Конспект лекций по физике

Кварки, лептоны, калибровочные бозоны

    Фундаментальные частицы можно разбить на два типа - на частицы вещества - фундаментальные фермионы и калибровочные бозоны, переносящие взаимодействия между частицами вещества.
    Фундаментальными фермионами - частицами вещества являются кварки и лептоны. Кварки и лептоны являются фермионами и имеют собственный спин J = 1/2.
    Известно 6 типов (ароматов) кварков, объединённых в три семейства (поколения). Реакция деления ядра К началу 40-х годов работами многих ученых—Э. Ферми (Италия), О. Гана (1879—1968), Ф. Штрассмана (1902—1980) (ФРГ), О. Фриша (1904—1979) (Великобритания), Л. Мейтнер (1878—1968) (Австрия), Г.Н. Флерова (р. 1913), К.Н. Петржака (Россия) — было доказано, что при облучении урана нейтронами образуются элементы из середины Периодической системы — лантан и барий.

1 поколение2 поколение3 поколение

    Кварки верхнего ряда (u,c,t) имеют электрический заряд Q = +2/3e , нижнего ряда (d,s,b) имеют электрический заряд  Q = -1/3e , где е-абсолютная величина заряда электрона.
Кварк каждого типа имеет три цветовых состояния. В таблице 1  приведены массы кварков. Кварки связаны внутри адронов и в свободном состоянии не наблюдаются. Масса токового кварка - это масса, которой обладал бы кварк, если бы кварки не были связаны друг с другом посредством глюонов. Масса токового кварка складываясь с энергией взаимодействия кварка в адроне дает массу кварка в составе адрона. Поэтому массы кварков, приведенные в таблице 1 не измерены непосредственно, а получены в результате теоретического анализа экспериментальных данных.

Математическую основу теории относительности составляют преобразования Лоренца координат x, y, z и времени t, при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой инерциальной системе.

В 1900 г. была опубликована работа М. Планка, посвященная проблеме теплового излучения тел.    

Наличие у частицы волновых свойств приводит к тому, что в квантовой физике ей сопоставляется волновая функция (x,y,z,t).

Волновая функция, описывающая движение свободной частицы с заданным значением импульса p имеет вид волны де Бройля

Открытие атомного ядра и частиц явилось результатом изучения строения вещества, основанном на достижениях физики конца XIX века.

Одним из главных свойств частиц является их способность превращаться друг в друга, рождаться и  уничтожаться в результате взаимодействия.

Состояние классической частицы в любой момент времени описывается заданием ее координат и импульсов

Сечение - величина, определяющая вероятность перехода системы взаимодействующих частиц в определенное конечное состояние

Для анализа результатов различных экспериментов, важно знать какие процессы происходят при взаимодействии частицы с веществом мишени

При столкновении частиц могут происходить различные реакции

При неупругом рассеянии электрона на протоне возбуждаются внутренние степени свободы протона

Тождественны ли нейтрино и антинейтрино?

Таблица 1.   Массы кварков.

Тип кварка.Масса токового кварка.
Мэв/с2
Масса  кварка в составе адрона.
Мэв/с2
u
d
s
c
b
t
1 - 5
3 - 9
200
neaeq.gif (64 bytes)1300
4000-4400
178000
neaeq.gif (64 bytes)330
neaeq.gif (64 bytes)330
neaeq.gif (64 bytes)500
1500
5000
178000

    Лептоны не имеют цветовых состояний, они не участвуют в сильных взаимодействиях.
Лептонов тоже 6 типов. Они также объединены в 3 семейства (поколения).

1 поколение2 поколение3 поколение

Электрон е, мюон мю и тау-лептон tau имеют одинаковые электрические заряды Q = - e. Каждый лептон верхней строки имеет своё нейтрино - электронное нейтрино neutrinoe, мюонное нейтрино neutrmu и тау-нейтрино neutrtau . В процессах взаимодействия с веществом нейтрино обычно появляется в паре с соответствующим лептоном верхней строки. Электрический заряд нейтрино равен 0. Каждое поколение имеет своё лептонное число. Лептонные числа строго сохраняются, хотя почему это происходит сегодня не ясно.
Массы нейтрино в рамках стандартной модели считаются равными 0. Сегодня измерены лишь верхние пределы масс нейтрино. Массы лептонов приведены в таблице 2. Так же как и в случае кварков массы лептонов теоретически не объяснены. В отличие от кварков лептоны наблюдаются в свободном состоянии как отдельные частицы, участвующие в различных реакциях.

Таблица 2.   Массы лептонов.

