Трофимова Т.И. Курс физики

Подождите немного. Документ загружается.

тодам регистрации радиоактивных из-

лучений и частиц (см. § 261), приводят

к выводу, что его интенсивность быстро

растет с высотой, достигает максимума,

затем уменьшается и с h

50 км остает-

ся практически постоянной (рис. 350).

Различают первичное и вторичное

космическое излучение. Излучение,

приходящее непосредственно из космо-

са, называют первичным космическим

излучением. Исследование его состава

показало, что первичное излучение

представляет собой поток элементар-

ных частиц высокой

энергии,

причем

более 90 % из них составляют протоны

с энергией примерно

10°

—10

эВ, око-

ло 7 % —

а-частицы

и лишь небольшая

доля (около 1 %) приходится на ядра

более тяжелых элементов

> 20).

По современным представлениям,

основанным на данных астрофизики и

радиоастрономии первичное космиче-

ское излучение имеет в основном галак-

тическое происхождение. Считается,

что ускорение частиц до столь высоких

энергий может происходить при стол-

кновении с движущимися межзвездны-

ми магнитными полями. При h ^ 50 км

(см. рис. 350) интенсивность космичес-

кого излучения постоянна; на этих вы-

сотах наблюдается лишь первичное из-

лучение.

С приближением к Земле

интенсив-

ность космического излучения возрас-

тает, что свидетельствует о появлении

вторичного космического излучения,

которое образуется в результате взаи-

модействия первичного космического

излучения с ядрами атомов земной ат-

мосферы. Во вторичном космическом

излучении встречаются практически

все известные элементарные частицы.

При h < 20 км космическое излучение

является вторичным; с уменьшением h

его интенсивность понижается, по-

скольку вторичные частицы по мере

Рис. 350

продвижения к поверхности Земли ис-

пытывают поглощение.

В составе вторичного космическо-

го излучения можно выделить два ком-

понента: мягкий (сильно поглощается

свинцом) и жесткий (обладает в свин-

це большой проникающей способнос-

тью).

Происхождение мягкого компонен-

та объясняется следующим образом.

В космическом пространстве всегда

имеются

^-кванты

с энергией Е >

2т

которые в поле атомных ядер превра-

щаются в электронно-позитронные

пары (см. § 263). Образовавшиеся та-

ким образом электроны и позитроны,

тормозясь, в свою очередь, создают

"Ч-кванты,

энергия которых еще доста-

точна для образования новых электрон-

но-позитронных

пар и т.д. до тех пор,

пока энергия

^-квантов

не будет мень-

ше

2т

(рис. 351). Описанный про-

цесс называется

электронно-позит-

ронно-фотонным

(или каскадным)

ливнем. Хотя первичные частицы, при-

водящие к образованию этих ливней,

обладают огромными энергиями, но лив-

невые частицы являются «мягкими» —

511

не проходят через большие толщи веще-

ства. Таким образом, ливневые части-

цы — электроны, позитроны и

^-кванты

—

и представляют собой мягкий компо-

нент вторичного космического излуче-

ния. Природа жесткого компонента бу-

дет рассмотрена ниже (см. § 270).

Исследование космического излуче-

ния, с одной стороны, позволило на на-

чальном этапе развития физики эле-

ментарных частиц получить основные

экспериментальные данные, на кото-

рых базировалась эта область науки, а

с другой — дает возможность и сейчас

изучать процессы с частицами сверхвы-

соких энергий вплоть до 10

эВ, кото-

рые еще не получены искусственным

путем. С начала 50-х гг. XX в. для ис-

следования элементарных частиц ста-

ли применять ускорители (позволяют

ускорять частицы до сотен гигаэлект-

рон-вольт; см. §

116),

в связи с чем кос-

мическое излучение утратило свою ис-

ключительность при их изучении, оста-

ваясь

лишь

основным

«источником»

частиц в области сверхвысоких энергий.

§ 270. Мюоны и их свойства

Японский физик X. Юкава (1907 —

1981), изучая природу ядерных сил (см.

