|
Взаємодія
|
Носії
|
Інтенсивність
|
Радіус,
м
|
Переріз
м2
|
Характерний
час
|
|
Сильна
(ядерна)
|
Глюони
|
1…10
|
  …  …
|
|
|
|
Електромагнітна
|
Фотони
|
1/137
|
∞
|
…  …
|
|
|
Слабка
|
Проміжні
бозони
|
  …  …
|
|
|
|
|
Гравітаційна
|
Гравітони
|
 ∞ …
|
|
|
|
Електромагнітні та гравітаційні взаємодії
спадають обернено пропорційно квадрату відстані між частинками, а тому про
якийсь певний радіус дії для них не йдеться. Водночас експериментальний
характер залежності ядерних сил від відстані дає змогу визначити радіус їхньої
дії - порядку 10-15 м. Ядерні сили в сотні разів інтенсивніші від
електромагнітних, проте через малий радіус дії були виявлені зовсім недавно,
коли фізичний експеримент дав змогу проникнути в середину атомного ядра. У
табл.1.1 наведено основні характеристики всіх взаємодій (q - електричний заряд,
В - баріонний заряд, S - дивність, J - ізотопічний спін).
.3
Класифікація частинок за видом взаємодій
Елементарні частинки діляться на наступні групи:
- адрони
<#"804799.files/image029.gif">), Lμ (для 
) і Lτ (для
). Характерною особливістю всіх цих
зарядів є їхнє цілочислове значення. Кожний із зарядів може бути як позитивним,
так і негативним.
Фотони, тобто γ-кванти електромагнітного поля, маса яких
дорівнює нулю, а спін дорівнює 
, беруть участь лише в електромагнітних взаємодіях.
Лептони. Ще донедавна було відомо чотири лептони: два
заряджених (е-, μ-) і два їхні нейтральні супутники (
, ). Потім було встановлено третій заряджений лептон, якому
присвоїли символ τ.
Допускається, що τ-лептон
також має "власне" нейтрино.
Для лептонів властиві малі значення мас. Серед цих частинок
найбільшу масу має τ-лептон, найменшу - електронне нейтрино.
Лептони беруть участь лише в електромагнітних і слабких взаємодіях. Усі лептони
мають півцілий спін і, отже, описуються статистикою Фермі. Серед них є
електрично заряджені (електрон, позитрон, мюони) і нейтральні (електронні й
мюонні нейтрино й антинейтрино). Вони мають відмінний від нуля лептонний заряд.
Баріонний заряд для них дорівнює нулю.
Електрони - це елементарні частинки, які були виявлені
першими при вивченні атомної структури речовини.
Електрон є носієм найменшої порції електричного заряду.
Його заряд е = 1,60 ∙ 10-19 Кл, маса спокою mе
=9,11 ∙ 10-31 кг. Електрону властивий власний момент кількості
руху - спін, що дорівнює 
. Магнітний момент електрона майже
дорівнює магнетону Бора:
(1.6)
Знак мінус означає, що магнітний і механічний моменти
електрона мають протилежний напрям. Електрони позначаються символом е-.
Електрон є стабільною частинкою, яка спонтанно не перетворюється в інші
частинки.
Поряд з негативними існують позитивні електрони -
позитрони, які відносно електронів є античастинками. Позитрон відрізняється від
електрона тільки знаком електричного і електронного лептонного зарядів.
Абсолютні значення цих зарядів і всі інші характеристики у позитронів і
електронів збігаються. Позитрон є частинкою, стабільною у вакуумі, проте в
речовині довго не може існувати внаслідок того, що при зіткненні з електроном
вони анігілюють, перетворюються в електромагнітне випромінювання
Мюони. Вперше мюони виявили 1937 р. К. Андерсон і С.
Недермейєр у складі космічного випромінювання. Відомо позитивні (μ+)
і негативні (μ-)
мюони. Електричний заряд мюонів за абсолютним значенням дорівнює заряду
електрона. Негативно і позитивно заряджені мюони виступають відповідно як
частинка й античастинка. Маса мюонів становить 206,8 електронних мас, спін їх
дорівнює (). Середній час життя нерухомих мюонів τ =
2,15 ∙ 10-6 с.
У 1948 р. Г.Б. Жданов і А.А. Хайдаров установили, що електрони
й позитрони, утворені при розпаді мюонів, які майже втратили швидкість, мають
широкий спектр енергії. Середня енергія їх становить близько 35 МеВ, що
відповідає 1/3 енергії спокою мюона.
Це означає, що при розпаді мюона крім легкої зарядженої
частинки виникає не одне (як при (β-перетворенні), а два нейтрино. Якщо розпад
мюона, що припинився, супроводжувався, як вважали спочатку, випромінюванням
одного нейтрино, то при одночасному збереженні енергії 106 МеВ і при
однаковості імпульсів двох частинок - електрона і нейтрино - енергія всіх
електронів розпаду була б однаковою і дорівнювала 53 МеВ. Викидання двох
нейтрино з антипаралельними орієнтаціями спінів забезпечує при розпаді мезону
збереження спіну .
Нині встановлено, що
нейтрино і антинейтрино, які випромінюються разом з позитронами і електронами,
відрізняються від нейтрино і антинейтрино, що випромінюються разом з мюонами. У
зв’язку з цим, як зазначалося, розрізняють електронне і мюонне нейтрино і
антинейтрино. Виходячи із закону збереження електронного лептонного заряду,
схему розпаду μ±-мезонів слід
переписати так:
, 
(1.7)
Якби швидкорухомі мюони мали той самий середній час життя,
який спостерігається для нерухомих (що зупинились) мюонів, то середній пробіг
мюонів у атмосфері при їхній швидкості, близькій до швидкості світла, не
перевищував би 600м. Насправді пробіг мюонів у атмосфері в багато разів
більший. Це пояснюється збільшенням тривалості всіх періодичних процесів
(сповільненням часу) при русі з великими швидкостями, як це випливає з теорії
відносності. Відповідно збільшується і середній час життя будь-якої
нестабільної частинки, коли її швидкість наближається до швидкості світла.
Енергія швидких мюонів у космічному випромінюванні
становить близько 3000 МеВ, тоді як енергія мюона - 100 МеВ. При такій енергії
середній час життя мюона виявляється в 30 разів більшим, ніж середній час життя
нерухомого мюона, і становить 6 ∙ 10-5 с. У зв’язку з цим
середній пробіг мюонів у атмосфері дорівнює 18 км. При такій довжині пробігу
слід чекати, що на шляху в 1 км розпадатиметься близько 5 % мюонів. Цей
розрахунок підтверджується вимірюванням інтенсивності жорсткої компоненти
космічного випромінювання і порівнянням числа швидких мюонів у стратосфері з
їхнім числом на рівні моря.
Особливий інтерес становить електронне (νе)
і мюонне (νμ) нейтрино, які мають надзвичайно велику проникну здатність. Вони
характеризуються пів цілим спіном і нульовою масою. Останнім часом завдяки
експериментам зроблено припущення про наявність у нейтрино маси.
Наведемо приклади реакцій, в яких випромінюється нейтрино:
, (1.8)
де νе - електронне нейтрино; νμ - мюонне нейтрино. Антинейтрино (
) народжується в реакціях β-розпаду природних радіоактивних
речовин і в реакціях розпаду мезонів за такою схемою:
, (1.9)
де 
е - електронне антинейтрино; μ - мюонне антинейтрино. Спін обох
видів нейтрино νе
і νμ напрямлений в бік, протилежний напряму швидкості (імпульсу), спін
антинейтрино 
і 
збігається зі швидкістю їхнього руху.
Мезони - частинки з масою, проміжною між масами лептонів і
масами більш масивних частинок - баріонів, належать до наступного класу. Вони
беруть участь у всіх трьох видах взаємодії, при цьому сильна взаємодія
превалює. Від класу баріонів вони відрізняються відсутністю баріонного заряду,
від класу лептонів - відсутністю лептонного заряду. Мезони мають нульовий спін.
Вони бувають електрично зарядженими й нейтральними, дивними і звичайними,
характеризуються цілим і пів цілим ізотопічними спінами. До групи мезонів
належать піони (π-мезони),
каони (K-мезони), етон (η-мезон). Мезони, як електрони або протони,
існують у двох видах частинок і античастинок.
Існування й нестабільність мезонів були передбачені до їх
відкриття квантово-механічною теорією внутрішньоядерних сил, запропонованою
японським фізиком X. Юкавою (1935 р.). У теорії Юкави передбачалось, що:
) мезони можуть мати заряд електрона або позитрона;
) їхня маса в 200-300 разів більша від маси електрона;
) мезони нестабільні і мають спонтанно розпадатись на
електрон (чи позитрон) і нейтрино;
) середній час життя мезона становить мільйонну частку
секунди.
Деякий час фізики ототожнювали мюони з частинками,
передбаченими теорією X. Юкави. Проте вивчення їхніх властивостей показало, що у
мюонів немає основної властивості частинок Юкави: вони, на відміну від частинок
Юкави, ядерно неактивні.
Аналогом частинок Юкави виявилися π±-мезони (піони), які також мають заряд
електрона (π--мезони)
або позитрона (π+-мезони).
Спін їх дорівнює нулю. Маса π-мезонів приблизно в 4/3 раза більша від
маси мюонів mπ± =273,2mе.
Заряджені π-мезони були відкриті в космічному
випромінюванні 1947 р., а 1949 р. їх було одержано в лабораторних умовах (на
прискорювачі в Берклі) при зіткненні швидких протонів з протонами і нейтронами:
(1.10)
У 1950 р. було відкрито π-мезони, що не мають заряду,
нейтральні π0-мезони,
які інколи називають нейтретто. їхня маса трохи менша від маси заряджених π-мезонів:
як і заряджені π-мезони, π° - мезони мають нульовий спін.
(Існування нейтральних μ-мезонів не виявлено.) Як і μ-мезони,
π-мезони
є нестабільними частинками і спонтанно розпадаються з дуже малим середнім часом
життя. Відповідні вимірювання показали, що середній час життя заряджених π+-мезонів
однаковий і становить 2,6 ∙ 10-8 с, тобто на два порядки
менший, ніж у μ-мезонів.
Саме цим пояснюється той факт, що у космічному випромінюванні на рівні моря
число π-мезонів
набагато менше від числа μ-мезонів. Заряджені π-мезони розпадаються за такою
схемою:
(1.11)
Отже, внаслідок розпаду π+-мезонів утворюються μ±-мезони і мюонне нейтрино (або
антинейтрино).
Середній час життя π° - мезона становить 0,76 ∙
10-16 с. Нейтральний π° - мезон розпадається на два фотони:
, (1.12)
Де γ-кванти високої енергії, що виникають при
цьому, дають початок каскадному утворенню електронно-позитронних пар.
На відміну від μ-мезонів π-мезони сильно взаємодіють з атомними
ядрами і, проникаючи в них, спричинюють ядерні перетворення. Особливе значення
для фізики ядра має можливий віртуальний обмін зарядженими π-мезонами
між різнорідними нуклонами і нейтральними π°-мезонами між однорідними нуклонами
всередині ядра. Виходячи з ідей, які висловили ще 1934 р.І. Є. Тамм, Д.Д.
