Физика Фундаментальных взаимодействий


Скачать 275.63 Kb.
НазваниеФизика Фундаментальных взаимодействий
страница3/3
Дата публикации27.04.2013
Размер275.63 Kb.
ТипДокументы
userdocs.ru > Физика > Документы
1   2   3


В теории сильного взаимодействия (КХД) существует восемь глюонов , где и – цвет и антицвет соответственно. Они меняют цвет кварка, не меняя остальные квантовые числа. Глюоны принципиально не существуют в свободном состоянии, однако экспериментально их можно косвенно наблюдать по образованным адронным струям (1979 г.).

Теория электромагнитного взаимодействия (КЭД) в качестве переносчика использует квант электромагнитного поля – γ-квант, существование которого предположили еще М.Планк и А.Эйнштейн (1900, 1905 гг.)

и -бозоны слабого взаимодействия экспериментально обнаружены в 1983 году, их массы оказались в блестящем согласии с предсказаниями теории.

Гравитон G – гипотетическая частица, образование и поглощение которого при соударениях частиц существенно при энергиях порядка планковской массы ().

Частицы и античастицы. Каждой частице соответствует античастица. Частица и античастица имеют одинаковые массы, одинаковые значения спина и изоспина, и если они распадаются, то за одно и то же время. Однако они различаются знаком всех аддитивных квантовых чисел (например, электрический, барионный, лептонный заряды). Для истинно нейтральных частиц (γ, -мезон), не имеющих никаких зарядов, античастица тождественна частице. Схемы распада для частиц и античастиц одни и те же с точностью до замены в них частиц на античастицы и наоборот. Существование античастиц именно с такими свойствами является фундаментальным следствием релятивистской квантовой теории поля. Позитрон – античастица электрона, существование которой было теоретически предсказано как решение уравнения Дирака с отрицательной энергией, был действительно обнаружен на фотографиях с пузырьковой камеры в 1932 г. Античастица фермиона часто обозначается как или , или , где С – оператор зарядового сопряжения.

3. Адроны. Кварковая гипотеза Гелл-Манна, Цвейга. Элементы квантовой хромодинамики (КХД).
Адроны. Кварковая гипотеза Гелл-Манна, Цвейга. Рассмотрим самое многочисленное семейство частиц – адронов (hadros – сильный (греч.), термин предложен Л.Б. Окунем в 1967 г.), т. е. частиц, участвующих в сильных взаимодействиях. В настоящее время их известно несколько сотен. Большинство адронов нестабильны, их называют резонансами, и распадаются за счет сильных взаимодействий. Они имеют малые времена жизни, характерные для ядерных процессов (). Столь короткие временные интервалы не могут быть измерены непосредственно и определяются из косвенных данных. Однако есть адроны со временами жизни , их называют квазистабильными. Распады этих долгоживущих (по ядерным масштабам) частиц обусловлены слабым или электромагнитным взаимодействиями. В состав стабильного вещества адроны не входят, а рождаются в процессе ЯР. Исключение представляют нуклоны (протоны и нейтроны). Все адроны по спину и статистике делятся на фермионы (полуцелый спин ), их называют барионами (barys – тяжелый (греч.)) и бозоны (целый спин ), их называют мезонами (mesos – средний, промежуточный (греч.)). Самые известные барионы – протон и нейтрон. Лег­чайшие из мезонов – пионы -,+ и °. Адроны представляют собой составные системы, свойства которых хорошо описывает кварковая модель. Кварковая гипотеза была впервые выдвинута М. Гелл-Манном и независимо от него Дж. Цвейгом в 1964 г. Она включала в себя три кварка u, d, s. С тех пор гипотеза получила дальнейшее развитие и многочисленные косвенные экспериментальные подтверждения. Основные положения:

1. Адроны нельзя рассматривать как элементарные частицы в подлинном смысле этого слова. Они имеют сложную внутреннюю структуру и, наподобие атомных ядер, являются связанными системами из истинно-элементарных или фундаментальных частиц. Фундаментальные структурные элементы, входящие в состав адронов, получили название кварков q.