§ 254) и развивая идеи отечественных

ученых И. Е. Тамма и Д. Д. Иваненко об

их обменном характере, выдвинул в

1935 г. гипотезу о существовании час-

тиц с массой, в 200 — 300 раз превыша-

ющей массу электрона. Эти частицы

должны, согласно Юкаве, выполнять

роль носителей ядерного взаимодей-

ствия, подобно тому, как фотоны

явля-

ются носителями электромагнитного

взаимодействия.

К. Андерсон и С. Неддермейер, изу-

чая поглощение жесткого компонента

вторичного космического излучения в

свинцовых фильтрах с помощью ка-

меры Вильсона, помещенной в магнит-

ное поле, действительно обнаружили

(1936) частицы массой, близкой к ожи-

даемой

(207т

Они были названы

впоследствии

мюонами.

Доказано, что жесткий компонент

вторичного космического излучения

состоит в основном из мюонов, кото-

рые, как будет показано ниже, образу-

ются вследствие распада более тяжелых

заряженных частиц

(тг-

if-мезонов).

Так как масса мюонов большая, то ра-

диационные потери для них пренебре-

жимо малы, а поэтому жесткий компо-

нент вторичного излучения обладает

большой проникающей способностью.

Существуют положительный

(\i

)

отрицательный

(рг)

мюоны; заряд мю-

онов равен элементарному заряду е.

Масса мюонов (оценивается по произ-

водимому ими ионизационному дейст-

вию) равна

206,8т

время жизни

р7-мюонов

одинаково и равно 2,2 •

10~

с.

Исследования изменения интенсивно-

сти жесткого компонента вторичного

космического излучения с высотой по-

казали, что на меньших высотах потоки

мюонов менее интенсивны. Это говорит

о том, что мюоны претерпевают само-

произвольный распад, являясь, таким

образом, нестабильными частицами.

Распад мюонов происходит по сле-

дующим схемам:

где

дУ

—

соответственно

«мюон-

ные» нейтрино и антинейтрино, ко-

торые, как предположил Б. М. Понте-

корво

(1913—

1993) и эксперименталь-

но доказал (1962) американский физик

Л.Ледерман (р. 1922), отличаются от

[jv

—

«электронных»

нейтрино

и антинейтрино, сопутствующих ис-

512

пусканию позитрона и электрона соот-

ветственно (см. § 263, 258). Существо-

вание

о^

[]v

следует из законов со-

хранения энергии и спина.

Из схем распада (270.1) и (270.2)

следует, что спины мюонов, как и элек-

трона, должны быть равны

1/2

(

ницах

К),

так как спины нейтрино

(V2)

и антинейтрино

(—1/г)

взаимно компен-

сируются.

Дальнейшие эксперименты привели

к выводу, что мюоны не взаимодейству-

ют или взаимодействуют весьма слабо

с атомными ядрами, иными словами,

являются

ядерно-неактивными

части-

цами. Мюоны, с одной стороны, из-за

ядерной пассивности не могут рождать-

ся при взаимодействии первичного ком-

понента космического излучения с яд-

рами атомов атмосферы,

другой

— из-

за нестабильности не могут находиться

в составе первичного космического из-

лучения. Следовательно, отождествить

мюоны с частицами, которые, согласно

X. Юкаве, являлись бы носителями ядер-

ного взаимодействия, не удалось, так

как такие частицы должны интенсивно

взаимодействовать с ядрами.

Эти рассуждения и накопленный

впоследствии экспериментальный ма-

териал привели к выводу о

том,

что

дол-

жны существовать какие-то ядерно-ак-

тивные частицы, распад которых и при-

водит к образованию мюонов. Действи-

тельно, в 1947 т. была обнаружена час-

тица, обладающая свойствами, предска-

занными Юкавой, которая распадается

на мюон в нейтрино. Этой частицей ока-

зался

тт-мезон.

§ 271. Мезоны и их свойства

С.Пауэлл

(1903 — 1969; английский

физик) с сотрудниками, подвергая на

большой высоте ядерные фотоэмульсии

действию космических лучей

(1947),

обнаружили ядерно-активные части-

цы — так называемые

ъ-мезоны

(от

греч.

«мезон» — средний), или пионы.