Тип лептона.Масса лептона
Мэв/с2
е
мю
tau
neutrinoe
neutrmu
neutrtau
0.51
105.6
1777
15*10-6
< 0.17
< 24

Кроме кварков и лептонов существуют частицы, которые передают взаимодействие между фундаментальными фермионами (кварками и лептонами). Это частицы с целым спином - калибровочные бозоны.
В таблице 3 приведены взаимодействия, частицы участвующие в различных взаимодействиях, калибровочные бозоны - переносчики взаимодействия, радиус действия, константа взаимодействия, характерное время жизни по отношению к распадам.

Таблица 3. Фундаментальные взаимодействия

Взаимо-
действие
На какие
частицы действует
Калибровоч-
ные бозоны

Радиус
действия

Константа взаимо-
действия
Характерное
время жизни, с
Характерное сечение, мб
СильноеВсе цветные частицы8 глюонов,
спин J = 1,
безмассовые.
1Фм = 1/110-23 
deltaarrow.gif (69 bytes) Npi
10
pip arrow.gif (69 bytes)pip
Электро-
магнитное
Все электрически заряженные частицыФотон,
спин J = 1,
безмассовый.

infin1.gif (65 bytes)

(1/137)1/210-20 -10-16 
pi0arrow.gif (69 bytes) 2гамма
sigma0arrow.gif (69 bytes)lambdaгамма
10-3
гаммаp arrow.gif (69 bytes) ppi0
СлабоеКварки, лептоны, электрослабые калибровочные бозоныW+,W-, Z,
спин J = 1,
m(wplmin.gif (91 bytes)) = 80Гэв,
m(Z) =91Гэв.

10-2Фм = 1/mW

10-6>10-12 
sigma-arrow.gif (69 bytes)npi-
pi-arrow.gif (69 bytes)мю-
10-14
neitrinoparrow.gif (69 bytes)neitrinop
neitrinoparrow.gif (69 bytes)мю-ppi+
Гравитаци-
онное
Все массивные частицыГравитон,
спин J = 2,
безмассовый

infin1.gif (65 bytes)

10-38--

Сильное взаимодействие. Константа сильного взаимодействия, характеризующая интенсивность этого взаимодействия определяется взаимодействием кварков и переносчиков сильного взаимодействия - глюонов. Частицы, участвующие в сильном взаимодействии называются адронами. Характерный радиус действия сил, обусловленных сильным взаимодействием ~10-13 см. Частицы, распадающиеся в результате сильного взаимодействия имеют характерное время жизни ~10-20-10-23 c, что соответствует характерным ширинам резонансов Г > 10 МэВ.
Электромагнитное взаимодействие. Константа электромагнитного взаимодействия 
(альфа)1/2 = (e2/h/c)1/2 = (1/137)1/2 (альфа - постоянная тонкой структуры). Переносчик электромагнитного взаимодейстия - фотон. То обстоятельство, что масса фотона равна нулю определяет бесконечный радиус электромагнитного взаимодействия. Константа электромагнитного взаимодействия определяет вероятность испускания или поглощения фотона частицей с зарядом +е. Характерное время распада частиц в результате электромагнитного взаимодействия > 10-18 c. Например, время жизни pi0-мезона, распадающегося в результате электромагнитного взаимодействия,  ~0.8*10-16 c.
Слабое взаимодействие. Константа слабого взаимодействия ~10-6. Переносчиками слабого взаимодействия являются промежуточные бозоны wplmin.gif (91 bytes)- и Z-бозоны - массивные частицы (m(wplmin.gif (91 bytes)) = 80 Гэв, m(Z) =91 Гэв.). Большая масса прмежуточных бозонов обуславливает характерную величину радиуса слабого взаимодействия ~10-16 cм. Частицы, распадающиеся в результате слабого взаимодействия имеют времена жизни >10-12 c. Например заряженные pi-мезоны, распадающегося в результате слабого взаимодействия,  имеют время жизни 2.6*10-8 c. Нейтрон - 898 с. Некоторые ядра, распадающиеся в результате слабого взаимодействия,  имеют время жизни многие годы. Единственные частицы, которые участвуют только в слабых и гравитационных) взаимодействиях - нейтрино.
Гравитационное взаимодействие. Сила гравитационного взаимодейстия определяется соотношением

F = Gm1m2/r2,

где G = 6/67*10-11 м3кг-1с-2 - гравитационная постоянная. Радиус действия гравитационного взаимодействия бесконечен. В гравитационном взаимодействии участвуют все частицы. Сравнение гравитационного и электромагнитного взаимодействия двух протонов, находящихся на расстоянии друг от друга ~10-13 см приводит к соотношению

Fграв/Fэл.магн ~10-36.


На главную