Какое взаимодействие ответственно за распад мюона

Обновлено: 02.07.2024

Какое фундаментальное взаимодействие называют сильным, и каковы его свойства.

Какое фундаментальное взаимодействие называют слабым и каковы его свойства

Какую роль играют фундаментальные взаимодействия в существовании жизни

Глоссарий по теме:

Сильное взаимодействие (ядерное взаимодействие) – самое сильное из фундаментальных взаимодействий, осуществляемое между элементарными частицами, называемыми адронами. В частности, связывает вместе протоны и нейтроны внутри ядра атома.

Слабое взаимодействие – один из четырёх типов известных фундаментальных взаимодействий между элементарными частицами. Оно гораздо слабее сильного и электромагнитного взаимодействий, но гораздо сильнее гравитационного. Наиболее распространённый процесс, обусловленный слабым взаимодействием — β-распад радиоактивных атомных ядер. Явление радиоактивности было обнаружено А. А. Беккерелем в 1896 году.

Нуклоны – общее название для протонов и нейтронов, частиц составляющих ядро атома

Протоны (от др. греческого πρῶτος — первый, основной) — стабильная положительно заряженная элементарная частица; величина заряда равна заряду электрона. Вместе с нейтронами образует ядра всех атомов.

Нейтроны (от лат. neuter – ни тот, ни другой) – нейтральная элементарная частая с массой, близкой массе протона. Вместе с протонами нейтроны образуют атомное ядро (за исключением ядра водорода). В свободном состоянии нейтрон нестабилен и распадается на протон и электрон.

Нейтрино – лёгкая (возможно, безмассовая) электрически нейтральная частица. Представление о нейтрино введено в 1930 швейцарским физиком В. Паули. Название предложил в 1932 Э. Ферми, как уменьшительное от нейтрон.

Лептоны – (греч. λεπτός лёгкий) класс фундаментальных частиц, не участвующих в сильном взаимодействии. К ним относят, например, электрон, позитрон и др.

Адроны (от греч. hadros — тяжёлый; термин предложен советским физиком Л. Б. Окунем) — класс элементарных частиц, подверженных сильному взаимодействию и не являющихся истинно элементарными. К ним относятся, в том числе, протоны и нейтроны.

Основная и дополнительная литература по теме урока:

Естествознание. 10 класс [Текст]: учебник для общеобразоват. организаций: базовый уровень / И.Ю. Алексашина, К.В. Галактионов, И.С. Дмитриев, А.В. Ляпцев и др. / под ред. И.Ю. Алексашиной. – 3-е изд., испр. – М.: Просвещение, 2017: с 72 – 74.

Электронные ресурсы:

Теоретический материал для самостоятельного изучения

В природе известны четыре фундаментальных взаимодействия: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. Им соответствуют фундаментальные поля. Гравитационное взаимодействие практически не проявляется при движении объектов микромира. Причина в том, что это взаимодействие намного слабее остальных. Однако в макромире и мегамире гравитационное взаимодействие играет существенную роль. Например, на тела, находящиеся на поверхности Земли, действует гравитационное притяжение со стороны всех атомов, из которых состоит Земля.

Электромагнитное взаимодействие зависит от расстояния, так же как и гравитационное. Однако поскольку электрические заряды в макротелах скомпенсированы с очень большой точностью (макроскопические тела практически электронейтральны), то электромагнитное взаимодействие также не играет в макромире такой роли, как гравитационное. При уменьшении расстояний между телами, начиная с расстояний порядка миллиметра, гравитационное взаимодействие сравнивается с электромагнитным, и далее, вплоть до расстояний 10 -12 см, а природе господствует электромагнитное взаимодействие. В отличие от гравитационного взаимодействия, которому подвластны все частицы, электромагнитное взаимодействие действует только между заряженными частицами. Электромагнитным взаимодействием обусловлены многие излучения (видимый свет, тепловое излучение и др.), целостность атомов, молекул и макротел. Именно оно ответственно за все химические реакции, а, следовательно, и биологические процессы.

В то же время слабое и сильное взаимодействие является короткодействующим (т. е., будучи значительным при расстояниях порядка размера ядра, быстро убывают при увеличении этого расстояния), и не проявляются на макроскопических расстояниях.

