Реферат: Адроны

Пермский военный институт ВВ МВД РФ

Кафедра общенаучных дисциплин

Курсовая работа по физике

Тема: Адроны

Выполнил:

Бывший старший преподаватель ПВИ ВВМВД РФ подполковник в отставке Овечкин Алексадр Васильевич для курсанта N

Научный руководитель:

Дата защиты « » апреля 2003 г.

                                Оценка                                             

(подписьнауч. руков.)

Пермь – 2003 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

·    Видывзаимодействий.

·    Классификацияэлементарных частиц.

·    Адроны.

·    Свойстваэлементарных частиц ( масса, заряд, спин, барионный заряд, изотопический спин,гиперзаряд, чётность, комбинированная чётность, странность, очарование, ит.д.).

·    Законысохранения.

·    Несохранениечётности в слабых взаимодействиях.

·    Систематикаадронов.

·    Теорияунитарной симметрии.

·    Кварки.

Вступление

Обнаружение на рубеже19-20 вв. мельчайших носителей свойств вещества — молекул и атомов — иустановление того факта, что молекулы построены из атомов, впервые позволилоописать все известные вещества как комбинации конечного, хотя и большого, числаструктурных составляющих — атомов. Выявление в дальнейшем наличия составныхслагающих атомов — электронов и ядер, установление сложной природы ядер, оказавшихсяпостроенными всего из двух типов частиц (протонов и нейтронов),существенно уменьшило количество дискретных элементов, формирующих свойствавещества, и дало основание предполагать, что цепочка составных частей материизавершается дискретными бесструктурными образованиями — элементарнымичастицами. Такое предположение, вообще говоря, является экстраполяциейизвестных фактов и сколько-нибудь строго обосновано быть не может.

Нельзя с уверенностью утверждать, чточастицы, элементарные в смысле приведённого определения, существуют. Протоны инейтроны, например, длительное время считавшиеся элементарными частицами, каквыяснилось, имеют сложное строение. Не исключена возможность того, чтопоследовательность структурных составляющих материи принципиально бесконечна.Может оказаться также, что утверждение «состоит из...» на какой-тоступени изучения материи окажется лишённым содержания.

Основнаячасть

Виды взаимодействий

Основные, фундаментальныевзаимодействия в физике делятся на:

·                           гравитационные

·                           электромагнитные

·                           слабые

·                           сильные

Гравитационныевзаимодействия, хорошоизвестные по своим макроскопическим проявлениям, в случае Э. ч. на характерныхрасстояниях ~10-13 см дают чрезвычайно малые эффекты из-за малостимасс элементарных частиц.

Электромагнитныевзаимодействияхарактеризуются как взаимодействия, в основе которых лежит связь сэлектромагнитным полем. Процессы, обусловленные ими, менее интенсивны, чемпроцессы сильных взаимодействий, а порождаемая ими связь Э. ч. заметно слабее.Электромагнитные взаимодействия, в частности, ответственны за связь атомныхэлектронов с ядрами и связь атомов в молекулах.

Слабоевзаимодействие, одно изфундаментальных взаимодействий, в котором участвуют все элементарные частицы(кроме фотона). Слабое взаимодействие гораздо слабее не только сильного, но иэлектромагнитного взаимодействия, но неизмеримо сильнее гравитационного.Ожидаемый радиус действия слабого взаимодействия порядка 2·10-16 см. Слабое взаимодействиеобусловливает большинство распадов элементарных частиц, взаимодействия нейтринос веществом и др. Для слабого взаимодействия характерно нарушение четности,странности, «очарования» и др. В кон. 60-х гг. создана единая теория слабого иэлектромагнитного взаимодействий (так называемое электрослабое взаимодействие).

Сильные взаимодействия, самое сильное из фундаментальныхвзаимодействий элементарных частиц. В сильном взаимодействии участвуют адроны.Сильное взаимодействие превосходит электромагнитное взаимодействие примерно в100 раз, его радиус действия ок. 10-13 см.Частный случай сильного взаимодействия — ядерные силы.

Характерное время, за котороепроисходят элементарные процессы, вызываемые сильными взаимодействиями, составляет10-23—10-24сек. Сильные взаимодействия обладаютвысокой степенью симметрии; они симметричны относительно пространственнойинверсии, зарядового сопряжения, обращения времени. Специфическим для сильныхвзаимодействийявляется наличие внутренних симметрий адронов: изотопической инвариантности,симметрии по отношению к фазовому преобразованию, приводящей к существованиюособого сохраняющегося квантового числа — странности, а также SU (3)-симметрии.

