Частицы и взаимодействия; лептоны и кварки

Элементарные частицы
Аристотель (384 – 322 гг. до н.э.) считал, что все вещество во Вселенной состоит из четырёх основных элементов – земли, воздуха, воды и огня, на которые действуют две силы: сила тяжести, влекущая землю и воду вниз, и сила лёгкости, под действием которой огонь и воздух устремляются вверх
(раздельно частицы и заимодействия !!).

Элементарные частицы
Демокрит, Эпикур: нет ничего, кроме атомов и пустоты, в которой движутся атомы. Атомы - мельчайшие неделимые частицы, вечные и неизменные, пребывающие в постоянном движении и различающиеся формой и величиной.
Аристотель, Платон, Сократ: вещество можно делить бесконечно.

Открытие электрона
1897 год, Дж.Дж. Томсон
1904 г. : Дж. Дж. Томсон: атом - нейтральная система - из заряженного шара с зарядом +Ze, внутри Z отрицательно заряженных электронов.
Размер атома ~10-8 см. Нобелевская премия по физике 1906 г.

Открытие ядра и протона
1919 г. Э. Резерфорд
Нобелевская премия 1908 г.

Открытие протона
«Мы должны заключить, что атом азота распадается под воздействием значительных сил, развиваемых быстрой альфа-частицей при значительном сближении, и , что освобождающийся атом водорода является существенной составной частью ядра азота»
Ernest Rutherford

Открытие нейтрона
1930, W. Bothe, H. Becker
1932, James Chadwick
Нобелевская премия 1935 г.
Протон – нейтронная модель ядра

Как устроен Мир. 30-е годы ХХ века
В середине 30-х годов XX века физическая картина мира строилась исходя из трёх элементарных частиц - электрона, протона и нейтрона.
Вещество состоит из атомов и молекул, в состав атома входят электроны.
Основную массу атома составляет атомное ядро, состоящее из протонов и нейтронов.
Откуда берутся электроны при β-распаде?

Нейтрино
1931 г. В. Паули выдвинул гипотезу о существовании нейтрино для объяснения спектра электронов β-распада
p + e - → n + νe
1956 г. Ф. Райнес и К. Коуэн обнаружили нейтрино
Нобелевская премия 1995 г.

Позитрон
1928 г. П. Дирак, 1932 г. К. Андерсон
Нобелевская премия 1936 г.

Мезоны
1935 г. Х. Юкава
1936 г. – мюон,
1947 г. – пион: π -, π 0, π +
Нобелевская премия 1949 г.

Как устроен Мир. 50-е годы ХХ века
протоны и нейтроны → атомные ядра;
пионы → связывание протонов и нейтронов;
электроны → построение атомов;
фотоны → переходы в атомах;
нейтрино → β – распад,
Зачем нужен мюон?
Частицы и античастицы?

Странные частицы, 1947 г.
рождаются парами, но не являются частицей и античастицей!
большое время жизни – 10-10 сек;
1953 г. М. Гелл-Манн и К. Нишиджима: новое квантовое число – странность сохраняется в сильных взаимодействиях, но не сохраняется в слабых.

Резонансы, 1952 г.
100 МэВ → 10-23 сек.

Лептоны

Античастицы
Античастица обладает рядом характеристик, имеющих те же численные значения что и частица, и некоторые характеристики с противоположным знаком.
1932 – позитрон,
1955 – антипротон,
1956 – антинейтрон,
1966 – антидейтерий,
1998 – антиводород,
2002 – антигелий-3,
2011 – антигелий-4,
истинно нейтральные частицы.
Антивещество?

Открытие анти-гелия-4
(preprint 22.03.2011)

Как устроен Мир. 60-е годы ХХ века

Адроны
частицы, сильно взаимодействующие друг с другом, (протон и нейтрон);
различаются массой, величиной электрического заряда, спином;
Барионный заряд;
Барионы – это адроны с отличным от нуля барионным зарядом и полуцелым спином;
Мезоны – адроны с нулевым барионным зарядом и целым спином.
Адроны имеют внутреннюю структуру.

