Физика Фундаментальных взаимодействий


Скачать 275.63 Kb.
НазваниеФизика Фундаментальных взаимодействий
страница1/3
Дата публикации27.04.2013
Размер275.63 Kb.
ТипДокументы
userdocs.ru > Физика > Документы
  1   2   3
Физика Фундаментальных взаимодействий


  1. Виды взаимодействий в мире элементарных частиц. Переносчики взаимодействий.


Физика элементарных частиц (ФЭЧ) – это наука о фундаментальных частицах и силах, действующих между ними.

Взаимодействие элементарных частиц проявляется при их соударении друг с другом. По современным представлениям взаимодействие между частицами осуществляется обменом между ними квантами поля. Такие процессы могут происходить и быть объяснены только в рамках соотношений неопределенностей Гейзенберга. В этом случае говорят о виртуальных промежуточных частицах, хотя процессы с их участием являются реальным физическими. Если время наблюдения не превышает интервал , то энергия может быть определена с точностью не выше , т.е. кратковременное существование частицы с массой вполне возможно. Отсюда можно оценить радиус действия силы, обусловленной обменом бозоном с массой , предполагая, что этот промежуточный квант движется в направлении скорости света. За время он пройдет расстояние . Следовательно, радиус действия силы

, (12.1)

т.е. область взаимодействия определяется массой промежуточного кванта.

Для количественной оценки различных взаимодействий между частицами вводится силовая const пропорциональная вероятности идущих под действием этих взаимодействий процессов и равная отношению энергии взаимодействия к характерной энергии.

В настоящее время известно четыре фундаментальных взаимодействия: гравитационное, электромагнитное, слабое, сильное.

Гравитационное взаимодействие

Гравитационное взаимодействие является взаимодействием притяжения. Частицы обладают только один видом гравитационного заряда – масса. При нерелятивистских скоростях гравитационное взаимодействие подчиняется закону всемирного тяготения Ньютона. При скоростях сравнимых со скоростью света и (или) в сильных гравитационных полях работает релятивистская гравитационная теория. Первая такая теория была создана А.Эйнштейном (ОТО, 1907-1915 гг.). На уровне ФЭЧ считается, что гравитационное взаимодействие должно реализовываться по средствам обмена безмассовой частицей со спином 2 – переносчиком гравитационного взаимодействия, квантом поля – гравитоном G (экспериментально не обнаружен). В ФЭЧ гравитационное взаимодействие становится существенным при энергии взаимодействующих частиц , где – планковская энергия. Это огромная энергия, так самый мощный ускоритель LHC сталкивает между собой протонные пучки с энергией по 7· 10 3 ГэВ каждый. Поэтому гравитационным взаимодействием в ФЭЧ можно пренебречь. Интенсивность гравитационного взаимодействия при энергиях, доступных современным ускорителям (Е~mp~1 ГэВ) характеризует безразмерная гравитационная константа: . Радиус гравитационного взаимодействия согласно (12.1) равен ∞.

Электромагнитное взаимодействие

Электромагнитное взаимодействие происходит между электрически заряженными телами (элементарными частицами). Экспериментально установлено, что в природе существуют электрические заряды двух знаков: “+” и “–”. Разноименные заряды притягиваются, одноименные – отталкиваются. В целом, на больших расстояниях разноименные заряды компенсируют друг друга, поэтому Вселенная электрически нейтральна. В макроскопической физике при скоростях много меньших скорости света сила взаимодействия двух заряженных частиц определяется законом Кулона. При скоростях, близких к скорости света, взаимодействие заряженных тел описывается при помощи уравнений Максвелла – базиса классической электродинамики. На уровне элементарных частиц электромагнитное взаимодействие реализовано посредством обмена между заряженными частицами квантом электромагнитного поля – фотоном (γ-квантом). Фотон не имеет массы покоя и электрического заряда (экспериментальное ограничение на массу фотона ), имеет спин равный 1. Поскольку фотон не имеет массы, то электромагнитное взаимодействие (как и гравитационное, в котором гравитон тоже имеет массу 0) имеет бесконечный радиус действия. Константа электромагнитного взаимодействия называется постоянной тонкой структуры: . На самом деле не постоянная, а функция, которая сложным образом зависит от энергий взаимодействующих частиц. Данное численное значение получено при энергиях . При энергиях Е ~ 90 ГэВ ~ . Полевой теорией, оказывающей взаимодействия заряженных частиц, является квантовая электродинамика (КЭД). Полезно сравнить силу электромагнитного и гравитационного взаимодействий при для двух протонов.

,

т. е. при энергиях электромагнитное взаимодействие между двумя протонами в 1036 раз интенсивнее, чем гравитационное!

