22,Г!!! Частица и античастица!!!

На основе релятивистской квантовой теории пришли к заключению, что для каждой элементарной частицы должна существовать античастица(принцип зарядового сопряжения). Эксперименты показывают, что за немногим исключением (например, фотона и p⁰-мезона), действительно, каждой частице соответствует античастица.

Из общих положений квантовой теории следует, что частицы и античастицы должны иметь одинаковые массы, одинаковые времена жизни в вакууме, одинаковые по модулю, но противоположные по знаку электрические заряды (и магнитные моменты), одинаковые спины и изотопические спины, а также одинаковые остальные кван­товые числа, приписываемые элементарным частицам для описания закономерностей их взаимодействия (лептонное число, барионное число, странность, очарование и т. д.). До 1956 г. считалось, что имеется полная симметрия между частицами и античастицами, в 1956 г. доказано, что подобная симметрия характерна только для сильного и электромагнитного взаимодействий и нарушается для слабого.

Согласно теории Дирака, столкновение частицы и античастицы должно приводить к их взаимной аннигиляции, в результате которой возникают другие элементарные частицы или фотоны. Примером тому является рассмотренная реакция (263.3) аннигиляции пары электрон — позитрон. После того как предсказанное теоретически существование позитрона было подтве­рждено экспериментально, возник вопрос о существовании антипротона и антинейтрона. Расчеты показывают, что для создания пары частица — античастица надо затратить энергию, превышающую удвоенную энергию покоя пары, поскольку частицам необходимо сообщить весьма значительную кинетическую энергию. Для создания  -пары необходима энергия примерно 4,4 ГэВ. Антипротон был действительно обнаружен экспериментально (1955) при рассеянии протонов, на нуклонах ядер мишени (мишенью служила медь), в результате которого рождалась пара  .

Антипротон отличается от протона знаками электрического заряда и собственного магнитного момента. Антипротон может аннигилировать не только с протоном, но и с нейтроном:                                      (273.1)

                                     (273.2)

                                     (273.3)

Годом позже (1956) на том же ускорителе удалось получить антинейтрон ( ) и осуществить его аннигиляцию. Антинейтроны возникали в результате перезарядки антипротонов при их движении через вещество. Реакция перезарядки   состоит в об­мене зарядов между нуклоном и антинуклоном и может протекать по схемам

                                                      (273.4)

                                                          (273.5)

Антинейтрон   отличается от нейтрона n знаком собственного магнитного момен­та. Если антипротоны — стабильные частицы, то свободный антинейтрон, если он не испытывает аннигиляции, в конце концов претерпевает распад по схеме

Античастицы были найдены также для p⁺-мезона, каонов и гиперонов. Однако существуют частицы, которые античастиц не имеют, — это так называемые истинно нейтральные частицы. К ним относятся фотон, p⁰-мезон и h-мезон (его масса равна 1074m_e, время жизни 7×10^–19 с; распадается с образованием p-мезонов и g-квантов). Истинно нейтральные частицы испытыва­ют взаимные превращения, являющиеся фундаментальным свойством всех элементарных частиц. Можно сказать, что каждая из истинно нейтральных частиц тождественна со своей античастицей.

Большой интерес и серьезные трудности представляли доказательство существова­ния антинейтрино и ответ на вопрос, являются ли нейтрино и антинейтрино тождест­венными или различными частицами. Используя мощные потоки антинейтрино, полу­чаемые в реакторах (осколки деления тяжелых ядер испытывают b-распад и, согласно (258.1), испускают антинейтрино), американские физики Ф. Рейнес и К. Коуэн (1956) надежно зафиксировали реакцию захвата электронного антинейтрино протоном:

                                                          (273.6)

Аналогично зафиксирована реакция захвата электронного нейтрино нейтроном:

                                                         (273.7)

Таким образом, реакции (273.6) и (273.7) явились, с одной стороны, бесспорным доказательством того, что   и  , — реальные частицы, а не фиктивные понятия, введенные лишь для объяснения b-распада, а с другой — подтвердили вывод о том, что   и    — различные частицы. В дальнейшем эксперименты по рождению и поглощению мюонных нейтрино показали, что и   и   — различные частицы. Также доказано, что пара  ,   — различные частицы, а пара  ,   не тождественна паре  ,  . Согласно идее Б. М. Понтекорво, осуществлялась реакция захвата мюонного нейтрино (получались при распаде p⁺®m⁺+n_m (271.1)) нейтронами и наблюдались возникающие частицы. Оказалось, что реакция (273.7) не идет, а захват происходит по схеме т. е. вместо электронов в реакции рождались m^–-мюоны. Это и подтверждало различие между   и  .По современным представлениям, нейтрино и антинейтрино отличаются друг от друга одной из квантовых характеристик состояния элементарной частицы —спиральностью, определяемой как проекция спина частицы на направление ее движения (на импульс). Для объяснения экспериментальных данных предполагают, что у нейтрино спин s ориентирован антипараллельно импульсу р, т. е. направления р и s образуют левый винт и нейтрино обладает левой спиральностью (рис. 349, а). У антинейтрино направления р и s образуют правый винт, т. е. антинейтрино обладает правой спиральностью (рис. 349,б). Это свойство справедливо в равной мере как для электронного, так и для мюонного нейтрино (антинейтрино).Для того чтобы спиральность могла быть использована в качестве характеристики нейтрино (антинейтрино), масса нейтрино должна приниматься равной нулю. Введение спиральности позволило объяснить, например, нарушение закона сохранения четности при слабых взаимодействиях, вызывающих распад элементарных частиц и b-распад. Taк, m^–-мюону приписывают правую спиральность, m⁺-мюону — левую.