Іваненко, X. Юкава, вважають, що, подібно до фотонів електромагнітного поля,π-мезони
зі спіном, який дорівнює нулю, випромінюються і поглинаються нуклонами і є
квантами ядерного (мезонного) поля:
,
.
,
. (1.13)
Поглинання цих мезонів іншими нуклонами приводить до
сильної взаємодії між ними, яка реалізується по одній із таких схем:
;
;
; 
. (1.14)
До групи мезонів належать також K-мезони. Як і π-мезонам,
К-мезонам властивий нульовий спін. Маса їх більша за масу π-мезонів і становить 966,3mе
для заряджених K+-мезонів і 974,5mе для нейтральних
K-мезонів (К°) і анти-ка-нуль-мезонів (
). K-мезон має елементарний позитивний заряд, а K-мезон
- елементарний негативний заряд. Залежно від типу K-мезонів середній час життя
змінюється від 10-8 до 10-10 с. Існує кілька схем розпаду
K-мезонів. Так, у випадку K-мезона можливі такі види розпадів:
(1.13)
Як зазначалось, π-мезони можуть бути утворені при ядерних
реакціях із частинками високих енергій в потужних прискорювачах; μ-мезони
утворюються в результаті перетворення π - і K-мезонів. K-мезони
народжуються з великою інтенсивністю при зіткненнях мезонів або протонів
високої енергії з нуклонами. Якщо один із видів частинок, наприклад негативні
мезони, назвати частинками, то позитивні мезони будуть античастинками. Можна
прийняти і протилежне позначення.
Баріони - масивні елементарні частинки. Вони складаються з
двох підгруп - нуклонів і гіперонів. Для них баріонний заряд відмінний від
нуля, лептонний заряд дорівнює нулю, і вони є ферміонами. З мезонами їх
об’єднує здатність брати участь у сильній взаємодії, внаслідок чого мезони і
баріони об’єднують в групу адронів. Адронами називають усі сильно взаємодіючі
частинки [8].
Нуклони. До нуклонів належать протон (р), антипротон (
), нейтрон (n) і антинейтрон (
).
Протон має масу, що дорівнює 1836,5 електронним масам,
тобто mр = 1,672 ∙ 10-27 кг. Позитивний заряд
протона за абсолютним значенням дорівнює заряду електрона, тобто qp
=1,60 ∙ 10-19 Кл.
Спін протона дорівнює , магнітний момент μp =2,7929μя, де
(1.14)
Протон є однією з найзручніших частинок для прискорення в
прискорювачах та використання для ядерних реакцій. Для протона прийнято такі
позначення: 11Н або р.
Протон - стабільна частинка. Проте, як показують теоретичні
розрахунки, час життя його менший за 1032 років. Експериментально
розпад протона не зафіксовано.
Існування антипротона було передбачено теорією Дірака, але
експериментальне відкриття його стало можливим тільки через чверть століття
після відповідного розвитку техніки прискорювачів заряджених частинок. Він був
відкритий наприкінці 1955 р. групою фізиків у складі Е. Сегре, О. Чемберлена та
інших при бомбардуванні мідної мішені протонами, прискореними в бетатроні Стенфордського
університету до енергії 6,3 МеВ.
Антипротон має масу, що дорівнює масі протона, і заряд,
однаковий за значенням і знаком з електроном. Спін антипротона дорівнює Магнітний момент однаковий за значенням з
магнітним моментом протона, але має від’ємний знак, тобто напрямлений
протилежно спіну. Отже, μ =2,7929μя. Антипротон позначають символом 
.
Протон і антипротон, подібно до електрона і позитрона,
утворюють систему частинка - античастинка. Якщо в системі електрон - позитрон
позитивно заряджена частинка після проходження через речовину швидко анігілює,
то в парі частинок протон - антипротон стабільною є саме позитивна частинка -
протон. Антипротон, хоч і стабільний у вакуумі, проте в речовині швидко
анігілює з протоном, утворюючи π - і K-мезони і рідше жорсткі γ-фотони.
Отже, поряд з електронно-позитронним вакуумом має існувати
протонно-антипротонний вакуум. Антипротон відносно протона є античастинкою.
Протон є однією з найважливіших складових частинок складних ядер і сам
становить ядро атома гідрогену. Разом з електроном протон утворює нейтральний
атом гідрогену. Можна уявити собі обернену систему, тобто систему антипротон -
позитрон, яка буде за всіма властивостями (оптичними, хімічними, магнітними)
аналогічна атомам гідрогену. Це буде анти атом гідрогену.
Елементарна частинка нейтрон має масу майже однакову з
масою протона, але не має електричного заряду. Внаслідок цього нейтрону
властива велика проникна здатність, оскільки він під час руху в речовині не
витрачає енергію на іонізацію, випромінювання тощо. Крім того, через
відсутність кулонівського відштовхування нейтрони дуже легко проникають в
атомні ядра і тому є дуже ефективними частинками, які спричинюють ядерні
реакції з усіма ядрами атомів. Маса нейтрона дорівнює 1838,6 електронним масам,
а електричний заряд - нулю. Спін нейтрона дорівнює , а магнітний момент нейтрона μn =-1,9131μя.
Позначають нейтрон символом n: інколи 1n або 10n.
Це вказує на те, що його масове число - одиниця, а заряд дорівнює нулю. Нейтрон
є нестабільною елементарною частинкою і після його звільнення з атомного ядра
через деякий час розпадається. Період піврозпаду нейтрона 16,9 хв. Він
розпадається за такою схемою:
(1.15)
де 
- електронне антинейтрино.
Античастинкою відносно нейтрона є антинейтрон.
Це елементарна частинка з тією самою масою, як і нейтрон,
із зарядом, що дорівнює нулю, і спіном Магнітний момент антинейтрона дорівнює за абсолютним значенням
магнітному моменту нейтрона, проте протилежний йому за знаком. Антинейтрон
позначають символом 
.
Уперше антинейтрони виявили (1956 р.) американські фізики
Б. Корк, Г. Ламбертсон, О. Піччоні, В. Вензель, які спостерігали антинейтрони,
що виникли в результаті перезарядження антипротонів, при русі їх через
речовину.
Реакція перезарядження полягає в обміні зарядами між
нуклоном і антинуклоном за такою схемою:
(1.16)
Вихід цих реакцій дуже невеликий, однак все ж вдається
спостерігати виникнення антинейтронів. Відкриття антинейтронів поряд з
відкриттям антипротонів є блискучим підтвердженням сучасної теорії елементарних
частинок.
Дослідження космічного випромінювання методом фотоемульсій,
а також з камерами Вільсона спеціальних конструкцій привели до відкриття важких
нестабільних частинок, які названо гіперонами. Маса гіперонів більша від маси
нуклонів (протонів і нейтронів), але менша від маси дейтронів. Нуклони і
гіперони належать до групи баріонів, тобто важких частинок. їх позначають
великими літерами грецького алфавіту. Існують нейтральні й заряджені гіперони,
спін їх дорівнює
При деяких зіткненнях піона з нуклоном піон зникав, а
замість нього народжувався новий мезон, який назвали K-мезоном, або каоном.
Нуклон при цьому перетворювався в нову частинку. Ця нова частинка, як і нуклон,
була баріоном. Час життя її був близько 10-10 с. Якщо вона
розпадалась, то з’являвся піон і нуклон і все поверталось у вихідний стан,
тільки з "додачею" K-мезона.
Порівняно з ядерним часом тривалість життя 10-10
с досить велика, і нові баріони з цієї точки зору можна розглядати як стабільні.
Гіперони народжуються при зіткненні піонів високої енергії
з нуклонами. При цьому утворюються, зокрема, λ°-гіперони з масою 2182,75mе,
два різних сигма-гіперони з майже однаковими масами (Σ+ з масою 2327,6mе і Σ - з
масою 2342,6mе), а також нейтральний сигма-гіперон (Σ°).
Час життя його 10-14с або менший. Маса Σ°-гіперона близька до маси Σ+
- і Σ--гіперонів
і дорівнює 2333,4mе. Крім Σ - і Λ-гіперонів було виявлено й інші
гіперони. Незвичними здалися фізикам два ксі-гіперони 
і 
, які розпадались так:
(час життя 
с)
(час життя 
с) (1.17)
По-перше, незвичним було те, що ксі-гіперони не розпадались
відразу на нуклони, а обов'язково спочатку перетворювались в ламбда-гіперон.
По-друге, у ксі-гіперона не виявилось позитивно зарядженого
антипода. Ксі-гіперони були схожі на пару нуклонів, а не на три сигма-гіперони.
Маси їх близькі 2584,7me у і 2572me. у . Незвичною була також поява ксі-гіперонів. Вони народжувались у
супроводі двох каонів, наприклад так:
(1.18)
Останній представник гіперонів, який привернув до себе
увагу, це Ω - (омега-мінус-гіперон),
маса якого дорівнює 3278mе, час життя - 1,3 ∙ 10-10
с. Утворюється він також при зіткненні піона з нуклоном, але в супроводі трьох
каонів:
(1.19)
Вперше Ω--гіперон виявлено на Брукхейвенському
синхротроні 1964 р. при здійсненні реакції:
(1.20)
При цьому було одержано 300 тис. знімків і лише на восьми з
них виявлено сліди Ω--гіперонів. На цих самих знімках було
зафіксовано і розпад Ω--гіперонів. Ω--гіперон випромінює піон π - і
перетворюється в 
-гіперон. Ксі-нуль-гіперон, у свою чергу,
розпадається на λ°-гіперон
і нейтральний піон. Нейтральний піон, як ми знаємо, перетворюється на два
фотони, кожний з яких народжує пару електрон - позитрон. λ°-гіперон перетворюється в протон і
негативний піон.
Отже, гіперони беруть свій початок від нуклонів. Нуклони є
також кінцевими продуктами їхнього розпаду. Саме це дає змогу розглядати
гіперони як збуджені нуклони. На користь такої думки свідчить і той факт, що
гіперони здатні заміняти нуклони в атомних ядрах, унаслідок чого виникають
нестабільні гіперядра.
.5
Античастинка. Антиречовина
Одне з найважливіших
досягнень сучасної фізики - відкриття особливої симетрії природи, яка полягає в
тому, що в кожної частинки речовини існує "двійник" - античастинка.
Вона має ту саму масу і спін, але протилежний знак електричного та інших
характерних зарядів. На існування в природі такої симетрії вперше вказав (1928
р.) П. Дірак.
Першою відкритою
античастинкою був позитрон (антиелектрон), виявлений 1932 р. у складі
космічного випромінювання. Через більш ніж двадцять років в експериментах на
прискорювачах високих енергій були відкриті антипротон і антинейтрон. Потім на
прискорювачах вдалося спостерігати велику групу нестабільних частинок - антигіперонів.
Зокрема, одна з таких частинок - анти-сигма-мінус-гіперон - була відкрита на
синхрофазотроні в ОІЯД м. Дубни. Античастинки можуть народжуватися лише в парі
зі своїм двійником - звичайною частинкою. Енергія, що витрачається на утворення
пари частинки - античастинки, дорівнює 2mс2, де m - маса частинки.