В том же году пионы была получены ис-

кусственно в лабораторных условиях

при бомбардировке мишеней из

Be,

С и

Си

а-частицами,

ускоренными в синх-

роциклотроне до 300

МэВ.

тт-Мезоны

сильно взаимодействуют с нуклонами

и атомными ядрами и, по современным

представлениям, обусловливают суще-

ствование ядерных сил.

Мезоны бывают положительные

(тт

отрицательные

(тт~)

(их заряд равен

элементарному заряду е) и нейтраль-

ные

(тг°).

Масса

тт

тт~-мезонов

оди-

накова и равна

273,1

масса

-тс°-мезона

равна

264,1га

Все пионы нестабильны:

время жизни соответственно для заря-

женных и нейтрального

тт-мезонов

со-

ставляет 2,6 •

10~

и 0,8 •

10"

с.

Распад заряженных пионов проис-

ходит в основном по схемам

где мюоны испытывают

дальнейший

распад по рассмотренным выше схемам

(270.1) и (270.2). Из схем распада

(271.1)

(271.2)

следует, что спины за-

ряженных

-гс-мезонов

должны быть

либо целыми (в единицах

Н),

либо рав-

ны нулю. Спины заряженных

ir-мезо-

нов по ряду других экспериментальных

данных оказались равными нулю.

Нейтральный пион распадается на

два

^-кванта:

Спин

тт°-мезона,

так же как и спин

тт

-мезона,

равен нулю.

Исследования в космических лучах

методом фотоэмульсий

(1949)

и изуче-

ние реакций с участием частиц высоких

513

энергии, полученных на ускорителях,

привели к открытию К-мезонов, или

каонов, — частиц с нулевым спином и

с массами, приблизительно равными

970т

В настоящее время известно че-

тыре типа каонов: положительно заря-

женный

(К

отрицательно заряжен-

ный (К~) и два нейтральных

(К

Время жизни

if-мезонов

лежит в пре-

делах

10~

—10~

с в зависимости от их

типа.

Существует несколько схем распада

if-мезонов.

Распад заряженных

К-мезо-

нов происходит преимущественно по

схемам

Распад нейтральных

if-мезонов

основном происходит по следующим

схемам (в порядке убывания вероятно-

сти распада):

для короткоживущих

(К®)

для долгоживущих

§ 272. Типы взаимодействий

элементарных частиц

Согласно современным представле-

ниям, в природе осуществляется четы-

ре типа фундаментальных взаимодей-

ствий: сильное, электромагнитное, сла-

бое и гравитационное.

Сильное, или ядерное, взаимодей-

ствие обусловливает связь протонов

и нейтронов в ядрах атомов и обеспе-

чивает исключительную прочность

этих образований, лежащую в основе

стабильности вещества в земных усло-

виях.

Электромагнитное взаимодей-

ствие характеризуется как взаимодей-

ствие, в основе которого лежит связь с

электромагнитным полем. Оно харак-

терно для всех элементарных частиц, за

исключением нейтрино, антинейтрино

и фотона. Электромагнитное взаимо-

действие, в частности, ответственно за

существование атомов и молекул, обус-

ловливая взаимодействие в них поло-

жительно заряженных ядер и отрица-

тельно заряженных электронов.

Слабое взаимодействие — наибо-

лее медленное из всех взаимодействий,

протекающих в микромире. Оно ответ-

ственно за взаимодействие частиц, про-

исходящих с участием нейтрино или

антинейтрино (например,

(3-распад,

[i-распад),

а также за безнейтринные

процессы распада, характеризующиеся

довольно большим временем жизни

распадающейся частицы (т

10~

с).

Гравитационное взаимодействие

присуще всем без исключения части-

цам, однако из-за малости масс элемен-

тарных частиц оно пренебрежимо мало

и, по-видимому, в процессах микроми-

ра несущественно.