Кварки, 1963 г.
М. Гелл-Манн и Г. Цвейг предложили кварковую модель адронов. Барионы “конструировались” из трёх кварков, мезоны – из кварка и антикварка.
нейтрон: 1up 2down
протон: 2up 1down
Нобелевская премия 1969 г.

Адроны
- системы связанных кварков

Барионы –
связанные состояния трёх кварков

Мезоны
1935 г. Х. Юкава
1936 г. – мюон,
1947 г. – пион: π -, π 0, π +
π - : 1 down, 1 anti-up ,
π 0 : 1 down, 1 anti-down
or 1 up, 1 anti-up,
π + : 1 up, 1 anti-down

Мезоны –
связанные состояния кварка-антикварка

Кварки
Кварки должны иметь дробный электрический заряд ⅔ или -⅓.
Барионы состоят из трёх кварков.
Мезоны состоят из кварка и антикварка.
До 1974 г. адроны можно было описать, составляя их из кварков трех типов - u, d, s.
1974 г. открытие J/ψ-мезона → с – кварк, (скрытое очарование).
1977 г. открытие Υ-мезона → b – кварк (скрытая красота).

1995 г. t - кварк
Две группы по 450 человек!

Как устроен Мир. Конец ХХ века

Квантовая теория поля
В классической физике два фундаментальных объекта – частицы и поля.
В квантовой теории поля взаимодействие между электрическими зарядами описывается как испускание и поглощение зарядами квантов электромагнитного поля – фотонов.

Диаграммы Фейнмана
Для описания различных процессов с участием частиц используют диаграммы Фейнмана.
Линиям со свободными концами отвечают реальные частицы или ядра,
Внутренним линиям – виртуальные частицы.
Точка, в которой рождается и поглощается виртуальная частица, называется узлом диаграммы.
Узлы диаграммы содержат основную информацию о процессе – типе фундаментального взаимодействия и его вероятности.

Стандартная модель
Фундаментальными частицами стандартной модели являются:
6 лептонов (e-, μ-, τ-, νe, νμ,ντ) и
6 кварков (u, d, c, s, t, b).
Каждый из 6 типов кварков может находиться в трёх цветовых состояниях (красный, зеленый, синий).
Кварки и лептоны являются фермионами и имеют спин –½.
12 фундаментальным фермионам соответствуют 12 антифермионов.

Фундаментальные взаимодействия
Взаимодействия фундаментальных фермионов осуществляются за счет обмена переносчиками взаимодействия – фундаментальными (или калибровочными) бозонами.

Фундаментальные взаимодействия
Взаимодействие частиц, имеющих электрический заряд, происходит посредством обмена квантами электромагнитного поля - фотонами или γ-квантами. Фотон электрически нейтрален.
Сильное взаимодействие осуществляется за счет обмена глюонами g - электрически нейтральными безмассовыми переносчиками сильного взаимодействия. Глюоны переносят цветовой заряд.
Переносчиками слабого взаимодействия являются массивные W- и Z-бозоны. Существуют положительные W+-бозоны и отрицательные W–-бозоны, являющиеся античастицами по отношению друг к другу. Z-бозон электрически нейтрален.

Перенос взаимодействий

Калибровочные бозоны

Сильное взаимодействие
Константа сильного взаимодействия, характеризующая интенсивность этого взаимодействия определяется взаимодействием кварков и переносчиков сильного взаимодействия – глюонов.
Частицы, участвующие в сильном взаимодействии называются адронами.
Характерный радиус действия сил, обусловленных сильным взаимодействием ~10–13 см.
Частицы, распадающиеся в результате сильного взаимодействия, имеют характерное время жизни ~10–20 – 10–23 c, что соответствует характерным ширинам резонансов Γ > 10МэВ.

Электромагнитное взаимодействие.
Константа электромагнитного взаимодействия
(α - постоянная тонкой структуры).
Переносчик электромагнитного взаимодействия - фотон. То обстоятельство, что масса фотона равна нулю, определяет бесконечный радиус электромагнитного взаимодействия.
Константа электромагнитного взаимодействия определяет вероятность испускания или поглощения фотона частицей с зарядом e±.
Характерное время распада частиц в результате электромагнитного взаимодействия > 10-18 c.

