Физика атома и ядра. Слепцов И.А., Слепцов А.А.

Понятие элементарной частицы.

Элементарными частицами условно называют большую группу мельчайших микрочастиц, не являющихся атомами или атомными ядрами (за исключением протонов - ядер атома водорода). Элементарные частицы являются специфическими формами материи, не ассоциированной в атомы и атомные ядра. В таком определении элементарных частиц мы отвлекаемся от классического смысла термина «элементарность», суть которого заключается в том, элементарная частица должна быть первичной и далее неделимой на более мелкие части. Допускается, что микрочастицы, которые мы относим к элементарным частицам, могут иметь сложную структуру, вследствие чего они могут быть нестабильными, способными делиться на составные части. А при столкновениях друг с другом могут исчезать, превращаясь в другие элементарные частицы, или оставаться самим собой, но при этом в результате столкновения кроме исходных частиц, могут рождаться дополнительно и еще новые частицы. Все эти известные экспериментальные факты делают непростой задачей определение сути элементарных частиц. Поэтому чтобы микрочастицы идентифицировались как элементарные частицы, необходимо принять особые критерии. В частности, в ядерной физике микрочастица X называется элементарной, если либо она не может быть раздроблена более мелкие частицы X_i(i=1,2,...), либо любая X_i из рождающихся при столкновении новых частиц не выполняется условие E_i≤m_ic². Элементарным частицам приписываются определенные значения массы, электрического заряда, спина и других физических характеристик, свойственных обычным частицам. Это позволяет достаточно надежно идентифицировать эти частицы в экспериментах. Нестабильные частицы еще отличаются друг от друга средним временем жизни. Кроме того, у элементарных частиц имеются свойства, описываемые особыми квантовыми числами, которые не применяются для характеристики обычных микрочастиц.

Любое столкновение элементарных частиц между собой относится к ядерным реакциям в широком смысле этого слова.

Главное свойство элементарных частиц - это их способность рождаться или превращаться друг в друга при столкновениях других частиц. Примером может служить следующая ядерная реакция

Здесь при столкновении двух протонов за счет избытка их кинетических энергий рождается новая частица π⁰ - нейтральный пи-мезон. Естественно, реакция произойдет только в том случае, если будут соблюдены все законы сохранения, о которых говорилось выше. Возможны взаимопревращения одних частиц в другие. Например, известна реакция, где происходит процесс поглощения и рождения элементарных частиц:

Здесь π⁺ - частица, названная пи-мезоном положительным. Заметим, что мы применили форму записи ядерной реакции, где указаны лишь обозначения частиц без дополнительных атрибутов.

История открытия элементарных частиц.

В 1897 году Дж. Дж. Томсон измерил отношение заряда электрона к его массе и высказал гипотезу о том, что электроны являются составными частями атомов. Последующие исследования утвердили гипотезу Томсона, так как они показали, что электроны легко выделяются из атомов любого химического элемента. Таким образом, 1897 год считается годом открытия первой элементарной частицы - электрона, и честь открытия его принадлежит Томсону.

После электрона был открыт фотон. Он был открыт благодаря экспериментальным работам, призванным подтвердить гипотезу Планка- Эйнштейна о световых квантах. Хотя световой квант сначала не считалась частицей, так как он не обладал главным свойством частицы - массой покоя, да и ещё при этом двигался во всех системах отчета с одинаковой скоростью, но благодаря последующим исследованиям квант возведен в ранг полноправной элементарной частицы и был назван фотоном.

Третьей открытой элементарной частицей является протон - ядро атома водорода, единственное атомное ядро, которое относится к элементарным частицам. Он был открыт Резерфордом в 1911 году, когда он проводил эксперименты по рассеянию потока α - частиц для зондирования внутренностей атомов.

В 1932 году был открыт нейтрон. Честь открытия нейтрона принадлежит Чэдвику, ученику Резерфорда. В 1930 году была обнаружена ядерная реакция, которая сопровождалась неизвестным до сих пор проникающим излучением. Через два года после этого Чэдвик доказал, что данное излучение состоит из частиц, предсказанных некогда его учителем Резерфордом. Тот, моделируя атомное ядро, высказал гипотезу о том, что ядро должно состоять из частиц двух сортов - протона и некоторой незаряженной частицы с массой, примерно равной массе протона. Частица была названа нейтроном.

