ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 05.04.2024
Просмотров: 106
Скачиваний: 0
тон — антипротонной пары взамен исчезнув шего протона и антипротона появляются пи-ме зоны. Последние частицы не должны обладать этими качествами. Положение здесь аналогич но аннигиляции электронно-позитронной пары, когда взаимное уничтожение электрических зарядов приводит к появлению незаряженных частиц — фотонов.
Повое качество, которое проявляется при рождении и аннигиляции протон — антипро тонной пары, и закон его сохранения не надо выдумывать — они существуют. Все опытные данные говорят о том, что ядерное вещество — протоны и нейтроны — никогда не исчезает, по крайней мере в пределах нашей Галактики, и не возникает из ничего. Протоны и нейтроны могут превратиться и в более тяжелые части цы — лямбда-, сигма-, кси-гипероны, но это не означает исчезновения ядерной материи, так как эти более тяжелые частицы тоже являют ся одним из видов ядерного вещества. Они мо гут входить в состав ядер атомов, из них мо гут состоять некоторые звезды, так называе мые гиперонные звезды.
В земных условиях эти более тяжелые ча стицы живут очень мало и снова превраща ются в протоны и нейтроны, из которых они образуются. Но никто никогда еще не наблю дал, чтобы отдельный протон или нейтрон пре
вратились в |
более легкие |
частицы— мезоны |
или лептоны. |
Если бы такой распад наблюдал |
|
ся с заметной вероятностью, |
то рано или позд |
|
но все ядерное вещество |
превратилось бы в |
электроны, позитроны и фотоны и привычный для нас мир, а вместе с ним и мы сами пере-
102
стали бы существовать. Поскольку этого, к сча стью, не происходит, мы приходим к заключе нию, что барйоны, т. е. нейтрон, протон и бо лее тяжелые частицы, действительно облада ют качеством, которого нет у более легких частиц и которое строго сохраняется. Это каче ство получило название я д е р н о г о, или б а- р и о н н о г о, з а р я д а .
Барионный заряд — это то, что характери зует частицу как источник ядерного поля, обес печивающего притяжение между нуклонами в ядре. В этом смысле он очень напоминает электрический заряд, который является источ ником электрического поля. Сохранение барионного заряда означает не что иное, как со хранение количества источников ядерного по ля, т. е. сохранение числа барионов, или, что то же самое, сохранение ядерной материи. Для бо
лее строгой формулировки з а к о н а |
с о х р а |
н е н и я б а р и о н н о г о з а р я д а |
каждому |
бариону приписывается барионный заряд (В), равный +1, мезонам, лептонам и фотону — ну левой барионный заряд, а всем антибарионам — барионный заряд, равный —1 (см. табл. 1). Закон сохранения барионного заряда те перь может быть сформулирован в полной ана логии с законом сохранения электрического заряда. Алгебраическая сумма чисел, обозна чающая полный барионный заряд всех частиц, участвующих в какой-либо реакции, должна быть одинаковой в начале и в конце реакции.
Закон сохранения барионного заряда в та кой форме не только обеспечивает неуничтожимость ядерной материи, но и позволяет объяс нить парное рождение антипротона с протоном
103
и их аннигиляцию. Вместе с тем он запрещает такие процессы, как парное рождение антипро тона с позитроном. Например, рождение такой пары при столкновении двух протонов шло бы по схеме
Р + Р-+ Р + р + р + е+, |
(16) |
где р и р — протон и антипротон; е+— пози трон.
Легко видеть, что здесь сумма барионных зарядов до реакции равна +2, а после реак ции + 1 (для протона В = +1). Отсутствие та кой реакции можно рассматривать как след ствие закона сохранения барионного заряда.
Реакция, в которой рождался бы один ан
типротон без позитрона, р + р->р + р + р запре щена вдвойне, так как в ней не выполняется не только закон сохранения барионного заря да, но и закон сохранения электрического за ряда. Таким образом, мы приходим к выводу, что при столкновениях протона с протоном воз можно только парное рождение антипротона с протоном. Действительно, нетрудно убедиться,
что реакция р +р-> р +р +р +р не противоре чит ни одному из законов сохранения и поэто му наблюдается на опыте. Не нарушается
закон сохранения барионного заряда |
и при |
аннигиляции антипротона с протоном, |
напри |
мер, по схеме |
|
р + р-> я + + яг-+ я0, |
(17) |
так как при этом суммы барионных зарядов до и после реакции равны нулю. Последний про цесс как раз и является примером такой ре-
104
аки,ии, когда барион и антибарион взаимно уничтожаются, превращаясь в более легкие ча стицы.
Между барионами могут наблюдаться про цессы аннигиляции, которые не имеют полной аналогии с аннигиляцией электронно-позитрон ной пары. Так, например, антинейтрон может аннигилировать не только с нейтроном, но и с протоном и вообще с любым другим барионом, имеющим противоположный по знаку барионный заряд. Примером такой аннигиляции мо жет служить реакция
р + п -*■ ~ + + - ° + я® . |
( 1 8 ) |
Теперь мы вплотную подошли к ответу на вопрос, в чем состоит отличие тяжелой части цы от тяжелой античастицы. Определяющим здесь является не противоположность элект рических зарядов частиц, хотя она всегда на блюдается в таких случаях, а противополож ность барионных зарядов. Именно по этому
признаку отличаются Л° от Л°, 2° от 2°, Е°
от Е°- Закон сохранения барионного заряда, по
крайней мере на данном уровне наших зна ний, является абсолютным, универсальным. Это означает, что он, так же как и законы со хранения энергии, импульса, момента враще ния, электрического заряда, строго выполня ется во всех известных нам процессах. Это рав носильно утверждению, что процессы, в кото рых закон не соблюдается, не существуют. До сего времени таких процессов никто и не на блюдал, точно так же, как еще никто не обна
105
ружил, что можно построить вечный двигатель, черпающий энергию из ничего. В этом состоит сходство всех универсальных законов сохра нения.
