Физика элементарных частиц. Лекция 8

1. Краткая классификация и свойства

Взаимодействие между различными частицами в Стандартной модели

Классификация барионов.
Наиболее стабильными барионами являются протон (самый лёгкий из барионов) и нейтрон (вместе они составляют группу нуклонов). Первый из них, насколько это сегодня известно, стабилен, второй испытывает бета-распад с временем жизни, близким к 1000 с. Более тяжёлые барионы распадаются за время от 10−23 до 10−10 с.
Нуклоны имеют кварковый состав uud (протон) и udd (нейтрон). Их спин равен 1/2, странность нулевая. Масса близка к 940 МэВ. Вместе со своими короткоживущими возбуждёнными состояниями нуклоны относятся к группе N-барионов.
Барионы, содержащие как минимум один странный кварк (но не содержащие более тяжёлых кварков), называются гиперонами.
В семействе барионов, кроме нуклонов, выделяют группы Δ-, Λ-, Σ-, Ξ- и Ω-барионов.
Δ-барионы (Δ++, Δ+, Δ0, Δ−), как и нуклоны, состоят из u- и d-кварков, но, в отличие от нуклонов, их спин равен 3/2. Распадаются они главным образом на нуклон и пион. Время жизни Δ-барионов близко к 10−23 с.
Λ-барионы (Λ0) — нейтральные (но не истинно нейтральные) частицы со спином 1/2 и странностью −1 (то есть их можно называть Λ-гиперонами), состоящие из u-, d- и s-кварка. В них u- и d-кварки находятся в синглетном по изоспину состоянии (I=0). Масса 1117 МэВ. Распадаются преимущественно на протон и отрицательный пион или на нейтрон и нейтральный пион с временем жизни 2,6·10−10 с. Открыты также тяжёлые Λ-барионы (Λ+c и Λ0b), в которых странный кварк заменён очарованным (c-кварком) или красивым (b-кварком).
Σ-барионы (Σ+, Σ0, Σ−) имеют спин 1/2, странность −1. Как и Λ-барион, состоят из u-, d- и s-кварка, но триплетны по изоспину (I=1). Нейтральный Σ0-барион имеет тот же кварковый состав, что и Λ0-барион (uds), но тяжелее, в связи с этим он очень быстро распадается в Λ0 с вылетом фотона (время жизни составляет лишь 6·10−20 с, поскольку распад происходит за счёт электромагнитного взаимодействия). Σ+ (uus) и Σ− (dds) распадаются за примерно 10−10 с на пион и нуклон. Следует отметить, что Σ+ и Σ− не являются частицей и античастицей — это самостоятельные частицы, каждая из них (как, кстати, и Σ0) имеет свою античастицу. Массы Σ-гиперонов составляют около 1200 МэВ. Обнаружены также тяжёлые Σ-барионы, не являющиеся гиперонами (то есть содержащие вместо s-кварка более тяжёлый кварк).

Классификация барионов.
Ξ-барионы (Ξ0 и Ξ−) имеют спин 1/2, странность −2. Они содержат по два странных кварка; кварковый состав uss (Ξ0) и dss (Ξ−). Их масса близка к 1,3 ГэВ. Распадаются (с временем жизни около 10−10 с) на пион и Λ0-гиперон. Существуют тяжёлые Ξ-барионы, не являющиеся гиперонами (один из странных кварков заменен c- или b-кварком).
Ω-барионы (существует лишь один тип этих частиц, Ω−-гиперон) имеют спин 3/2 и странность −3, состоят из 3 странных кварков (sss). Масса частицы 1,672 ГэВ. Преимущественные моды распада — на Λ0-гиперон и отрицательный каон или на Ξ0 и отрицательный пион (время жизни около 10−10 с). Открыты некоторые тяжёлые Ω-барионы, отличающиеся заменой одного из s-кварков на тяжёлый кварк.
Существует также широкий спектр короткоживущих возбуждённых состояний этих барионов.
Большинство лёгких барионов в основном состоянии распадаются за счёт слабого взаимодействия, поэтому их время жизни относительно велико (исключение составляет, как было отмечено выше, Σ0-гиперон).
Лёгкие барионы (гипероны, Δ-барионы и нуклоны) в зависимости от спина входят в состав одного из двух мультиплетов: декуплета со спином 3/2 (Δ-барионы, Ω-гипероны и возбуждённые состояния Σ- и Ξ-гиперонов) и октета со спином 1/2 (нуклоны, Σ-, Λ- и Ξ-гипероны).

Барионная материя — материя, состоящая из барионов (нейтронов, протонов) и электронов. То есть, привычная форма материи, вещество.
Существует также барионная антиматерия, или антивещество. Барионное число.Барионы подчиняются эмпирически установленному закону сохранения барионного числа: в замкнутой системе величина, равная разности количества барионов и количества антибарионов, сохраняется. Эта величина называется барионным числом. Причины сохранения барионного числа пока неизвестны (во всяком случае, с ним не связано какое-либо калибровочное поле, как с электрическим зарядом), однако во многих вариантах современных (пока не подтверждённых) теорий, расширяющих Стандартную Модель, этот закон может нарушаться. Если барионное число не сохраняется, то протон (самый лёгкий из барионов) может распадаться; однако пока распад протона не обнаружен — установлено только нижнее ограничение на время жизни протона (от 1029 до 1033 лет, в зависимости от канала распада). Предсказываются и другие процессы, не сохраняющие барионное число, например, нейтрон-антинейтронные осцилляции.