Слабое взаимодействие
Константа слабого взаимодействия ~10−6.
Переносчиками слабого взаимодействия являются промежуточные бозоны W±- и Z-бозоны – массивные частицы (m(W±)= 80 Гэв, m(Z)= 91 Гэв.).
Большая масса промежуточных бозонов обуславливает характерную величину радиуса слабого взаимодействия ~10−16 cм.
Частицы, распадающиеся в результате слабого взаимодействия имеют времена жизни > 10-12 c.
Единственные частицы, которые участвуют только в слабых и гравитационных взаимодействиях - нейтрино.

Гравитационное взаимодействие
Сила гравитационного взаимодействия определяется соотношением
G = 6.67·10-11 м3кг-1с-2 – гравитационная постоянная
Радиус действия гравитационного взаимодействия бесконечен.
В гравитационном взаимодействии участвуют все частицы.
для протонов на расстоянии 10-13 см:
гравитоны – гипотетические частицы.

Фундаментальные взаимодействия

Законы сохранения

Диаграмма состояния ядерной материи

Фундаментальные частицы Стандартной модели.

Фундаментальные частицы
Cтандартной Модели
Бозоны Хиггса ?

Тёмная материя
1933 г. Ф. Цвики
Тёмная материя — вещество неизвестной природы, которое взаимодействует с обычными веществами посредством сил тяготения.
Оно не излучает свет.
Движение галактик в скоплениях можно описать, если предположить, что суммарная масса скопления в 10 раз больше суммарной массы составляющих его галактик.
Устойчивое вращение звезд по орбитам в рукавах спиральных галактик требует большей массы галактик.
Для описания температуры межгалактического газа требуется гравитационный потенциал и, следовательно, масса галактик гораздо больше наблюдаемой оптическими методами.
Микролинзирование удаленных галактик позволяет оценить распределение вещества в галактиках и их скоплениях. Его также оказывается на порядок больше наблюдаемого.
galaxy cluster CL0024+17

Тёмная энергия
В начале 1998 г. было сделано открытие. Оказалось, что последние 5·109 лет расширение Вселенной не замедлялось, как следует из модели Большого Взрыва, а ускорялось.
Этот вывод получен в результате анализа спектров излучения взрывающихся Сверхновых, расположенных от Земли на расстоянии 5-10 млрд световых лет.
Таким образом было доказано наличие в космосе гравитационного отталкивания, присущего физическому вакууму.
2008 – тёмный поток.

Характеристики Вселенной

Лептоны

Лептоны
(Л. Розенфельд, 1948 г.)
Лептоны участвуют в слабых и электромагнитных взаимодействиях.
3 заряженных лептона:
электрон е-,
мюон μ-,
таон τ-.
3 нейтральные частицы:
электронное нейтрино νe,
мюонное нейтрино νμ,
тау-нейтрино ντ.
Лептонам приписывают лептонный заряд L,
L= +1 для лептонов,
L= –1 для антилептонов,
L= 0 – для остальных частиц.
закон сохранения лептонного заряда никогда не нарушается.
Почему их 3, а не 4? 5? …

Лептоны J=½
Лептоны – класс фундаментальных частиц Стандартной модели, не участвующих в сильных взаимодействиях.
Заряженные лептоны участвуют в электромагнитных и слабых взаимодействия.
Нейтрино - только в слабых.
Массы лептонов e, μ, τ:
Массы нейтрино не измерены - известны только их верхние пределы.

Основные характеристики
электрона
и позитрона

Нейтрино
В 1931 г. В. Паули выдвинул гипотезу о существовании нейтрино для объяснения спектра электронов β-распада
В 1956 г. Ф. Райнес и К. Коэн зарегистрировали антинейтрино

Электронное антинейтрино
СdCl2+H2O

Для выяснения вопроса являются ли νе и тождественными частицами, был поставлен эксперимент по регистрации реакции
Если они являются тождественными частицами, то реакция должна наблюдаться. Это следует из того, что имеют место реакции
В 1946г. Б. Понтекорво предложил использовать для этой цели реакцию:
Если процесс возможен, то под действием потока антинейтрино от реактора один из нейтронов, входящих в состав ядра 37Cl, должен превращаться в протон, что приводит к образованию радиоактивного изотопа 37Ar с периодом полураспада 35.04 суток.
σэксп < 0.25·10-44 см2 →

Спиральность
В зависимости от того, как направлен спин частицы относительно её импульса для продольно поляризованных частиц различают правую и левую поляризации.
Правополяризованной считается частица, спин которой направлен по импульсу, левополяризованной − частица, спин которой направлен против импульса.
Спиральностью h называют величину
Правополяризованная частица имеет положительную спиральность (h=+1), левополяризованная - (h=−1).

