15. Элементарные частицы

К элементарным частицам относят частицы вещества, структура которых неизвестна.

Первыми открытыми частицами были электроны, которые образуют электронную оболочку атомов, затем были открыты протоны и нейтроны, которые входят в состав ядер атомов. Источником других элементарных частиц сначала было космическое излучение, которое со всех сторон падает на Землю. Так были открыты мезоны. Затем были созданы ускорители, в которых протоны, электроны с энергией до 10²² эВ при попадании на мишень вызывали рождение новых и новых элементарных частиц. Общее число открытых частиц достигает нескольких сотен. По времени жизни их можно разделить на стабильные, квазистабильные со временем жизни 10^-8–10^-10 с. По ядерным меркам это очень большое время, так как процессы ядерного взаимодействия происходят за 10^-20 с. Огромное число остальные частицы со временем жизни порядка 10^-20 с называются резонансами. Может быть, это промежуточные состояния частиц в процессе их взаимодействия.

Основным свойством элементарных частиц является способность к превращениям, однако эти процессы идут с соблюдением установленных законов сохранения. Как и в ядерной физике сохраняется масса-энергия, импульс, спин. Изучение процессов превращения частиц привело к необходимости введения новых квантовых чисел: лептонное число, барионное число, странность, которые сохраняются в любых процессах, а также четность, очарование, прелесть, которые сохраняются только в некоторых видах превращений. Реакций превращения частиц возможно очень много.

1. Регистрация элементарных частиц.

Сцинтилляционные счетчики

Действие прибора основано на свойстве некоторых веществ – люминофоров излучать световые вспышки (сцинтилляции) в результате возбуждения атомов. Световые вспышки либо наблюдаются визуально, либо с помощью фотоэлектронного умножителя преобразуются в электрические сигналы, которые регистрируются с помощью счетчика импульсов. Люминофоры могут быть твердыми, например кристаллы сернистого цинка ZnS, или жидкими. Время вспышки 10^-5 –10^-8 с.

Счетчик Гейгера.

Счетчик Гейгера представляет собой тонкостенную металлическую трубку, наполненную газом при низком давлении. Трубка является катодом, а анодом служит тонкая нить, натянутая по оси трубки. Между ними приложено напряжение 400–1000 В. При пролете внутри трубки частиц высокой энергии , вследствие ионизации молекул газа, возникают электроны и положительные ионы.

Э лектроны, ускоряясь в сильном электрическом поле около нити, производят вторичную ионизацию молекул. В результате в счетчике возникает лавинный разряд. Чтобы зарегистрировать следующую частицу, разряд следует погасить. Для гашения разряда последовательно со счетчиком включается резистор с большим сопротивлением. В момент разряда на резисторе возникает импульс напряжения, который регистрируется пересчетным прибором. Однако не каждая частица, пролетающая через счетчик Гейгера, вызывает лавинный разряд, а только малая доля, менее процента, пока счетчик в течении мертвого времени вновь не зарядится до рабочего напряжения.

Камера Вильсона

Камера Вильсона представляет собой цилиндрический сосуд, закрытый стеклянной крышкой. Дном сосуда является поршень. Сосуд наполнен парами воды или спирта в состоянии, близком к насыщению. При быстром адиабатическом расширении температура понижается. Если через пар пролетает ионизирующая частица, то на возникающих ионах, как на центрах конденсации. молекулы пара конденсируются. Капельки жидкости образуют след пролетающей частицы. След подсвечивают, фотографируют. Помещая камеру в магнитное поле, по искривлению следа определяют удельный заряд частицы.

Фотоэмульсии

При пролете ионизирующей частицы в фотоэмульсии происходит реакция распада молекул, например, хлористого серебра. После проявки цепочка зерен серебра показывает трек пролетевшей частицы.

2. Виды взаимодействия частиц

В природе существуют четыре вида взаимодействия между телами.

Самое сильное или ядерное взаимодействие возникает между ядерными частицами (протонами и нейтронами) и также между более тяжелыми частицами – гиперонами, резонансами. Процессы идут с высокой интенсивностью. Время процессов превращения частиц порядка 10^-20 с. Радиус действия ядерных сил очень мал, около 10^-15 м, то есть порядка размера ядра атома. Носителем взаимодействия являются пи-мезоны.

Электромагнитное взаимодействие присуще всем частицам с электрическим зарядом, Взаимодействие происходит на любых расстояниях. Силы электромагнитного взаимодействия между элементарными частицами меньше в сотни и более раз по сравнению с ядерными силами. Носителем взаимодействия являются фотоны.

Слабое взаимодействие происходит в процессах превращения частиц с участием лептонов, например в бета-распаде ядер. Процесс превращения происходит сравнительно медленно, время процесса порядка 10^-10 с. Радиус взаимодействия, как и ядерных сил, около 10^-15 м, но оно слабее ядерного на десять порядков.

Гравитационное взаимодействие присуще всем частицам, но оно настолько незначительно, что им обычно пренебрегают.

3. Классификация стабильных элементарных частиц

Фотон

К элементарным частицам в отдельную группу отнесен фотон. Гамма-фотоны – это электромагнитный импульс высокой частоты с энергией порядка МэВ, излученные возбужденными ядрами или элементарными частицами в процессе взаимодействия. Масса покоя отсутствует. Стабилен, Не имеет электрического заряда. Спин равен единице.

