Страница 122 из 131
(h/2, 3h/2 и т. д.) - фермионами (в честь итальянского физика Энрико Ферми).
Электрический заряд всегда задают в единицах заряда электрона, а для описания электромагнитных взаимодействий удобна безразмерная величина ? = e2/ hc ? 1/137, так называемая постоянная тонкой структуры Аналогичные константы для описания сильных взаимодействий в 100 - 1000 раз больше. Для слабого взаимодействия вводится универсальная постоянная Ферми GF ? 10-5. h3/mp2c.
Аналогом постоянной тонкой структуры в гравитационных взаимодействиях служит квадрат отношения массы элементарной частицы к планковской массе (?гр = Gm2/ hc = 1/2 (m/mP)2). Некоторым частицам приписывают заряды, не имеющие динамического смысла, необходимые лишь для того, чтобы характеризовать сохранение частиц определенного сорта в реакциях. Так вводят, например, барионный заряд, полагая, что в любой реакции разность между числом барионов и антибарионов постоянна.
Калибровочные бозоны* - частицы со спином единица, переносчики электрослабого взаимодействия. В это семейство входят фотон (от греч. photos - частица света) - безмассовый квант электромагнитного поля (экспериментальное ограничение m? 3.10-33 МэВ) и открытые совсем недавно промежуточные бозоны - два заряженных W+ и W- (mw = 80,6 +- 0,4 ГэВ) и один нейтральный Z0 (mZ = 91,161 +- 0,031 ГэВ). Фотон стабилен. W- и Z-бозоны, самые тяжелые из известных частиц, распадаются на лептон-антилептонные пары, однако их времена жизни оцениваются пока весьма приближенно (? ~ (2 ? 3) 10-25 с).
*Здесь и в дальнейшем данные заимствуются из "Обзора свойств частиц", составленного международной группой по данным о частицах (Particle Data Group, "Review of Particle Properties", Physics Letters, В 239, April, 1990).
Лептоны (от греч. leptos - легкий, мелкий) - к этому семейству частиц относятся электрон (е-), мюон (?-), ?-лептон (?-) и три типа нейтрино электронное (?e), мюонное (?? )и ?-нейтрино (??), а также соответствующие античастицы - позитрон (е+), антимюон (?+), анти-? (?+) и три типа антинейтрино (?e, ??,??). Все они - фермионы со спином 1/2. Характерное свойство лептонов - отсутствие собственной структуры, в рамках современных экспериментальных данных их рассматривают как точечные частицы, которые не способны напрямую участвовать в сильных взаимодействиях. Массы и времена жизни лептонов указаны в таблице (у соответствующих антилептонов те же параметры):
#
Частица ?e е ?? ? ?? ?
Масса (МэВ) 0(17эВ) 0,51099906(15) 0,27 105,65839 (6) 35 1784,1(3)
Время жизни (сек) стабильно (?>300m?e)
стабилен (?> 2.1022 лет) стабильно (? > 1,1.105 . m??,) 2,19703(4).10-6
? (3,03 (0,08).10-13
#
ТАБЛИЦА ЛЕПТОНОВ В экспериментах московской группы из Института теоретической и экспериментальной физики по уточнению спектра ?-распада (n ( p + e-+?e) было получено нижнее ограничение на массу электронного нейтрино (14 эВ m?e 46 эВ), что эквивалентно доказательству наличия у нейтрино ненулевой собственной массы. Пока этот результат не подтвержден достаточным объемом независимых данных. Природа процессов, приводящих к огромному расщеплению масс е - ? - ?, пока не выявлена, и поэтому неясно, могут ли существовать недоступные современному эксперименту новые члены лептонного семейства.