В том же 1932 году была другая элементарная частица - позитрон. Позитрон был предсказан Дираком в его релятивисткой теории электрона (1931 г.), а через год был обнаружен Андерсоном в космических лучах - потоке высокоэнергетических частиц, попадающих в околоземное пространство из космоса. Он направил космические лучи в камеру Вильсона, помещенный в магнитном поле, и сфотографировал. В снимках был виден след частицы, точно такой же, как в случае электрона, но закрученный в противоположную сторону. Отсюда был высказано утверждение, что след принадлежит положительному электрону, то есть позитрону. В дальнейшем другими экспериментами было подтверждено открытие Андерсона.

В 1937 году в космических лучах Андерсон и Нейддермер обнаружили элементарные частицы, которые были названы μ - мезонами или мюонами. Сначала их отождествили с частицами Юкавы, связанными с ядерными силами, но дальнейшие исследования найденных частиц не подтвердили данного предположения. Оказалось, что эти частицы очень слабо взаимодействуют с веществом, следовательно, не могут быть частицами, предсказанными Юкавы в его мезонной теории ядерных сил. Частицы Юкавы были обнаружены в 1947 году группой Пауэлла и были названы π - мезонами или пионами.

В 1930 году Паули выдвинул гипотезу о том, что при β - распаде наряду с электроном вылетает еще какая-то неизвестная нейтральная частица, не регистрируемая детектором. Частица была названа нейтрино. Обнаружение нейтрино оказалось трудной задачей. Лишь в 1956 году нейтрино впервые зарегистрировано в ядерных столкновениях электронного антинейтрино с протоном

В дальнейшем было обнаружено множество элементарных частиц, но уже с помощью новейших методов исследования с применением мощных ускорителей частиц.

Взаимодействие элементарных частиц.

Каждая из элементарных частиц испытывает какое-то взаимодействие с любой другой частицей. Взаимодействия между ними распадаются на четыре вида, перечислим их в порядке убывания интенсивности взаимодействия: сильные взаимодействия, электромагнитные взаимодействия, слабые взаимодействия, гравитационные взаимодействия. Интенсивность взаимодействия элементарных частиц принято характеризовать константой взаимодействия. Данная константа безразмерна, определяет вероятность процессов, обусловленных данным видом взаимодействия. Указывают относительную интенсивность взаимодействий как отношений констант взаимодействий, выбирая шкалу относительно интенсивности сильного взаимодействия. Если по выбранной школе интенсивность сильного взаимодействия равна 10, то электромагнитное взаимодействие будет обладать интенсивностью 10^-2, слабое - 10^-14, а гравитационное взаимодействие - 10^-39. Кроме того, каждому виду взаимодействия характерно свойственное ему среднее время жизни распадающихся за его счет частиц.

Сильное взаимодействие обуславливает процессы, протекающие наиболее быстро по сравнению с другими процессами. Оно обеспечивает и самую сильную связь элементарных частиц. Оно отвечает за большую часть явлений ядерной физики. Сильным взаимодействием между нуклонами в ядре обеспечивается исключительная прочность ядер, лежащая в основе стабильности вещества в земных условиях. Радиус сильного взаимодействия ограничен размером ядра 10^-15м. Частицы, участвующие в сильных взаимодействиях, называют адронами.

Электромагнитное взаимодействие является классическим электродинамическим взаимодействием между электрически заряженными частицами. Процессы, связанные с электромагнитным взаимодействием, протекают значительно менее быстро, чем процессы, вызываемые сильным взаимодействием. Данное взаимодействие обеспечивает связь электронов в атомах, ионов в кристаллах, атомов в молекулах. Отвечает за обширную область явлений окружающей нас природы. Имеет бесконечный радиус действия.

Слабое взаимодействие вызывает очень медленно протекающие процессы с элементарными частицами. Это взаимодействие ответственно за все виды β - распада ядер, в том числе за e - захват, за многие распады элементарных частиц. Слабое взаимодействие ощущается всем частицами, кроме гравитона. Это единственное взаимодействие, где экспериментально обнаружено существование нейтрино, и оно отвечает за все процессы взаимодействия нейтрино с веществом. Слабое взаимодействие, является короткодействующим.

Гравитационное взаимодействие было открыто раньше остальных взаимодействий, потому что оно проявляется во взаимодействии тел огромных макроскопических размеров. Гравитационному взаимодействию подвержены все частицы, но эффекты гравитации во взаимодействиях элементарных частиц пренебрежимо малы, или вообще не обнаружены. Поэтому в настоящее время гравитационное взаимодействие не учитывается в теории элементарных частиц. Им занимается общая теория относительности, где рассматриваются вопросы космологии.