Наприклад, у разі народження пари електрон - позитрон витрачається енергія 1,02
МеВ.
Усі ці античастинки
належать до класу елементарних частинок. Із теоретичних уявлень випливає, що
поряд з елементарними античастинками мають існувати їхні складові системи -
антиядра, складовими елементами яких є антипротони і антинейтрони. Більше того,
атому кожного хімічного елемента таблиці Д.І. Менделєєва відповідають атоми
антиелементів, що складаються з антиядер і антиелектронів (позитронів). Отже,
поряд з будь-якою хімічною сполукою звичайної речовини можуть існувати
аналогічні хімічні сполуки, побудовані з атомів антиречовини. Інакше кажучи,
сучасна теорія припускає, що у Всесвіті можуть існувати ділянки з антиречовиною.
Вони відрізняються від звичайної речовини лише тим, що замість електронної
оболонки "звичайних" атомів в "антиатомах" оболонка
складається з позитронів, а замість атомних ядер містяться відповідні антиядра.
Характерною особливістю
взаємодії частинок з античастинками є те, що при зіткненні вони можуть
анігілювати, точніше перетворюватись у випромінювання або в частинки меншої
маси. Так, позитрон, зіткнувшись з електроном, може перетворитися в два або три
γ-кванти, антипротон при зіткненні з протоном - у кілька
мезонів, які потім або поглинаються речовиною, або розпадаються. Через реакцію
анігіляції "антиречовина" не може стабільно існувати разом із
речовиною. В такій "суміші" неперервно знищувалися б частинки і
античастинки доти, доки один з її компонентів повністю не "вигорів"
би. Оскільки при анігіляції виділяється значна енергія, суміш речовини і
антиречовини становить "ідеальне" паливо максимально можливої
калорійності. Воно приблизно в тисячу разів калорійніше від палива на основі
ядерного поділу. Внаслідок великого енерговиділення при анігіляції речовини і
антиречовини гіпотеза існування "антисвітів" (тобто ділянок, що
складаються з антиречовини) часто використовувалась астрофізиками для пояснення
незрозумілих потужних джерел випромінювання у Всесвіті.
Із введенням в
експлуатацію потужних прискорювачів елементарних частинок на енергію в десятки
мільярдів електрон-вольтів істотно розширились можливості експериментального
вивчення антиречовини. Справа в тому, що для народження античастинок при
зіткненні частинок високої енергії важливо, щоб енергія бомбардуючої частинки
була досить великою. Наприклад, реальна можливість спостережень антипротонів
з’явилась тоді, коли було споруджено прискорювачі протонів до енергій 6.10 ГеВ.
На прискорювачі, розрахованому на енергії близько 30 ГеВ, було виявлено
антидейтерій.
Перше
антиядро-антидейтрон одержали 1965 р. американські фізики під керівництвом Л.
Ледермана. Можливість же спостерігати антиядро наступного за гідрогеном
елемента таблиці Д.І. Менделєєва - гелію відкрилась, по суті, тільки з
введенням в експлуатацію Серпухівського прискорювача протонів з максимальною
енергією 76 ГеВ. Ядро антигелію складається з двох антипротонів і одного
антинейтрона.
Труднощі, які виникли
перед експериментаторами, полягали у тому, що ядра антигелію потрібно було
шукати серед великої кількості інших частинок, які утворюються при зіткненні
частинок високих енергій. їх виділяли з маси інших частинок одночасно за
кількома ознаками, зокрема за електричним зарядом, швидкістю руху частинок, які
визначались різними методами. Це дало змогу надійно зареєструвати ядра
антигелію. За час вимірювання через експериментальну установку було пропущено
понад 2 ∙ 1011 частинок, серед яких виявилося п’ять ядер
антигелію. Відкриття ядер антигелію має велике принципове значення, оскільки
воно підтверджує теоретичну концепцію існування антиречовини. А це, у свою
чергу, сприятиме глибокому розумінню процесів, які відбуваються у Всесвіті, а
також його еволюції.
Якби були можливими
накопичення антиречовини, то процеси, які в них можуть відбуватися, не
відрізнялись би від тих, що існують у звичайній речовині. Таке накопичення
антиречовини, яке за своїми масштабами еквівалентне, наприклад, галактиці,
можна назвати антигалактикою.
Можна припустити, що
поряд з галактиками існують антигалактики. При зіткненні антигалактик із
звичайними космічними утвореннями мають відбуватися грандіозні катастрофи у
Всесвіті, які супроводжуються грандіозними вибухами з виділенням величезної
кількості випромінювання. Можливо, що цими процесами можна пояснити спалахи
нових зірок та інші космічні явища [8].
1.6
Гіпотетичні елементарні частинки
Аксіно - гіпотетична нейтральна елементарна частинка зі
спіном 1/2, яку передбачали деякі теоретики фізики елементарних частинок.
Теорія Печчеї - Квінн намагається пояснити спостережуване явище, відоме як
сильна CP-проблема, шляхом введення гіпотетичних реальних псевдоскалярних
частинок, так званих аксіонами
<#"804799.files/image082.gif"> як ~ 1/V.
В оригінальній теорії Печчеї-Квінн V ~ 100 ГеВ
<#"804799.files/image083.gif"> - і 
-частинок. В модифікованій теорії в рамках
Великого об'єднання
<#"804799.files/image085.gif">
Рис. 1.1 Схема лінійного резонансного прискорювача.
Тому електричне поле має бути досить сильним. Для його
створення використовують високовольтні генератори (електростатичний генератор
Ван-де-Граафа, імпульсний генератор, каскадний генератор сталості напруги).
Такі лінійні прискорювачі є нерезонансними.
У лінійних резонансних прискорювачах використовується
високочастотна змінна напруга, а рух частинки синхронізується із змінами
напруги. У циліндричній вакуумній трубці розташовано трубчасті електроди. Ці
електроди з'єднані через один між собою, і на них подається змінна напруга.
Нехай у деякий момент часу потенціали електродів визначаються верхніми знаками
"+" або "-", а напрям електричного поля - верхніми
стрілками.
Вважатимемо, що прискорюваними частинками є протони, які
влітають у прискорювач зліва і рухаються всередині першої трубки-електрода. При
русі протона в щілині між електродами 1 і 2 відбувається його прискорення.
Потім прискорювана частинка рухається всередині другої трубки-електрода.
Пролітаючи в ній, протони не зазнають дії ніяких сил, оскільки електричне поле
всередині металевої трубки, як і всередині будь-якого провідника, відсутнє.
Продовжуючи свій рух, протони знову потрапляють у щілину між електродами 2 і 3.
Якби поле було сталим у часі, то, пролітаючи у щілині, протони втратили б усю
енергію, яку одержали у першій щілині. Однак за той час, протягом якого
частинки пролітають другим електродом, потенціали на електродах змінюються так,
що напрям електричного поля і потенціали визначаються нижніми знаками (рис.2).
і За такої умови протони у другій щілині знову прискорюватимуться і їхня
енергія зростатиме. Ідея цього методу прискорення полягає в тому, що напруга
змінюється за той час, поки протони знаходяться всередині тієї чи іншої трубки.
Такий метод прискорення називають резонансним. Довжина трубчастих електродів із
ростом їх номера в цих прискорювачах збільшується. Оскільки частинки рухаються
в кожному наступному електроді з наростаючими швидкостями, то вони мають
пролітати всі трубчасті електроди за той самий час, який дорівнює половині
періоду змінної прискорюючої напруги (або непарному числу півперіодів). Лінійні
резонансні прискорювачі протонів застосовуються в основному як перший ступінь
прискорення (інжектори) у циклічних прискорювачах [11].
Лінійні резонансні прискорювачі електронів істотно
відрізняються від протонних. Для прискорення електронів застосовують так звані
"прискорювачі з біжучою хвилею". У них електрон весь час перебуває
біля гребеня такої хвилі і безперервно прискорюється.
Незважаючи на те що лінійні прискорювачі не можуть надавати
частинкам таких великих енергій, які тепер використовуються в атомній фізиці,
вони поки що залишаються важливими установками в ядерних дослідженнях [12].
2.3
Циклічні прискорювачі
У циклічних прискорювачах
використовується спільна дія на заряджену частинку електричного і магнітного полів.
Електричне поле прискорює частинки, а магнітне утримує їх на певній траєкторії
і багато разів повертає у прискорююче поле. Циклічні прискорювачі, як і
лінійні, поділяються на нерезонансні і резонансні.
До нерезонансних
циклічних прискорювачів належить бетатрон, який використовується для
прискорення р-частинок (електронів). Теорію бетатрона розробив у 1940 р.
радянський фізик Я.П. Терлецький, а в 1940-1941 рр. у США Д. Керст збудував
перший бетатрон, який давав змогу прискорювати електрони до енергій 2-3 МеВ. На
рис. 3 показано схематичний переріз бетатрона (1 - полюсні наконечники; 2 -
переріз вакуумної тороїдальної трубки; 3 - центральний сердечник; 4 - обмотка
електромагніту; 5 - ярмо магніту).
Як відомо, змінне
магнітне поле створює вихрове електричне поле, лінії напруженості якого являють
замкнені криві, що охоплюють лінії магнітної індукції. Таке вихрове електричне
поле використовується для прискорення електронів у тороїдальній трубці. Під час
посилення магнітного поля у трубку вводять електрони. Їх підхоплює вихрове
електричне поле і розганяє до високих енергій. Через чверть періоду зміни сили
струму в електромагніті напруженість магнітного поля досягає максимуму і
прискорення електронів припиняється. За цей час електрони набувають енергію до
300 МеВ. Максимальна енергія електронів, прискорених у бетатроні, може досягати
500 МеВ. Дальшому зростанню їх енергії перешкоджають значні витрати її на
електромагнітне випромінювання електронів, що рухаються по викривлених
траєкторіях.
Залежно від характеру прискорюючого
поля і керуючого магнітного поля циклічні резонансні прискорювачі поділяють на
циклотрони, фазотрони, синхротрони та синхрофазотрони.
Розглянемо принцип дії
деяких циклічних резонансних прискорювачів. Першим циклічним резонансним
прискорювачем був циклотрон, який сконструював у 1930 р. Е. Лоурено. В
однорідному магнітному полі у вакуумній камері розміщено два порожнистих
D-подібних електроди - дуанти 1 і 2 (рис. 3). У центрі між ними вмонтовано
вертикальну трубку А, через яку вводяться позитивно заряджені іони. Дуанти
підключено до генератора змінної електричної напруги. У щілині між дуантами
виникає електричне поле то прямого, то протилежного напрямів. Нехай з джерела
іонів А вилітає позитивний іон у той момент, коли дуант 1 має позитивний потенціал,
а дуант 2 - негативний.
Рис. 1.2 Циклічний резонансний прискорювач.
Рис. 1.3 Циклічний резонансний прискорювач.
Позитивний іон під дією
електричного поля зазнає прискорення і влітає в порожнину дуанта 2. У порожнині
дуанта 2 під дією магнітного поля іон перейде на колову орбіту. Радіус орбіти R
знаходимо за умови, що роль доцентрової сили відіграє сила Лоренца, тобто:
qυB = mυ2/R, тоді R=mυ/qB, (2.1)
де q,m і υ - відповідно заряд, маса і швидкість іона.