На расстояниях меньше 10 -12 см в игру вступает сильное взаимодействие. Однако это взаимодействие действует избирательно, ему подвластны только частицы, называемые адронами. К ним, в частности, относят составляющие атомных ядер протоны и нейтроны, для которых придумали общее название нуклоны. Стоит отметить, что помимо этих частиц к адронам относится также достаточно много короткоживущих частиц. Частицы, над которыми сильное взаимодействие не действует, получили название – лептоны (к ним относится, например, электрон).

Именно сильное взаимодействие связывает нуклоны в атомном ядре. На расстояниях, сравнимых с размерами нуклонов (10 -13 см.), оно примерно в 100 раз сильнее электромагнитного. Это взаимодействие отвечает за все ядерные реакции. Энергия сильного взаимодействия превращается в электроэнергию на атомных электростанциях. Энергия сильного взаимодействия выделяется на звездах и, в конечном счете, дает энергию для нашей жизни.

Заметим, что открытие частицы нейтрино, была предсказана гораздо раньше, чем ее экспериментально обнаружили. Так расчеты показали, что при распаде нейтрона на протон и электрон не выполняется закон сохранения энергии, энергия после реакции оказывалась меньше энергии до реакции. В 1931 году физик Вольфганг Паули предположил, что в процессе распада нейтрона возникает еще одна, не регистрируемая приборами частица, которая и уносит часть энергии. Эту частицу назвали нейтрино.

Слабое взаимодействие действует между всеми частицами, т.е. является универсальным (как и гравитационное). Оно самое короткодействующее, оно начинает работать при уменьшении расстояния между частицами до 10 -16 см. Слабое взаимодействие играет важную роль в цепочке ядерных реакций, происходящих на звездах.

Заметим, что если в макроскопических масштабах мерой взаимодействия является сила, то в масштабах микромира механическое понятие силы является неприменимым. В общем случае взаимодействие объектов всегда приводит к изменению их энергии и импульса.

Выводы: Из четырёх фундаментальных взаимодействий на уровне микромира наиболее значительными являются сильное и слабое взаимодействия. Их действие ограничивается размерами ядра атома.

Сильное взаимодействие не универсально и действует только между адронами на расстоянии порядка 10 -13 см. По интенсивности это самое сильное из фундаментальных взаимодействий. Посредством этого взаимодействия нуклоны объединяются в ядра. Однако это еще не все. Не будь сильного взаимодействия, из всех ядер атомов остались бы только самые простейшие — ядра атома водорода, т. е. протоны. Таким образом, оно обеспечивает существование многообразия структур мира природы, в том числе и жизни

Без электромагнитных взаимодействий не было бы ни атомов, ни молекул, ни макроскопических объектов, а также тепла и света.

Без гравитационного взаимодействия не только не было бы галактик, звезд, планет, но и вся Вселенная не могла бы эволюционировать, поскольку гравитация является объединяющим фактором, обеспечивающим единство Вселенной как целого и ее эволюцию.

Каждое из четырех фундаментальных взаимодействий необходимо для создания из элементарных частиц сложного и разнообразного материального мира и, в конечном счёте, определяют существование жизни.

Примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля.

Какие типы фундаментальных взаимодействий проявляют свое действие только в пределах, соотносимых с размером ядра атома?

Гравитационное;
Сильное;
Электромагнитное;
Слабое.

Правильный ответ: 2,4.

Пояснение: Гравитационное и электромагнитные взаимодействия могут осуществляться на значительных расстояниях.

Задание 2. Соотнесите по парам тип взаимодействия и характеристику взаимодействующих частиц.

Андрей Сахаров в 1989 году

Попробуем теперь аккуратнее разобраться с отдельными словами. Барионы — это семейство тяжелых элементарных частиц, к которому, в частности, относятся протоны и нейтроны. Все барионы состоят из трех кварков, они участвуют в сильном взаимодействии и именно из них состоят атомные ядра.

Атомы водорода (на переднем плане) и антиводорода (на заднем плане). Как видно, водород состоит из протона и электрона, а антиводород — из антипротона и позитрона

При этом зеркалить таким образом физическую систему можно и относительно нескольких категорий одновременно: тогда мы будем говорить о CP-, TP- или CPT-симметрии. Выполнение симметрии приводит к инвариантности физической системы относительно выбранных категорий (этот термин нам тоже понадобится позже).