/>Важнейшаяособенность сильныхвзаимодействий —их короткодействующий характер; они заметно проявляются лишь на расстоянияхпорядка 10-13см между взаимодействующими адронами, т. е. ихрадиус действия примерно в 100 000 раз меньше размеров атомов. На такихрасстояниях С. в. в 100—1000 раз превышают электромагнитные силы, действующиемежду заряженными частицами. С увеличением расстояния сильные взаимодействия  быстро убывают,так что на расстоянии несколько радиусов действия они становятся сравнимыми с электромагнитнымивзаимодействиями, а на ещё больших расстояниях практически исчезают. Скороткодействующим характером сильных взаимодействий связан тот факт, что они,несмотря на их огромную роль в природе, были экспериментально обнаружены тольков 20 в., в то время как более слабые дальнодействующие электромагнитные игравитационные силы были обнаружены и изучены гораздо раньше (вследствиедальнодействующего характера электромагнитных и гравитационных сил происходитсложение сил, действующих со стороны большого числа частиц, и таким образомвозникает взаимодействие между макроскопическими телами).

Для объяснения малогорадиуса действия ядерных сил была выдвинута гипотеза, согласно которой сильныевзаимодействиямежду нуклонами (N) происходит благодаря тому, что они обмениваются друг сдругом некоторой частицей, обладающей массой, аналогично тому, какэлектромагнитное взаимодействие между заряженными частицами, согласно квантовойэлектродинамике, осуществляется посредством обмена «частицами света» —фотонами. При этом предполагалось, что существует специфическое взаимодействие,приводящее к испусканию и поглощению промежуточной частицы — переносчикаядерных сил, который  назвали сильными взаимодействиями.

Согласно квантовоймеханике, время наблюдения системы Dt и неопределённость в её энергии DEсвязаны неопределённостей соотношением: DEDt  ~ />, где /> — постоянная Планка. Поэтому, если свободный нуклон испускает частицу с массой m (т.е. энергия системы меняется согласно формуле теории  относительности навеличину DE = mc2, где с — скорость света), то это можетпроисходить лишь на время Dt ~ />/mc2. Заэто время частица, движущаяся со скоростью, приближающейся к предельновозможной скорости света с, может пройти расстояние порядка />/mc.Следовательно, чтобы взаимодействие между двумя частицами осуществлялось путёмобмена частицей массы т, расстояние между этими частицами должно бытьпорядка (или меньше) />/mc, т. е. радиусдействия сил, переносимых частицей с массой m, должен составлятьвеличину />/mc. При радиусе действия~10-13см масса переносчика ядерных сил должна быть около 300me (где me — масса электрона), илиприблизительно в 6 раз меньше массы нуклона. Такая частица была обнаружена в1947 и названа пи-мезоном (пионом, p).

В зависимости от участияв тех или иных видах взаимодействий все изученные Э. ч., за исключением фотона,разбиваются на две основные группы: адроны (отгреческого hadros — большой, сильный) и лептоны(от греческого leptos — мелкий, тонкий, лёгкий).

Элементарные частицы

Элементарные частицы, мельчайшиеизвестные частицы физической материи. Представления об элементарных частицахотражают ту степень в познании строения материи, которая достигнута современнойнаукой. Характерная особенность элементарных частиц — способность к взаимнымпревращениям; это не позволяет рассматривать элементарные частицы какпростейшие, неизменные «кирпичики мироздания», подобные атомам Демокрита. Числочастиц, называемых в современной теории элементарными частицами, очень велико.Каждая элементарная частица (за исключением абсолютно нейтральных частиц) имеетсвою античастицу. Всего вместе с античастицами открыто (на 1978) более 350 элементарныхчастиц. Из них стабильны фотон, электронное и мюонное нейтрино, электрон,протон и их античастицы; остальные элементарные частицы самопроизвольно распадаютсяза время от 103 с длясвободного нейтрона до 10-22 —10-24 с для резонансов. Однаконельзя считать, что нестабильные элементарные частицы «состоят» из стабильныххотя бы потому, что одна и та же частица может распадаться несколькимиспособами на различные элементарные частицы.