Якщо за час, протягом
якого іон у дуанті опише півколо і підійде до щілини, напрям електричного поля
зміниться на протилежний, то поле знову прискорюватиме його. Такий механізм
прискорення зарядженої частинки в циклотроні можливий тільки за умови, що її
рух відбувається синхронно (в резонансі) із зміною напруги між дуантами, тобто
період змінного електричного поля збігається з періодом Т колового руху іона в
дуантах. Оскільки υ = 2πR/Т, то умова синхронізації має вигляд:
Т0 = Т = 2πm/qB. (2.2)
Прискорення позитивних
іонів у циклотроні можливе доти, поки частинки рухаються в резонанс з
прискорюючим полем, тобто поки не проявляються релятивістські ефекти залежності
маси від швидкості. За допомогою циклотронів можна прискорювати протони,
дейтрони, іони гелію до енергій 10÷20 МеВ. При
значному збільшенні швидкості частинки її маса помітно збільшується і рівняння
синхронізації порушується [13].
У 1944-1945 рр.
радянський вчений В.І. Векслер і незалежно від нього американський вчений Е.
Макміллан відкрили досить важливе фізичне явище, яке було названо механізмом
автофазування. Він діє у резонансних прискорювачах і дає змогу досягнути також
і релятивістських енергій:
Рис. 1.4 Прискорювач з однорідним магнітним полем.
Механізм автофазування полягає в тому, що при досить
повільній зміні з часом частоти прискорюючого поля ω2 (t) і середнього значення індукції
магнітного поля 
(t) енергія частинки автоматично набирає
значення, близьке до резонансного. Для з'ясування принципу автофазування, як
приклад, розглянемо прискорювач з однорідним магнітним полем, прискорююча
напруга якого змінюється за законом косинуса.
Нехай φ0 - "рівноважна фаза", тобто фаза
частинки, що перебуває в резонансі з прискорюючим полем. Якщо частинка
випадково потрапляє у фазу φ1>φ0, то вона дістає енергію меншу, ніж при φ=φ0
(рис.1.4), період ЇЇ обертання відповідно до (3.2) зменшиться, частинка
відставатиме по фазі, тобто ЇЇ фаза наближатиметься до рівноважної фази φ0.
Навпаки, частинка, яка відстала (φ2 < φ0), дістає більшу енергію, ніж при φ= φ0,
її період збільшується, вона прийде до щілини між прискорюючими електродами пізніше
і, отже, наблизиться до рівноважної частинки. Відкриття принципу автофазування
привело до створення нових типів циклічних резонансних прискорювачів.
Як зазначалось, при зростанні енергії прискорюваної
частинки рівняння синхронізації порушується і наступне прискорення частинки
припиняється. Відповідно для збільшення енергії частинки у прискорювачі при
збереженні синхронізації необхідно нарощувати магнітне поле. Прискорювач, в
якому режим прискорення частинок підтримується зміною магнітного поля, називається
синхротроном. У таких прискорювачах частота прискорюючого поля ω2
стала. Синхротрон використовується для прискорення електронів.
Інший метод автофазування полягає в тому, що для збереження
синхронізації повільно змінюють частоту прискорюючого електричного поля ω2
відповідно до зміни маси частинки, а магнітне поле залишається незмінним. Такий
прискорювач називають фазотроном. Він працює в імпульсному режимі і
використовується для прискорення протонів та іонів. Прискорювач, в якому
поєднуються принципи дії синхротрона і фазотрона, називають синхрофазотроном
[14].
Максимальна енергія протонів, досягнута на синхрофазотроні
(США), - 500 ГеВ, в ЦЕРН (Швейцарія) - 450 ГеВ. У СРСР біля Серпухова працює
синхрофазотрон з енергією протонів 76 ГеВ.
Рис. 1.6. Схема установки на зустрічних протон-протонних
пучках.
Для ефективного
підвищення енергії частинок тепер широко застосовуються установки із
зустрічними пучками. Найпоширенішими є установки на електрон-позитронних,
протон-протонних і протон-антипротонних пучках. Такі установки називають
коллайдерами. Перший електронний прискорювач на зустрічних пучках був введений
у дію в Новосибірську (1967р.). Енергія частинок у кожному пучку становила 0,16
ГеВ. Відповідно до розрахунків для еквівалентного прискорювача з нерухомою
мішенню це відповідає Е = 100 ГеВ. Планується введення в дію у Новосибірську
прискорювача на зустрічних електрон-позитронних пучках, у якого енергія
частинок кожного пучка 1000 ГеВ. Це відповідатиме енергії частинок прискорювача
з нерухомою мішенню Е = 4 109 ГеВ.
На (рис.1.6.) показана
схема установки на зустрічних протон-протонних пучках (ЦЕРН, енергія частинок
кожного пучка 31 ГеВ, Е = 2 103 ГеВ). Прискорювальна система
складається з інжектора І (лінійного прискорювача), бустера В (малого
прискорювача) і потужного синхрофазотрона СФ. Система формує пучок протонів з
енергією 31 ГеВ Біля прискорювача розташовано два накопичувальних кільця НК, у
яких трохи деформовані кола діаметром 300м перетинаються 8 разів під кутом 15°.
Протони вводяться в кільця по черзі каналами 1 і 2 протягом 30 хв до досягнення
сили струму 30 А. Після цього синхрофазотрон від'єднується. Тиск доведений до
109 Па. Це дає змогу зберігати зустрічні протонні пучки протягом
кількох діб. Пучки зазнають зіткнень у місцях перетину кілець, де й
відбувається реєстрування подій. Тепер розробляються проекти установок із
зустрічними протон-антипротонними пучками на кілька десятків ТеВ. Провадяться
також пошуки нових принципів прискорення елементарних частинок. Вважають
перспективним колективний метод прискорення, при якому поля, що прискорюють
частинки, створюються не зовнішніми радіотехнічними засобами, а за допомогою
інших груп заряджених частинок.
Ведуться роботи по
створенню прискорювачів з електромагнітами з високотемпературних надпровідників
та кібернетичних прискорювачів.
Всі нейтральні частинки,
у тому числі і нейтрони, неможливо прискорювати і фокусувати електромагнітними
полями. Такі частинки утворюються тільки під час ядерних реакцій. Джерела нейтронів
поділяють на три групи: джерела, в яких нейтрони виникають внаслідок
радіоактивних випромінювань; джерела, в яких нейтрони створюються частинками,
що вилітають з прискорювачів; ядерні реактори.
Для дослідження взаємодії
одних частинок з іншими перші направляють у вигляді пучка частинок певних
енергій на інші, які знаходяться в спеціальних пристроях, їх називають
мішенями. Дослідженню підлягають частинки, які вилітають з мішені. Мішені
можуть бути розміщені як всередині камери прискорювача, так і за її межами.
Часто мішенню є робоча речовина самого детектора [15].
3.
Результати та їх обговорення
Згідно сучасних уявлень у фізиці елементарних
частинок,що базується на експериментальних дослідженнях, реалізованих у різних
наукових лабораторіях (APS, CERN, та ін.) вважається встановленим той факт що
стандартна модель яка перевірялась протягом більш них 50 років є доведеним
фактом.
Станом на 2013 рік перелік елементарних частинок
та їх класифікація здійснюється згідно стандартної моделі. Останнім тріумфом
незаперечної правильності стандартної моделі є експериментально встановлене
існування бозона Хіггса.
Незважаючи на велику кількість елементарних
частинок ті їх класифікацію повна класифікація у літературі повністю не
приводиться. За виключенням дуже спеціалізованих систематизованих видань для
спеціалістів з ядерної фізики (NNDC, DPG та ін.). Такий стан речей викликає
труднощі у процесі вивчення у предметі ядерна фізика як у студентів, так і у
науковців, пов’язаних з фізикою ядерних частинок. Крім того загальна кількість
елементарних частинок часто змінюється та поповнюється, що вносить додаткові
труднощі у сприйнятті нової інформації, тому метою роботи було провести
найбільш детальний аналіз та класифікацію елементарних частинок станом на 2013
рік. А також провести характеристики на енерго-часових діаграмах.
.1
Бозони
Частинки які підкоряються розподілу
Бозе-Ейнштейна (1.3) який описує частинки з цілим або нульовим спіном. Згідно
С.М. ці частинки є перенощиками різних взаємодій, тобто є квантами поля, тому
їх класифікують за видами взаємодії що вони переносять. Згідно цієї
класифікації таблиця (3.1) електромагнітну взаємодію здійснює фотон який
переносить заряд, тому часто фотон, або гамма-квант, розглядається як джерело
іонізуючого випромінювання.
Таблиця 3.1-
Основні характеристики бозонів
|
Частинка
|
Символ
|
Тип
частинки
|
Взаємодія
|
Маса,
МеВ
|
Час
життя, с
|
Спін в
ћ
|
|
Хігс-бозон
|
H0
|
бозон
|
|
114400
|
|
0
|
|
Зет-бозон
|
Z0
|
калибр
бозон
|
Слабка
|
91187,6
|
2,64E-25
|
1
|
|
Дубль-Ве-бозон
|
W (+ -
)
|
калибр
бозон
|
Слабка
|
80399
|
3,16E-25
|
1
|
|
Фотон
|
γ
|
калибр
бозон
|
ел-маг,
грав.
|
1E-24
|
∞
|
1
|
|
Глюон
|
g
|
калибр
бозон
|
Сильна
|
|
|
|
|
Гравитон
|
G
|
калибр
бозон
|
гравітаціна
|
0
|
∞
|
2
|
|
Хігс-плюсминус-бозон
|
H (+ -
)
|
бозон
|
|
79300
|
|
|
|
Дубль-Ве-штрих-бозон
|
W'
|
бозон
|
|
1000000
|
|
|
|
Зет-штрих-бозон
|
Z'
|
бозон
|
|
1030000
|
|
|
Така взаємодія здійснюється згідно квантової
електродинаміки шляхом обміну віртуальними лептонами з елементарними
частинками. Згідно літературних даних фотон це без масова частинка, яка була
теоретично доведена Планком у 1900 року та Ейнштейном у 1905-1907 роках. Остаточного
підтвердження ця теорія здобула у 1923 році. Фотон має два спінові стани з
проекціями спіну на напрямки руху (спіральність) ±1. Класичною аналогією цієї
квантової характеристики відповідає коловій правій та лівій поляризації
електромагнітної хвилі.
Фотону як квантовій частинці властивий
корпускулярно-хвильовий дуалізм, тобто прояв властивостей частинок і хвиль.
Швидкість фотону який є калібровочним бозоном у вакуумі складає с (с=299792458
м/с) і є максимальною швидкістю згідно теорії відносності Ейнштейна.
Для частинок що мають електромагнітну та
гравітаційну взаємодію є характерним анігіляція або утворення пари частинок -
античастинок за участю фотона (гама кванту). Фотони є безпосередніми учасниками
таких процесів як фотоефект, ядерний фото розпад, ефект Комптона.