Кроме барионов, нам для разговора о том, почему материя в нашей Вселенной вообще существует, понадобится еще несколько элементарных частиц: лептоны (электрически заряженные легкие частицы с полуцелым спином, которые не участвуют в сильном взаимодействии, — это отрицательно заряженные электроны и менее стабильные мюоны, — а также нейтрино — незаряженные легкие частицы, участвующие в слабом взаимодействии) и их античастицы.

Элементарные частицы и их взаимодействия в рамках Стандартной модели. В черных овалах — частицы, синие кривые — взаимодействия между ними. По углам расположены частицы материи (лептоны и кварки), между ними — переносчики взаимодействия: фотон (электромагнитное), глюон (сильное), W- и Z-бозоны (слабое) и бозон Хиггса

Eric Drexler / Wikimedia commons / CC0

Почему Вселенная

Фейнмановская диаграмма, демонстрирующая превращение антикаон в каон. Кварки в каонах при этом обмениваются двумя W-бозонами. Этот процесс наблюдали Кронин и Фитч

Maksim, NikNaks / Wikimedia commons / CC BY-SA 3.0

Во-вторых, тогда уже казалось очевидным, что антивещества во Вселенной практически нет. В какой момент развития Вселенной вещество выиграло у антивещества? И почему? Казалось бы, частицы не имеют какого-то преимущества перед античастицами по набору своих характеристик и наоборот. Поэтому в момент образования современной Вселенной их должно было быть поровну. Однако очевидно, что по какой-то причине равновесие сместилось в сторону обычного вещества — иначе бы Вселенная в ее современной форме просто не образовалась.

Именно работа Сахарова стала первой, где вопрос о причинах возникновения этой асимметрии был поставлен явным образом.

Валерий Рубаков: «Вопрос о происхождении барионной асимметрии — очень фундаментальный. Во Вселенной не так много характеристик и свойств такого класса. Фактически происхождение барионной асимметрии и механизм образования структур во Вселенной (галактик и их скоплений) были в середине 1960-х годов двумя главными вопросами. Сейчас к ним добавилась темная материя и темная энергия — и это, наверно, самый сложный вопрос. У Вселенной вообще не так много фундаментальных характеристик, которые требуют анализа и конкретных объяснений.

Одна из сложностей при объяснении этого явления — фантастическая устойчивость протонов. По современным экспериментальным данным, время жизни протона в нынешних условиях составляет не меньше, чем 10 33 лет — это хотя и не вечность, но на много порядков больше возраста самой Вселенной.

Стабильность протона как раз и объясняется сохранением барионного заряда (или, что то же самое, барионного числа) во всех наблюдаемых физических процессах. Согласно современным представлениям, это число остается постоянным для всех типов взаимодействий, а чтобы барионная асимметрия возникла — оно должно перестать сохраняться. Какие условия и причины для этого нужны — абсолютно непонятно.

Условия Сахарова

Сахаров выбрал сочетание этих двух идей и описал сценарий, в котором барионная асимметрия рождается в условиях очень ранней Вселенной из-за нарушения CP-симметрии. Очень высокие температура и плотность частиц принципиальным образом изменили механизм взаимодействия барионов между собой и фактически включили в игру какие-то новые взаимодействия.

Валерий Рубаков: «В статье Сахарова есть две части. Одна – это общие необходимые условия образования барионной асимметрии. Он их очень сжато сформулировал, но они абсолютно правильные. Практически все последующие работы в этом направлении, так или иначе, основывались на этих положениях.

В первой части статьи ученый сформулировал три базовых правила, выполнение которых необходимо, чтобы материи во Вселенной оказалось больше, чем антиматерии. Сегодня их называют условиями Сахарова.

Схема трехчастичного распада протона на кварки с превращением бозона в мюон из статьи Сахарова. Сегодня этот сценарий считается скорее экзотическим

А. Д. Сахаров / Письма в ЖЭТФ, 1967

По оценкам Сахарова, заметная сила у этого взаимодействия может быть только на сверхплотной стадии Вселенной — когда плотность частиц составляет примерно 10 98 частиц в одном кубическом сантиметре и бозоны находятся очень близко друг к другу (например сейчас на поверхности Земли плотность частиц примерно на 77 порядков ниже).

Чтобы возникла барионная асимметрия, необходимо то или иное нарушение инвариантности относительно инверсии заряда элементарных частиц. Про нарушение P-симметрии (относительно четности) для слабого взаимодействия было известно довольно давно, но этот эффект пространственный и решить проблему, связанную с барионным зарядом, не очень помогает. А вот открытое Кронином и Фитчем нарушение CP-инвариантности вводит в игру и заряд. Еще одним подтверждением возможности такого нарушения для Сахарова стала теоретическая работа Сусумо Окубо 1958 года, в которой описывался распад сигма-гиперонов.