Классификацияэлементарных частиц

Классификацияэлементарных частиц производится по типам фундаментальных взаимодействий, вкоторых они участвуют, и на основе законов сохранения ряда физических величин.Отдельную «группу» составляет фотон. Частицы со спином 1/2,не участвующие в сильном взаимодействии и обладающие сохраняющейся внутреннейхарактеристикой — лептонным зарядом, образуют группу лептонов.

Элементарные частицы,участвующие во всех фундаментальных взаимодействиях, включая сильное,называются адронами. Характерным для адроновсильным взаимодействиям свойственно максимальное число сохраняющихся величин(законов сохранения), в т. ч. специфического для них — барионного заряда,странности, изотопического спина, «очарования».

Адроны делятся на барионы и мезоны. Посовременным представлениям, адроны имеют сложную внутреннюю структуру: барионысостоят из 3 кварков, мезоны — из кварка и антикварка. При столкновенияхэлементарных частиц происходят всевозможные превращения их друг в друга(включая рождение многих дополнительных частиц), не запрещаемые законамисохранения.

 Последовательная теорияэлементарных частиц, которая предсказывала бы возможные значения массэлементарных частиц и другие их внутренние характеристики, еще не создана.

Адроны– (термин происходитот греч. hadros — большой, сильный;термин предложен Л. Б. Окунем в 1967).

Частицы, участвующие всильном взаимодействии. К адронам относятся все барионы (в т. ч. нуклоны — протони нейтрон) и мезоны. Адроны обладают сохраняющимися в процессах сильноговзаимодействия квантовыми числами: странностью, очарованием, красотой и др.Близкие по массе адроны, имеющие одинаковые значения указанных квантовых чисел,а также барионного числа и спина могут быть объединены в изотопическиемультиплеты, включающие в себя адроны с различными электрическими зарядами. Изотопическиемультиплеты, отличающиеся только значением странности, могут быть, в своюочередь, объединены в более обширные группы частиц — супермультиплеты группы SU(3).

Адроны с В = +1 образуютподгруппу барионов (сюда входят протон, нейтрон,гипероны, барионные резонансы), а адроны с В = 0 — подгруппу мезонов (p- и К-мезоны, бозонные резонансы). Названиеподгрупп адронов происходит от греческих слов barýs — тяжёлый иmésos — средний, что на начальном этапе исследований Э. ч. отражалосравнительные величины масс известных тогда барионов и мезонов. Более поздниеданные показали, что массы барионов и мезонов сопоставимы. Для лептонов В = 0.Для фотона В = 0 и L = 0.

Барионы и мезоныподразделяются на уже упоминавшиеся совокупности:

обычных(нестранных) частиц(протон, нейтрон, p-мезоны), странных частиц (гипероны, К-мезоны) и

очарованныхчастиц. Этому разделениюотвечает наличие у адронов особых квантовых чисел: странности S и очарования(английское charm) Ch с допустимыми значениями: 151 = 0, 1, 2, 3 и |Ch| = 0, 1,2, 3. Для обычных частиц S = 0 и Ch = 0, для странных частиц |S| ¹ 0, Ch =0, для очарованных частиц |Ch| ¹ 0, а |S| = 0, 1, 2. Вместо странностичасто используется квантовое число гиперзаряд Y = S + В, имеющее, по-видимому,более фундаментальное значение.

Свойства элементарныхчастиц. Классы взаимодействий.

 Характеристикиэлементарных частиц.

            Наиболееважное квантовое свойство все элементарных частиц. — их способность рождаться иуничтожаться (испускаться и поглощаться) при взаимодействии с другими частицами.

/>/>Характеристики элементарных частиц.

Каждая элементарныхчастиц, наряду со спецификой присущих ей взаимодействий, описывается наборомдискретных значений определённых физических величин, или своими характеристиками

Общими характеристикамивсех элементарных частиц являются масса (m), время жизни (t), спин (J) иэлектрический заряд (Q). Пока нет достаточного понимания того, по какому законураспределены массы элементарных частиц и существует ли для них какая-то единицаизмерения.

Масса, одна из основных физических характеристик материи,определяющая ее инертные и гравитационные свойства.