Згідно теорії електрослабкої взаємодії слабка
взаємодія і електромагнітна взаємодія на початку утворення всесвіту мали
однакові характеристики і по суті були перенощиками слабкої взаємодії, але
через деякий швидкоплинний період електромагнітна і слабка взаємодія
розділилась у наслідок того, що фотон не взаємодіє з бозоном Хігсса
(безмасовий), а калібровочні слабкі бозони взаємодіяли і отримали значну масу
табл. (3.1).
Слабкі колібровочні бозони (weak) переносять квантову
характеристику, яку по аналогією з електромагнітною взаємодією можна порівняти
з слабким зарядом. Аромат - квантова характеристика що притаманна кваркам, яка
може змінюватися під впливом 
або z - бозона, тобто один тип кварку змінюється на інший.
Проявом слабкої взаємодії є різні типи бета розпаду. Крім
того слабка взаємодія характерна для інших типів розпаду елементарних частинок.
Слабкі калібровочні бозони приймають участь у слабкій і
гравітаційній взаємодіях, а W-бозон у електромагнітній. Електричний заряд для дорівнює е а для z 0 Кольоровий заряд 0
спін 1 кількість спінових станів 3. Відкритий у ЦЕРНі в 1983 році.
Випромінювання або w - бозону може підвищити або знизити електричний заряд
частинки що випромінює на 1 і змінити спін на 1.бозон може змінювати генерацію
частинок. Перетворювати "с" кварк на "u" кварк. 
- бозон не може змінювати будь який заряд
а тільки спін і імпульс, тому він не змінює ні генерацію, ні аромат частинки
яка його випромінює. Свою назву W-бозон отримав від слова weak, що означає
слабкий а - бозон від слова zero що означає
нульовий по підношенню до його заряду.
Глюони
Глюон також є перенощиком слабкої взаємодії.
Результатом взаємодії з яким змінюється квантовий кольоровий стан кварку. Тобто
глюон це векторний калібровочний бозон який безпосередньо відповідає за сильну
кольорову взаємодію між кварками і описується квантовою хромодинамікою. Глюон
приймає участь у сильній та гравітаційній взаємодії. Теоретично обґрунтував
Гелл-Ман та
Цвейг у 1964 році, а експериментально встановлено
існування вже у 1979 році.
Таблиця 3.2-
Можливі комбінації глюонів
Існує 8 типів глюонів. Див тал. (3.2) згідно цієї
таблиці глюон має одночасно два квантових кольори. Колір один та антиколір два.
При взаємодії з кварком наприклад з кварком у стані зелений глюон з антизеленим
і синім кольором спочатку робить кварк безколірним, а потім "фарбує"
його в синій.
Завдяки такий неперервній взаємодії глюонів з
кварками, кварк є весь час зайнятим і тому не може покинути межі частинки
частину якої він складає. Це явище називається "в'язниця" яке є
сутністю сильної взаємодії, що не дозволяє кваркам бути вільними. І створює
можливість їх існування лише в складі трьох різних кварків або системи кварк -
антикварк.
Три кварки баріони, а кварк анти кварк мезони.
У середині сильно взаємодіючої частинки (адрона)
кварки і глюони є відносно рівними і утворюють кварк - гюонну плазму. Маса і
електричний заряд глюона дорівнює 0, спін 1, а кількість спінових станів 2.
Свою назву глюон отримав від англійського слова
gluve - клей. Опис гіпотетичної частинки яка як вважають відповідає за
гравітаційну взаємодію і називається гравітон виходить за рамки стандартної
моделі. Це частинка є калібровочним бозон що гравітаційно взаємодіє. Можливі і
інші типи взаємодії, наприклад темна, існування якої не доведено. Маса частинки
і електричних заряд дорівнює 0, а спін 2 з двома можливими напрямками
поляризації.
Незважаючи на це пошуки існування гравітону
підтвердженням чого є дослідження Гарвард - Смітсонівського центру астрофізики
що підтверджують квантову теорію гравітації (2014).
Бозон
Хіггса
Бозон Хіггса - гіпотетична масивна без спінова
частинка, квант відповідного (хіггсового) поля, що виникає в теоретичних
моделях із спонтанним порушенням симетрії (в тому числі і в стандартної моделі)
і відповідального за виникнення мас у елементарних частинках.
Стандартна модель передбачає, що існує ще одне
поле, яке практично невіддільне від порожнього простору. Його прийнято називати
полем Хіггса (за прізвищем англійського теоретика Пітера Хіггса). Вважається,
що весь простір заповнений цим полем, і що частинки набувають масу шляхом
взаємодії з ним. Ті з них, які сильно взаємодіють з полем Хіггса, є важкими
частинками, а слабо взаємодіючі - легкими. Цей ефект аналогічний ефекту руху
тіла в в'язкої рідини, коли воно за рахунок взаємодії з рідиною набуває
додаткової ефективну масу. Ще один приклад - електрон в кристалі. Через
електромагнітну взаємодії з атомами кристалічної решітки електрон набуває
ефективну масу, відмінну від маси вільного електрона.
Одне з найважливіших завдань сучасної фізики -
виявлення хіггсовських частинок і вивчення їх властивостей. Існування бозонів
Хіггса надзвичайно важливо для фізики елементарних частинок. За сучасними
теоретичними уявленнями, хиггсовских бозони мають пряме відношення до концепції
походження мас елементарних частинок - фундаментального питання фізики.
Примітно, що це питання не піднімалося до появи Стандартної моделі.
В силу корпускулярно-хвильового дуалізму полю
Хіггса повинна відповідати, принаймні, одна частинка - квант цього поля, звана
часткою Хіггса або хіггсовським бозоном. Вважається, що хіггсовський бозон має
нульовий спін. Експериментальне спостереження хіггсовського бозона було б одним
з найбільших наукових відкриттів XXI століття.
Існують чотири основні канали народження
хіггсовського бозона в зіткненні партонів з двох зустрічних протонів:
Народження в злитті глюонів: gg → H. У
ультрарелятивістському протоні глюони (з потрібною кінематикою) переважають над
іншими Партонами, тому це домінуючий канал народження. Цей процес виявився
досить важким для розрахунку тому, що поправки високого порядку виявилися не
малі, проте після декількох років роботи вони обчислені з хорошою точністю.
Народження в злитті векторних бозонів WW →
H або ZZ → H. Віртуальні векторні бозони, які випромінюються і
поглинаються кварками, можна теж розглядати як Партон, яких, правда, в протоні
надзвичайно мало. Проте вони дуже сильно (набагато сильніше, ніж самі кварки)
пов'язані з хіггсовських бозоном, тому перетин цього процесу всього в декілька
разів менше, ніж злиття глюонів.
Асоціативне народження разом з W-або Z-бозоном.
Цей процес часто називають також Higgsstrahlung ("гальмівне випромінювання
бозона Хіггса" - за аналогією з bremsstrahlung, гальмівним випромінюванням
фотонів).
Асоціативне народження разом з топ-кварками. Цей
процес можна уявити собі як народження двох топ-кварк-антикваркових пар,
причому кварк і антикварк з різних пар потім зливаються, породжуючи
хіггсовський бозон. Перетин цього процесу ще менше, але він володіє своєю
специфічною сигнатурою (картиною розпаду в детекторі), яку можна
використовувати для пошуку хиггсовского бозона.
.2
Ферміони
Згідно статистичної фізики ферміони це частинки
що мають спін кратний напівцілому і під контролюються статистиці Фермі-Дірка.
Якщо бозони це частинки поля, то ферміони це частинки матерії. По відношенню до
фундаментальної взаємодії всі частинки стандартної моделі поділяються на
лептон, адрони і кварки.
Лептони
Лептони йде від слова легкий. Входять у клас
фундаментальних ферміонів (разом з кварками). Вони складають клас
фундаментальних ферміонів з яких складеться речовина і в яких відсутня
внутрішня структура (станом на 2013). Ферміони складаються з трьох генерацій
(поколінь) таблиця (3.3).
Таблиця 3.3-
Основні характеристики лептонів
|
Назва
|
Символ
|
Маса
|
Спін
|
Час
життя
|
|
Електрон
|
е, е
|
9,10938
(40) ·10−31 кг 0,51099898 МеВ/c²
|
(1/2)
|
∞
(не менее 4,6·10^26 лет)
|
|
Позитрон
|
е+
|
9,1093826
(16) ·10−31 кг 0,51098910 (13) МеВ/c²
|
(1/2)
|
∞
(не менее 4,6·10^26 лет)
|
|
Продовження
таблиці 3.3
|
|
Мюон
|
μ
(μ−)
|
105,6583715
(35) МеВ
|
(1/2)
|
2,
19703 (4) ·10−6 c
|
|
Тау-лептон
|
|
1,77682
(16) ГеВ
|
(1/2)
|
2,9·10−13
с
|
|
Електронне
нейтрино
|
νe
|
меньше
0,28 МеВ, але не 0
|
(1/2)
|
10·1013
с
|
|
|
|
|
10·1013
с
|
|
Мюонне
нейтрино
|
νμ
|
меньше
0,28 МеВ, але не 0
|
(1/2)
|
|
Тау-нейтрино
|
ντ
|
меньше
0,28 МеВ, але не 0
|
(1/2)
|
10·1013
с
|
Електронне нейтрино, тау лептон, тау лептонне
нейтрино і т.д. Які відрізняються за масою і у результаті розпаду
перетворюються один у одного.
Рис. 3.2 Графік залежності часу життя від енергії
для лептонів.
Електрони мюони і таони взаємодіють
електромагнітно, слабко та гравітаційно, а нейтрино тільки слабко і
гравітаційно. Для нейтрино також характерне перетворення одного типу в інший
які називаються нейтринними осциляціями. Проблема нейтринних осциляцій
розв’язується якраз у даний час і до кінця не вирішена, хоча останні
дослідження вказують на можливість усіх типів нейтринних осциляцій. Деякі вчені
висловлюють думку що таон і мюон є збудженими станами електрона за масою, або
за енергією. Тому вони у результаті розпаду перетворюються у стабільний
електрон.
В підтвердження таких стверджень нами приведено
залежність енергії лептона від часу його життя (рис 3.2.) з якої видно що при
зменшенні енергії лептона час його життя збільшується. Тому на наш погляд такі
ствердження є обґрунтовані.
Відомо що всі перетворення лептонів здійснюються
у відповідність з законом збереження лептонних зарядів. Співвідношення мас
лептонів відповідає формулі Коїде і формулі Борутта.
Кварки
Кварки разом з лептонами складають сім’ю фундаментальних
ферміонів з яких складається матерія і які не мають внутрішньої структури
(станом на 2013 рік). Кварки також складають з трьох поколінь (генерацій) див
таблицю (??). Кварки приймають участь у всіх елементарних взаємодіях: слабка,
сильна, електромагнітна і гравітаційна. Особливість кварків полягає в тому що
їх заряд кратний е\3. І складає - 1/3 е або +1/3 е Кварки не спостерігаються у
вільному стані. Точковий масштаб розмірів менше
метра. Всі сильно взаємодіючі частинки (адрони) складаються з
кварків.
