Принципы симметрии в физике элементарных частиц - Гибсон У.
Скачать (прямая ссылка):
Бристоль, ноябрь 1977 г.
ПРЕДИСЛОВИЕ
Изучение элементарных частиц и их взаимодействий привело к рассмотрению симметрий и различных соотношений, которые в последнее время стали объектом исследования. В этой книге сделана попытка сформулировать принципы симметрии элементарных частиц и законы сохранения, из них вытекающие, как ряд общих физических принципов, выраженных в простейших подходящих математических терминах. Мы старались избежать математического углубления в более абстрактные аспекты предмета, в частности не использовали явно формальный аппарат теории групп. По той же причине опущены все описания экспериментальных методов, с помощью которых получены обсуждаемые результаты.
Уровень такой книги должен удовлетворить тех студентов, изучающих физику элементарных частиц, которые будут искать точное, но не слишком абстрактное объяснение принципов, обычно рассматриваемых в литературе по данному вопросу. Надеемся, что многие из наших читателей не остановятся на этом и обратятся к специальной литературе.
При написании к^иги мы в основном придерживались лекций, прочитанных в Бристоле для аспирантов, в результате чего углубилось и расширилось наше собственное понимание и объяснение материала.
Благодарим наших многочисленных коллег и друзей, в дискуссиях с которыми в течение нескольких лет рождалось объяснение наиболее трудных проблем. Мы весьма признательны мисс Элме Доуэс, мисс Маргарет Джеймс, мисс Энн Лав и миссис Нэнси Торп, которые печатали наши труды, а также доктору Дж. В. Ал'коку за ценные указания и всему штату редакции издательства Кембриджского университета за помощь на всех этапах подготовки книги.
У. М. Гибсон Б. Р. Поллард
Бристоль, август 1974 г.
Глава 1
ВВЕДЕНИЕ В ФИЗИКУ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ
§ 1.1. ПЕРСПЕКТИВЫ
Область физики, которой посвящена эта книга, известна как физика элементарных частиц, или физика высоких энергий; в последнее время к этим названиям добавилось еще название субъядерной физики.
В этих определениях, являющихся почти синонимами, отражена необходимость исследования основных компонент материи, использования для изучения внутреннего строения материи частиц высоких энергий, а также необходимость проводить исследования за пределами атомов и ядер.
Во многих учебниках, посвященных этой области, описаны элементарные частицы и их свойства, от хорошо известных до пока не завершенной теории фундаментальных взаимодействий. В этой книге объектом исследования являются не сами частицы, а принципы симметрии и законы сохранения, которым эти частицы подчиняются. Понимание этих законов и принципов, естественно, идет от экспериментального изучения реальных частиц. Поэтому, разрабатывая сугубо математический аппарат принципов симметрии и законов сохранения, надо все время проверять его. действие результатами наблюдений.
§ 1.2. ЧАСТИЦЫ
Чисто эмпирически элементарные частицы можно классифицировать соответственно их массам, а именно барионы с массой того же порядка, что и протон, лептоны с небольшой или нулевой массой покоя и мезоны с промежуточной массой. Однако не масса, а другие свойства могут привести к более фундаментальной классификационной схеме. Прежде всего это спин н статистика: важную роль здесь играет различие между частицами с полуцелым спином, подчиняющимися статистике Ферми — Дирака, и частицами с нулевым или целым спином, подчиняющимися статистике Бозе — Эйнштейна. Первые из упомянутых выше частиц известны как фермионы, они. могут рождаться только парами с соответствующими античастицами, так что общее число фер-мионов данного типа сохраняется (см. § 1.4). Не объясненным пока остается тот экспериментальный фэкт, что все фермионы имеют отличное от нуля барионное или лептонное число и отли-
7
чаются от своих античастиц противоположным значением этил чисел. С другой стороны, число рожденных бозонов ограничено лишь косвенно другими законами сохранения. Например, протон-нейтронное рассеяние при высокой энергии может сопровождаться рождением одного, двух, трех и более пионов. Все барионы и лептоны являются фермионами, а все сильно взаимодействующие мезоны — бозонами. Мюон, отнесенный сначала из-за своей массы к мезонам, с учетом спина 1/2 и слабого взаимодействия (см. ниже) классифицируется теперь как лептон.
Как отмечалось выше, частицы можно классифицировать по природе их взаимодействия. Это приводит к группе барионов и мезонов, объединенных в группу адронов (с учетом того, что они являются сильно взаимодействующими частицами, см. § 1.3), в то время как лептоны остаются вне этой группы как слабо взаимодействующие и легкие частицы.
В табл. 1.1 —1.3 перечислены все известные в настоящее время частицы, отвечающие изложенным выше принципам. Здесь же указаны значения квантовых чисел, которые рассматриваются в §1.4.
Так как электрон и мюон мы рассматриваем как слабовзаимо-действующие частицы, то нейтрино (имеющее нулевую массу покоя) классифицируется как лептон, в то время как обладающий
