32.2. Частицы и античастицы. Кварки

Античастицами называются элементарные частицы, имеющие те же значения физических характеристик, что и их «двойники» – «частицы», но от- личающиеся от них знаком некоторых характеристик взаимодействия (напри- мер, электрического заряда, барионного и лептонного зарядов, странности, маг- нитного момента). Такие же характеристики, как масса, спин, время жизни, у них одинаковы. В ряде случаев античастица обозначается тем же символом, что и элементарная частица, но с добавлением тильды над ним: нейтрону п соот-

~	−	+	, π	+	и π	−	Р
ветствует антинейтрон n , электрону e		– позитрон e
							являются час-

тицей и античастицей по отношению друг другу и т. д. Например, антинейтрон

	И
отличается от нейтрона знаком магнитного момента. Позитрон отличается от
электрона прежде всего знаком электрического заряда.	У
Взаимодействие частицы и античастицы приводит к их аннигиляции (от

англ. annihilation – «уничтожение»), когда материя превращается из одной фор-
	Г
мы в другую. Например, при столкновении электрона с позитроном происходит
их аннигиляция, т. е. превращение в γ-кванты:
e− + e+ → γ +γ ,	Б

энергия электронно-позитронной пары переходит в энергию фотонов. Заметим, что один γ-квант при этом излучиться не может, иначе нарушался бы закон со- хранения импульса.

магнитного или какого-либо другого взаимодействия наблюдается рождение

Возможен процесс, обратный аннигиляции, когда в результате электро-

пар частица–античастица. Наприм р, в поле атомного ядра γ-квант может по-
родить пару e− e+ , если			к
		энергия γ-кванта не меньше собственной энергии
пары 2mec2 .			е
Таким образом, пр цессы возникновения и аннигиляции электронно-
позитронных пар являютсятпримером взаимосвязи различных форм материи: в
этих процессах матер я в форме вещества превращается в материю в форме
	о
электромагнитного по я,		наоборот.
В некоторыхис учаях античастица совпадает со своей частицей, т. е. все

свойства частицы и античастицы одинаковы. Такие частицы называют истинно
	л
нейтральными, они не способны к аннигиляции, но испытывают взаимные
превращенбя. Например, античастицы фотона γ, π0-мезона и η0-мезона тождест-
венны сам м частицам, табл. 32.2. Понятия частицы и античастицы относи-
и
тельны. Электрон считают частицей, а позитрон – античастицей только потому,

чтоБво Вселенной преобладают именно электроны, а позитроны – более экзоти- ческие частицы.

Кварки. В 1964 г. была сформулирована гипотеза о том, что все адроны являются составными частицами и состоят из первичных частиц – кварков. Эта гипотеза получила многочисленные косвенные экспериментальные под- тверждения. В настоящее время считают, что истинно элементарными частица- ми, не имеющими внутренней структуры, являются фотон, лептоны и кварки.

170

Все кварки имеют спин 12 и барионное число 1/3. Кварки отличаются от всех

известных частиц дробностью заряда Q (– 1/3 или + 2/3 положительного заряда протона + е) и числа В. У кварков имеются античастицы – антикварки.

Каждый мезон М строится из одного кварка q и одного антикварка q~ , каждый барион В – из трех кварков q:

M = qq~ , B = qqq .

Принцип кварк-лептонной симметрии: число лептонов равно числу ти-

пов кварков. Имеются кварки шести типов, образующие три поколения (u,d), (c,s), (t,b): «верхний» (обозначается и – от англ. up); «нижний» (d – от англ. down); «очарованный» (с – от англ. charm); «странный» (s – от англР. strange); «истинный» (t – от англ. true; иначе называют «самый верхний» от англ. top); «прелестный» (b – от англ. beauty).

Каждый из кварков может принимать три значения квантового числа, ко- торое называется «цветом» (от англ. colour), и обладает «ароматом» (от англ.

	Г
flavour). Условно рассматривают кварки трех цветовых разновидностейИ		: жел-
той, синей и красной (данный набор цветов предложил академик Л. Б. Окунь).
	Б
Антикварки обладают дополнительными цветами, т. е.Усоответственно фиоле-
товым, оранжевым и зеленым. Термины «красота» и «очарование»,		как и
«цвет», – это названия квантовых чисел.

а состав протона входят кварки: и (ж лтыйкварковой), и (синий) и d (красный). В сумме по- лучается нулевой (белый) цвет. Н йтрон состоит из одного и- и двух d-кварков.

Например, сочетание цветов кварков в дронах должно быть таким, что-

бы средний цвет адрона был нулевым, т. е. дрон был «бесцветным». Поэтому в

Основополагающие иссл дования структуры элементарных

частиц были выполнены американцами Г. Кендаллом и Дж. Фридманом совме-
				е
стно с канадским физик Р. Э. Тейлором (Нобелевская премия, 1990 г.).
Взаимодействие между кварками в адроне осуществляется посредством
обмена глюонами (		т нгл. glue – «клей, клеить») – гипотетическими электри-
			т
чески нейтра ьными част цами с нулевой массой покоя и спином, равным 1.
		ом
Они являются переносч ками сильного взаимодействия. Этот тип взаимодейст-
вия между адрон		описывается квантовой хромодинамикой (создана в на-
	ами

чале 70-х гг. XX в.).
	л
Согласно современным представлениям кварки всегда пребывают в свя-
б
и

занном состоянии внутри реально наблюдаемых частиц (нейтронов, протонов и другБх адронов). Такое свойство кварков называется «конфайнмент» (от англ. confinement – «ограничение», «пленение»). О самом факте существования квар- ков можно судить только по свойствам, проявляемым адронами.