Кварки (от англ. quark - образ таинственного духа, заимствованный из романа Джеймса Джойса "Поминки по Финнегану") - особые фермионы, существующие внутри адронов, но пока никогда не наблюдавшиеся в свободном виде. Несмотря на это, кварки считаются экспериментально обнаруженными объектами, например, очень быстрые электроны сталкиваются с ними, пролетая сквозь адрон. Для описания современных данных, связанных с адронами, вводят пять типов кварков - так называемых ароматов: u (верхний, от англ. up), d (нижний, от англ. down), с (очарованный, от англ. charm), s (странный, от англ. strange), b (прелестный от англ. beauty, или низший от англ. bottom), кроме того, есть серьезные теоретические основания дополнить их шестым t кварком (высшим от англ. top). Это устанавливает очень полезную симметрию между кварками и лептонами, которую можно задать классификацией обоих семейств по поколениям. В первое поколение входят ?e и е и, соответственно, u- и d-кварки, во второе - ?? и ? вместе с с- и s-кварками, в третье - ?? и ? вместе с t- и b-кварками. Электрические заряды кварков выражаются в долях заряда электрона (+ 2/3 у u, с, t и -1/3 у d, s, b; для антикварков заряды имеют противоположные знаки). Но кроме аромата кваркам необходимо приписать особое зарядовое свойство, обычно именуемое цветом*. Каждый кварк существует в одном из 3-х цветовых состояний (например, желтом, синем или красном). Таким образом, кварков 18 (столько же антикварков), и в каждом лептон-кварковом поколении содержится по 8 частиц.
* Такие наименования, как аромат, цвет или очарование - чисто художественные образы, не имеющие отношения к попыткам (в духе древней натурфилософии) понюхать кварки или оценить их "истинное лицо". Поток художественных образов, обрушившийся в последнее время на многие области фундаментальных исследований, можно расценивать как естественную реакцию на формалистическое засушивание языка научных статей и книг.
Данная схема позволяет полностью классифицировать все известные адроны по определенному кварковому составу. Например, считают, что протон состоит из двух u- и одного d-кварка, причем его полный электрический заряд единица (+2/3 + 2/3 -1/3 = +1). Нейтрон представляется комбинацией udd (+2/3 1/3 - 1/3 = 0), ?-гиперон - uds, мезоны - комбинацией кварка и антикварка
(?+ = ud, K+ = us, D+ = cd, F+ = cs, ? = сс, ? = bb и т. п.). Очень важно, что цвета кварков подбираются таким образом, что все наблюдаемые адроны оказываются цветонейтральными или белыми (пользуясь аналогией в смысле смешения трех чистых цветов). В этом плане цветовой заряд похож на электрический, скажем, нейтральный атом водорода можно считать смесью чистого отрицательного (электрон) и положительного (протон) электрических зарядов.
Массы кварков, нерегистрируемых в свободном состоянии, определяются лишь косвенно по анализу их связанных состояний - адронов. Поэтому речь может идти лишь о несколько неопределенной эффективной массовой характеристике. Современные данные позволяют привести, например, такой набор оценок: mu ~ 5 МэВ, md ~ 7 МэВ, ms ~ 150 МэВ, mс ~ 1,4 ГэВ, mb ~ 4,8 ГэВ, mt > 20 ГэВ.
Глюоны (от англ. glue - клей) - безмассовые частицы, играющие роль кваркового клея. Именно глюоны переносят взаимодействие между кварками и удерживают последние в "безвыходной темнице" внутри адронов. Современные теоретические схемы используют 8 глюонов, которые в роли переносчиков взаимодействия похожи на фотон и промежуточные бозоны (тоже имеют спин единица и являются калибровочными бозонами). Но фотон обеспечивает электромагнитную связь, будучи сам электрически нейтральной частицей, тогда как некоторые глюоны сами несут цветовой заряд, и каждый глюон может быть источником других глюонов. 6 глюонов обеспечивают изменение кварковых цветов в процессах взаимодействия, а 2 - ответственны за взаимодействия кварков, сохраняющих цвет. По современным представлениям, глюонные силы оригинальны в том отношении, что они исчезают на очень малых расстояниях, но могут стать велики на больших.
Адроны (от греч. hadros - тяжелый, сильный) - самое обширное семейство частиц, в которое включают и бозоны (мезоны) и фермионы (барионы), сильно взаимодействующие друг с другом. Массы и времена жизни некоторых адронов приводятся в таблице:
ТАБЛИЦА АДРОНОВ
#
Частица Название Масса (МэВ) Время жизни (сек) или ?-ширина для резонансов (МэВ)
#
Мезоны
Стабильные
?0 ?-ноль-мезон 134,9739 (6) 8,4.10-17
?+- ?+--мезон 139,5675 (4) 2,6030 (24).10-8
? Эта-мезон 548,8 (6) ( 8.10-19
(? = (1,19 +- 0,12) кэВ)
Резонансы
? (770) ро-770 768,3 (5) 149,1 (2,9)
?(783) омега-783 781,95 (14) 8,43 (10)