Как регистрируют частицы - Боровой А.А.
Скачать (прямая ссылка):
За время At фотон пролетает расстояние AZ = с At; при этом AE ^ HcIAl. Масса покоя фотона равна нулю и AE может быть сколь угодно мало, a AZ — велико. Это соответствует тому, что электроны, хотя и слабо, но взаимодействуют на далеких расстояниях.
Перейдем теперь к сильным взаимодействиям. В 1935 г. япон- Рис- 13- Рассеяние элек-ский физик Юкава пришел к вы- JgSUS Snt воду, что ограниченный радиус Один электрон испуска-действия ядерных сил (10~15 м) ет 7-квант, второй его говорит о том, что кванты ядерного поглощает,
поля, те самые, которые осуществляют взаимодействие между нуклонами, обязательно должны иметь массу покоя. И далеко не маленькую. Из оценок Юкавы она получалась приблизительно равной 150 МэВ. Попробуем качественно проиллюстрировать это утверждение, опираясь на соотношение неопределенности для энергии и времени. Если масса кванта т0с2 == = 150 МэВ, то при излучении нуклоном такой виртуальной частицы неопределенность в энергии AE должна быть больше 150 МэВ. Это приводит к ограничению времени существования кванта:
,, . h 6,5 • 10-16эВ • с , At<-AE- 150.10°эВ «*-Ю"с.
Вот время, отпущенное переносчику ядерного взаимодействия. Даже если сам он движется со скоростью света, то расстояние, на которое квант может удалиться от нуклона, не превышает В <с-Az а; 10~15 м. Таким образом, получается правильный порядок для размеров сферы действия ядерных сил.
Только спустя двенадцать лет после работы Юкавы такая частица была открыта. Мы уже говорили о ней — именно ее «фотографический портрет» приведен на рис. 8. Это л-мезон. Масса его составляет 139 МэВ.
69
Итак, нуклон долгое время представлялся как некое мерцающее облако из возникающих и исчезающих л-мезо-нов и пар нуклон— антинуклон. Сильное взаимодействие осуществляется обменом виртуальными я-мезонами на малых расстояниях.
Шло время и все до больших энергий разгонялись потоки частиц на ускорителях, и все дальше в глубь материи могли заглянуть экспериментаторы. Оказалось, что сильное взаимодействие устроено очень сложно. Обмен я-мезонами — это хотя и верное, но только первое приближение в описании ядерных сил. я-мезоны — не элементарные кванты поля, подобно фотонам в электромагнетизме. Они, так же как и нуклоны, состоят из совершенно особых частиц — кварков, а кварки, взаимодействуя между собой, обмениваются квантами поля, носящими название глюонов (от английского слова glue — клей).
В этом параграфе мы обсуждали многие трудные вопросы. Но самое главное, что надо вынести из него, это то, что любое взаимодействие есть обмен виртуальными частицами, а ограниченность радиуса действия какого-либо типа сил свидетельствует о том, что у частиц, переносящих взаимодействие, есть масса.
6.4. Сохранение бариониого заряда
Со временем число известных элементарных частиц все увеличивается. И для удобства классификации их объединяют по различным признакам в группы и придумывают таким группам названия. Так, все частицы, которые принимают участие в сильном взаимодействии, называются адронами. Адроны делятся на два больших класса — более легкие со спином, значение которого выражается в целых числах h, называются мезонами. С представителями этого класса я-мезонами мы встречались. Тяжелые адроны, имеющие полуцелый спин, образуют класс барионов. Сюда относятся нуклоны — нейтрон и протон, антинуклоны — антинейтрон (п) и антипротон (р) и другие частицы, например, лямбда-гиперон (K0), и т. д. Изучая процессы, происходящие с элементарными частицами, физики пришли к выводу, что в любых столкновениях, распадах, реакциях рождения всегда сохраняется величина: число барионов минус число антибарионов. Например, Я°, распадаясь, превращается в протон и я-мезон, при распаде свободного нейтрона обязательно появляется протон, 70
а разогнанный до больших энергий я°-мезон может родить только пару нуклон и антинуклон, а, скажем, не два нейтрона. Если приписать барионам заряд +1, антибарионам заряд —1, а всем остальным частицам —0, то суммарный заряд при всех известных превращениях остается постоянным — в природе выполняется закон сохранения барионного заряда (ЗСБЗ). Конечно, термин «заряд» в применении к барионам не совсем удачен: «Следует подчеркнуть, что в отличие от электрического заряда ба-рионный не создает вокруг себя электрического поля и не является источником какого-либо дальнодействия. Он просто сохраняется...» (Л. Б. Окунь). С какой точностью выполняется этот закон и не существуют ли очень редкие процессы, при которых он нарушается?
При этих вопросах взоры экспериментаторов обратились к про'іоіу. Он самый легкий из барионов, и если ЗСБЗ приблизителен, то протон может распадаться на мезоны, например, л0- и л+-мезоны. Существование нашего мира прямо указывает на то, что протон достаточно стабилен. Иначе за время жизни Вселенной (1010 лет) все ядра распались Сы и все вопросы отпали сами собой. Тем не менее, даже при очень большом времени жизни протона (тр), этот процесс можпо было зарегистрировать и опыты были проведены. Они дали значение тр ^> 1030 лет.
Интерес к вопросу о стабильности протона вспыхнул с новой силой в связи с попытками «великого объединения» электромагнитных, слабых и сильных взаимодействий.