2. Систематика адронов (т. е. изучение состава и свойств «родственных семейств», в которые группируются адроны – мультиплеты) позволила установить, что все известные барионы состоят из трех кварков (), антибарионы – из трех антикварков (), а все мезоны – из кварка и антикварка (]). Оказалось, что кварки должны обладать очень необычными свойствами. Так как барионный заряд у барионов В=+1 (у антибарионов В= –1), то из кварковой структуры барионов следует, что барионный заряд кварков (антикварков) дробный: (). Электрический заряд кварков тоже должен быть дробным (если за единицу принять элементарный заряд): или ( или ). Только в этих предположениях можно объяснить квантовые числа и свойства всех адронов. Например, протоны и нейтроны составлены из кварков следующим образом: , а π-мезоны: .

3. Существуют не менее 6 типов кварков, каждый из которых является носителем определенного нового квантового числа – адронного аромата (u, d, s, c, b, t). Антикварки отличаются от кварков противоположными значениями всех зарядов.

4. Сильные и электромагнитные взаимодействия не могут изменить индивидуальность кварков, т. е. они не меняют значения кварковых ароматов. Другими словами, в этих взаимодействиях имеют место законы сохранения ароматов (аналогичные закону сохранения барионного заряда). В процессах, обусловленных сильными и электромагнитными взаимодействиями, может происходить либо просто перегруппировка кварков, либо образование (уничтожение) кварк-антикварковых пар с определенными ароматами, либо и то и другое вместе.

5. Слабые взаимодействия меняют ароматы кварков, т.е. один вид кварка на другой.

Элементы квантовой хромодинамики (КХД). Существующая в настоящее время квантовая теория сильного взаимодействия построена по образцу квантовой электродинамики и носит название квантовой хромодинамики, а термин «хромос» означает, что силы действуют между цветными зарядами. КХД – основа описания сильного взаимодействия между адронами, ответственна за силы, связывающие кварки в адроны. Согласно теории кварки несут заряд сильного взаимодействия – цвет (красный, синий и зелёный). Взаимодействие кварков осуществляется посредством обмена глюонами (glue – клей (англ.)). Согласно теории их должно быть восемь. Глюоны «склеивают» кварки воедино. Подобно фотонам, глюоны лишены электрического заряда и не имеют массы покоя. При обмене глюонами кварки меняют свой цвет, но не аромат. Например, красный u-кварк, испуская глюон, превращается в зеленый или синий, но не может превратиться в d- или s-кварк. Именно беспрестанный обмен глюонами приводит к тому, что кварки в адронах непрерывно меняют свой цвет, оставляя адрон во все моменты времени бесцветным. Т.е. цвет кварка не проявляется вне адрона (цветовой синглет). Появление квантового числа цвет связано с необходимостью устранить противоречие с принципом Паули. Кварки имеют спин ,т.е. являются фермионами. Значит, адрон не может состоять из одинаковых кварков, но в природе такие наблюдаются, например, . Поэтому каждому кварку приписывают дополнительное квантовое число – цвет (в барионе один кварк красный, другой синий, третий зеленый; в мезоне кварку приписывают цвет, а антикварку – соответствующий антицвет). Кварки и глюоны не могут существовать как свободные частицы, они могут быть только в связанном состоянии (кварковый конфайнмент). С другой стороны, цветное взаимодействие асимптотически исчезает на малых расстояниях (), кварки взаимодействуют слабее и их можно рассматривать как свободные (свойство асимптотической свободы).

Проведем аналогию между двумя теориями:

ГАММА-КВАНТАМИ


^ 4. Аддитивные и мультипликативные законы сохранения в реакциях элементарных частиц.
Различные взаимодействия между элементарными частицами можно характеризовать с помощью законов сохранения и принципов симметрии. Каждая сохраняющаяся величина соответствует инвариантности уравнений движения или функции Лагранжа по отношению к некоторому преобразованию симметрии. Различают непрерывные и дискретные преобразования симметрии в зависимости от того, параметризуются они действительными или целыми числами. Инвариантность относительно непрерывных преобразований приводит к аддитивным законам сохранения. Инвариантность относительно дискретных преобразований приводит к мультипликативным законам сохранения. В аддитивных законах сохраняется сумма соответствующих физических величин, а в мультипликативных – произведение величин, которое может быть равным +1 или –1.