Слабое взаимодействие

В отличие от рассмотренных выше гравитационного и электромагнитного взаимодействий, слабое взаимодействие имеет конечный радиус действия . Пользуясь (12.1), можно оценить массу переносчика взаимодействия: . Экспериментально установлены три промежуточных калибровочных бозона (частицы с целым спином =1) – переносчики слабого взаимодействия: заряженные W+ и W-бозоны с и нейтральный Zo-бозон с . Все эти бозоны были открыты в 1983 году в CERN на -коллайдере. Их свойства были детально изучены на e+e-коллайдерах LEP и LEP II в CERN. Безразмерную константу при можно определить так: . так же как и не является в полной мере константой, а сложно зависит от энергий взаимодействующих частиц. При . Следовательно, слабое взаимодействие менее интенсивно, чем электромагнитное. При слабое взаимодействие становится даже несколько сильнее электромагнитного. Заметим еще, что при , с современной теоретико-полевой точки зрения, разделять слабое и электромагнитное взаимодействия не корректно. При таких энергиях оба взаимодействия проявляются как разные компоненты универсального электрослабого взаимодействия. Электрослабое взаимодействие описывается при помощи теории Глэшоу–Вайнберга–Салама, которая к настоящему времени получила блестящее экспериментальное подтверждение.

Сильное взаимодействие

Это взаимодействие наиболее сложно с точки зрения теоретического описания во всей доступной в настоящее время области энергий. При энергиях сильное взаимодействие описывается в терминах глюонов и кварков. Кварки несут заряд сильного взаимодействия, называемый цветом. Для описания сильного взаимодействия необходимо три цвета: красный (К), синий (С) и зеленый (З). Переносчиком сильного взаимодействия является глюон. В сильном взаимодействии участвует восемь глюонов. Глюоны заряжены. Каждый глюон несет цвет () и антицвет (), т.е. . Глюоны безмассовы. В свободном состоянии (как и кварки) не встречаются. Используя формулу (12.1) можно ожидать, что радиус сильного взаимодействия должен быть бесконечным. Однако это неверно. Глюоны заряжены и взаимодействуют между собой. В результате этого взаимодействия у них как бы возникает эффективная масса порядка , которая делает радиус взаимодействия конечным и равным .

Другой подход к описанию сильных взаимодействий реализуется при энергиях Е ~ 1 ГэВ. В этом случае переносчиком сильного взаимодействия является триплет -мезонов: с массой , что опять приводит к . Три -мезона возникают вследствие зарядовой независимости NN-сил:



Безразмерная константа сильного взаимодействия тоже зависит от энергии взаимодействующих частиц. При , т.е. при этих энергиях сильное взаимодействие является самым интенсивным среди всех взаимодействий элементарных частиц. Однако с ростом энергии падает. Такое поведение объясняется в квантовой хромодинамике (КХД) – кварк-глюонной теории сильных взаимодействий.

Подытожим в таблице 1 полученную информацию.

Таблица 1 – Свойства четырех фундаментальных сил ()

Взаимо-действие

Константа связи

Частицы-участники

Частицы-переносчики

Масса переносчика

Область действия

Пример

Гравитация



Все

Гравитон G?

0



Притяжение тел

Электро-магнитное



Электрически заряженные



0



Сила Кулона

Слабое




Все



81,8 ГэВ,

91,2 ГэВ

см

-распад

Сильное (цвет)

1

Адроны

(кварки)

Глюоны

(8)

0

(100 МэВ)

см

Кварк-кварковая сила



^ 2. Классификация элементарных частиц. Частицы и античастицы.
Классификация элементарных частиц. В первую очередь все элементарные частицы по спину и статистике делятся на бозоны и фермионы. Бозоны – это частицы с целым спином (), подчиняются статистике Бозе-Эйнштейна. Волновая функция системы бозонов симметрична по частицам . Фермионы – это частицы с полуцелым спином (), подчиняются статистике Ферми-Дирака. Волновая функция системы фермионов антисимметрична по частицам . Для них справедлив принцип Паули.

Элементарными частицами называются частицы, которые не удается расщепить на составные части, но это не значит, что они не имеют внутренней структуры. На эксперименте обнаружена сложная внутренняя структура многих элементарных частиц. Рассмотрим бесструктурные элементарные частицы. По характеру участия во взаимодействиях они делятся на: лептоны, кварки (участники взаимодействий) и калибровочные бозоны (переносчики взаимодействий).

Лептоны l (leptos – легкий (греч.)) – это фундаментальные фермионы со спином , НЕ участвующие в сильном взаимодействии. В настоящее время известно шесть лептонов: электрон (e), мюон (),-лептон (), три нейтрино , и , и шесть антилептонов (античастиц): позитрон (e+), положительно заряженные мюон (),-лептон (), и три антинейтрино и . Электрон, мюон и -лептон обладают зарядом, поэтому участвуют в электромагнитном и слабом взаимодействии. Нейтрино зарядом не обладают, поэтому участвуют только в слабом взаимодействии. Заряженные лептоны являются точечными объектами, не имеющими внут­ренней структуры. Эксперименты показы­вают, что это справедливо до расстояний 10 -16 см. Наблюдая за реакциями с участием лептонов, ученые обнаружили, что всегда остается постоянной разность числа лептонов и антилептонов. Для описания этого свойства ввели особое квантовое число – лептонный за­ряд L, условно приписав значение L = 1 от­рицательно заряженным лептонам и сопутст­вующим им нейтрино, а значение L= –1 – их античастицам. Тогда указанное явление сво­дится к закону сохранения лептонного заряда. Лептоны делят на три поколения в порядке возрастания масс заряженных частиц (см. таблицу 2).