После открытия столь большого числа античастиц возникла новая задача — найти антиядра, иными словами, доказать существование антивещества, которое построено из античастиц, так же как вещество из частиц. Антиядра действительно были об­наружены. Первое антиядро — антидейтрон (связанное состояние   и ) — было полу­чено в 1965 г. группой американских физиков под руководством Л. Ледермана. Впоследствии на Серпуховском ускорителе были синтезированы ядра антигелия (1970) и антитрития (1973).

Следует, однако, отметить, что возможность аннигиляции при встрече с частицами не позволяет античастицам длительное время существовать среди частиц. Поэтому для устойчивого состояния антивещества оно должно быть от вещества изолировано. Если бы вблизи известной нам части Вселенной существовало скопление антивещества, то должно было бы наблюдаться мощное аннигиляционное излучение (взрывы с выделением огромных количеств энергии). Однако пока астрофизики ничего подобного не зарегистрировали. Исследования, проводимые для поиска антиядер (в конечном счете антиматерии), и достигнутые в этом направлении первые успехи имеют фундаментальное значение для дальнейшего познания строения вещества.

22,Д!!! Внутренними характеристиками (квантовыми числами) элементарных частиц являются лептонный (символ L) и барионный (символ В)заряды; эти числа считаются строго сохраняющимися величинами для всех типов фундаментальных взаимодействий. Для лептонных нейтрино и их античастиц L имеют противоположные знаки; для барионов В = 1, для соответствующих античастиц В=-1.

Для адронов характерно наличие особых квантовых чисел: "странности", "очарования", "красоты". Обычные (нестранные) адроны - протон, нейтрон, π-мезоны. Внутри разных групп адронов имеются семейства частиц, близких по массе и со сходными свойствами по отношению к сильному взаимодействию, но с различными значениями электрического заряда; простейший пример – протон и нейтрон. Общее квантовое число для таких элементарных частиц – так называемый изотопический спин, принимающий, как и обычный спин, целые и полуцелые значения. К особым характеристикам адронов относится и внутренняя четность, принимающая значения ±1.

Лептонное число - аддитивное квантовое число, которое сопоставляется каждому поколению лептонов. Лептонам приписывается лептонное число L = +1, антилептонам - L = -1.

Le(e-, e) = +1, Lμ(μ-,νμ) = +1, Lτ(τ-,ντ) = +1,

Le(e+, e) = -1, Lμ(μ+, μ) = -1, Lτ(τ+, τ) = -1.

У частиц не являющихся лептонами лептонные числа равны 0. Лептонное число системы частиц равно алгебраической сумме лептонных чисел входящих в нее частиц. Как следует из эксперимента, во всех процессах, происходящих в замкнутой системе в результате сильных, электромагнитных и слабых взаимодействий, каждое лептонное число L_e, L_μ и L_τ сохраняется порознь. Это позволяет объяснить почему, например, происходят процессы

e + p e+ + n, νμ + n μ- + p, τ- μ- +   + ντ,

π- μ- +  μ,  μ-  e- +  e + νμ, τ- e- +  e + ντ.

Закон сохранения лептонных чисел требует, например, чтобы в реакции распада нейтрона вместе с электроном обязательно рождалось электронное антинейтрино. Распад  π^--мезона обязательно должен сопровождаться появлением отрицательного мюона и мюонного антинейтрино. Распад отрицательного мюона должен сопровождаться появлением мюонного нейтрино и электронного антинейтрино. В то же время законы сохранения L_e и L_μ запрещают распад отрицательного мюона на электрон и гамма-квант.     Однако с теоретической точки зрения нет весомых аргументов считать, что законы сохранения лептонных чисел являются абсолютно строгими законами сохранения. Поэтому важно установить степень выполнения этих законов сохранения. Точность выполнения  законов сохранения лептонных чисел L_e, L_μ и L_τ оценивается на основе сопоставления вероятностей процессов разрешенных и запрещенных этими законами сохранения.