Таблиця 3.4-Основні характеристики кварків
|
Назва
|
Покоління
|
Античастинка
|
Маса
|
Електричний
заряд
|
спін
|
|
u-кварк
|
перше
|
u-антикварк
|
1.7 -
3.3 МеВ
|
1/3
|
1/2
|
|
d-кварк
|
перше
|
d-антикварк
|
4.1 -
5.8 МеВ
|
- 1/3
|
1/2
|
|
с-кварк
|
друге
|
с-антикварк
|
1.27
ГеВ
|
2/3
|
1/2
|
|
s-кварк
|
друге
|
s-антикварк
|
101 МеВ
|
- 1/3
|
1/2
|
|
t-кварк
|
третє
|
t-антикварк
|
172.0±2.2
ГеВ
|
1/3
|
1/2
|
|
b-кварк
|
третє
|
b-антикварк
|
4.19
ГеВ
|
- 1/3
|
1/2
|
Кварки мають 6 ароматів див таблицю (3.4) які
можуть змінюватись під впливом слабкої взаємодії. Для кварків характерна
наявність конфайменту, що реалізується у результаті сильної взаємодії з
глюонами. Кварки у різній модифікації є складовими частинами двох типів
адронів: баріонів (сполучення трьох кварків) і мезонів (сполучення кварку і
антикварку).
Рис. 3.3 Адронні струми
Кваркова модель буда запропонована Гелл-Ман і
Цвейгом і на сьогодні пояснює існування всіх адронів. Існування кварків
підтверджено експериментально з досліду адронних струмів. Існування яких
вважається експериментально встановленим фактом.
.3
Адрони
Адрони е частинки для яких характерна сильна
взаємодія. Назва адрони з грецької "масивний" запропоновано Окунем у
1962 році. Поділяють на дві основні групи. Баріони що складаються з трьох
кварків і трьох кольорів які утворюють безкольорову комбінацію і мають на пів
цілий спін тобто є (складеними) ферміонами таблиця (3.3) куди відносять нуклони
що складають ядро атома, гіперони.
Другою групою частинок є мезони що складаються з
кварку та антикварку. До мезонів відносяться піони, каони, та інші важкі
мезонии. Вони мають цілий спін тобто є складеними бозонами.
Для обох підвидів адронів характерне існування частинок з
малим часом життя менше секунді що називають резонансом. У
зв’язку з тим що адрони складають найбільш широкий клас частинок більше 300.
На їх класифікації зупинимось більш детально.
Баріони
Основні баріони приведені у таблиці (3.6)
Майже для всіх баріонів приведених у таблиці
відомі основні характеристики, в тому числі і для гіперонів. Незважаючи на
певну відмінність характеристик баріонів нами запропонований їх ілюстрований
розподіл за масою та часом життя рис (3.3.).
Таблиця 3.6-
Основні баріони та їх характеристики
|
Частинка
|
Символ
|
Маса,
МеВ
|
Час
життя, с
|
Ізоспін
I
|
|
Эн-одиннадцать-барион
|
N11 (+
- 0 ~)
|
2650
|
1,01263E-24
|
1/2
|
|
Эн-семь-штрих-барион
|
N7' (+
- 0 ~)
|
2190
|
1,31642E-24
|
1/2
|
|
Эн-девять-штрих-барион
|
N'9 (+
- 0 ~)
|
2275
|
1,27808E-24
|
1/2
|
|
Эн-один-барион
|
N1 (+ -
0 ~)
|
1445
|
2,02527E-24
|
1/2
|
|
Дельта-три-штрих-барион
|
Δ3'
(++,+,0,-)
|
1625
|
1,88061E-24
|
1 1/2
|
|
Эн-девять-барион
|
N9 (+ -
0 ~)
|
2250
|
1,54873E-24
|
1/2
|
|
Дельта-пять-штрих-барион
|
Δ5'
(++,+,0,-,)
|
1960
|
1,82837E-24
|
1 1/2
|
|
Дельта-пять-барион
|
Δ5
(++,+,0,-,)
|
1890
|
1,96481E-24
|
1 1/2
|
|
Дельта-три-дваштриха-барион
|
Δ
(1700) D33
|
1710
|
2,
19404E-24
|
1 1/2
|
|
Дельта-одинадцать-барион
|
Δ11
(++,+,0,-,)
|
2400
|
1,64553E-24
|
1 1/2
|
|
Дельта-семь-барион
|
Δ7
(++,+,0,-,~)
|
1932,5
|
2,30952E-24
|
1 1/2
|
|
Эн-три-барион
|
N3 (+ -
0 ~)
|
1725
|
2,92539E-24
|
1/2
|
|
Дельта-один-дваштриха-барион
|
Δ"1
(++,+,0,-,~)
|
1895
|
2,86179E-24
|
1 1/2
|
|
Эн-барион
|
N
(1650) S11
|
1652,5
|
3,98916E-24
|
1/2
|
|
Эн-один-штрих-барион
|
N1' (+
- 0 ~)
|
1535
|
4,38808E-24
|
1/2
|
|
Дельта-барион
|
Δ
(++,+,0,-,)
|
1232
|
5,57807E-24
|
1 1/2
|
|
Дельта-один-штрих-барион
|
Δ1'
(++,+,0,-)
|
1630
|
4,53939E-24
|
1 1/2
|
|
Эн-штрих-пять-барион
|
N
(1675) D15
|
1675
|
4,46245E-24
|
1/2
|
|
Эн-один-дваштриха-барион
|
N"1
(1710) P11
|
1710
|
4,38808E-24
|
1/2
|
|
Эн-пять-барион
|
N5 (+ -
0 ~)
|
1685
|
5,06317E-24
|
1/2
|
|
Эн-три-штрих-барион
|
N3' (+
- 0 ~)
|
1520
|
5,72358E-24
|
1/2
|
|
Эн-три-дваштриха-барион
|
N3"
(+ - 0 ~)
|
1700
|
6,58212E-24
|
1/2
|
|
Нейтрон
|
n
|
939,565346
|
885,7
|
1/2
|
|
Протон
|
p
|
938,272013
|
5E+32
|
1/2
|
|
Сигма-плюс-гиперон
|
Σ+
|
1189
|
0.80·10-10
|
1/2+
(1)
|
|
Сигма-нуль-гиперон
|
Σ0
|
1193
|
7.4·10-20
|
1/2+
(1)
|
|
Сигма-мінус-гиперон
|
Σ-
|
1197
|
1.5·10-10
|
1/2+
(1)
|
|
Ксі-нуль-баріон
|
Ξ0
|
1315
|
2.9·10-10
|
1/2+
(1/2)
|
|
Ксі-мінус-баріон
|
Ξ-
|
1321
|
1.6·10-10
|
1/2+
(1/2)
|
|
Омега-мінус-баріон
|
Ω-
|
1672
|
0.82·10-10
|
3/2+
(0)
|
|
дельта-плюс-плюс-баріон
|
Δ++
|
1230-1234
|
115-125
|
3/2+
(3/2)
|
|
дельта-плюс-баріон
|
Δ+
|
1230-1234
|
115-125
|
3/2+
(3/2)
|
|
дельта-нуль-баріон
|
Δ0
|
1230-1234
|
115-125
|
3/2+
(3/2)
|
|
дельта-мінус-баріон
|
Δ−
|
1230-1234
|
115-125
|
3/2+
(3/2)
|
|
Сигма-плюс-гиперон
(1385)
|
Σ+
(1385)
|
1383
|
36
|
3/2+
(1)
|
|
Сигма-нуль-гиперон
(1385)
|
Σ0
(1385)
|
1384
|
36
|
3/2+
(1)
|
|
Сигма-мінус-гиперон
(1385)
|
Σ-
(1385)
|
1387
|
39
|
3/2+
(1)
|
|
Ксі-нуль-баріон
(1530)
|
Ξ0
(1530)
|
1532
|
9,1
|
3/2+
(1/2)
|
|
Ксі-мінус-баріон
(1530)
|
Ξ-
(1530)
|
1535
|
9,1
|
3/2+
(1/2)
|
|
Ен-баріон
(1440)
|
N
(1440)
|
1430-1470
|
250-450
|
1/2+
(1/2)
|
|
Ен-баріон
(1440)
|
N
(1440)
|
1430-1470
|
250-450
|
1/2+
(1/2)
|
|
Ен-баріон
(1520)
|
N
(1520)
|
1515-1530
|
110-135
|
3/2-
(1/2)
|
|
Ен-баріон
(1520)
|
N
(1520)
|
1515-1530
|
110-135
|
3/2-
(1/2)
|
|
Сигма-плюс-плюс-чарівний-баріон
|
 24531/2+ (1)
|
|
|
|
|
Сигма-плюс-чарівний-баріон
|
 24541/2+ (1)
|
|
|
|
|
Сигма-нуль-чарівний-баріон
|
 24521/2+ (1)
|
|
|
|
|
Лямбда-нуль-баріон
|
 1115.68±0.0061/2+ (0)
|
|
|
|
|
|
Лямбда-плюс-чарівний-баріон
|
|
2285
|
2.0·10-13
|
1/2+
(0)
|
|
|
Лямбда-нуль-красивий-баріон
|
|
5620.2±1.6
|
1.409±0.055·10-12
|
1/2+
(0)
|
|
|
Лямбда-плюс-правдивий-баріон
|
|
-
|
-
|
1/2+
(0)
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
З рисунку видно, що розподіл маси баріону від
часу життя має не лінійний характер. Спостерігається тенденція збільшення часу
життя зі зменшенням маси баріонів, що характеризує їх можливий квантовий стан.
Рис. 3.3 Залежність часу життя від енергії у
баріонів.
Чарівний
баріон
У таблиці (3.7) приведені основні характеристики
чарівних баріонів для виділених деякі характеристики досі невідомі.