Сильное взаимодействие примерно

в 100 раз превышает электромагнитное

и в 10

раз — слабое. Чем сильнее взаи-

модействие, тем с большей интенсивно-

стью протекают процессы. Так, время

жизни частиц,

называемых

резонанса-

ми, распад которых описывается силь-

ным взаимодействием, составляет при-

мерно

10"

с; время жизни

тт°-мезона,

за распад которого ответственно элект-

ромагнитное взаимодействие, составля-

ет

10~

с; для распадов, за которые от-

ветственно слабое взаимодействие, ха-

514

рактерны времена жизни 10

—10

с.

Как сильное, так и слабое взаимодей-

ствия — короткодействующие. Радиус

действия сильного взаимодействия со-

ставляет примерно

10~

м, слабого —

не превышает

10~

м. Радиус действия

электромагнитного взаимодействия

практически не ограничен.

Элементарные частицы принято де-

лить на три группы:

1) фотоны, состоящие всего лишь

из одной частицы — фотона — кванта

электромагнитного излучения;

2) лептоны (от греч.

«лептос»

— лег-

кий), участвующие только в электро-

магнитном и слабом взаимодействиях.

К лептонам относятся электронное и

мюонное нейтрино, электрон, мюон и

открытый в 1975 г. тяжелый

лептон

—

т-лептон, или таон, с массой примерно

3487т

а также соответствующие им

античастицы. Название лептонов свя-

зано с тем, что массы первых известных

лептонов были меньше масс всех дру-

гих частиц. К лептонам относится так-

же таонное нейтрино, существование

которого также установлено; .

3) адроны (от греч. «адрос» — круп-

ный, сильный), обладающие сильным

взаимодействием наряду с электромаг-

нитным и слабым. Из рассмотренных

выше частиц к ним относятся протон,

нейтрон, пионы и каоны.

Для всех типов взаимодействия эле-

ментарных частиц выполняются законы

сохранения энергии, импульса, момен-

та импульса и зарядовых чисел.

Характерным признаком сильных

взаимодействий является

зарядовая

не-

зависимость ядерных сил. Как уже ука-

зывалось (см. § 254), ядерные силы,

действующие между парами р — р,п—п

или р—п, одинаковы. Поэтому если бы

в ядре осуществлялось только сильное

взаимодействие, то зарядовая независи-

мость ядерных сил привела бы к оди-

наковым значениям масс нуклонов

(протонов и нейтронов) и всех

-гс-мезо-

нов. Различие в массах нуклонов и со-

ответственно

тт-мезонов

обусловлено

электромагнитным взаимодействием:

энергии взаимодействующих заряжен-

ных и нейтральных частиц различны,

поэтому и массы заряженных и нейт-

ральных частиц оказываются неодина-

ковыми.

Зарядовая независимость в сильных

взаимодействиях позволяет близкие по

массе частицы рассматривать как раз-

личные зарядовые состояния одной и

той же частицы. Так, нуклон образует

дублет (нейтрон, протон),

тх-мезоны

—

триплет

(тт

тт~,

тг°)

и т.д. Подобные

группы «похожих» элементарных час-

тиц, одинаковым образом участвующих

сильном

взаимодействии, имеющие

близкие массы и отличающиеся заряда-

ми, называют изотопическими

муль-

типлетами.

Каждый изотопический мультиплет

характеризуют изотопическим спи-

ном (изоспином) — одной из внутрен-

них характеристик адронов, определя-

ющей число (п) частиц в изотопичес-

ком мультиплете: п =

21+

1. Тогда изо-

спин нуклона / =

1/2

(число членов в

изотопическом мультиплете нуклона

равно двум),

изоспин

пиона /= 1 (в пи-

онном мультиплете

п—

3) и т.д. Изото-

пический спин характеризует только

число членов в изотопическом мульти-

плете и никакого отношения к рассмат-

риваемому ранее спину не имеет.

Исследования показали, что во всех

процессах, связанных с превращениями

элементарных частиц, обусловленных

зарядово-независимыми сильными вза-

имодействиями, выполняется закон

сохранения изотопического спина.

Для электромагнитных и слабых взаи-

модействий этот закон не выполняет-

ся. Так как электрон, позитрон, фотон,

515

мюоны,

нейтрино

антинейтрино

сильных взаимодействиях участия не

принимают, то им изотопический спин

не приписывается.