Взаимодействия элементарных частиц носит полевой или обменный характер. Они взаимодействуют между собой через особые поля, обмениваясь между собой частицами этих полей. Например, давно принято, что взаимодействие зарядов осуществляется электромагнитным полем Максвелла-Лоренца. Квантом этого поля является фотон. Вначале он истосковался как частица световой волны. По современным представлениям он интерпретируется, как частица-переносчик электромагнитного взаимодействия. Подобные частицы-переносчики существуют и для других взаимодействий. Таковыми для слабого взаимодействия считаются так называемые промежуточные векторные бозоны: W^±-,Z⁰-бозоны. Векторные бозоны были открыты в семидесятых годах XX века. Для гравитационного взаимодействия частицы-переносчики не обнаружены. Гипотетически таковыми считаются частицы гравитационной волны - гравитоны.

В случае сильного взаимодействия элементарных частиц была высказана гипотеза о квантах ядерного поля взаимодействия. Японский физик Юкава предположил, что сильное взаимодействие между двумя нуклонами осуществляется посредством квантованного поля ядерных сил, подобно тому, как взаимодействие двух зарядов переносится фотоном - квантом электромагнитного поля. Согласно идеям Юкавы нуклон может постоянно излучать и снова поглощать кванты ядерного поля. Эти частицы были названы мезонами, то есть по своей массе средними частицами между электроном и протоном. Действительно, как мы уже знаем, частицы Юкавы (π - мезоны) были открыты, но дальнейшее развитие квантовой теории сильного взаимодействия показали, что эти частицы не являются прямыми переносчиками сильного взаимодействия. Дело заключается в том, что адроны имеют сложную внутреннюю структуру, и частицами-переносчиками сильного взаимодействия между элементарными частицами являются не частицы Юкавы, а так называемые глюоны. По современным представлениям сильное взаимодействие непосредственно осуществляется между составными частями адронов - кварками - с помощью глюонов.

Классификация элементарных частиц.

Во-первых, частицы различаются на бозоны и фермионы в зависимости от того, какому виду квантовой статистике они принадлежат. Частицы, обладающие нулевым или целочисленным спином, подчиняются статистике Бозе-Эйнштейна и называются бозонами. Частицы с полуцелым спином подчиняются статистике Ферми-Эйнштейна и называются фермионами. Во-вторых, по среднему времени жизни частицы бывают стабильными или нестабильными. Также различают частицы и квазичастицы, они могут быть стабильными или квазистабильными. Каждой частице соответствует своя античастица, которая может отличаться от первой знаком заряда. Любая другая классификация элементарных частиц в некоторой степени является условной, так как количество свойств элементарных частиц много, каждое из которых в отдельных условиях может оказаться главенствующим.

В общепринятой классификации элементарных частиц приняты за основные признаки их масса и в некоторой степени типы взаимодействий, в которых участвуют частицы. По этой классификации совокупность частиц группируются по семействам. Первая группа - это семейство частиц - переносчиков взаимодействий. В этой группе входят фотоны (γ - квант), промежуточные векторные бозоны, глюоны и гравитоны. Эти частицы обеспечивают различные виды взаимодействия между частицами. Они имеют целочисленные спины. Поэтому группу отмечают как семейство бозонов. Фотоны и векторные бозоны экспериментально обнаружены. Вначале в этой группе только входил только фотон. Затем по мере развития теории были включены и остальные частицы.

Фотон электрически нейтрален, не имеет массы покоя. Он стабилен, живет до тех пор, пока не вступит во взаимодействие с другой частицей. Участвует в электромагнитных взаимодействиях, но не обладает сильными и слабыми взаимодействиями.

Вторую группу - семейство лептонов образуют легчайшие фермионы - электрон e^-, позитрон e⁺, положительные и отрицательные мюоны (μ^± - мезон), тяжелые лептоны τ^± (таоны), электронное v_e, мезонное μ_μ и таонное v_τ нейтрино. Каждой частице X соответствует античастица \( \tilde{X} \). Лептоны не подвержены сильным взаимодействиям, участвуют в процессах слабого взаимодействия. Все заряженные лептоны обладают электромагнитным взаимодействием. Лептоны считаются истинно элементарными частицами, так как у них не обнаружена внутренняя структура.