Классификация законов сохранения основана на их физической природе. Все законы сохранения можно разделить на три группы. В первую группу входят законы сохранения, связанные с геометрией четырехмерного пространства-времени. Ко второй группе относятся точные законы сохранения зарядов. Все эти законы аналогичны закону сохранения электрического заряда. Любой физической системе приписывается целочисленный заряд каждого сорта, причем каждый заряд аддитивен и сохраняется. Физический смысл симметрии, связанной с каждым из этих зарядов, пока не выяснен. Загадочным свойством остается и целочисленность всех зарядов. К третьей, несколько разнородной, группе относятся законы сохранения, выполняющиеся не для всех, а лишь для некоторых видов фундаментальных взаимодействий. Все эти законы сохранения уже не точные, а приближенные. Исследование таких приближенных законов сохранения показывает, что разные взаимодействия обладают разной степенью симметрии: чем сильнее взаимодействие, тем более оно симметрично, т. е. тем большее количество законов сохранения для него выполняется.

К точным аддитивным законам сохранения, выполняющимся при любых взаимодействиях, относятся законы сохранения энергии, импульса, момента импульса, электрического заряда, барионного заряда и трех лептонных зарядов. Впрочем, следует заметить, что сохранение барионного и лептонного зарядов является эмпирическим законом и не имеет столь глубоких оснований, как сохранение E, p, J. Остальные законы сохранения: странности, очарования, прелести, правды, изотопического спина и его проекции являются приближенными и выполняются не при всех взаимодействиях. Величина изоспина одинакова для всех членов мультиплета, имеющих различные электрические заряды, поэтому он сохраняется при сильном взаимодействии, которое не зависит от величины заряда. В электромагнитных взаимодействиях изотопический спин не сохраняется. Третья проекция изоспина I3 сохраняется как в сильных, так и в слабых взаимодействиях, поскольку это квантовое число позволяет различать частицы мультиплета с разными электрическими зарядами. При гравитационном и сильном взаимодействии выполняются законы сохранения всех квантовых чисел. В слабом взаимодействии могут не сохраняться квантовые числа странность, очарование, прелесть и истина. Эти квантовые числа принимают нулевые и целые значения. В состав странных частиц обязательно входит хотя бы один странный кварк s (или антикварк ), в состав очарованных адронов входит c-кварк (или ), в состав прелестных – b или , истинных (правдивых) (пока не открытых)t или . Странность, очарование, прелесть или правда адрона равны сумме квантовых чисел S*, C*, B* и T* составляющих его кварков. Для лептонов квантовые числа S*, C*, B* и T* не вводятся.

В ФЭЧ используют пять мультипликативных законов сохранения. Операция пространственной инверсии P (parity) состоит в замене , то есть в изменении знаков пространственных координат. Операция зарядового сопряжения C (charge) изменяет знаки всех аддитивных квантовых чисел (зарядов) частиц. Эта операция меняет все частицы в некотором процессе на их античастицы. Операция обращения времени T (time) сводится к замене . Она превращает исходное движение в обратное. Комбинированная инверсия СР – комбинация С и Р преобразований. Собственные значения операторов называются зарядовой четностью, пространственной четностью (или просто четностью) и комбинированной четностью. Инвариантность относительно P и СР-преобразований приводит к сохранению пространственной и комбинированной четности. Инвариантность относительно произведения (в любой последовательности) всех трех преобразований (CPT-теорема) приводит к равенству масс и времен жизни частиц и античастиц.

Таблица 5 содержит информацию о том, какие величины сохраняются в различных взаимодействиях. Знак +(–) означает сохранение (не сохранение данной величины).
Таблица 5 – Законы сохранения в ФЭЧ

ВЕЛИЧИНА

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ

 

сильное

электро-магнитное

слабое

гравитационное 
^

Аддитивные законы сохранения


Электрический заряд

Q

+

+

+

+

Энергия

E

+

+

+

+

Импульс



+

+

+

+

^ Угловой момент



+

+

+

+

^ Барионный заряд

B

+

+

+

+

^ Лептонные заряды




+

+

+

+

Странность

S*

+

+



+

Очарование

C*

+

+



+

Прелесть

B*

+

+



+

Правда

T*

+

+



+

Изоспин

I

+





+

^ Проекция изоспина

I3

+

+



+
^

Мультипликативные законы сохранения


Пространственная четность

P

+

+



+

^ Зарядовая четность

C

+

+



+

^ Временная четность

T

+

+



+

Комбинированная четность

CP

+

+



+

СРТ-четность

CPT

+

+

+

+

Пользуясь законами сохранения квантовых чисел, можно решить вопрос о возможности той или иной реакции или найти неизвестную частицу X, образующуюся в реакции.


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