Античастицы

Уравнение Шрёдингера является нерелятивистским. Наличие у электрона спина из этого уравнения не следовало и вводилось в теорию как опытный факт.

Волновое уравнение Дирака, полученное в 1928 г.

В 1932 г. позитроны были экспериментально обнаружены в космическом излучении.

В дальнейшем было показано, что у всех элементарных частиц имеются античастицы.

В 1955 г. был обнаружен антипротон ; в 1956 г. – антинейтрон и т.д..

Так, антинейтрино, выделяющееся при распаде нейтрона по схеме

25 – 2

может захватываться протоном и образовывать нейтрон и позитрон:

.

А вот нейтрон с этим антинейтрино не взаимодействует. Эато нейтрон хорошо взаимодействует с нейтрино по схеме:

.

Таким образом, электронные нейтрино и антинейтрино являются разными частицами, отличающимися только знаком спина. Тоже можно сказать про нейтрон и антинейтрон.

Существуют также частицы, полностью совпадающие со своими античастицами. Это фотон, пи-нуль-мезон π⁰ и эта-мезон η⁰.

Из уравнения Дирака также следовало, что при столкновении частицы с античастицей они исчезают (аннигилируют), превращаясь в два γ-кванта, например:

или рождаются при прохождении γ-кванта большой энергии вблизи атомного ядра:

, причём 1,022 МэВ.

Действующие в мире элементарных частиц законы сохранения не допускают возможности возникновения одиночных античастиц.

Основные характеристики элементарных частиц

а) Масса – т (измеряется в энергетических единицах (МэВ или ГэВ)).

б) Среднее время жизни – τ (служит мерой стабильности частицы и измеряется в с ) .

в) Спин – J – собственный момент импульса частицы. Принимает целые и полуцелые значения. ( Измеряется в единицах ).

г) Электрический заряд – q (измеряется в единицах элементарного заряда е ). Для всех частиц в свободном состоянии он равен 0 или .

д) Магнитный момент – μ – максимальное значение проекции вектора собственного магнитного момента частицы. Векторы и (спин) коллинеарны. Если то , а если , то μ < 0. Магнитные моменты μ элементарных частиц обычно измеряют в единицах соответствующих магнетонов (например, для электрона это магнетон Бора ).

25 – 3

Фундаментальные взаимодействия

Взаимодействие	Механизм обмена	Интенсивность	Длительность процессов, с	Радиус действия, м
Сильное	глюонами	1	10-23	10-15
Электромагнитное	фотонами	1/137	10-16
Слабое	промежут. бозонами	10-6	10-13	10-18
Гравитационное	гравитонами	10-38	?

Интенсивность (или константу взаимодействия) представляют в относительных единицах, где за единицу принята интенсивность при сильных взаимодействиях.

1) Сильные взаимодействия удерживают нуклоны в ядрах. Частицы, участвующие в сильном взаимодействии, называются адронами (протон, нейтрон, гипероны, мюоны и др.). Короткодействующие.

2) Электромагнитные взаимодействия значительно слабее сильных, но дальнодействующие. Именно эти силы вызывают разлёт осколков, которые образуются при делении атомных ядер. Они также ответственны за все электрические и магнитные явления, а также за оптические, механические, тепловые и химические явления.

3) Слабые взаимодействия являются универсальными. Они присутствуют при взаимодействиях всех частиц кроме фотона. Несмотря на свою малую интенсивность и короткодействие эти взаимодействия играют очень важную роль в природе. Они ответственны за все виды β-распада ядер, за многие распады элементарных частиц, а также за все процессы взаимодействия нейтрино с веществом. Кроме того, слабое взаимодействие играет определяющую роль в реакциях, происходящих на Солнце и других звёздах.

4) Гравитационные взаимодействия испытывают все частицы без исключения, но для элементарных частиц, масса которых ничтожно мала, гравитационное взаимодействие не имеет существенного значения.