Таблиця 3.7- Характеристика чарівних баріонів
|
Частинка
|
Символ
|
Маса,
МеВ
|
Час
життя, с
|
Ізоспін
I
|
|
Кси-це-штрих-плюс
|
Ξ'c+
|
2575,6
|
|
1/2
|
|
Кси-це-штрих-ноль
|
Ξ'c0
|
2577,9
|
|
1/2
|
|
Сигма-це-плюс-плюс
|
Σс
(2800) ++
|
2801
|
8,78E-24
|
1
|
|
Сигма-це-плюс?
|
Σс
(2800) +
|
2792
|
1,06E-23
|
1
|
|
Сигма-це-ноль?
|
Σс
(2800) 0
|
2802
|
1,08E-23
|
1
|
|
Кси-це-плюс??
|
Ξс
(2980) +
|
2971,4
|
2,53E-23
|
1/2
|
|
Сигма-це-три-плюс
|
Σс
(2520) +
|
2517,5
|
3,87E-23
|
1
|
Ξс
(2980) 0
|
2968
|
3,29E-23
|
1/2
|
|
Сигма-це-три-нуль
|
Σс
(2520) 0
|
2518
|
4,09E-23
|
1
|
|
Сигма-це-три-плюс-плюс
|
Σс
(2520) ++
|
2518,4
|
4,42E-23
|
1
|
|
Лямбда-це-плюс?
|
Λс
(2940) +
|
2939,3
|
3,87E-23
|
0
|
|
Кси-це-один-штрих-плюс
|
Ξ'с1
(2790) +
|
2789,1
|
4,39E-23
|
1/2
|
|
Кси-це-один-штрих-ноль
|
Ξ'с1
(2790) 0
|
2791,8
|
5,49E-23
|
1/2
|
|
Кси-це-три-штрих-ноль
|
Ξ'c3 (2815) 0
|
2819,6
|
1,01E-22
|
1/2
|
|
Кси-це-три-ноль
|
Ξс3
(2645)
|
2645,9
|
1,
20E-22
|
1/2
|
|
Лямбда-це-пять-плюс
|
Λс5
(2880) +
|
2881,53
|
1,13E-22
|
0
|
|
Кси-це-плюс???
|
Ξс
(3080) +
|
3077
|
1,13E-22
|
1/2
|
|
Сигма-це-плюс
|
Σс
(2455) +
|
2452,9
|
1,43E-22
|
1
|
|
Кси-це-плюс???
|
Ξс
(3080) 0
|
3079,9
|
1,18E-22
|
1/2
|
|
Лямбда-це-плюс-штрих
|
Λ'c
(2595) +
|
2595,4
|
1,83E-22
|
0
|
|
Кси-це-три-штрих-плюс
|
Ξ'c3 (2815) +
|
2816,6
|
1,88E-22
|
1/2
|
|
Кси-це-три-плюс
|
Ξс3
(2645)
|
2645,9
|
2,12E-22
|
1/2
|
|
Сигма-це-плюс-плюс
|
Σс
(2455) ++
|
2454,02
|
2,95E-22
|
1
|
|
Сигма-це-нуль
|
Σс
(2455) 0
|
2453,76
|
2,99E-22
|
1
|
|
Лямбда-це-три-плюс
|
Λс3
(2625) +
|
2628,1
|
3,46E-22
|
0
|
|
Омега-це-нейтральный
|
Ωс0
|
2695,2
|
6,90E-14
|
0
|
|
Кси-це-нейтральный
|
Ξс0
|
2470,88
|
1,12E-13
|
1/2
|
|
Лямбда-це-плюс
|
Λс+
|
2286,46
|
2,00E-13
|
0
|
|
Кси-це-плюс
|
Ξс+
|
2567,8
|
4,42E-13
|
1/2
|
Для чарівних баріонів характерна квантова
характеристика аромату - чарівність, що вказує на існування у їхньому складі с
- кварку. Наявність цієї характеристики при зведенні на одну діаграму
енергія/час вказує що більшість таких баріонів має такий час життя і швидко
розпадеться рис (3.4)
Рис. 3.4 Залежність часу життя від енергії для
чарівних баріонів.
За виключенням чотирьох у кінці таблиці. Це може
вказувати на особливості взаємодії це кварку у кварк-глюонній плазмі.
Гарний
баріон
Гарні баріони відносяться до важких баріонів, та
знаходяться на стадії вивчення. Їх усього 8-10 і складають невелику групу а їх
класифікація доповнюється у результаті вивчення на коллайдері. Незважаючи на
недостатню вивченість для 4 з них приведена масово часова залежність малюнок
(3.5) яка вказує на певну відносну стабільність частинок що містять В-кварк.
Час життя яких відповідає метастабільним станом.
Рис. 3.5 Залежність маси від часу життя для
гарних баріонів.
Дивний баріон. У таблиці (3.8) приведена
характеристика дивних баріонів які містять s-кварк. Наявність s-кварку у
внутрішній структурі цих баріонів у більшості випадках робить їх нестабільними
резонансами. За виключенням групи частинок які мають метастабільний стан.
Таблиця 3.8 -
Основні характеристики дивних баріонів
|
Частинка
|
Символ
|
Маса,
МеВ
|
Час
життя, с
|
Ізоспін
I
|
|
Сигма-три-два-штриха
|
Σ3"
(+ - 0)
|
1925
|
2,93E-24
|
1
|
|
|
|
|
|
|
Лямбда-пять-дваштриха-барион
|
Λ"
(2110) F05
|
2115
|
3,29E-24
|
0
|
|
Лямбда-один-дваштриха-барион
|
Λ1"
(1600) P01
|
1630
|
4,39E-24
|
0
|
|
Сигма-семь
|
Σ7
(+ - 0) (2030) F17
|
2032,5
|
3,76E-24
|
1
|
|
Лямбда-один
|
Λ1
(1810) P01
|
1800
|
4,39E-24
|
0
|
|
Лямбда-семь-штрих
|
Λ7'
(2100) G07
|
2100
|
3,76E-24
|
0
|
|
Лямбда-девять
|
Λ9
(2350) H09
|
2355
|
3,76E-24
|
0
|
|
Сигма-один
|
Σ1
(1660) P11
|
1660
|
5,49E-24
|
1
|
|
Лямбда-три
|
Λ3
(1890) P03
|
1880
|
5,06E-24
|
0
|
|
Сигма-пять-штрих
|
Σ5'
(+ - 0) (1775) D15
|
1775
|
5,49E-24
|
1
|
|
Сигма-пять
|
Σ5
(+ - 0) (1915) F15
|
1917,5
|
5,49E-24
|
1
|
|
Сигма-один-штрих
|
Σ1'
(+ - 0) (1750) S11
|
1765
|
5,98E-24
|
1
|
|
Сигма?
|
Σ
(2250)
|
2245
|
6,27E-24
|
1
|
|
Лямбда-пять-штрих
|
Λ'5
(1830) D05
|
1820
|
7,74E-24
|
0
|
|
Лямбда-пять
|
Λ5
(1820) F05
|
1820
|
8,23E-24
|
0
|
|
Сигма-три-штрих
|
Σ3'
(+ - 0) (1670) D13
|
1670
|
1,10E-23
|
1
|
|
Лямбда-один-штрих
|
Λ1'
(1405) S01
|
1406
|
1,32E-23
|
0
|
|
Лямбда-три-два-штриха
|
Λ3"
(1690) D03
|
1690
|
1,10E-23
|
0
|
|
Кси??
|
Ξ
(1950)
|
1950
|
1,10E-23
|
1/2
|
|
Сигма-три-минус
|
Σ3-
|
1387,2
|
1,67E-23
|
1
|
|
Сигма--три
нейтральный
|
Σ30
|
1383,7
|
1,83E-23
|
1
|
|
Сигма-три-плюс
|
Σ3+
(1385) P13
|
1382,8
|
1,84E-23
|
1
|
|
Oмега-минус?
|
Ω
(2250) -
|
2252
|
1,
20E-23
|
0
|
|
Лямбда-один-триштриха-барион
|
Λ1"'
(1600) S01
|
1670
|
1,76E-23
|
0
|
|
Кси?
|
Ξ
(1690)
|
1690
|
2,
19E-23
|
1/2
|
|
Кси-три-штрих
|
Ξ3'
(0 - ) (1820) D13
|
1823
|
2,74E-23
|
1/2
|
|
Лямбда-три-штрих
|
Λ3'
(1520) D03
|
1519,5
|
4,22E-23
|
0
|
|
Кси-пять
|
Ξ5
(0 - ) (2030)
|
2025
|
3,29E-23
|
1/2
|
|
Кси-три-минус
|
Ξ3
- (1530) P13
|
1535
|
6,65E-23
|
1/2
|
|
Кси-три-нейтральный
|
Ξ30
(1530) P13
|
1531,8
|
7,23E-23
|
1/2
|
|
Сигма
нейтральный
|
Σ0
|
1192,642
|
7,40E-20
|
1
|
|
Сигма-плюс
|
Σ+
|
1189,37
|
8,02E-11
|
1
|
|
Омега-минус
|
Ω-
|
1672,45
|
8,21E-11
|
0
|
|
Сигма-минус
|
Σ-
|
1197,449
|
1,48E-10
|
1
|
|
Кси-минус
|
Ξ-
|
1321,71
|
1,64E-10
|
1/2
|
|
Лямбда
|
Λ
|
1115,683
|
2,63E-10
|
0
|
|
Кси-нейтральный
|
Ξ0
|
1314,86
|
2,90E-10
|
1/2
|
3.4
Мезони
В-мезон
Складають невелику групу важких мезонів з малим часом
життя. Для більшості частинок час життя невизначено і потребує подальших
досліджень. Кожен В-мезон складається з В-антикварка і кварків. Характеризують
ізотопічним спіном 0. Що відрізняється від B-ароматом. Співвідношення
В-антикварка і Т-кварка вважається неможливим унаслідок дуже малого часу життя.
Співвідношення В-антикварка і В-кварка називається боттомонія, а не В-мезоном.
Для В-мезона характерні В-мезонні, антимезонні асцеляції які називаються
асцеляціею ароматів. Тобто 
с можуть спонтанно перетворюватись в свої античастинки і навпаки,
є одним з основних пророцтв стандартної моделі. Дивний мезон при розпаді утворю більше частинок
ніж античастинок. Детальне вивчення цього механізму у сучасній фізиці
елементарних частинок може дати пояснення чому у Всесвіті існує переважна
кількість частинок, а не античастинок.
Таблиця 3.9 -
Основні характеристики В-мезонів
|
Частинка
|
Символ
|
Маса,
МеВ
|
Час
життя, с
|
Ізоспіи
I
|
|
Хи-б-ноль-мезон
|
χb0
(1P) [qqqq]
|
9859,44
|
|
0
|
|
Хи-б-один-мезон
|
χb1
(1P) [qqqq]
|
9892,789
|
|
0
|
|
Хи-штрих-б-ноль-мезон
|
χ'b0 (2P) [qqqq]
|
102325
|
|
0
|
|
Хи-штрих-б-один-мезон
|
χ'b1 (2P) [qqqq]
|
10255,46
|
|
0
|
|
Хи-штрих-б-два-мезон
|
χ'b2 (2P) [qqqq]
|
1026865
|
|
0
|
|
Ипсилон-пятьштрихов-бе-мезон
|
Υ""'
(11020)
|
11019
|
8,33E-24
|
0
|
|
Ипсилон-триштриха-бе-мезон
|
Υ'"
(4S) or Y (10580)
|
105794
|
3,21E-23
|
0
|
|
Ипсилон-бе-мезон
|
Υ
(1S)
|
9460,3
|
0
|
|
Ипсилон-штрих-б-мезон
|
Υ'
(2S)
|
10023,26
|
2,06E-19
|
0
|
Поведінка В-мезонів є цікавою у зв’язку з наявною
взаємодію речовини з антиречовиною. Див. табл. (3.9).
Для цих частинок наявність В-антикварку впливає
на нестабільність цих частинок. Рис. (3.6.) графік.
Рис. 3.6 Графік залежності енергії від часу життя
у В-мезонів.
Мезони
Для всіх мезонів характерним є вміст кварку і антикварку.
Таке сусідство визначально впливає на нестабільність цих частинок. Виключенням
є легкі сорти ета і пі мезонів час життя яких лежить у інтервалі 
.
Від класу баріонів (які теж є адронами) відрізняються
відсутністю баріонного
<#"804799.files/image114.gif">
Рис. 3.6 Графік залежності енергії від часу життя
у D-мезонів.