Все элементарные частицыявляются объектами исключительно малых масс и размеров. У большинства из нихмассы имеют порядок величины массы протона, равной 1,6×10-24 г(заметно меньше лишь масса электрона: 9×10-28 г). Определённыеиз опыта размеры протона, нейтрона, p-мезона по порядку величины равны 10-13см. Размеры электрона и мюона определить не удалось, известно лишь, что онименьше 10-15 см.

В зависимости от временижизни элементарные частицы делятся на стабильные, квазистабильные инестабильные (резонансы).

 Стабильными, в пределах точности современныхизмерений, являются электрон (t > 5×1021 лет), протон (t> 2×1030 лет), фотон и нейтрино.

К квазистабильным относят частицы, распадающиеся за счёт электромагнитныхи слабых взаимодействий. Их времена жизни > 10-20 сек (длясвободного нейтрона даже ~ 1000 сек). Резонансами называются элементарныечастицы, распадающиеся за счёт сильных взаимодействий. Их характерные временажизни 10-23-10-24 сек. В некоторых случаях распад тяжёлыхрезонансов (с массой ³ 3 Гэв) за счёт сильных взаимодействий оказываетсяподавленным и время жизни увеличивается до значений — ~10-20 сек.

/>          Спин (англ. spin, букв. — вращение), собственномомент количества движения микрочастицы, имеющий квантовую природу и несвязанный с движением частицы как целого; измеряется в единицах Планка постояннойћ и может быть целым (0, 1, 2,...) или полуцелым (1/2, 3/2,...).

Спин p- и К-мезонов равен0, у протона, нейтрона и электрона J= 1/2, у фотона J = 1

Барионныйзаряд (барионное число)(B), одна из внутренних характеристик барионов. У всех барионов B = +1, а у ихантичастиц B = -1 (у остальных элементарных частиц B = 0). Алгебраическая суммабарионных зарядов, входящих в систему частиц, сохраняется при всехвзаимодействиях.

Изотопическийспин (изоспин,  I),внутренняя характеристика адронов и атомных ядер, определяющая число ( n)частиц в одном изотопическом мультиплете:  n = 2 I+1. В процессахсильного взаимодействия изотопический спин сохраняется.

Четность- квантовое число, характеризующеесимметрию волновой функции физической системы или элементарной частицы принекоторых дискретных преобразованиях: если при таком преобразовании  не меняетзнака, то четность положительна, если меняет, то четность отрицательна. Дляабсолютно нейтральных частиц (или систем), которые тождественны своимантичастицам, кроме четности пространственной, можно ввести понятия зарядовойчетности и комбинированной четности (для остальных частиц замена ихантичастицами меняет саму волновую функцию).

Важной характеристикойадронов является также внутренняя чётность Р, связанная с операциейпространств, инверсии: Р принимает значения =1.

, изотопический спин, гиперзаряд,чётность, комбинированная чётность, странность, очарование, и т.д.).

Странность (S), целое (нулевое, положительноеили отрицательное) квантовое число, характеризующее адроны. Странность частиц иантичастиц противоположны по знаку. Адроны с S0 называются странными.Странность сохраняется в сильном и электромагнитном взаимодействиях, нонарушается (на 1) в слабом взаимодействии.

«Красота»(«прелесть»), квантовое число, характеризующее адроны; сохраняется в сильном иэлектромагнитном взаимодействиях и не сохраняется в слабом. Носителем «красоты»является b-кварк. Адроны с ненулевым значением «красоты» называются «красивыми»(«прелестными»), обнаружены на опыте.

«Очарование»(чарм, шарм), квантовое число, характеризующее адроны (или кварки); сохраняетсяв сильном и электромагнитном взаимодействиях, но нарушается слабымвзаимодействием. Частицы с ненулевым значением «очарование» называются «очарованными»частицами.

Цвет, квантовое число,характеризующее кварки и глюоны. Для каждого типа кварка принимает одно из трехвозможных значений. В квантовой хромодинамике с «цветом» связан специфический«цветовой заряд», определяющий взаимодействие «цветных» частиц.

DМ=Zmp+Nmn-M(Z,N)=Eсв/c2, где M — масса ядра, имеющего Z протонов и Nнейтронов; mp, mn — массы протона и нейтрона. Дляатомов, молекул, кристаллов величина дефекта массы пренебрежимо мала.