§ 273. Частицы и античастицы

Гипотеза об античастице впервые

возникла в 1928 г., когда П.Дирак на

основе релятивистского волнового

уравнения предсказал существование

позитрона (см. § 263), обнаруженного

спустя четыре года К. Андерсоном в со-

ставе космического излучения.

Электрон и позитрон не являются

единственной парой частица — антича-

стица. На основе релятивистской кван-

товой теории пришли к заключению,

что для каждой элементарной частицы

должна существовать античастица

(принцип зарядового сопряжения).

Эксперименты показывают, что за не-

многим исключением (например, фото-

на и

тх

-мезона),

действительно, каждой

частице соответствует античастица.

Из общих положений квантовой те-

ории следует, что частицы и античасти-

цы должны иметь одинаковые массы,

одинаковые времена жизни в вакууме,

одинаковые по модулю, но противопо-

ложные по знаку электрические заря-

ды (и магнитные моменты), одинако-

вые спины и изотопические спины, а

также одинаковые остальные кванто-

вые числа, приписываемые элементар-

ным частицам для описания закономер-

ностей их взаимодействия (лептонное

число, барионное число, странность,

очарование и т.д.).

До 1956 г. считалось, что имеется

полная симметрия между частицами и

античастицами, т. е. если какой-то про-

цесс идет между частицами, то должен

существовать точно такой же (с теми же

характеристиками) процесс между ан-

тичастицами. Однако в 1956 г. доказа-

но, что подобная симметрия характер-

на только для сильного и электромаг-

нитного взаимодействий и нарушает-

ся для слабого.

Согласно теории Дирака, столкнове-

ние частицы и античастицы должно

приводить к их взаимной аннигиляции,

в результате которой возникают другие

элементарные частицы или фотоны.

Примером тому является рассмотрен-

ная реакция (263.3) аннигиляции пары

электрон — позитрон (

_\е

^е

—>

После того как предсказанное теоре-

тически существование позитрона было

подтверждено экспериментально, воз-

ник вопрос о существовании антипро-

тона и антинейтрона. Расчеты показы-

вают, что для создания пары частица —

античастица надо затратить энергию,

превышающую удвоенную энергию по-

коя пары, поскольку частицам необхо-

димо сообщить весьма значительную

кинетическую энергию. Для создания

р—р-иары

необходима энергия пример-

но 4,4 ГэВ. Антипротон был действи-

тельно обнаружен экспериментально

(1955) при рассеянии протонов (уско-

ренных на крупнейшем в то время син-

хрофазотроне Калифорнийского уни-

верситета) на нуклонах ядер мишени

(мишенью служила медь), в результате

которого рождалась пара р

—р.

Антипротон отличается от протона

знаками электрического заряда и соб-

ственного магнитного момента. Анти-

протон может аннигилировать не толь-

ко с протоном, но и с нейтроном:

(273.1)

(273.2)

(273.3)

Годом позже (1956) на том же уско-

рителе удалось получить антинейтрон

(п) и осуществить его аннигиляцию.

516

Антинейтроны возникали в результате

перезарядки антипротонов при их дви-

жении через вещество. Реакция переза-

рядки

р состоит в обмене зарядов меж-

ду нуклоном и антинуклоном и может

протекать по схемам

Антинейтрон п отличается от нейт-

рона п знаком собственного магнитно-

го момента. Если антипротоны — ста-

бильные частицы, то свободный анти-

нейтрон, если он не испытывает анни-

гиляции, в конце концов претерпевает

распад по схеме

ий-

_jp+

?e+ijv

[ср.

с (258.1)].

Античастицы были найдены также

для

7т

-мезона,

каонов и гиперонов (см.

§ 274). Однако существуют частицы,

которые античастиц не имеют, — это так

называемые истинно нейтральные ча-

стицы. К ним относятся фотон,

тт°-ме-

зон и т|-мезон (его масса равна

1074т

время жизни 7 •

10"

с; распадается с об-

разованием

тт-мезонов

^-квантов).

Истинно нейтральные частицы не спо-

собны к аннигиляции, но испытывают

взаимные превращения, являющиеся

фундаментальным свойством всех эле-

ментарных частиц. Можно сказать, что

каждая из истинно нейтральных частиц

тождественна со своей античастицей.