Спиральность
Экспериментально показано, что спиральность нейтрино всегда отрицательна (h = −1), а спиральность антинейтрино всегда положительна (h = +1).
Это означает, что во всех наблюдаемых в природе слабых процессах с участием нейтрино участвуют только левополяризованные нейтрино.
Право-поляризованные нейтрино в наблюдаемых процессах не проявляются.
Аналогично, наблюдаются только процессы с участием правополяризованных антинейтрино.
Появление частиц с определенным значением поляризации обусловлено природой слабого взаимодействия.
Массы нейтрино?
Стерильные нейтрино?

Оновные характеристики мюона
Открыт в 1937 г. в космических лучах

Мюон
Мюон имеет полное сходство с электроном, за исключением его массы - в 200 раз больше массы электрона.
Отрицательно заряженный мюон может образовывать связанные состояния с протоном. При этом образуется связанная система подобная атому водорода - мезоатом.
Энергия связи в мезоатоме оказывается в 200 раз больше, а радиус основного состояния такого атома оказывается в 200 раз меньше.
Мезоводород может присоединить ещё один протон и образовать мюонный положительный ион молекулы водорода.
В этой молекуле может произойти реакция синтеза (мюонный катализ).
Практическая реализация этой возможности сильно ограничена малым временем жизни мюона ≈ 10-6 с.

Мюонное нейтрино

Мюонное нейтрино

Основные характеристики τ-лептона
открыт в 1975 г.

Наблюдение τ -лептона

τ-нейтрино
Тау-нейтрино и соответствующее антинейтрино были впервые зарегистрированы в 2000 г. на нейтринном детекторе DONUT (Direct Observation of the NU Tau) в реакциях:

Основные характеристики τ-нейтрино

Лептонные числа Le, Lμ, Lτ
Во всех процессах, происходящих в замкнутой системе в результате сильных, слабых и электромагнитных взаимодействий лептонные числа Le, Lμ, Lτ сохраняются порознь. Поэтому:

Кварки

Адроны - элементарные частицы?
К середине шестидесятых годов число обнаруженных сильновзаимодействующих элементарных частиц –адронов перевалило за 100.

Кварки – частицы
из которых состоят адроны
Эксперименты по рассеянию электронов на нуклонах показали, что нейтрон и протон имеют сложную структуру.
В 1964 году независимо друг от друга М. Гелл-Манн и Д. Цвейг предложили модель кварков - частиц, из которых могут состоять адроны.
Кварки должны иметь дробный электрический заряд +2/3 или -1/3.
В 1969 году Р. Фейнман предложил партонную модель.
Барионы «конструировались» из трех кварков, мезоны - из кварка и антикварка.

Кварки
Все обнаруженные до 1974 г. адроны можно было описать, составляя их из кварков трех типов - u, d, s.
Расщепить частицы на отдельные кварки оказалось невозможно. Наблюдались только связанные состояния кварка в адронах.
Возникла проблема - отсутствие кварков в свободном состоянии.

Кварковая структура адронов

Адронные струи
Адронная струя — это совокупность адронов, летящих в одном направлении.
Если бы кварки реально не существовали, то адроны, рождающиеся в e+e−-столкновениях, разлетались бы равномерно по всем направлениям.

