ + e- –> g+ g+ g.
На ускорителях наблюдается также реакция, оборотная аннигиляции электрона и позитрона.
При столкновении 2-ух g- квантов рождается пара “электрон + позитрон”.
g+ g–>e+ + e-.
Схожих процессы с высочайшей точностью рассчитываются в рамках квантовой теории поля – объединяющей квантовую механику и теорию относительности.
Вослед за позитроном были открыты и остальные античастицы. Посреди 50-х годов на ускорителях были сделаны антипротон и антинейтрон, а потом даже антиядра, а в самое крайнее время и антиатомы. Обычно, античастицы обозначаются теми же знаками, что и надлежащие частички, но над буковкой ставиться черточка (либо тильда). к примеру, [`(p)] – антипротон, [`(n)] – антинейтрино и т.п.
Масса каждой частички строго равна массе соответственной античастицы, а знаки их зарядов обратны. Мысленная операция подмены “частичка –> античастица” именуется зарядовым сопряжением. При данной операции фотон, который не несет какого-нибудь заряда, перебегает сам в себя. Фотон принадлежит к сравнимо редкомку типу поистине нейтральных частиц, не имеющих зарядовых двойников.
Типы частиц, фундаментальные взаимодействия
Все простые частички зависимо от спина делятся на фермионы, если спин полуцелый (в единицах (h/2p)), и бозоны, если спин целый.
Не считая того, зависимо от типов взаимодействий, которым подвержены частички, различают два семейства: адроны – частички как с целым, так и полуцелым спином, участвующие во всех базовых взаимодействиях, и лептоны – частички с полуцелым спином, которые участвуют во всех взаимодействиях, кроме мощного.
В истинное время известны четыре базовых типа взаимодействий:
гравитационное, слабенькое, электромагнитное и мощное.
Слабенькое взаимодействие отвечает, к примеру, за бета-распады ядер, электромагнитное – связывает электрон и протон в атоме водорода, а мощное взаимодействие – нуклоны в атомных ядрах. С современной точки зрения внутриядерное взаимодействие не является поистине базовым, а устроено наподобие т.н. “хим” сил, которые являются следствием сложной игры кулоновского (электромагнитного) взаимодействия и принципа запрета Паули.
Адроны с целым спином именуют мезонами, с полуцелым – барионами Понятно несколько сотен адронов. Большая часть их очень нестабильны – это т.н. резонансы: они распадаются на наиболее легкие частички средством мощного взаимодействия. Обычное время жизни резонансов ~ 10-21 с.
Квазистабильные адроны живут еще подольше и распадаются средством слабенького и электромагнитного взаимодействий. Конечными продуктами распадов квазистабильных мезонов являются наиболее легкие мезоны, лептоны и фотоны, также, если распадающиеся мезоны довольно массивны, то пары “барион + антибарион”.
Самые легкие барионы (протон и нейтрон) именуются нуклонами. Наиболее томные квазистабильные барионы (L , S, X, W,… ) именуют гиперонами. Конечными продуктами распадов гиперонов являются лептоны, мезоны, фотоны и непременно нуклон.
Из протонов и нейтронов состоят атомные ядра, другие адроны не входят в состав окружающего нас размеренного вещества, они появляются при столкновениях частиц, владеющих высочайшими энергиями. Согласно современным представлениям все адроны не являются поистине простыми частичками. Они все состоят из кварков и глюонов.
В отличие от адронов лептоны поистине простые частички (по последней мере в рамках т.н. обычной модели). Известны три заряженных лептона: электрон e-, мюон m и тау-лептон t- и три нейтральных: электрическое нейтрино ne, мюонное нейтрино mn и тау-нейтрино nt. У каждой из этих частиц имеется соответственная античастица. Мюон и t- лептон распадаются за счет слабенького взаимодействия, а электрон стабилен.
В слабеньких распадах любой из заряженных лептонов рождается в сопровождении соего антинейтрино. В электромагнитных взаимодействиях появляются пары заряженных лептонов: e+e-, m+m- , t+t-.
Эти закономерности удается разъяснить, если представить, что все лептоны владеют собственного рода лептонным “зарядом”, равным +1 для лептонов и -1 для антилептонов. Во всех наблюдавшихя действиях лептонный заряд сохраняется.
Предсказаны процессы, в каких ожидается несохранение лептонного заряда: распад протона, двойной бета-распад, нейтринные осцилляции.
(Нейтринные осцилляции предсказаны посреди 50-х Б. Понтекорво для обяснения наблюдающегося недостатка солнечных (электрических) нейтрино. (Будучи испущенным на солнце, электрическое нейтрино с приметной вероятностью преобразуется по пути на землю в мюонное и не регится сенсором, настроенным на ne. В летнюю пору 1998 г. процесс нейтринной осцилляции был найден в лабораторных критериях).
С середины 70-х годов принятым стал подход т.н. калибровочных теорий поля, в каких все взаимодействия рассматриваются по аналогии с электродинамикой. На базе теории Глэшоу – Вайнберга – Салама было предсказано, что слабенькое взаимодействие осуществляется за счет обмена W – и Z- бозонами – квантами поля слабенького взаимодействия. Для того, чтоб это взаимодействие было слабеньким и короткодействующим, необходимо, чтоб масса этих промежных бозонов была весьма большенный ~ 100 ГэВ. Эти частички были обнаружены в 1983 г. на протон – антипроном коллайдере В Европейском центре ядерных исследовательских работ (ЦЕРН). Оказалось, что при энергиях ~ 100 ГэВ электромагнитное и слабенькое взаимодействие перестают быть разными и соединяются воединыжды в единое электрослабое взаимодействие.
]]>