Элементарные частицы. Античастицы, взаимные превращения частиц

Элементарные частицы. Античастицы, взаимные превращения частиц 

Горохов А.В. 

Одним из самых важных результатов в физике высоких энергий является открытие античастиц. Первая античастица -позитрон теоретически предсказан и открыт в начале 30 годов. Он имеет точно такую же массу и абсолютную величину заряда, как и электрон, но знак заряда позитрона противоположен знаку заряда электрона. Электрон и позитрон обозначают соответственно e- и e+. 

В вакууме позитрон так же стабилен как и электрон, однако при встрече электрона и позитрона происходит их аннигиляция, превращение в g- кванты. При аннигиляции испускается, как првило, два или три фотона. 

e+ + e- -->g+ g,    e+ + e- --> g+ g+ g.



На ускорителях наблюдается также реакция, обратная аннигиляции электрона и позитрона. 

При столкновении двух g- квантов рождается пара "электрон + позитрон". 

g+ g-->e+ + e-.



Подобных процессы с высокой точностью рассчитываются в рамках квантовой теории поля - объединяющей квантовую механику и теорию относительности. 

Вслед за позитроном были открыты и другие античастицы. В середине 50-х годов на ускорителях были созданы антипротон и антинейтрон, а затем даже антиядра, а в самое последнее время и антиатомы. Как правило, античастицы обозначаются теми же буквами, что и соответствующие частицы, но над буквой ставиться черточка (или тильда). Например, [`(p)] - антипротон, [`(n)] - антинейтрино и т.п. 

Масса каждой частицы строго равна массе соответствующей античастицы, а знаки их зарядов противоположны. Мысленная операция замены "частица --> античастица" называется зарядовым сопряжением. При этой операции фотон, который не несет какого-либо заряда, переходит сам в себя. Фотон принадлежит к сравнительно редкомку типу истинно нейтральных частиц, не имеющих зарядовых двойников. 

Типы частиц, фундаментальные взаимодействия 

Все элементарные частицы в зависимости от спина делятся на фермионы, если спин полуцелый (в единицах (h/2p)), и бозоны, если спин целый. 

Кроме того, в зависимости от типов взаимодействий, которым подвержены частицы, различают два семейства: адроны - частицы как с целым, так и полуцелым спином, участвующие во всех фундаментальных взаимодействиях, и лептоны - частицы с полуцелым спином, которые участвуют во всех взаимодействиях, за исключением сильного. 

В настоящее время известны четыре фундаментальных типа взаимодействий: 

гравитационное, слабое, электромагнитное и сильное. 

Слабое взаимодействие отвечает, например, за бета-распады ядер, электромагнитное - связывает электрон и протон в атоме водорода, а сильное взаимодействие - нуклоны в атомных ядрах. С современной точки зрения внутриядерное взаимодействие не является истинно фундаментальным, а устроено наподобие т.н. "химических" сил, которые являются следствием сложной игры кулоновского (электромагнитного) взаимодействия и принципа запрета Паули. 

Адроны с целым спином называют мезонами, с полуцелым - барионами Известно несколько сотен адронов. Большинство их крайне нестабильны - это т.н. резонансы: они распадаются на более легкие частицы посредством сильного взаимодействия. Типичное время жизни резонансов ~ 10-21 с. 

Квазистабильные адроны живут гораздо дольше и распадаются посредством слабого и электромагнитного взаимодействий. Конечными продуктами распадов квазистабильных мезонов являются более легкие мезоны, лептоны и фотоны, а также, если распадающиеся мезоны достаточно массивны, то пары "барион + антибарион". 

Самые легкие барионы (протон и нейтрон) называются нуклонами. Более тяжелые квазистабильные барионы (L , S, X, W,... ) называют гиперонами. Конечными продуктами распадов гиперонов являются лептоны, мезоны, фотоны и обязательно нуклон. 

Из протонов и нейтронов состоят атомные ядра, остальные адроны не входят в состав окружающего нас стабильного вещества, они рождаются при столкновениях частиц, обладающих высокими энергиями. Согласно современным представлениям все адроны не являются истинно элементарными частицами. Все они состоят из кварков и глюонов. 

В отличие от адронов лептоны истинно элементарные частицы (по крайней мере в рамках т.н. стандартной модели). Известны три заряженных лептона: электрон e-, мюон m и тау-лептон t- и три нейтральных: электронное нейтрино ne, мюонное нейтрино mn и тау-нейтрино nt. У каждой из этих частиц имеется соответствующая античастица. Мюон и t- лептон распадаются за счет слабого взаимодействия, а электрон стабилен. 

В слабых распадах каждый из заряженных лептонов рождается в сопровождении соего антинейтрино. В электромагнитных взаимодействиях рождаются пары заряженных лептонов: e+e-, m+m- , t+t-. 

Эти закономерности удается объяснить, если предположить, что все лептоны обладают своего рода лептонным "зарядом", равным +1 для лептонов и -1 для антилептонов. Во всех наблюдавшихя процессах лептонный заряд сохраняется. 

Предсказаны процессы, в которых ожидается несохранение лептонного заряда: распад протона, двойной бета-распад, нейтринные осцилляции. 

(Нейтринные осцилляции предсказаны в середине 50-х Б. Понтекорво для обяснения наблюдающегося дефицита солнечных (электронных) нейтрино. (Будучи испущенным на Солнце, электронное нейтрино с заметной вероятностью превращается по пути на Землю в мюонное и не регистрируется детектором, настроенным на ne. Летом 1998 г. процесс нейтринной осцилляции был обнаружен в лабораторных условиях). 

С середины 70-х годов общепринятым стал подход т.н. калибровочных теорий поля, в которых все взаимодействия рассматриваются по аналогии с электродинамикой. На основе теории Глэшоу - Вайнберга - Салама было предсказано, что слабое взаимодействие осуществляется за счет обмена W - и Z- бозонами - квантами поля слабого взаимодействия. Для того, чтобы это взаимодействие было слабым и короткодействующим, нужно, чтобы масса этих промежуточных бозонов была очень большой ~ 100 ГэВ. Эти частицы были обнаружены в 1983 г. на протон - антипроном коллайдере В Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН). Оказалось, что при энергиях ~ 100 ГэВ электромагнитное и слабое взаимодействие перестают быть различными и объединяются в единое электрослабое взаимодействие.