С - кварк
В1974 году одновременно две группы физиков объявили о наблюдении новой частицы. Группа Тинга обнаружила узкий резонанс 3.1 ГэВ/с2 в спектре масс e+e- пар, образующихся в реакции соударения протонов с ядрами бериллия.
Практически в тот же день группа Рихтера обнаружила узкий резонанс в сечениях реакций, при том же значении энергии 3.1 ГэВ. Резонанс был назван ψ-частицой.

b - кварк
В1977 году было открыто несколько мезонов с массами в районе 10 ГэВ/c2. Они получили название Υ-мезонов.
Это были долгоживущие частицы c шириной распада 52 кэВ.
Это означало открытие пятого кварка – b (beauty).
В состав Υ- мезона входят b-кварк и b-антикварк, поэтому он обладает скрытой красотой.

t - кварк
Симметрия в мире кварков и лептонов указывает на то, что в природе существует три семейства кварков и лептонов.
Должен существовать шестой кварк с зарядом Q=+⅔
t-кварк был открыт в 1995 г. в столкновении пучков протонов и антипротонов (Теватрон, Фермилаб, США)

Кварки 2000
Все адроны состоят из различных комбинаций этих шести кварков.
Есть достаточно серьезные основания считать что число кварков не должно быть больше шести.
Кварки являются фундаментальными частицами из которых состоят все сильновзаимодействующие частицы.
Кварки не существуют в свободном состоянии. Они заключены в адронах.
Силы, связывающие кварки в адронах, растут с увеличением расстояния между кварками. Это называют удержанием кварков в адронах или конфайнментом.

Ароматы (типы) кварков
Каждый из шести кварков обладает своим ароматом, который совпадает с названием кварков – u, d, s, c, b, t.
Для идентификации «ароматных» свойств легчайших кварков u и d используется квантовое число I – изоспин.
Ароматы s, c, b, t задаются специальными аддитивными квантовыми числами. Их названия: странность (s), очарование или шарм (с), боттом (b) и топ (t).
У кварков s, c, b, t эти квантовые числа имеют значения:
у антикварков соответственно
Условились считать знаки ароматов s, c, b, t совпадающими со знаками электрических зарядов кварков.
Изоспин I и квантовые числа s, c, b, t являются приближенно сохраняющимися квантовыми числами. Они сохраняются только в сильных взаимодействиях.

Электрический заряд кварков Q(e)
Для средних по событиям электрических зарядов адронных струй, образующихся в передней полусфере под действием пучка нейтрино (антинейтрино) получены величины: Q(u) = 0.65 ± 0.12, Q(d) = −0.33 ± 0.09, что убедительно согласуется с предсказанными значениями Q(u)=+2/3 и Q(d)=−1/3.

Барионный заряд кварков
Стандартная Модель приписывает лептонам три лептонных заряда Le, Lμ, Lτ.
Аналогичной характеристикой кварков, но одной и той же для всех кварков является барионный заряд В.
Барионный заряд кварков = +1/3.
Барионный заряд антикварков = –1/3.
Барионный заряд является аддитивным сохраняющимся квантовым числом.
Не обнаружено каких-либо указаний на несохранение барионного заряда.

Барионный заряд кварков
Адроны, состоящие из трех кварков, имеют барионный заряд В=1/3 +1/3 +1/3 = +1 и называются барионами.
Антибарионы, состояще из трех антикварков, имеют В=−1/3 +(−1/3) +(−1/3) = −1.
Мезоны, состоящие из одного кварка и одного антикварка, имеют В = +1/3 +(−1/3) =0.

Изоспин кварков
Для идентификации «ароматных» свойств легчайших кварков u и d используется квантовое число I – изоспин.
Изоспин I - характеристика специфической симметрии сильного взаимодействия – изоспиновой симметрии.
Операторы изоспина и его проекции действуют в пространстве кварков, меняя тип кварка: u↔d.
По своим формальным свойствам изоспин I и его проекция тождественны спину J и его проекции на ось квантования z.
u- и d-кварки – это два различных состояния одной частицы в изоспиновом пространстве.
При перевороте изоспина кварка электрический заряд кварка изменяется на единицу.
Изоспин системы кварков вычисляется по правилам, аналогичным правилам сложения угловых моментов.
Изоспин системы кварков может принимать целые или полуцелые значения: I=0, 1/2, 1, 3/2

Изоспин u- и d- кварков
u- и d- кваркам приписывается изоспин I= ½ с проекциями I3 на ось квантования в изоспиновом пространстве, равными соответственно +½ (изоспин направлен вверх) и –½ (изоспин направлен вниз):
Изоспины антикварков:

Изоспин s, c, b, t кварков
Изоспин s, c, b, t кварков равен нулю.