Таблица 2 – Свойства лептонов

( – электрический заряд, – лептонный заряд, )

Лептон











Масса,

m

Время жизни, τ

Год открытия

1-ое или электронное поколение



–1

1

0

0

1

0,51 МэВ


>1023 лет

1897




0

1

0

0

1

< 7 эВ

стабильно

1929-1954

2-ое или мюонное поколение



–1

0

1

0

1

105,7 МэВ

2,2·10 -6 с


1937




0

0

1

0

1

< 0,25 МэВ

стабильно

1957

3-ое или тауонное поколение



–1

0

0

1

1

1,78 ГэВ


3,4·10 -13 с

1975



0

0

0

1

1

< 35 МэВ

стабильно

1975


На массу нейтрино существует более жесткое ограничение: . Оно получено на основе предположения о том, что вся скрытая масса вселенной содержится в ненулевых нейтринных массах.

Кварки q (термин "кварк" заимствован М. Гелл-Манном из романа Дж.Джойса "Поминки по Финнегану") – это фундаментальные фермионы со спином , которые участвуют во всех взаимодействиях. Существует шесть типов или ароматов кварков: "верхний" кварк (и), "нижний" кварк (d), "странный" кварк (s), "очарованный" кварк (с), "прелестный" кварк (b) и "правдивый" или top-кварк (t). Так же как и лептоны, кварки можно сгруппировать попарно в три поколения таким образом, что частицы в парах будут различаться электрическим зарядом на единицу ():



В таблице 3 приведены свойства кварков. Их квантовые числа (барионный заряд В, странность S*, очарование С*, прелесть В*, правда Т*, проекция изоспина I3) подчиняются расширенной формуле Гелл-Манна-Нишиджимы:

.

Таблица 3 – Свойства кварков

(S – спин, В – барионный заряд, – изоспин, I3 – проекция изоспина, S* – странность, С* – очарование, В* – прелесть, Т* – правда, Q – электрический заряд, m – масса)

Аромат

кварка

S

В





S*

С*

В*

Т*



m

Год открытия



1/2

1/3

1/2

1/2

0

0

0

0

2/3

~ 4,5 МэВ

1964



1/2

1/3

1/2

-1/2

0

0

0

0

-1/3

~ 7 МэВ

1964



1/2

1/3

0

0

-1

0

0

0

-1/3

~ 150 МэВ

1964



1/2

1/3

0

0

0

1

0

0

2/3

~ 1,2 ГэВ

1974



1/2

1/3

0

0

0

0

-1

0

-1/3

~ 4,5 ГэВ

1976 – 1980



1/2

1/3

0

0

0

0

0

1

2/3

~ 174 ГэВ

1994
  1   2   3

Похожие:

Физика Фундаментальных взаимодействий iconП. Д. Пруссов теоретическая физика
Теоретическая физика как физика эфира. – Николаев: Приват-Полиграфия, 2007. – Страниц 76
Физика Фундаментальных взаимодействий iconТмо (тест №2) Вариант №1: Расположите категории в порядке нарастания...
Назовите основные виды международных процессов (взаимодействий). Международные конфликты, международное сотрудничество
Физика Фундаментальных взаимодействий icon3. Программа фундаментальных исследований Президиума ран "Молекулярная...
О программе исследований ран в области биологии на 2013- 2020 гг: опять фундаментальная эволюционная профанация вместо фундаментальных...
Физика Фундаментальных взаимодействий iconУчреждение образования «белорусский государственный университет транспорта»...
...
Физика Фундаментальных взаимодействий iconМичио Каку Физика невозможного Физика невозможного Посвящается моей...
Научимся ли мы когда нибудь проходить сквозь стены? Строить звездные корабли, способные летать быстрее света? Читать мысли? Становиться...
Физика Фундаментальных взаимодействий iconВопросы для подготовки к занятию
Паразитизм как экологический феномен, его особенности как формы межвидовых взаимодействий. Распространение паразитов в природе
Физика Фундаментальных взаимодействий iconИнновационная деятельность комплекс работ от начала прикладных и...
«Инновационная деятельность – комплекс работ от начала прикладных и ориентированных фундаментальных научных исследований до внедрения...
Физика Фундаментальных взаимодействий icon1. Нейроциркуляторная дистония
Термин предложен Г. Ф. Лангом в 1953. полиэтиологичное заб-е, в основе лежит наследственная предрасположенность к возникновению нарушений...
Физика Фундаментальных взаимодействий iconТворческая работа по мотивам сказки (дописывание, переписывание, работа со сказкой)
Сказкотерапия метод, использующий сказочную форму для интеграции личности, развития творческих способностей, расширение сознания,...
Физика Фундаментальных взаимодействий iconДоклада, например, такие как усложнение сообществ или экосистем
Что же такое живой организм? Для наших целей можно схематично представить организм в виде разветвленной сети из функциональных элементов...
Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2015
контакты
userdocs.ru
Главная страница