Большой интерес и серьезные труд-

ности представляли доказательство су-

ществования антинейтрино и ответ на

вопрос, являются ли нейтрино и анти-

нейтрино тождественными или различ-

ными частицами. Используя мощные

потоки антинейтрино, получаемые в

реакторах [осколки деления тяжелых

ядер испытывают

(3-распад

и, согласно

(258.1), испускают антинейтрино], аме-

риканские физики Ф. Рейнес и К. Коу-

эн (1956) надежно зафиксировали ре-

акцию захвата электронного антинейт-

рино протоном:

(273.6)

Аналогично зафиксирована реакция

захвата электронного нейтрино нейтро-

ном:

(273.7)

Таким образом, реакции (273.6) и

(273.7) явились, с одной стороны, бес-

спорным доказательством того, что

— реальные частицы, а не фиктивные

понятия, введенные лишь для объясне-

ния

(3-распада,

а с другой — подтверди-

ли вывод о том, что

— различные

частицы.

В дальнейшем эксперименты по

рождению и поглощению мюонных

нейтрино показали, что

— раз-

личные частицы. Также доказано, что

пара

, v^

— различные частицы, а пара

, у

не тождественна паре

у^, у

Соглас-

но идее Б.М.Понтекорво (см. § 271),

осуществлялась реакция захвата мюон-

ного нейтрино [получались при распа-

де

тс

—>

ц,

У^

(271.1)] нейтронами и

наблюдались возникающие частицы.

Оказалось, что реакция (273.7) не идет,

а захват происходит по схеме

т. е. вместо электронов в реакции рож-

дались

|1~-мюоны.

Это и подтверждало

различие между

у^.

По современным представлениям,

нейтрино и антинейтрино отличаются

друг от друга одной из квантовых ха-

рактеристик состояния элементарной

частицы —

спиралъностъю,

определя-

емой как проекция спина частицы на

направление ее движения (на импульс).

Для объяснения эксперименталь-

ных данных предполагают, что у нейт-

517

Нейтрино Антинейтрино

Рис.

352

рино спин

ориентирован антипарал-

лельно импульсу р, т. е. направления р и

образуют левый винт и нейтрино об-

ладает левой

спиральностью

(рис.

352, а), У антинейтрино направления р

образуют правый винт, т. е. антиней-

трино обладает правой

спиральнос-

тью

(рис. 352, б). Это свойство спра-

ведливо в равной мере как для элект-

ронного, так и мюонного нейтрино (ан-

тинейтрино).

Для того чтобы спиральность могла

быть использована в качестве характе-

ристики нейтрино (антинейтрино),

масса нейтрино должна приниматься

равной нулю. Введение спиральности

позволило объяснить, например, нару-

шение закона сохранения четности (см.

§ 274) при слабых взаимодействиях,

вызывающих распад элементарных ча-

стиц и

(3-распад.

Так,

|_г-мюону

припи-

сывают правую спиральность,

-мюо-

ну — левую.

После открытия столь большого

числа античастиц возникла новая зада-

ча — найти антиядра, иными словами,

доказать существование антивещества,

которое построено из античастиц, так

же как вещество из частиц. Антиядра

действительно были обнаружены. Пер-

вое антиядро — антидейтрон (связан-

ное состояние

pun)

— было получено в

1965 г. группой американских физиков

под руководством Л. Ледермана. В по-

следствии на Серпуховском ускорите-

ле были синтезированы ядра антигелия

(1970) и антитрития (1973).

Следует, однако, отметить, что воз-

можность аннигиляции при встрече с

частицами не позволяет античастицам

длительное время существовать среди

частиц. Поэтому для устойчивого

со-

стояния антивещества оно должно быть

изолировано от вещества. Если бы

вблизи известной нам части Вселенной

существовало скопление антивещества,

то должно было бы наблюдаться мощ-

ное аннигиляционное излучение (взры-

вы с выделением огромных количеств

энергии). Сколь-нибудь существенных

скоплений антивещества во Вселенной

пока не обнаружено. Исследования,

проводимые для поиска антиядер (в ко-

нечном счете антиматерии), и достиг-

нутые в этом направлении первые ус-

пехи имеют фундаментальное значение

для дальнейшего познания строения ве-

щества.