Точно так же, как и другие универсальные законы сохранения, последний закон является следствием своеобразной симметрии матери ального мира.
Существование целого ряда нейтральных частиц, таких, например, как нейтрино и антинейтрино, относящихся друг к другу как частица и античастица и тем не менее не имею щих ни электрического и ни барионного заря дов, заставляет думать, что эти заряды — не единственные признаки отличия частицы от ан тичастицы. У нейтрино и у его античастицы есть какие-то особенные взаимно противопо ложные качества, которые делают их различ ными. Эти качества проявляются в характер ных особенностях реакций с их участием. Наи более распространенной реакцией такого сорта является распад нейтрона. Нейтрон в недрах некоторых радиоактивных ядер, а также в свободном состоянии неустойчив и распада ется на три частицы — протон, электрон и
антинейтрино:
п -> Р + ег -|- V. |
( 19) |
Именно эта реакция лежит в основе бетараспада радиоактивных ядер. Заметим, что ан тинейтрино появляется в паре с электроном. В других реакциях, например при распаде мю- минус-мезона, антинейтрино появляется также
106
в паре с тем же электроном. Поскольку оди ночного рождения антинейтрино не наблюда лось, физики склонны были думать, что здесь проявляется какая-то новая закономерность. Чтобы отразить эту закономерность, в полной аналогии с барионным зарядом был введен но вый, так называемый л е п т о н н ы й з а р я д
и постулирован |
з а к о н е г о с о х р а н е н и я . |
Вскоре после |
экспериментального открытия |
нейтрино было обнаружено, что существует не один, а два типа нейтрино, причем одно из них может появляться только в паре с электроном, а другое с мю-минус-мезоном. Первое из них назвали электронным антинейтрино (его услов
ный символ V ,,) , а второе — мюонным (гД. Мюонное антинейтрино обнаружено в реакции распада пи-минус-мезона:
п ~ -> р,- + vм. ■ |
(20) |
При распаде нейтрона появляется электронное антинейтрино. Поэтому реакцию (19) записы вают сейчас так:
«-*■ Р + е~ + м,. |
(21) |
Электронное и мюонное нейтрино появля ются в других реакциях, отличающихся от (20) и (21) переходом от частиц к античастицам. Мюонное нейтрино появляется при распаде
л+ ->р,+ + м (1> |
(22) |
а электронное — при бета-распаде протона. Дело в том, что протон в окружении других нуклонов в атомном ядре может превратиться
107
в нейтрон с |
испусканием |
позитрона и |
элек |
|
тронного нейтрино: |
П + е+ + |
ve. |
(23) |
|
' |
Р |
|||
Для того |
чтобы |
все свойства такого |
пар |
ного рождения выполнялись, достаточно пред положить, что пара электронное нейтрино — электрон и пара мюонное нейтрино — мю-ме зон обладают различными качествами, различ ными лептонными зарядами: электронными и мюонными соответственно.
Эти качества должны сохраняться по от дельности, т. е. должен иметь место з а к о н с о х р а н е н и я э л е к т р о н н о г о л е п т о й - ног о з а р я д а и з а к о н с о х р а н е н и я м ю о н н о г о л е п т о н н о г о з а р я д а . Ко личественные меры этих качеств выбираются в полной аналогии с барионным зарядом. Электрону и электронному нейтрино приписы вается электронный лептонный заряд, равный + 1, а позитрону и электронному антинейтри но —1. По тем же причинам мю-минус-мезону и мезонному нейтрино приписывается мюонный лептонный заряд +1, а мюонному антинейт рино и мю-плюс-мезону —1. Введением лептонных зарядов и законов их сохранения удается свести большое количество особенностей в ре акциях с участием лептонов к сохранению двух качеств. Мы еще раз подчеркнем, что основным критерием при осмысливании новых качеств является факт их парного рождения. В даль нейшем этот же факт поможет обнаружить но вые качества, по которым различаются нейт ральные ка-ноль- и анти-ка-ноль-мезоны, для которых электрический, барионный и лептон ный заряды равны нулю.
108
ВИДЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ
Уже при первом знакомстве с много образным семейством элементарных
частиц мы столкнулись с явлениями рас пада, аннигиляции и рождения частиц, приводящими к превращению одних ча стиц в другие. Эти необычные процессы, как и многие другие, такие, например, как рассеяние одной частицы на другой, при тяжение частиц в атоме и внутри ядра, вызваны определенными силами, дейст вующими между элементарными частица ми. Все элементарные частицы находятся во взаимной связи, воздействуют друг на друга, взаимодействуют. Сила и характер этого взаимодействия зависят от сорта ча стиц, от степени их сближения. И, наобо рот, именно во взаимодействии проявля ются основные свойства элементарных частиц. Поэтому изучение различных про цессов взаимодействия является по суще ству единственным источником наших сведений об элементарных частицах.
К настоящему времени известны четы
ре типа |
взаимодействий между элемен |
|||
тарными |
частицами: г р а в и т а ц и о н |
|||
н ы е , |
э л е к т р о м а г н и т н ы е, |
с и л ь |
||
н ые |
и |
с л а б ые . |
Гравитационные и |
|
электромагнитные |
взаимодействия |
хоро |
шо известны из классической физики. Первые — это знакомые каждому силы тяжести, известные силы всемирного тя готения, управляющие движением небес ных тел. Хотя эти взаимодействия при сущи всем телам, имеющим массу, они заметно сказываются только для очень
109