Физика для углубленного изучения 3. Строение и свойства вещества - Бутиков Е.И.
Скачать (прямая ссылка):
Электрический заряд у \У+-бозона такой же, как и у протона, у W~ — как у электрона, a Z°-6o3oh электрически нейтрален. Но-
§ 40. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ
331
вая теория не только предсказала существование этих частиц, но и позволила выразить их массы через известные из опыта константы, характеризующие электромагнитное и слабое взаимодействия при низких энергиях. Они оказались равными mw+ = mw- ~ 81 ГэВ и mz « 92 ГэВ. Большая масса этих частиц (примерно в 100 раз больше, чем у протона) не давала возможности обнаружить их и исследовать экспериментально, пока не было достаточно мощных ускорителей. В 1983 г. в Женеве на ускорителе, где происходили столкновения протонов и антипротонов во встречных пучках с энергией 270 ГэВ в каждом пучке, все три частицы были открыты. Их массы оказались в блестящем согласии с теоретически предсказанными значениями.
О механизме фундаментальных взаимодействий. Идея о том, что в мире элементарных частиц взаимодействие осуществляется посредством обмена квантами какого-либо поля, родилась в физике еще в 30-х годах XX века, когда X. Юкава предположил, что сильное взаимодействие между нуклонами обязано своим происхождением гипотетическим частицам, получившим название мезонов. Массу этих частиц можно оценить с помощью соотношения неопределенностей. Неопределенность АЕ значения энергии ядра при испускании некоторой частицы (мезона) массы т порядка энергии этой частицы: ДЕ= тс2. Эта неопределенность в значении энергии существует в течение времени At пролета мезона внутри ядра, которое дается отношением размера ядра R к скорости частицы v = р/т: At ~ Rm/p. Входящее сюда значение импульса р оценим из соотношения неопределенностей, учитывая, что мезон локализован внутри ядра: р « h/R. Отсюда следует, что At ~ mR2/h. Подставляя АЕ и At в соотношение АЕ-At ~ Л, получим оценку для массы мезона т:
m « А- ~ з. ю-25 г « 300т,,« 150 МэВ. (1)
КС с
Частицы с такой массой были впоследствии открыты на опыте и получили название л-мезонов (пионов). Существуют три вида пионов: л+, л" и л°, массы которых составляют тл+ = тл- ~ 140 МэВ, тло « 135 МэВ.
Радиус фундаментальных взаимодействий. Описанная выше идея о том, что физический механизм взаимодействия заключается в обмене квантами некоторого поля, оказалась очень плодотворной. Найденная связь между радиусом действия сил и массой обмениваемых частиц имеет универсальный характер: для любых видов взаимодействия радиус сил, как видно из (1), обратно пропорционален массе частицы:
332
VIII. АТОМНОЕ ЯДРО И ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ
Электромагнитное взаимодействие характеризуется бесконечным радиусом действия сил, и поэтому масса фотона равна нулю. Как мы видели, для ядерных сил с радиусом действия 10-13 см масса мезона оказалась около 150 МэВ. В случае слабого взаимодействия радиус действия сил составляет 10~16 см, что дает для массы векторных бозонов приведенное выше значение.
Обсуждаемая связь между массой обмениваемой частицы и радиусом соответствующего взаимодействия по существу отражает кор-пускулярно-волновой дуализм, присущий всем квантовым объектам. Действительно, кванту поля с энергией Е = hv, рассматриваемому как частица, следует сопоставить выражение Е = тс2, откуда для радиуса взаимодействия имеем
Величину h/(mc) называют комптоновской длиной волны частицы с массой т. Именно она характеризует пространственный масштаб взаимодействия, осуществляемого обменом частицами такой массы.
Свойства электрослабого взаимодействия. Большая масса промежуточных векторных бозонов и связанный с этим очень малый радиус слабого взаимодействия приводят к важным для нас следствиям. Важнейшая вытекающая отсюда особенность заключается в том, что при низких энергиях обусловленные слабым взаимодействием процессы протекают очень медленно. Даже при температурах и плотностях, которые господствуют в центре Солнца, обусловленные слабым взаимодействием процессы синтеза протонов в легкие ядра приводят к скорости выделения теплоты на единицу массы, приблизительно в 100 раз меньшей, чем при естественном обмене веществ в организме человека. Медленность этих процессов обеспечивает постепенное «выгорание» Солнца на данном этапе его эволюции, когда оно своим излучением дает жизнь всему земному.
При высоких энергиях, достижимых на современных ускорителях с встречными протон-антипротонными пучками, ситуация кардинально изменяется. Обмен тяжелыми векторными бозонами происходит теперь столь же эффективно, как и обмен фотонами. При очень высоких энергиях слабое взаимодействие может стать даже сильнее электромагнитного. Здесь законы обычной электродинамики уже не работают. Правильное описание процессов дает новая теория — теория электрослабого взаимодействия, учитывающая как обмен фотонами, так и обмен промежуточными векторными бозонами. Эта теория продолжает теорию Максвелла в область малых расстояний или, что то же самое, в область высоких энергий.
Сильное взаимодействие. Кварки. Значительные успехи достигнуты в последние годы и в теории сильного взаимодействия, где нук-