Из закона сохранения лептонных чисел следует, что нейтрино являются стабильными частицами, т.к. ν_e является самой легкой частицей, имеющей L_e = +1. Аналогично  _e является самой легкой частицей, имеющей L_e = -1. Из таких же рассуждений следует стабильность ν_μ, ν_τ,  _μ,  _τ. Стабильность электрона и позитрона следует из закона сохранения электрического заряда. Электрон является стабильной частицей, т.к. это самая легкая частица, имеющая отрицательный электрический заряд -e. Аналогичные рассуждения справедливы для позитрона.

Барионное число (барионный заряд) - одна из квантовых характеристик частиц. Барионное число B = 1 для всех барионов. B = -1 для антибарионов. B = 0 для всех остальных частиц (мезонов, лептонов). Барионное квантовое число является аддитивным квантовым числом. Барионное число системы частиц равно разности между числом барионов и числом антибарионов в системе. Барионное число атомных ядер, содержащих A нуклонов, равно их массовому числу А. Барионное число сохраняется для всех типов взаимодействий частиц и атомных ядер. Точность сохранения барионного числа характеризуется стабильностью протона, время жизни которого больше 10³² лет. Протон стабилен, т.к. он является легчайшим барионом, имеющим барионное число B = +1. Антипротон тоже стабилен, т.к. это самый лёгкий барион, имеющий барионное число B = -1. Барионное число всех кварков B = +1/3. Для всех антикварков B = -1/3.     В некоторых моделях Великого объединения предсказывается возможность нарушения закона сохранения барионного числа, что может приводить к распаду протона, например, p → e⁺ + π⁰ или осцилляции нейтрона n →  . Существуют модели, связывающие существующую барионную асимметрию Вселенной с нестабильностью протона.

 Квантовые числа - барионное число В, странность s, очарование (charm) с, красота (bottomness или beauty) b, верхний (topness) t, изотопический спин I приписывают только сильно взаимодействующим частицам - адронам.

Charm с. Квантовое число с может принимать значения -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3. В настоящее время обнаружены частицы, имеющие с = 0, +1 и -1. Например, барион Λ⁺_c имеет с = +1.    Bottomness b. Квантовое число b может принимать значения -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3. В настоящее время обнаружены частицы, имеющие b = 0, +1, -1.  Например, В⁺ -мезон имеет b = +1.     Topness t. Квантовое число t может принимать значения -3, -2,-1, 0, +1, +2, +3. В настоящее время обнаружено всего одно состояние с t = +1.     Изоспин I.   Сильно взаимодействующие частицы можно разбить на группы частиц, обладающих схожими свойствами (одинаковое значение спина, чётности, барионного числа, странности и др. квантовых чисел, сохраняющихся в сильных взаимодействиях) - изотопические мультиплеты. Величина изоспина I определяет число частиц, входящих в один изотопический мультиплет. n и р составляют изотопический дуплет I=1/2; Σ⁺, Σ^-, Σ⁰   входят в состав изотопического триплета I = 1,Λ - изотопический синглет  I = 0, число частиц, входящих в один изотопический мультиплет 2I + 1.     G-четность - это квантовое число, соответствующее симметрии относительно одновременной операции зарядового сопряжения   и изменения знака третьей компоненты I_z изоспина. G-четность сохраняется только в сильных взаимодействиях.

 Странность s. Квантовое число s может принимать значения -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3 и определяется кварковым составом адронов. Например, гипероны Λ, Σ   имеют s = -l ;  K⁺,  K^- -мезоны имеют s = +l.Была обнаружена странная особенность вновь открытых частиц - они рождались парами, хотя не были частицей и античастицей. Здесь была другая закономерность. Так, например, при столкновении двух протонов возможна реакция p + p  p + Λ + K⁺,

K+ → μ+ + νμ,	Λ → p + π−,
K+ → π+ + π0,	Λ → n + π0.

в которой рождаются две странные частицы  -частица и K⁺-мезон. Образовавшиеся "странные" частицы затем распадаются на лептоны, нуклоны и пионы

Среди вновь открытых странных частиц оказались частицы, имеющие массу покоя больше массы покоя нуклона. Эти частицы были названы гиперонами. К ним относятся Λ,  , Σ⁺, Σ⁻, Ξ⁰, Ξ⁻,Ω⁻.  На рис.2-4 показаны кварковые диаграмма рождения и распада странных частиц.     Вторая особенность поведения странных частиц - большое время жизни. В результате распада Λ образуются сильно взаимодействующие частицы p и   или n и  . Поэтому казалось, что время жизни странных частиц должно быть ~10^-22-10^-23 сек. На самом деле их время жизни~10^-10 с, характерно для слабого взаимодействия.