Систематика элементарных частиц

Бозоны и фермионы

Бозоны – частицы с нулевым или целочисленным спином (фотон, мезон, и др.).

Фермионы – частицы с полуцелым спином (электрон, мюон, таон, нейтрино, протон, нейтрон и др.).

25 – 4

По времени жизни τ элементарные частицы подразделяются на

Стабильные (протон, фотон, электрон и нейтрино);

Квазистабильные (τ > 10^-20c), распадающиеся за счёт электромагнитного или слабого взаимодействия.

Резонансы (τ ~ 10^-23c), распадающиеся за счёт сильного взаимодействия.

Классификация элементарных частиц

Переносчики взаимодействия:

Фотоны – переносчики электромагнитного взаимодействия;

W и Z – бозоны – переносчики слабого взаимодействия;

Глюоны – переносчики сильного взаимодействия;

Гравитоны – гипотетические переносчики гравитационного взаимодействия.

Лептоны – частицы, не участвующие в сильных взаимодействиях и имеющие спин ½ (электроны, мюоны, таоны и соответствующие им нейтрино). Лептоны принимают участие в слабых и электромагнитных (кроме нейтрино) взаимодействиях. У всех лептонов не обнаружена внутренняя структура.

Адроны – частицы, участвующие в сильных взаимодействиях. Самая многочисленная группа частиц. Как правило, они участвуют и в электромагнитных и слабых взаимодействиях. Адроны подразделяются на:

Мезоны – адроны с нулевым или целочисленным спином (бозоны);

Барионы – частицы с полуцелым спином (фермионы) и массой, не меньше массы протона.

– ламбда-гиперон

– сигма-гиперон

– кси-гиперон

25 – 5

Законы сохранения

Законы сохранения играют особо важную роль в физике элементарных частиц.

1) Они не только ограничивают последствия различных взаимодействий, но определяют так же все возможности этих последствий, и поэтому отличаются высокой степенью предсказательности.

2) В этой области физики открытие законов сохранения опережает создание последовательной теории. Многие законы сохранения для элементарных частиц уже установлены из опыта, а соответствующие фундаментальные законы их поведения ещё неизвестны. Поэтому законы сохранения играют здесь главную роль и позволяют анализировать процессы, механизм которых ещё не раскрыт.

Кроме законов сохранения энергии, импульса и момента импульса существуют законы сохранения пяти зарядов:

электрического (Q),

барионного (В) и

трёх лептонных (L_e), (L_μ), (L_τ).

Барионный заряд

В = +1 для барионов (нуклонов и гиперонов)

В = – 1 для антибарионов

В = 0 для всех остальных частиц.

В замкнутой системе для всех процессов с участием барионов и антибарионов суммарный барионный заряд будет сохраняться.

Согласно этому закону, например, протон р не может превратиться в позитрон и фотон γ , хотя это не запрещено законами сохранения энергии, импульса, момента и электрического заряда (у протона В = 1, а у позитрона и γ-кванта В = 0).

Из этого же закона следует, что антибарион может рождаться только в паре со своим барионом. Например:

.

Лептонные заряды:

электронный L_e (для е и ν_е);

мюонный L_μ (для μ и ν_μ);

таонный L_τ (для τ и ν_τ).

– электронное, мюонное и таонное нейтрино, которые являются разными.

25 – 6

L_e = L_μ = L_τ = +1 для лептонов ()

L_e = L_μ = L_τ = – 1 для антилептонов ()

L_e = L_μ = L_τ = 0 для всех остальных элементарных частиц.

В замкнутой системе при любых процессах разность между числом лептонов и антилептонов сохраняется.

Например, закон сохранения лептонного заряда требует, чтобы при распаде нейтрона

.

Для гиперонов применяется ещё такая квантовая характеристика как странность – S.

S = – 1 у

S = – 2 у

S = – 3 у

У соответствующих античастиц странность одинакова по модулю но имеет знак « + ».

В сильных и электромагнитных взаимодействиях странность сохраняется, а в слабых меняется на .