И именно нарушение CP-инвариантности приводит к возникновению C-асимметрии, которую ученый даже оценил качественно, предположив, что для нейтрино она должна составлять от 10 -10 до 10 -8 .

Третье условие Сахарова — отсутствие теплового равновесия на сверхплотной стадии расширения горячей Вселенной (то есть присутствие нестационарных процессов). К нему приводит распад тяжелых частиц, и в результате нестационарность становится причиной движения в сторону асимметрии, а не наоборот, как было бы в условиях стационарности.

Эти условия оказались сформулированы очень точно: затем они подтвердились многочисленными теоретическими работами. И заметно повлияли на дальнейшее развитие как космологических теорий, так и теорий взаимодействия элементарных частиц.

Полвека спустя

Как и любая научная статья, работа Сахарова по барионной асимметрии не могла иметь такого резонанса, как его общественная деятельность или работа над водородной бомбой. Не было у нее и какой-то явной прикладной ценности, как у его работ по исследованию плазмы и управляемого термоядерного синтеза. Возможно, даже ее фундаментальную значимость оценили не все и не сразу. Однако с развитием Стандартной модели и созданием теорий Великого объединения, связывающих между собой теории электромагнитного, сильного и слабого взаимодействий, появились достоверные теории, допускающие нарушение барионного числа. Это произошло примерно через восемь лет после публикации статьи. Тогда на нее (как и на независимо проведенную работу Вадима Кузьмина 1970-го года) обратили внимание. Так сформулированные ученым тезисы оказали заметное влияние на космологические теории.

В условиях обычной физики — той, которую мы наблюдаем во Вселенной сейчас, процессы с нарушением барионного числа просто невозможны. Оно сохраняется всегда с очень высокой точностью. А условия, которые, согласно теоретическим предсказаниям, могли бы привести к нарушению этого правила, пока реализовать на Земле не удается. Для экспериментальной проверки этих гипотез нужны такие энергии столкновения частиц, такие массы этих частиц и такие температуры, которые намного выше доступных сейчас на современных коллайдерах.

Валерий Рубаков: «Уже существенно позже, в 85-ом году, мы с моими коллегами, Вадимом Кузьминым и Михаилом Шапошниковым, поняли, что при высоких температурах в Стандартной модели прямо происходит нарушение барионного числа совместно с нарушением лептонных чисел. Это открыло возможность построения таких механизмов генерации барионной асимметрии, которые происходят за счет нарушения лептонных чисел и частичной переработки в рамках Стандартной модели этих лептонных чисел в барионное число при высоких температурах. Причем тут речь идет не о безумно высоких температурах, порядка сотни гигаэлектронвольт. Поэтому по-прежнему остается надежда, что или существующие коллайдеры или, может быть, коллайдеры следующего поколения все-таки позволят выяснить, какой же был механизм генерации барионной асимметрии. Сейчас достаточно активно обсуждается возможность обнаружения на коллайдерах (или вообще в ускорительных экспериментах) новых частиц, которые ответственны за генерацию барионной асимметрии.

Урок-лекция объяснения нового материала, 2 ч. 11-й класс

Вы уже знаете, что все силы в природе сводятся к описанию гравитационного, электромагнитного и сильного взаимодействи й или их совокупностей. Гравитационное взаимодействие присуще всем материальным объектам. К электромагнитному сводятся не только взаимодействие между заряженными телами и частицами, но и упругие, вязкие, молекулярные, химические и другие взаимодействия. Сильное взаимодействие удерживает нуклоны в атомных ядрах и определяет различные превращения частиц друг в друга.

Сегодня мы рассмотрим ещё один, 4-й, тип фундаментальных взаимодействий, несводимый ни к одному из названных, – слабое взаимодействие. Узнаем поразительный факт, что на малых расстояниях слабое взаимодействие становится неотличимым от электромагнитного.