Современные теории взаимодействий элементарных частиц предсказы- вают существование новых частиц, взаимодействие которых с обычными час- тицами (лептонами, кварками, фотонами) должно быть очень слабым. Иссле- дуются различные процессы рождения новых частиц и их роль в астрофизике, когда эффекты взаимодействия значительно возрастают за счет большой плот- ности звездного вещества, высокой температуры и сильных магнитных полей.

171

Литература

1. Иродов, И. Е. Квантовая физика. Основные законы / И. Е. Иродов. – М. : Лаборато- рия Базовых знаний, 2002.

2. Иродов, И. Е. Физика макросистем. Основные законы / И. Е. Иродов. – М. : Лабо- ратория Базовых знаний, 2001.

3. Савельев, И. В. Курс общей физики. В 5 кн. Кн. 5. Квантовая оптика. Атомная фи- зика. Физика твердого тела. Физика атомного ядра и элементарных частиц / И. В. Савельев. –

М. : Астрель, АСТ, 2003.
4.	Детлаф, А. А. Курс физики / А. А. Детлаф, Б. М. Яворский. – М. : Академия, 2003.
5.	Джанколи, Д. Физика: В 2 т. Т. 2 / Д. Джанколи. – М. : Мир, 1989.		Р
6.	Физическая энциклопедия: В 5 т. Т. 1 – 5 / гл. ред. А. М. Прохоров. – М. : Сов. Эн-
циклопедия, 1988–1998.
7.	Сивухин, Д. В. Общий курс физики: В 5 т. Т. 5. Атомная и ядерная физика /
Д. В. Сивухин. – М. : Физматлит, МФТИ, 2002.
8.	Трофимова, Т. И. Курс физики / Т. И. Трофимова. – М. :	Высш. шк., 1999.
9.	Яворский, Б. М. Справочникпофизике/Б. М.Яворский,А. А.Детлаф.–М.:Физматлит,1963.
	Г
10.	Окунь, Л. Б. Физика элементарных частиц. – М. : Наука, 1986.И
11.	Миронова, Г. А. Зонная структура электронного энергетического спектра в твердых
телах. Модели свободных и сильно связанных электронов [ЭлектронУ. ресурс] / Г. А. Миронова
–М.:Физ. фак. МГУ,2001.– Режимдоступа:http://phys.web.ru.–Датадоступа:02.05.2004.
12.	Киттель, Ч. Введение в физику твердого тела / Ч. Киттель. – М. : Наука, 1978.
13.	ла
	Займан, Дж. Принципы теории твердого те / Дж. Займан. – М. : Мир, 1966.
14.	Комаров, Ф. Ф. Неразрушающий ан лиз поверхностейБ	твердых тел ионными пуч-

ками / Ф. Ф. Комаров, М. А. Кумахов, И. С. Т шлы ов. – Минск : Университетское, 1987.
15.					е
	Ташлыкова-Бушкевич, И. И. М тод резерфордовского обратного рассеяния при
анализе состава твердых тел / И. И. Ташлы ова-Буш евич. – Минск : БГУИР, 2003.
16.	Doolittle, L. N. Algorithms for the кrapid simulation of Rutherford backscattering spectra /
				т
L. N. Doolittle // Nucl. Insrtum. Meth. – 1985. – V. B9. – P. 344–348.
17.	Tashlykova-Bushkevich, I. I. RBS analysis of rapidly solidified Al-Si-Ti alloy with Fe
			о
and Ni dopes / I. I. Tashlykova-Bushkevich // Vacuum. – 2005. – V. 78, № 2–4. – P. 529–532.
18.	Ташлыкова-Бушкевич, И. И. Влияние вторых фаз на послойный состав быстрозат-
		и
вердевших сплавов алюм н я / И. И. Ташлыкова-Бушкевич // 3-я Всероссийская науч.-техн.
конф. Быстрозака енные материалы и покрытия: Сб. докл. – М., 2004. – С. 23–27.
19.	л
	Таш ыкова-Бушкев ч, И. И. Пространственное распределение германия в быстро-
	б
затвердевших сп авах Al-Ge / И. И. Ташлыкова-Бушкевич, Е. С. Гутько, В. Г. Шепелевич //
Поверхность. Рентген., синхротр. и нейтрон. исслед. – 2006. – № 4. – С. 100–103.
20.	Гуляев, А. П. Металловедение /А. П. Гуляев. – М. : Металлургия, 1986.
21.	Шепелевич, В. Г. Структура и микротвердость быстрозатвердевших сплавов сис-
Б
темы Al-Ge / В. Г. Шепелевич, И. И. Ташлыкова-Бушкевич, Л. А. Васильева // Перспектив-
ные матер алы. – 1999. – № 5. – С. 85–90.
и22. Ташлыкова-Бушкевич, И. И. Исследование влияния стабильности γ-фаз на измене-

ние физических свойств и структуры быстрозатвердевших сплавов Al-Ge / И. И. Ташлыкова-

ушкевич,М.Коласик// New Electrical and Electronic Technologies and their Industrial Implementation (NEET 2005): ProceedingsoftheIVth Intern. Conf. – Zakopane, Poland, 2005. – P. 175–177.

23. Николаев, В. И. Об оценке размеров наночастиц с помощью эффекта Мёссбауэра / В.И.Николаев,А.М.Шипилин,И.Н.Захарова // Физикатвердоготела.–2001.–Т.43,вып.8.–С.1455–1457.

24. Волынкина, Е. Большая переменная звезда в созвездии Чаша [Электрон. ресурс] /

Е. Волынкина. – 2006. – Режим доступа: http://www.rol.ru/news/misc/spacenews/06/04/18_001.htm.– Да- та доступа: 18.04.2006.

172