Лептоны идентифицируются особым квантовым числом - лептонным числом, равным единице (L=1). Лептонное число антилептонов равно минус единице (L=-1). Для всех частиц, которые не входит в группу лептонов, лептонное число равно нулю (L=0). Величину L называют также лептонным зарядом, и для него имеет место закон сохранения заряда, притом для каждого лептона в отдельности. Поэтому различают электронное L′, мюонное L″ и таонное L‴ лептонные числа.

Следующую группу образуют адроны - частицы, участвующие в сильных взаимодействиях. Адроны различаются на стабильные и квазистабильные адроны. Они, как правило, участвуют также и во всех других взаимодействиях - электромагнитном и слабом. Стабильные адроны подразделяются на мезоны и барионы.

Мезонами называются нестабильные заряженные или нейтральные адроны, обладающие нулевым или целочисленным спином. Мезонам относятся нейтральный пион π⁰(π⁰ - мезон), заряженные пионы π^± и K^± - мезоны. Раньше объединяющим признаком мезонов являлось то, что их массы имели значения, промежуточные между массами электрона и нуклона. Позднее были открыты еще другие частицы, которые относятся к мезонам, их называют тяжелыми мезонами, поскольку их масса больше массы нуклона. Имеют сложную внутреннюю структуру, поэтому не могут быть элементарными частицами в классическом смысле этого слова. Мезоны нестабильны, распадаются на лептоны в слабых взаимодействиях. У мезонов нет особого квантового числа, идентифицирующего их от других семейств, для них лептонные и барионные заряды равны нулю.

Барионами называются адроны с полуцелым спином и массами, не меньшими массы протона. Семейство барионов объединяет в себе нуклоны (p⁺,n⁰) и нестабильные частицы с массой, большей массы нуклонов, получившие название гиперонов (Λ⁰,Σ^±,Σ⁰,Ξ⁰,Ξ^-,Ω^-). Из барионов стабильной частицей считается протон, а все остальные барионы нестабильны. Барионы идентифицируются особым квантовым числом - барионным числом или зарядом B, которое может принимать, как и лептонный заряд, одно из трех возможных значений. Для барионов B=1, для антибарионов B=-1, для всех остальных частиц B=0. Имеет место закон сохранения барионного заряда, поэтому при распаде бариона, наряду с другими частицами, обязательно образуется барион.

Кроме перечисленных выше частиц существует большое количество тяжелых, сильно взаимодействующих и короткоживущих частиц. Это частицы называют резонансами. Существуют мюонные и барионные резонансы. Они могут быть фермионами и бозонами. В некоторой степени частицу-резонанс можно представить как некоторое промежуточное состояние составной частицы, которое в течение ядерного времени порядка 10^-23 секунд распадается на новые частицы. Иногда попадают долгоживущие частицы-резонансы со временем жизни порядка 10^-10 с. Например, Ω^- - гиперон. Резонансы сильно взаимодействуют друг с другом и более стабильными мезонами и барионами.

По данной классификации основных элементарных частиц составляют таблицы, в которых более детально характеризуют каждую частицу. В частности указывают обозначения частиц, массу, среднее время жизни, основные схемы (каналы) распада и совокупность квантовых чисел.

Квантовые числа элементарных частиц.

Квантовыми числами элементарных частиц являются масса покоя, электрический заряд, спин и магнитный дипольный момент, тип статистики, изоспин, барионное и лептонное число, странность, четность, гиперзаряд.

По самой своей природы элементарные частицы представляют собой локализованные в пространстве сгустки энергии, и их масса неразрывно связана с их полной энергией. Эта связь установлена Эйнштейном в теории относительности и имеет вид

Величину m, как правило, называют релятивисткой массой частицы в отличие от классического понятия массы покоя m₀. Энергия покоя частицы определяется величиной E₀=m₀c². Почти все элементарные частицы обладают массой покоя, которую принято выражать в МэВ. Однако имеются частицы, которые никогда не могут находиться в состояния покоя, и их масса покоя равна нулю. Например, фотон или нейтрино.

Милликен определил значение электрического заряда электрона, тем самым установил закон кратности электрического заряда атомных частиц заряду электрона. Согласно этому закону положительные или отрицательные заряды, которыми обладают атомы, ядра, элементарные частицы являются равными нулю или целыми кратными элементарному заряду - абсолютной величине заряда электрона. Однако с развитием теории элементарных частиц выдвинута гипотеза о существовании кварков - частиц с дробными значениями заряда. Заряды атомных ядер, элементарных частиц принято измерять в единицах элементарного заряда.