Изоспиновые мультиплеты
Кварковые системы, обладающие определенным изоспином I, также вырождены по проекции I3 и, следовательно, по массе.
Эти системы частиц называются изоспиновыми мультиплетами.
Частицы в изоспиновом мультиплете отличаются проекцией I3 изоспина, поэтому число n частиц в мультиплете определяется величиной изоспина I: n=2I+1.
Каждой проекции изоспина соответствует одна частица изоспинового мультиплета

Гиперзаряд Y
Для адронов справедливо соотношение М. Гелл-Манна и К. Нишиджимы. Оно было установлено в 1953 г. для адронов, состоящих из лёгких кварков (u, d, s):
С появлением других ароматов кварков c, b и t используют обобщённый гиперзаряд:

Проблема цвета

Проблема цвета
Δ++, Δ−, Ω− состоят из трех тождественных кварков: Δ++− (uuu), Δ− − (ddd), Ω− − (sss). У всех частиц JP= 3/2+.
Без введения квантового числа «цвет», принимающего три значения, кварковая структура Δ++, Δ−, Ω− противоречит принципу Паули.
Чтобы выполнялся принцип Паули, необходимо ввести для кварков ещё одно квантовое число – «цвет», который должен принимать три разных значения.

Цвет
Δ++-резонанс, можно представить как комбинацию трех u-кварков в разных цветовых состояниях: Δ++= uкuзuс.
Проблема: если uкuзuс − это единственный вариант Δ++-резонанса, то для протона можно предложить несколько вариантов, не нарушая принципа Паули: uкuзdс, uкuзdз, uсuкdк и т. д.
Но в природе существует только одно протонное состояние.
Выход: принятие постулата о бесцветности наблюдаемых квантовых состояний адронов.
Бесцветность адронов означает, что кварки разного цвета представлены с равными весами. О таких бесцветных состояниях говорят как о цветовых синглетах.

Цвет
Цвет кварков – это условное название внутренней степени свободы каждого из шести кварков.
Цвет принимает три значения, и выполняет роль заряда сильного взаимодействия.
Обычно используют три цвета – красный (к), зеленый (з) и синий (с).
Существование цвета означает, что кварков не шесть (u, d, s, c, b, t), а восемнадцать − кварки каждого аромата утраиваются:
Цвет является аддитивным сохраняющимся квантовым числом.
Антикварки характеризуются антицветом :

Цвет
Силы взаимодействия между кварками называют цветными.
Кварки имеют цветные заряды и объединяются в адроны так, что получаются бесцветные комбинации.
В природе допустимы только бесцветные состояния составных систем из кварков и глюонов.
Поэтому мы не видим отдельные цветные кварки, а видим только их бесцветные комбинации в виде адронов.

Конфайнмент
Конфайнмент - удержание цветных кварков и глюонов внутри бесцветных адронов.
Ни в природе, ни в экспериментах при высоких энергиях кварки и глюоны в свободном состоянии в виде цветных объектов не обнаружены.
Гипотеза конфайнмента состоит в том, что кварки и глюоны могут существовать только в связанном состоянии внутри адрона.
Для того чтобы не дать возможности кваркам покинуть адрон, силы связывающие кварки в адроне должны возрастать с увеличением расстояния между кварками.
Известно, что между адронами не действуют такие силы, т.к. адроны существуют изолированно друг от друга.
Структурные составляющие адрона принципиально невозможно выделить в свободном состоянии.

Кварки
Кварки не существуют в свободном состоянии
Кварки заключены в кварковых системах – адронах.
Кварки не могут освободиться от взаимодействий c находящимися в том же объеме другими кварками и глюонами.
Конституэнтные кварки–это «эффективные» кварки в адронах, движение и взаимодействие которых, формирует адрон.
Токовые кварки – кварки, не испытывающие взаимодействия.

Кварки

Вопросы
Почему существуют три поколения фундаментальных частиц, состоящих из пары кварков и лептонов?
Существуют ли четвертое, пятое, … поколения фундаментальных частиц?
Почему существуют кварки и лептоны, и чем вызвано различие между ними?
Экзотические состояния: тетра- и пентакварки?