Этот странный квантовый мир - Трейман С.
ISBN 5-93972-117-6
Скачать (прямая ссылка):
Сейчас идентифицировано около трех сотен различных частиц! Почти все они
нестабильны по отношению к спонтанному распаду. Поэтому лучше всего
изучены стабильные типы частиц, к которым относятся электрон, протон и их
античастицы; фотон, нейтрино и их античастицы. Остальные, если не
разрушаются при столкновениях, то, в конце концов, все равно распадаются
на набор стабильных частей либо непосредственно, либо через промежуточные
частицы. Слова "в конце концов" на самом деле могут означать очень
короткое время, меньше, чем 10~24 сек для некоторых частиц. Даже нейтрон,
если он находится вне ядра, оказывается нестабильным, хотя, находясь в
стабильном ядре, он энергетически стабилен по отношению к распаду.
Столкновения и распады частиц
167
Этот обзор последовавших открытий позволяет сделать шаг к открытию нового
субъядерного мира. Компоненты нашей повседневной жизни - фотоны,
электроны, протоны и нейтроны - иногда объединяются в широких рамках в
набор равноправных частиц, большинство из которых преходящи. Большим
вызовом было и остается исследование их свойств и взаимодействий между
ними, направленное на открытие фундаментальных законов, определяющих их
существование и поведение. Для наших целей история о строительных
элементах может быть выделена в несколько различных, хотя и
перекрывающихся эпох. Первая начинается с античности и приводит к
появлению атомной гипотезы и открытию электрона и заканчивается в 40-х
годах XX века. Эта эпоха привела к установлению составных частей атомов и
их ядер, а также к другим составляющим нашего списка. Некоторые, хоть и
были открыты чуть позднее, все же были постулированы на основе
убедительных экспериментальных или теоретических свидетельств. Вторая
эпоха начинается с появления того потока открытий, который описан чуть
ранее. Она прошла в постоянных открытиях не только новых частиц, но и
новых закономерностей и свойств, проявляющихся в данных. В отдельных
областях произошел прогресс на очень глубоком уровне, в частности, в
квантовой электродинамике, но было достигнуто понимание и в других
направлениях. В конце 60-х годов, ознаменовавших третью эпоху, были
поняты различные странности и все построения стали собираться вместе в
правила полной квантовой теории поля, которую сегодня называют
стандартной моделью. Импульс для ее появления был получен из разных
источников; прежде всего, из некоторых очень надуманных идей, которые
чуть раньше привели к созданию специального класса квантовых теорий поля,
так называемых калибровочных теорий. Жизненно важным, особенно для
настоящей линии развития, было введение в начале 60-х кварковой гипотезы.
С экспериментальной стороны важную начальную роль сыграли эксперименты,
проведенные в конце 60-х по рассеянию электронов очень высокой энергии на
протонах и нейтронах. В последующие годы теоретическая картина уточнялась
и объединялась, руководимая последовательностью дальнейших, часто
драматических, экспериментальных подтверждений и открытий. Стандартная
модель в настоящее время полностью подтверждена, хотя при всех ее успехах
это еще не конец пути. Сейчас мы находимся в четвертой эпохе, которая
уводит нас глубже и глубже.
Столкновения и распады частиц
Природа проявляет себя не только через частицы, которые существуют, но и
через связанные с ними явления. С частицами происходят два широких класса
явлений, (i) Те из них, которые нестабильны (а таких большинство),
спонтанно распадаются, превращаясь в набор других,
168
Глава 8
дочерних частиц. Особенно для тяжелых нестабильных частиц может
существовать множество конкурирующих реакций распада, (п) Когда две или
более частиц сближаются при столкновении, они могут рассеяться, не
изменившись, и дополнительные частицы не появляются. Но, в зависимости от
энергии, они могут преобразоваться в другой набор частиц. При высоких
энергиях обычно бывает множество таких конкурирующих реакций.
Мы начнем с широкого класса явлений рассеяния. В качестве простого
примера рассмотрим, что произойдет, если столкнутся два протона. Если
энергия очень мала, основной реакцией является "упругое" рассеяние, р + р
-> р + р, при котором набор частиц на входе и на выходе одинаков. При
более высоких энергиях возможны различные реакции, при которых в компании
с выходящими нуклонами появляются один или больше пионов, в некоторых
случаях протон заменяется на нейтрон. При повышении энергии появляется
все больше и больше конкурирующих каналов (множество частиц, образующихся
при каждой специальной реакции образует канал). То же самое можно сказать
и о любой реакции с любым начальным набором частиц, например, электроны и
позитроны, пионы и протоны и т. д. При наивысших энергиях ускорителей,
которые сегодня достигнуты, протоны и антипротоны сталкиваются во
встречных пучках с энергией около триллиона эв каждый. При таких огромных
энергиях открыты многие сотни конкурирующих каналов, при этом каждая из
многих частиц может превращаться в сотню новых!