§ 274. Гипероны. Странность

и четность элементарных частиц

В ядерных фотоэмульсиях (конец

40-х годов XX в.) в на ускорителях за-

ряженных частиц (50-е годы) обнару-

жены тяжелые нестабильные элемен-

тарные частицы массой, большей мас-

сы нуклона, названные гиперонами

(от греч. hyper — сверх, выше). Извест-

но несколько типов гиперонов: ламбда

(Л°), сигма (Е°,

£-),

кси

(Е

Е")

омега

(fi~).

Существование

Г2~-гиперона

следо-

вало из предложенной (1961) М. Гелл-

Маном (р. 1929) (американский физик;

Нобелевская премия 1969 г.) схемы для

классификации сильно взаимодейству-

ющих элементарных частиц. Все изве-

стные в то время частицы укладывались

в эту схему, но в ней оставалось одно

незаполненное место, которое должна

была занять отрицательно заряженная

518

частица массой, равной примерно

3284т

В результате специально по-

ставленного эксперимента был дей-

ствительно обнаружен

п~

-гиперон мас-

сой 3273

Гипероны имеют массы в пределах

(2183

— 3273)

их спин равен

1/2

(толь-

ко спин

П~-гиперона

равен

/2),

время

жизни приблизительно

10~

с (для

Е°-гиперона время жизни равно при-

близительно

10~

с). Они участвуют в

сильных взаимодействиях, т. е. принад-

лежат к группе адронов. Гипероны рас-

падаются на нуклоны и легкие части-

цы

(тс-мезоны,

электроны, нейтрино и

^-кванты).

Детальное исследование рождения и

превращения гиперонов привело к ус-

тановлению новой квантовой характе-

ристики элементарных частиц — так

называемой странности. Ее введение

оказалось необходимым для объясне-

ния ряда парадоксальных (с точки зре-

ния существовавших представлений)

свойств этих частиц. Дело в том, что

гипероны должны были, как представ-

лялось, обладать временем жизни при-

мерно

10~

с, что в 10

раз (!) меньше

установленного на опыте. Подобные

времена жизни можно объяснить лишь

тем, что распад гиперонов происходит

в результате слабого взаимодействия.

Кроме того, оказалось, что всякий раз

гиперон рождается в паре с

if-мезоном.

Например, в реакции

(274.1)

Л°-гипероном

всегда рождается

^ме-

зон, в поведении которого обнаружива-

ются те же особенности, что и у гипе-

рона. Распад же Л°-гиперона происхо-

дит по схеме

(274.2)

Особенности поведения гиперонов и

К-мезоиов

были объяснены в 1955 г.

М. Гелл-Маном с помощью квантового

числа — странности S, которая сохра-

няется в процессах сильного и электро-

магнитного взаимодействий.

Если приписать каонам 5= 1, а Л°- и

Е-гиперонам 5= -1 и считать, что у

нуклонов и

и-мезонов

S — О, то сохра-

нение суммарной странности частиц в

сильном взаимодействии объясняет как

совместное рождение Л°-гиперона с

°-мезоном,

так и невозможность рас-

пада частиц со странностью, не равной

нулю, за счет сильного взаимодействия

на частицы, странность которых равна

нулю. Реакция (274.2) идет с наруше-

нием странности, поэтому она не может

происходить в результате сильного вза-

имодействия.

S-Гиперонам,

которые

рождаются совместно с двумя каонами,

приписывают S = —2;

ГЬгиперонам

—

5=-3.

Из закона сохранения странности

следовало существование частиц, та-

ких, как

К°-мезоя,

ЕЕ°-гипероны,

ко-

торые впоследствии были обнаружены

экспериментально. Каждый гиперон

имеет свою античастицу.