Слабое взаимодействие. Слабым это взаимодействие называется неслучайно. Во-первых, его проявления редко встречаются в нашей повседневной жизни, тогда как мы давно привыкли к различным проявлениям гравитационного и электромагнитного взаимодействий (например, падение всех тел на Землю, трение, молния и др.), к результатам действия ядерных сил, обеспечивающих стабильность окружающего нас вещества. Во-вторых, это взаимодействие действительно является слабым, т.к. его интенсивность при низких энергиях, не превышающих 1 ГэВ – энергии покоя протона, – в миллиарды раз меньше, чем интенсивность сильного и электромагнитного взаимодействий.

Кроме того, опыт показывает, что сильное и электромагнитное взаимодействия могут обеспечивать как различные превращения частиц, так и целостность какого-то материального объекта (например, сильное взаимодействие обеспечивает целостность ядра, электромагнитное взаимодействие – целостность кристаллической решётки). Силы слабого взаимодействия не хватает, чтобы удерживать частицы друг около друга (т.е. образовывать связанные состояния). Оно может проявляться только при распадах и взаимных превращениях частиц.

Итак, каковы основные свойства слабого взаимодействия?

– Слабое взаимодействие при низких энергиях гораздо слабее сильного и электромагнитного взаимодействий;

– слабое взаимодействие является короткодействующим: радиус его действия порядка 10 –18 м;

– слабое взаимодействие универсально: в нём участвуют практически все частицы, кроме фотонов. Кроме того, есть частицы, которые участвуют только в слабом взаимодействии, например, нейтрино и антинейтрино ;

– при слабом взаимодействии не выполняются некоторые, казалось бы, всеобщие законы сохранения (этот вопрос рассмотрен в материале для самостоятельного изучения, см. далее).

Как известно, каждое из взаимодействий осуществляется посредством особых элементарных частиц – переносчиков того или иного взаимодействия. Например, фотоны – переносчики электромагнитного взаимодействия, глюоны – переносчики сильного взаимодействия. В настоящее время учёные пытаются открыть переносчиков гравитационного взаимодействия – гравитоны.

Переносчиками слабого взаимодействия являются промежуточные векторные бозоны. Их известно 3 вида: W – , W + , Z 0 . Эти частицы имеют очень большие массы: m_W 85m_p, m_Z 96m_p, где m_p – масса протона.

2. Единое электрослабое взаимодействие. Дальнейшие теоретические исследования привели к тому, что картина фундаментальных взаимодействий стала упрощаться. Оказалось, что электромагнитные и слабые взаимодействия являются проявлением одного и того же взаимодействия, которое получило название электрослабого взаимодействия. Эту мысль впервые высказали (независимо друг от друга) в 1967 г. С.Вайнберг и А.Салам, выдвинув следующую гипотезу: природа слабого и электромагнитного взаимодействий едина, т.к. на малых расстояниях слабые взаимодействия сравниваются по силе с электромагнитными, и разница между промежуточными векторными бозонами и фотонами стирается. Иными словами, при энергиях, превышающих несколько сотен гигаэлектронвольт, электромагнитное и слабое взаимодействия становятся неразличимыми по интенсивности, они как бы сливаются в одно электрослабое взаимодействие.

Заметим, что Вайнберг и Салам опирались на высказанное ранее предположение, что переносчиками слабого взаимодействия являются промежуточные векторные бозоны. Экспериментально эти частицы были открыты гораздо позже (в 1983 г.).

3. Обоснование гипотезы Вайнберга–Салама. Вайнберг и Салам пришли к выводу о существовании единого электрослабого взаимодействия на основе новых фундаментальных физических идей:
1) локальной калибровочной инвариантности;
2) спонтанного нарушения симметрии.

Из гипотезы следует, что на малых расстояниях промежуточные векторные бозоны не отличаются по своим свойствам от фотонов, а это значит, что промежуточные векторные бозоны и фотоны – это, по сути, два проявления одной и той же частицы – переносчика электрослабого взаимодействия (иначе сила взаимодействия не может быть одинаковой). Это возможно только тогда, когда выполняется принцип локальной калибровочной инвариантности (симметрии), (см. схему).

Выяснилось, что при изменении масштаба, т.е. при уменьшении расстояния, переносчики электрослабого взаимодействия переходят из одного своего проявления – фотонов – в другое свое проявление – промежуточные векторные бозоны, – но обмен ими осуществляется столь же легко.

Но тут встал новый вопрос: каким образом промежуточные векторные бозоны и фотоны могут быть проявлениями одних и тех же частиц, если у фотонов масса равна нулю, а промежуточные векторные бозоны имеют очень большие массы? Поскольку это одни и те же частицы, их массы обязаны совпадать. Казалось, что возникла безвыходная ситуация.