Гарний
мезон
Складають невелику групу елементарних частинок з
напівцілим спіном. Характерні невеликим часом життя
Таблиця 3.11-
Основні характеристики гарних мезонів
|
Частинка
|
Символ
|
Маса,
МеВ
|
Час
життя, с
|
Ізоспін
I
|
|
Д-звезда-ноль-мезон
|
D*0
(2400) 0
|
2318
|
2,47E-24
|
1/2
|
|
Д-звезда-два-нейтральный-мезон
|
D*2 (+
- 0 ~) (2460) 0
|
2462,8
|
1,53E-23
|
1/2
|
|
Д-один-мезон
|
D1 (+ -
0 ~) (2420) 0
|
2422
|
3,23E-23
|
1/2
|
|
Д-звезда-нейтральный-мезон
|
D* (+ -
) (2007) 0
|
2006,96
|
3,13E-22
|
1/2
|
|
Д-звезда-мезон
|
D*
(2010) (+ - )
|
2010,25
|
6,86E-21
|
1/2
|
|
Д-нейтральный--мезон
|
D0
|
1864,83
|
4,10E-13
|
1/2
|
|
Де-звезда-два-плюсминус-мезон
|
D*2
(2460) (+ - )
|
2460,1
|
4,40E-13
|
1/2
|
|
Д-плюсминус-мезон
|
D (+ -
)
|
1869,6
|
1,04E-12
|
1/2
|
При побудові часово-енергетичного графіка
отримуємо не лінійну залежність. Гарні мезони приведені в таблиці (3.11)
Дивний
мезон
Складають невелику групу і характеризуються в
основному малим часом життя що характерний резонансам. Виключенням є каонна
група дивних мезонів з великим часом життя. Таблиця (3.12).
Таблиця 3.12-
Основні характеристики дивних мезонів
|
Частинка
|
Символ
|
Маса,
МеВ
|
Час
життя, с
|
Ізоспін
I
|
|
Каон-звезда
|
K*'
(1680)
|
1717
|
2,04E-24
|
1/2
|
|
Каон-два
|
K'2
(1820) [mm]
|
1816
|
2,38E-24
|
1/2
|
|
Каон-ноль-звезда
|
K*0
(1430) [kk]
|
1425
|
2,44E-24
|
1/2
|
|
Каон-звезда-плюсминус
|
K*
(1410)
|
1414
|
2,84E-24
|
1/2
|
|
Каон-звезда-четыре
|
К*4 (+
- 0 ~) (2045)
|
2045
|
3,32E-24
|
1/2
|
|
Каон-два
|
К2 (+ -
0 ~) (1770) [ll]
|
1773
|
3,54E-24
|
1/2
|
|
Каон-штрих-один
|
К'1 (+
- 0 ~) (1400)
|
1403
|
3,78E-24
|
1/2
|
|
Каон-звезда-три
|
К*3 (+
- 0 ~) (1780)
|
1776
|
4,14E-24
|
1/2
|
|
Каон-звезда-два-ноль
|
К*2
(1430) 0
|
1432,4
|
6,04E-24
|
1/2
|
|
Каон-звезда-два-плюсминус
|
К*2 (+
- ~) (1430)
|
1425,6
|
6,68E-24
|
1/2
|
|
Каон-один
|
K1 (+ -
0 ~) (1270)
|
1272
|
7,31E-24
|
1/2
|
|
Каон-звездочка-плюсминус
|
К* (+ -
~) (892)
|
891,66
|
1,42E-23
|
1/2
|
|
Каон-нейтральный
(короткожив.)
|
К0S
|
497,614
|
8,95E-11
|
1/2
|
|
Каон-плюс
(минус)
|
К (+ -
)
|
493,677
|
1,24E-08
|
1/2
|
|
Каон-нейтральный
(долгожив.)
|
К0L
|
497,614
|
5,12E-08
|
1/2
|
Екзотичні
мезони
До них відносяться дивні чарівні і дивні гарні
мезони. Повні характеристики для яких досі відсутні, наприклад для БС - мезонів
не визначений час життя тому аналізувати їх масово часовий розподіл важко.
Таблиця 3.12. -
Основні характеристики дивних чарівних і дивних
гарних мезонів
|
Частинка
|
Символ
|
Маса,
МеВ
|
Час
життя, с
|
Ізоспін
I
|
|
Д-эс-два-звезда
|
D*s2
(2573)
|
2572,6
|
3,29E-23
|
0
|
|
Д-эс-ноль-звезда-мезон
|
D*s0
(2317) (+ - )
|
2317,8
|
1,73E-22
|
0
|
|
Д-эс-один-мезон
|
Ds1
(2460) (+ - )
|
2459,5
|
1,88E-22
|
0
|
|
Д-эс-один-мезон
|
Ds'1
(2536) (+ - )
|
2535,29
|
2,86E-22
|
0
|
|
Д-эс-звезда-плюсминус-мезон
|
D*s (+
- )
|
2112,3
|
3,46E-22
|
0
|
|
Д-эс-плюсминус-мезон
|
Ds (+ -
)
|
1968,47
|
5,00E-13
|
0
|
|
Б-эс-звезда-мезон
|
B*s
|
5415,4
|
|
0
|
|
Б-эс-один-мезон
|
Bs1
(5830) 0
|
5829,4
|
|
1/2
|
|
Б-эс-звезда-два-мезон
|
B*s2
(5840) 0
|
5839,7
|
|
1/2
|
|
Б-эс-ноль-мезон
|
Bs0
|
5366,3
|
1,47E-12
|
0
|
С -
мезони
Частинки які характеризується нульовим ізоспіном.
Є нестабільними частинками з характерною залежність масу частинки в часу життя
що має не лінійний характер. Рис (3.7.) С-мезони є важкими частинками.
Таблиця 3.13. -
Основні характеристики С - мезонів.
|
Частинка
|
Символ
|
Маса,
МеВ
|
Час
життя, с
|
Ізоспін
I
|
|
Кси-четырештриха-ц-мезон
|
ψ""
(4160) [iiii]
|
4453
|
6,39E-24
|
0
|
|
Хи-с-мезон
|
χ'
(4260)
|
4263
|
6,93E-24
|
?
|
|
Кси-триштриха-ц-мезон
|
ψ'"
(4040) [iiii]
|
4039
|
8,23E-24
|
0
|
|
Кси-с-мезон
|
ψ
(4415) [iiii]
|
4421
|
1,06E-23
|
0
|
|
Эта-ц-мезон
|
ηс
(1S)
|
2980,3
|
2,30E-23
|
0
|
|
Кси-дваштриха-ц-мезон
|
ψ"
(3770)
|
3772,92
|
2,41E-23
|
0
|
|
Эта-це
|
η'с
(2S)
|
3637
|
4,70E-23
|
0
|
|
Хи-ц-ноль-мезон
|
χс0
(1P)
|
3414,75
|
6,39E-23
|
0
|
|
Хи-ц-мезон
|
χ
(3872)
|
3871,56
|
2,86E-22
|
0
|
|
Хи-ц-два-мезон
|
χс2
(1P)
|
3556,2
|
3,34E-22
|
0
|
|
Аш-це-мезон
|
hc (1P)
|
3525,42
|
6,58E-22
|
?
|
|
Хи-ц-один-мезон
|
χс1
(1P)
|
3510,66
|
7,65E-22
|
0
|
|
Кси-штрих-ц-мезон
|
ψ'
(2S)
|
3686,09
|
2,17E-21
|
0
|
|
Джи-на-пси-мезон
|
J/ψ
(1S)
|
3096,916
|
7,09E-21
|
0
|
Рис. 3.7 Графік залежності енергії від часу життя
у С-мезонів.
Не зважаючи на велику кількість елементарних
частинок і взаємодій характеристики простору часу накладають необхідності
дотримання певних закономірностей які викладаються у законах збереження.
Приведений аналіз описував частинки але треба враховувати той факт що існують
античастинки всіх частинок.
Список
використаних джерел
1. Бондарєв
В.П. Елементарні частинки та їх місце в історії / В.П. Бондарєв. - М.: Альфа-М,
2003. - 464 с.
2. Статистика
Фермі-Дірака / За ред.В.С. Білецького. Фізична енциклопедія - Донецьк: Донбас,
2004. с
. Статистика
Бозе-Ейнштейна / Л.Б. Окунь, Елементарне введення у фізику елементарних
частинок. М.: Наука. 1985.
. Гравітаційна
взаємодія в елементарних частинках / Яворський Б. М, Детлаф А.А. Довідник із
фізики. // М., Наука, 1990 р з.135 с.
. Сильна
та слабка взаємодія в елементарних частинках / Горохов А.В. Фізика атомного
ядра. Фізика елементарних частино"271 с.
. Електромагнітна
взаємодія / Яворський Б. М, Детлаф А.А. // Фізика Довідник із фізики. - 1990. -
С.161-168.
7. Види
взаємодії в елементарних частинках / Савельєв І.В. Курс загальної фізики.
Квантова оптика
<http://ua-referat.com/%D0%9E%D0%BF%D1%82%D0%B8%D0%BA%D0%B0>. Атомна фізика.
Фізика твердого тіла. Фізика атомного ядра і елементарних частинок: Учеб.
посібник 2003. - С.356-393.
. Класифікація
частинок за часом життя / Наумов А.І. Фізика атомного ядра і елементарних
частинок: навч. посібник для студентів <http://ua-referat.com/%D0%A1%D1%82%D1%83%D0%B4%D0%B5%D0%BD%D1%82>
пед. ін-тів з фіз. спец. - М.: Просвещение, 1984. - С.220-235.
. Ратнер Б.С.
Методи дослідження елементарних частинок / Б.С. Ратнер. - М. "Мир",
1960. - 500 с.
. Циклічні
прискорювачі та їх вклад у розвиток досліджень елементарних частинок / Дж.
Ливингуд. Принципы работы циклических ускорителей. - М.: Изд-во иностр. лит.,
1973.
. Принцип
роботи циклічних прискорювачів / Г. Брук. Циклические ускорители заряженных
частиц. - М.: Атомиздат, 1970. - С.32-43.
. Лінійні
резонансні прискорювачі / Бабат Г.У. Ускорители. - М. "Молодая
гвардия", 1977. - С.187-190.
. Будова
циклічного резонансного прискорювача / А.Н. Лебедев, А.В. Шальнов. Основы
физики и техники ускорителей (Учеб. пособие для физ. спец. вузов). - М.: Энергоиздат,
1981. - С.211-231.
. Механізм
автофазування / А.А. Коломенский. Физические основы методов ускорения
заряженных частиц (Учеб. пособие для физ. спец. вузов). - М.: Изд-во МГУ, 1980.
- С.183-197.
. Інформація
про CERN. Дослідження і результати експериментів / www.cern. ch/ý
. Фейнман
Ричард Ф. Феймановские лекции по физике / Ричард Ф. Фейнман, Роберт Б. Л ейтон,
Метью. Сэндс // Квантовая механика. - 2004. - Вып.8,9. - №3. - С.245-255.
. Ядерна фізик
/ 2-ге вид., перероб. І доп. - К.: Знание, 2005. - 439с.