Лептоны

Группа состоит из сравнительно легких частиц. Им присвоен так называемый лептонный заряд, равный 1. Каждой частице соответствует античастица, имеющая электрический и лептонный заряд противоположного знака. Лептоны взаимодействуют посредством слабого взаимодействия. При этом сохраняется лептонный заряд. Спин частиц равен ½.

В группу лептонов относят электрон, мю-мезон, тау-лептон и три вида нейтрино, рождающие совместно со своими частицами. А также их античастицы. Всего двенадцать частиц.

Электрон наиболее изучен. Открыт как частица, испускаемая катодом газоразрядных трубок. Он является носителем отрицательного элементарного электрического заряда. Электроны – составная часть атома, образуют его электронную оболочку. В свободном состоянии является носителем электрического тока в проводниках, в вакууме.

Позитрон является античастицей электрона. Теоретически был предсказан в результате решения уравнения Шредингера для релятивистских частиц. Открыт был во вторичном космическом излучении при распаде гамма-фотона на электрон и позитрон. Обратная реакция взаимодействия частицы и античастицы называется реакцией аннигиляции, в которой рождается два гамма-фотона:

. 15.1

Мю–мезон или мюон был открыт в атмосфере Земли во вторичном космическом излучении, которое образуется при взаимодействии потока первичных протонов с молекулами воздуха. Мюон по свойствам похож на электрон и может участвовать в создании оболочки атома. Его масса в 207 раз больше массы электрона. Мюон нестабилен, он распадается на электрон и электронное и мюонное нейтрино:

. 15.2

Нейтрино – нейтральная частица, масса покоя которой возможно отсутствует. Существование нейтрино было предсказано для объяснения бета–распада ядер, чтобы соблюсти законы сохранение энергии и импульса. Потоки нейтрино обладают большой проникающей способностью, пронзая Землю без заметного ослабления. Существует три вида нейтрино, возникающих вместе со своими лептонами.

Мезоны

В группу мезонов вначале были внесены частицы, масса покоя которых была промежуточной между массами электрона и протона. Они были предсказаны как носители ядерного взаимодействия. Такой частицей оказался нейтральный π-мезон с массой покоя 270 масс электрона, открытый в космическом излучении.

В группу мезонов входят нейтральные и положительно заряженные пи-мезоны (пионы), К-мезоны (каоны), эта-мезон и их античастицы. Всего девять мезонов. Вместе с барионами они объединены в группу адронов, частиц, участвующих в сильном взаимодействии. Хотя они участвуют в сильном взаимодействии, но им приписан нулевой барионный заряд. Лептонный заряд отсутствует. Мезоны имеют целочисленный спин, подобно фотону (кванту электромагнитного поля) и поэтому полагают, что они тоже являются квантами поля ядерных сил.

Замечено, что элементарная частица К-мезон в экспериментах всегда появлялись только вместе с каким-либо гипероном. Поэтому им было присвоено новое квантовое число – странность, К- мезону S = +1 и гипероном S = –1.

Барионы

Вначале в группу барионов входили протон и нейтрон как самые тяжелые частицы. Затем были открыты еще более тяжелые гипероны. Это квазистабильные частицы со временем жизни около 10^-10 с. Они называются лямбда–, сигма–, кси– и омега–гиперон. В группу барионов входят и большинство резонансов. Барионам присвоено квантовое число, так называемый барионный заряд +1. Спин барионов кратен полуцелому числу. Все гипероны обладают странностью S = –1. Барионы участвуют во всех видах взаимодействия частиц. Например, при сильном взаимодействии протона и пи-мезона по закону сохранения барионного числа рождается лямбда-гиперон и по закону сохранения странности в паре с гипероном рождается каон.

15.3

Протон – элементарная частица, масса которого близка к массе одной атомной единицы и в 1836 раз превышает массу электрона. Открыт Резерфордом при облучении мишени (золото) альфа-частицами. Имеет положительный элементарный заряд. Входит вместе с нейтронами в состав ядра, образуя вследствие сильного взаимодействия стабильные ядра. Является ядром атома водорода, который составляет основную часть Вселенной. В недрах звезд идет реакция превращения протонов в ядра гелия с выделением энергии.

Нейтрон – нейтральная частица, масса которого составляет 1838 масс электрона. Открыт при облучении бериллия альфа частицами. Нейтрон является нестабильной частицей со временем жизни около 10³ с. Вследствие слабого взаимодействия в процессе бета-распада нейтрон превращается в протон и электрон с антинейтрино:

. 15.4

Как видно, в процессе распада сохраняется электрический, барионный, лептонный заряды и спин. Возможно, что протон и нейтрон это два состояния одной частицы.

Гипероны были обнаружены в в фотоэмульсиях, облучаемых космическим излучением и на ускорителях. Это частицы, масса которых в два – три раза превосходит массу протона. Гиперон может иметь состояния, отличающиеся знаком электрического заряда. По свойствам аналогичны протону и нейтрону. Гипероны нестабильны, их время жизни составляет около 10^-10 с. Распадаются вследствие слабого взаимодействия по закону сохранения барионного заряда с образованием нуклона, по закону сохранения лептонного числа с образованием пар лептон – антилептон, и по закону сохранения странности с рождением каона:

. 15.5