Оказалось, что промежуточные векторные бозоны способны приобретать свою массу в результате некоего механизма, который называется спонтанным нарушением симметрии. Этот механизм весьма сложен, но попробуем рассмотреть его суть на нескольких простых примерах.

Законы движения отдельных атомов удовлетворяют принципу пространственной симметрии, т.е. не изменяются при движении атома по различным направлениям. Но при образовании кристалла эта симметрия сама собой нарушается, и свойства кристалла по разным направлениям уже не будут одинаковыми. Таким образом, у кристалла по сравнению со свободными атомами появляется много специфических свойств, например, способность намагничиваться.

Шарик, находящийся в центре приподнятого дна бутылки, будет находиться в равновесии. Система при этом обладает осевой симметрией. Однако данное положение равновесия неустойчиво. Предоставленный самому себе шарик под влиянием сколь угодно малого возмущения скатится на вогнутое дно. Это положение шарика устойчиво, т.к. ему соответствует минимум потенциальной энергии в поле тяжести Земли. Первоначальная осевая симметрия состояния окажется спонтанно нарушенной.

Изложенные выше положения составляют единую теорию электрослабого взаимодействия. Именно из неё следовало существование трёх видов промежуточных векторных бозонов W – , W + , Z 0 , а также предсказаны значения их масс.

Экспериментальное открытие промежуточных векторных бозонов в 1983 г. подтвердило справедливость единой теории электрослабого взаимодействия. С этими экспериментами вам также предлагается ознакомиться самостоятельно (вопрос изложен в материале для самостоятельного изучения).

Таким образом, вместо четырёх фундаментальных взаимодействиях можно говорить лишь о трёх: гравитационном, сильном и электрослабом.

Материал для самостоятельного изучения

1. Невыполнение законов сохранения при слабом взаимодействии. Обнаружилось, что при слабом взаимодействии не выполняются некоторые, казалось бы, всеобщие законы сохранения, выполняющиеся при остальных трёх фундаментальных взаимодействиях (см. схему).

Рассмотрим законы, которые не выполняются при слабом взаимодействии.

Закон сохранения пространственной чётности (P-чётности). Говорят, что закон сохранения пространственной чётности в каком-либо процессе выполняется, если процесс является зеркально симметричным, т.е. протекает совершенно одинаково как вправо, так и влево относительно какого-то выбранного центра. Иными словами, сам процесс и его зеркальное отражение протекают абсолютно одинаково.

В 1957 г. Ц.Ву было установлено, что закон сохранения чётности не выполняется при слабых взаимодействиях. Некоторое вещество, содержащее -активный изотоп кобальта , помещалось внутрь катушки с током, создающей магнитное поле (поле необходимо для упорядочивания ориентации спинов и собственных магнитных моментов ядер). Оказалось, что по одну сторону (например, вверх) испускалось примерно на 40% больше электронов, чем по другую.

Опыт на реальной установке (вверху) и его отражение в зеркале (внизу)

Явление несохранения пространственной чётности при слабом взаимодействии можно проиллюстрировать и так. Рождающиеся при слабом взаимодействии частицы (электроны, мюоны, таоны) являются продольно-поляризованными. Это означает, что они имеют собственный момент импульса – спин j, который для данной частицы всегда либо сонаправлен с импульсом частицы p, либо направлен противоположно. При зеркальном отражении у этих частиц указанные векторы меняют направление по-разному. Спин направления не меняет, а импульс – меняет. Однако частиц с полученным расположением p и j попросту не существует, поэтому в зеркале процесс протекает иначе.

Частица с продольной поляризацией: а) падение; б) отражение

Закон сохранения комбинированной чётности (CP-чётности). Невыполнение закона сохранения пространственной чётности было столь необычным явлением, что учёные пытались доказать, что для слабого взаимодействия сохраняемость всё же существует, но она имеет более глубокий смысл. Они считали, что для слабого взаимодействия выполняется закон комбинированной чётности. Суть его в том, что симметрия не будет нарушаться, если в зеркальном отражении все частицы заменить античастицами (произвести так называемое зарядовое сопряжение C). Однако позднее было установлено, что наблюдаются слабые распады так называемых долгоживущих каонов К 0 на пионы + и – , которые будут запрещёнными, если частицы заменить античастицами.