Сохранения законы, законы, согласнокоторым численные значения некоторых физических величин не изменяются стечением времени при различных процессах. Важнейшие законы сохранения — законысохранения энергии, импульса, момента количества движения, электрическогозаряда. Кроме этих строгих законов сохранения существуют приближенные законы сохранения,которые справедливы лишь для определенного круга процессов; напр., сохранениечетности нарушается лишь слабыми взаимодействиями.

Теория унитарнойсимметрии SU (3).

 Открытие большого числарезонансов и установление их квантовых чисел показало, что адроны, входящие вразные изотопические мультиплеты, могут быть объединены в более широкие группычастиц с одинаковыми спинами, чётностью и барионным зарядом, но с разнымигиперзарядами — т. н. супермультиплеты. Например, 8 барионов со спином 1/2и положит. чётностью: нуклоны N (протон и нейтрон) с изотопическим спином I= 1/2 и гиперзарядом Y = 1, S-гипероны (S+,S0,S-)c I = 1, Y = 0, L-гиперон с I = 0, Y = 0,X-гипероны (X0, X-) с I = 1/2,Y = — 1 могут быть объединены в единый супермультиплет — октет барионов.В супермультиплет (декаплет) объединяются также барионы со спином 3/2и положительной чётностью; этот мультиплет включает резонансы D (D++,D+, D0, D-) с I = 3/2,Y = 1, резонансы S* (S+*, S0*, S-*) c l= 1, Y = 0, резонансы X* (X0*, X-*) с I = 1/2,Y = — 1 и W- = гиперон с I = 0, Y = — 2.Аналогичным образом в супермультиплеты объединяются и мезоны. Например,p-мезоны (p+, p0, p-) с I = 1, Y= 0, K-мезоны (K+, K0, K-, K0) с I= 1/2, Y = ± 1 и h-мезон c I = 0, Y= 0 объединяются в октет мезонов со спином 0 и отрицательной чётностью.Поскольку, однако, массы частиц, входящих в один и тот же супермультиплет,заметно отличаются друг от друга, ясно, что симметрия С. в., вследствие которойсуществуют группы «похожих» частиц, является не точной, а приближенной симметрией.Можно считать, что С. в. складывается из обладающего высокой степенью симметриит. н. «сверхсильного» взаимодействия и нарушающего симметрию «умеренносильного» взаимодействия.

Кварки

Кварки — гипотетические фундаментальныечастицы, из которых по современным представлениям, состоят все адроны (барионы— из трех кварков, мезоны — из кварка и антикварка). Кварки обладают спином 1/2, барионным зарядом 1/3,электрическими зарядами -2/3 и +1/3 зарядапротона, а также специфическим квантовым числом «цвет». Экспериментально (косвенно)обнаружены 6 типов («ароматов») кварков:  u,  d,  s,  c, b,  t. В свободном состоянии не наблюдались.

Гипотетическиеэлектрически нейтральные частицы с нулевой массой и спином 1, осуществляющиевзаимодействие между кварками называются глюонами,. Подобно кваркам, глюоныобладают квантовой характеристикой «цвет».

     Изучение структуры различныхэлементарных частиц, и в первую очередь протона и нейтрона, находится на самомпереднем крае фронта исследований в физике элементарных частиц.  Протон инейтрон – это окончательные основные состояния всех барионов. Из обеих этихчастиц построены все атомные ядра, находящиеся в своих основных состояниях.

     Классификация адронов оказаласьочень успешной, при этом удалось немного заглянуть в структуру адронов,представить их состоящими из кварков. Но многое еще предстоит выяснить.

     Не так давно появилась новаятеория элементарных частиц, названная «теорией зашнуровки».Согласно ей ни одна из частиц не является более фундаментальной и элементарной,чем остальные. Каждая элементарная частица существует потому, что существуютвсе остальные частицы.

СПИСОК  ЛИТЕРАТУРЫ:

В.Акоста, К.Кован, Б.Грэм  « Основысовременной физики», М. Просвещение, 1981;

И.Розенталь «Элементарные частицы иструктура Вселенной», М. Наука, 1984;

К.Мухин «Занимательная ядернаяфизика», М. Энергоатомиздат, 1985

/>БоголюбовН. Н., Медведев Б. В., Поливанов М. К., Вопросы теории дисперсионных соотношений,М., 1958;

 Логунов А. А, Основныетенденции в развитии теории сильных взаимодействий, «Физика элементарныхчастиц, и атомного ядра (ЭЧАЯ)», 1974, т. 5, в. 3;