Впервые предположение о существование собственного (спинового) механического и магнитного моментов было высказано относительно электрона. В частности оно было применено Уленбеком и Гаудсмитом для объяснения тонкой структуры атомных спектров. Эти моменты определяются особым квантовым числом «спин» или спиновым квантовым числом s, равным для электрона 1/2. В дальнейшем был обнаружено, что имеются и другие частицы, спиновое квантовое число которых равно полуцелому значению. Такие частицы принято называть фермионами, а тип статистики, которому они подчиняются, носит называние статистики Ферми-Дирака. Суть статистики заключается в следующем. В квантовых системах, состоящих из многих частиц, имеет место принцип запрета Паули, сформулированный им в случае многоэлектронных атомов. С математической точки зрения это означает, что волновые функции, с помощью которой с некоторой вероятностью можно описать любое свойство частиц, для фермионов должны быть антисимметричными, то есть менять знаки при попарной перестановке координат двух частиц в системе. Имеет другой тип квантовой статистики - статистика Бозе-Эйнштейна. Этому типу подчиняются частицы, которых спиновые квантовые числа имеют нулевые или целочисленные значения. Таковыми, например, являются фотоны и другие частицы-переносчики взаимодействий.

Сильное взаимодействие не зависит от заряда нуклонов. Ядерные силы, действующие между двумя протонами, протоном и нейтроном и двумя нейтронами имеют одинаковую величину. Это свойство называется зарядовой независимостью ядерных сил. Оно обуславливает того, что протон и нейтрон обнаруживают гораздо больше сходства, чем различий. У них массы близки, спиновые квантовые числа имеют равные значения, в сильных взаимодействиях участвуют равным образом. Это дает основание рассматривать протон и нейтрон как два различных состояния одной и той же частицы - нуклона. Разное состояние нуклона идентифицируется особым квантовым числом - проекцией T_Z изотопического спина T на избранную ось Z абстрактного (воображаемого) так называемого изотопического пространства. Частицы, отмеченные данным T, образуют зарядовый мультиплет. Принято считать, что для протона T_Z=1/2, а для нейтрона T_Z=-1/2. Нуклон является зарядовым дублетом, для которого изотопический спин равен T=1/2. Число составляющих мультиплета равен 2T+1, в частности для нуклона равно 2.

Другие элементарные частицы также можно объединять в зарядовые мультиплеты. Например, пионы (π - мезоны) образуют зарядовый триплет. Для пиона T=1, число составляющих равно 2T+1=3. Значения проекций изотопического спина T_Z равны +1, 0, -1 для положительного пиона (π⁺), нейтрального пиона (π⁰) и отрицательно пиона (π^-) соответственно.

В зарядовый мультиплет объединяются частицы, отличающиеся только величиной или знаком электрического заряда, а все остальные величины, характеризующие частицы (кроме масс), должны быть одинаковыми.

О квантовых числах - лептонных и барионных зарядах мы говорили выше. Каждое из этих чисел равно нулю для каждой частицы, не принадлежащей к соответствующему семейству.

Во второй половины XX века стали известны так называемые странные частицы. К ним относятся K - мезоны (каоны) и Λ-,Σ-,Ξ-гипероны. «Странность» этих частиц заключаются в том, что они рождаются в сильных взаимодействиях, но распадаются в результате слабого взаимодействия. Для их характеристики было введено новое квантовое число S, суммарное значение которого должно сохраняться при сильных взаимодействиях. Квантовое число S может не сохраняться в слабых взаимодействиях. Оно связано с барионным зарядом частицы и со средним электрическим зарядом <Q> частиц, образующих зарядовый мультиплет соотношением

Средний заряд <Q> для многих мультиплетов оказывается полуцелым. Чтобы не иметь дело с дробными числами, было введено целое квантовое число - гиперзаряд

Отсюда имеем

Гиперзаряд сохраняется в сильных и электромагнитных взаимодействиях и может не сохраняться в слабых взаимодействиях.

Элементарная частица, как любая другая микрочастица, характеризуется квантовомеханической величиной - четностью. Не останавливаясь на определение четности, скажем лишь о том, что квантовое число четность P сохраняется во всех взаимодействиях, кроме слабого взаимодействия.

В семидесятых годах XX открыты были предсказаны и открыты новые частицы - мезоны, во внутреннюю структуру которых входят кварки, названные «очарованными» и «прелестными». Эти открытия новых мезонов было триумфом кварковой модели элементарных частиц.