Закон сохранения чарма C и странности S. Странность S и чарм C – характеристики кварков, похожие на электрический заряд и принимающие значения 0, ±1, ±2, ±3. Ненулевое значение странности и чарма означает, что частица состоит из одного-трёх странного и чармированного кварков (антикварков) соответственно. В результате слабых взаимодействий суммарное значение странности и чарма частиц до и после взаимодействия может как сохраняться, так и изменяться.

Закон сохранения изоспина Т. Изоспин, или изотопический спин, – это квантовая векторная величина, характеризующая свойства частиц по отношению к сильному взаимодействию. Частицы, неотличимые по ядерному взаимодействию, например протон и нейтрон, объединяются в изотопический мультиплет, и им присваивается одинаковое значение изотопического спина. Например, для протона и нейтрона |Т| = 1/2. В результате только слабого взаимодействия суммарный вектор изоспина может не сохраняться.

2. Открытие промежуточных векторных бозонов. В 1983 г. существование промежуточных векторных бозонов было экспериментально подтверждено. Известно, что основным методом исследования в физике элементарных частиц является метод рассеяния, т.е. столкновение различных частиц друг с другом, в результате которого рождаются новые частицы. В последнее время широко применяются коллайдеры – ускорители, в которых сталкиваются два пучка частиц с нулевым суммарным импульсом (частицы из разных пучков имеют равные по модулю, но противоположно направленные импульсы). Говорят, что процесс рассматривается в системе центра инерции сталкивающихся частиц. Рождающиеся в коллайдере новые частицы регистрируются различными детекторами.

Итак, столкнём протонный и антипротонный пучки, в каждом из которых энергия частицы равна Е. Тогда суммарная энергия столкновения двух частиц равна 2Е. При условии 2Е > Мс 2 в этом столкновении может быть рождена частица массой М. Рассмотрим процесс: , где Х – это набор всевозможных состояний, например,

Рождение промежуточных векторных бозонов проиллюстрируем диаграммой.

Кварк u из протона и антикварк из антипротона могут слиться в W + (это показано на диаграмме). Аналогично, пары могут дать при слиянии Z 9 -бозон, пара – W – -бозон. Но, родившись, эти частицы быстро распадаются. Например, и др.

Экспериментальное открытие векторных промежуточных бозонов подтвердило справедливость единой теории электрослабого взаимодействия.

Вопросы для самоконтроля

1. Перечислите и поясните законы сохранения, которые выполняются при слабом взаимодействии.

2. В чём суть закона сохранения пространственной чётности?

3. Поясните, каким образом было доказано невыполнение закона сохранения пространственной чётности при слабом взаимодействии. Когда и кем был проведён данный опыт?

4. Как ещё можно проиллюстрировать явление несохранения пространственной чётности при слабом взаимодействии?

5. Чем отличается закон сохранения пространственной чётности от закона сохранения комбинированной чётности? Почему нельзя говорить о его выполнимости для слабого взаимодействия?

6. Для чего были введены странность и чарм? Какие значения они могут принимать? Что можно сказать о сохранении этих величин при слабом взаимодействии?

7. Чем отличается изотопический спин от изотопического мультиплета? Приведите пример изотопического мультиплета. Всегда ли закон сохранения изоспина не выполняется при слабом взаимодействии?

8. Как вы считаете, почему до построения коллайдеров не удавалось экспериментально доказать существование промежуточных векторных бозонов?

9. Поясните процесс рождения промежуточных векторных бозонов в коллайдере.

10. Каким образом регистрируются рождающиеся в коллайдере промежуточные векторные бозоны?

Литература

Мякишев Г.Я. Элементарные частицы. – М.: Наука, 1979.

Мухин К.Н. Занимательная ядерная физика. – М.: Энергоатомиздат, 1985.

Наумов А.И. Физика атомного ядра и элементарных частиц. – М.: Просвещение, 1984.

Окунь Л.Б. Физика элементарных частиц. – М.: Наука, 1988.

Орир Дж. Популярная физика. – М.: Мир, 1964.

Константин Анатольевич Коханов – выпускник Кировского ГПУ 1996 г., учитель физики высшей квалификационной категории, педагогический стаж 9 лет, методист, к.п.н. Женат, имеет двоих детей.

Екатерина Сергеевна Косолапова, студентка 5-го курса физического факультета ВятГГУ.