Элементарным частицам приписы-

вают еще одну квантово-механическую

величину — четность Р — квантовое

число, характеризующее симметрию

волновой функции элементарной час-

тицы (или системы элементарных час-

тиц) относительно зеркального отраже-

ния. Если при зеркальном отражении

волновая функция частицы не меняет

знака, то четность частицы Р = +1 (чет-

ность положительная), если меняет

знак, то четность частицы Р — — 1 (от-

рицательная).

Из квантовой механики вытекает

закон сохранения четности, согласно

которому при всех превращениях, пре-

терпеваемых системой частиц, четность

состояния не изменяется. Сохранение

четности связано со свойством зеркаль-

519

нои симметрии пространства и указы-

вает на инвариантность законов приро-

ды по отношению к замене правого ле-

вым, и наоборот. Однако исследования

распадов

i^-мезонов

привели американ-

ских физиков

Т.Ли

и Ч.Янга (1956 г.;

Нобелевская премия 1957 г.) к выводу

о том, что в слабых взаимодействиях

закон сохранения четности может на-

рушаться. Целый ряд опытов подтвер-

дили это предсказание. Таким образом,

закон сохранения

четности,

как и закон

сохранения странности, выполняется

только при сильных и электромагнит-

ных взаимодействиях.

§ 275. Классификация

элементарных частиц. Кварки

В многообразии элементарных час-

тиц, известных в настоящее время, об-

наруживается более или менее строй-

ная система классификации. Для ее по-

яснения в табл. 13 представлены основ-

ные характеристики рассмотренных

выше элементарных частиц.

Характеристики античастиц не при-

водятся, поскольку, как указывалось в

§ 273, модули зарядов и странности, мас-

сы, спины, изотопические спины, время

жизни частиц в вакууме и их античас-

тиц одинаковы, они различаются лишь

знаками зарядов и странности, а также

знаками других величин, характеризу-

ющих их электрические (а следователь-

но, и магнитные) свойства. В табл. 13

нет также античастиц фотона и

-л:

|1°-мезонов,

так как антифотон и анти-

пи-ноль-

и антиэта-ноль-мезоны тожде-

ственны с фотоном и тс

-, и

[х°-мезонами.

В табл. 13 элементарные частицы

объединены в три группы (см. § 272):

фотоны, лептоны и адроны. Элементар-

ные частицы, отнесенные к каждой из

этих групп, обладают общими свойства-

ми и характеристиками, которые отли-

чают их от частиц другой группы.

К группе фотонов относится един-

ственная частица — фотон, который

переносит электромагнитное взаимо-

действие. В электромагнитном взаимо-

действии участвуют в той или иной сте-

пени все частицы, как заряженные, так

и нейтральные (кроме нейтрино).

К группе лептонов относятся элек-

трон, мюон, тау-лептон, соответствую-

щие им нейтрино, а также их античас-

тицы. Все лептоны имеют спин, равный

1/2, и, следовательно, являются ферми-

онами (см. § 226), подчиняясь статис-

тике Ферми

—Дирака

(см. § 235). По-

скольку лептоны в сильных взаимодей-

ствиях не участвуют, изотопический

спин им не приписывается. Странность

лептонов равна нулю.

Элементарным частицам, относя-

щимся к группе лептонов, приписыва-

ют так называемое лептонное число

(лептонный

заряд) L. Обычно прини-

мают, что L = +1 для лептонов (е~,

\х",

т~,

, v^,

L = — 1 для антилептонов

(е

, v^

)

и L — 0 для всех

остальных элементарных частиц. Вве-

дение L позволяет

сформулировать

за-

кон сохранения лептонного числа:

в замкнутой системе при

всех

без исклю-

чения процессах взаимопревращаемос-

ти элементарных частиц лептонное чис-

ло сохраняется.

Теперь понятно, почему при распаде

(258.1) нейтральная частица названа

антинейтрино, а при распаде (263.1) —

нейтрино. Так как у электрона и нейт-

рино L = +1, а у позитрона в антинейт-

рино L = —1, то закон сохранения леп-

тонного числа выполняется лишь при

условии, что антинейтрино возникает

вместе с электроном, а нейтрино — с по-

зитроном.

Основную часть элементарных частиц

составляют адроны. К группе адронов

520