Объединение разнородных явлений в одной теории уже долгое время является центральной темой физики. Стандартная Модель физики частиц успешно описывает три (электромагнетизм, слабые и сильные взаимодействия) из четырех известных науке сил, но впереди еще окончательное объединение с общей теорией относительности, которая описывает гравитацию и природу пространства и времени

Главные достижения фундаментальной физики сближаются, когда принципы различных теорий приводятся в соответствие в рамках новой единой структуры. Пока еще не известен принцип, лежащий в основе объединения квантовой теории поля (в лице Стандартной Модели) с общей теорией относительности

Имеется несколько путей объединения физики, находящейся вне Стандартной Модели. Модели техниколора (a) представляют новые взаимодействия, аналогичные «цветной» силе, которая связывает кварки. Как следствие этого, появление новых поколений частиц, отличающихся от трех известных. Суперсимметрия (b), связывающая фермионы с бозонами, добавляет к каждой известной частице суперсимметричного партнера. М-теория и теория струн (c) видоизменяют полную модель в терминах новых объектов типа крошечных струн, петель и мембран, которые ведут себя подобно частицам при низких энергиях

КОНСТАНТЫ СВЯЗИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ не остаются постоянными, а медленно изменяются в зависимости от энергии, этот процесс точно описан квантовой теорией поля и проверен экспериментом вплоть до 200 ГэВ. Теоретическая экстраполяция показывает, что три взаимодействия Стандартной Модели (сильное и объединенные слабое и электромагнитное) имеют приблизительно равную интенсивность при очень высоких энергиях (a), а при учете суперсимметрии (b) это равенство становится еще более точным. Толщина кривой указывает приблизительную неопределенность в константах связи

След электрона в жидководородной пузырьковой камере. След закручен в однород­ном магнитном поле, направленном на рисунке из плоскости чертежа. Радиус кривизны уменьшается по мере того, как ско­рость электрона в жидком водороде уменьшается.

Антипротон в жидководородной пузырьковой камере останавливается и аннигилирует с протоном. Продуктами аннигиляции являются пять пионов: два положительных, два отрицательных и один нейтральный. Один из положительных пионов также тормозится и останавливается, распадаясь при этом на μ+, который в свою очередь останавливается и распадается на позитрон.

Главная особенность всех кварков в том, что они являются обладателями соответствующих сильных зарядов. Заряды сильного поля имеют три равноправные разновидности (вместо одного электрического заряда в теории электрических сил). В исторически сложившейся терминологии эти три разновидности заряда называют цветами кварков, а именно: условно красным, зеленым и синим. Таким образом, каждый кварк в табл. 1 и 2 может быть в трех ипостасях и является цветной частицей. Смешение всех трех цветов, подобно тому, как это имеет место в оптике, дает белый цвет, то есть обесцвечивает частицу. Все наблюдаемые адроны бесцветны.

Слабое взаимодействие
Д иаграмма Фейнмана для бета-распада нейтрона на протон, электрон и электронное антинейтрино посредством тяжелого W-бозона
W- и Z-бозоны — это частицы-переносчики слабого взаимодействия, как фотон является частицей-переносчиком для электромагнитного взаимодействия. W-бозон играет важную роль в ядерном бета-распаде. Рассмотрим для примера бета-распад изотопа кобальта Co60, важный процесс, происходящий при взрыве сверхновых:
6027Co→ 6028Ni+e− +ν¯e .
В этой реакции участвует не всё ядро Co60, а только один из его 33 нейтронов. Нейтрон превращается в протон, испуская электрон (называемый здесь бета-частицей) и электронное антинейтрино:
n→p+e− +ν¯e .
Нейтрон является состоит из u-кварка и двух d-кварков (udd).
В бета-распаде участвует один из d-кварков, который превращается в u-кварк, чтобы сформировать
протон (uud). На фундаментальном уровне слабое
взаимодействие просто меняет аромат одного кварка:
d→u+W −
за которым немедленно следует распад самого W−:
W − →e− +ν¯e .

Слабое взаимодействие
Все квантовые числа Z-бозона равны нулю, поскольку он является античастицей сам для себя (т. н. истинно нейтральной частицей). Обмен Z-бозоном между частицами, названный взаимодействием нейтральных токов, не меняет взаимодействующие частицы.
В отличие от бета-распада наблюдения взаимодействий нейтральных возможны только в нескольких лабораториях физики высоких энергий в мире.

Тот факт, что W- и Z-бозоны имеют массу, в то время как фотон массы не имеет, был главным препятствием для развития теории электрослабого взаимодействия. Эти частицы точно описываются калибровочной симметрией SU(2), но бозоны в калибровочной теории должны быть безмассовыми. Так, фотон является безмассовым бозоном, поскольку электромагнетизм описывается калибровочной симметрией U(1). Необходим некоторый механизм, который бы нарушал симметрию SU(2), в процессе придавая массу W- и Z-бозонам. Одно объяснение, механизм Хиггса, было предложено Питером Хиггсом в конце 1960-х. Оно предсказывает существование ещё одной новой частицы — бозона Хиггса.
Сочетание калибровочной теории SU(2) слабого взаимодействия, электромагнитного взаимодействия и механизма Хиггса известно как модель Глэшоу — Вайнберга — Салама. Сейчас это один из столпов Стандартной модели физики элементарных частиц

Задачи
В теории великого объединения (слабое, электромагнитное и сильное взаимодействия описываются единым зарядом) допускается распад свободного протона по реакции:
p → π0 + e+ + νe.
1) Установить закон сохранения какого заряда нарушался бы в этом случае;
2) Опыты по определению времени жизни протона называют «экспериментом века». Теория великого объединения определяет время жизни протона равным τ = 1031 лет. Оцените, какую массу mFe вещества железа необходимо использовать, чтобы за время эксперимента t = 1 год зарегистри ровать ΔN = 10 распадов.