Бозоны

В Стандартной модели всего шесть элементарных бозонов. Фотон не обладает электрическим зарядом, он передает электромагнитное взаимодействие — то самое, которое связывает атомы в молекулы. Глюон передает сильное взаимодействие и обладает своим видом заряда (об этом еще будет сказано). Именно сильное взаимодействие отвечает за ядерные силы, скрепляющие протоны и нейтроны в ядрах. W+, W- и Z0 означает, что бозоны заряжены соответственно положительно, отрицательно и нейтрально (не заряжены). Они отвечают за так называемое слабое взаимодействие, которое умеет превращать одни частицы в другие. Самый простой пример слабого взаимодействия — распад нейтрона: один из кварков, составляющих нейтрон, излучает W-бозон и превращается в другой кварк, а распадается на электрон и нейтрино.

Остается последний бозон — бозон Хиггса. Теоретически он был предсказан еще в 60-х годах прошлого века, но экспериментально его существование было доказано только в 2013 году. Он отвечает за инертную массу элементарных частиц — именно массу, ответственную за эффекты инерции, а не притяжения. Квантовой теории, которая связала бы и инерцию, и гравитацию, пока что нет.

Фермионы

Элементарных фермионов гораздо больше, чем элементарных бозонов. Их делят на два класса: лептоны и кварки. Они отличаются тем, что кварки участвуют в сильном взаимодействии, а лептоны — нет.

Лептоны

Лептоны бывают трех поколений, в каждом поколении два лептона — один заряженный и один нейтральный. Первое поколение: электрон и электронное нейтрино, второе — мюон и мюонное нейтрино, третье — тау-лептон и . Лептоны очень похожи друг на друга, мюоны и (так же как и электроны) могут образовывать атомы, заменяя на орбиталях электроны. Главное их отличие — в массе: мюон в 207 раз тяжелее электрона, а в 17 раз тяжелее мюона. С нейтрино должна быть похожая история, но их массы настолько малы, что до сих пор не измерены. Эти массы точно ненулевые, доказательство этого факта было отмечено Нобелевской премией в 2015 году. Мюон и нестабильны: время жизни мюона примерно 0,2 миллисекунды (что на самом деле довольно долго), тау-лептон распадается примерно в 17 раз быстрее. Особенности нейтрино состоят в том, что они участвуют только в слабом взаимодействии, из-за этого их очень трудно засечь. Также они могут произвольно менять свой сорт: к примеру, электронное нейтрино может внезапно превратиться в мюонное, или наоборот. В отличие от бозонов, у лептонов существуют античастицы. Таким образом, всего лептонов не 6, а 12.

Кварки

Конфайнмент

Хорошо — допустим, что кварки не могут существовать свободно. Но что если просто взять мезон, состоящий из двух кварков, и разорвать его на две части? Не получим ли мы два кварка? (На самом деле нет.) Представьте, что мезон очень сильно растягивают. В отличие от электромагнитного, сильное взаимодействие тем сильнее до определенного предела, чем взаимодействующие частицы дальше друг от друга. Это похоже на пружину: чем сильнее ее растягивать, тем сильнее она будет сжиматься и тем больше у нее будет энергии. Чтобы сильнее стягивать кварки, сильное взаимодействие создает новые глюоны. И чем дальше мы их растягиваем, тем больше глюонов создается. Но в момент энергия этих созданных глюонов становится настолько большой, что выгоднее становится создать новую пару кварк-антикварк, чем продолжать плодить глюоны. Много глюонов исчезает, вместо них появляются кварк и антикварк. В момент появления кварк-антикварковой пары из четырех кварков создаются два мезона, каждый из которых бесцветен.

Может показаться, что теория замкнута сама на себе и что кварков на самом деле не существует, а конфайнмент, по сути, костыль, который придумали только для того, чтобы прекратить поиски кварков; что это просто удобная модель, которая не имеет под собой физического обоснования. Долгое время в научных кругах ходила такая мысль. Однако поздние теоретические исследования и недавние экспериментальные показывают, что при определенных условиях кварки могут покидать адроны. Более того, это состояние материи существовало практически сразу после большого взрыва, и только после сильного охлаждения кварки связались в адроны. Такое состояние материи сейчас исследуют на Большом адронном коллайдере в эксперименте ALICE. Для его получения нужна температура в два триллиона градусов. Это состояние материи называется кварк-глюонной плазмой.

В поисках теории всего

Читайте также: