Физика для школьников старших классов и поступающих - Яворский Б.М.
ISBN 5-7107-9384-1
Скачать (прямая ссылка):
энергия порядка IO20 эВ); существенные недостатки — не-контролируемость опытов, редкость событий со сверхвысокими энергиями, огромные экспериментальные трудности (прецизионную аппаратуру приходится поднимать на большую высоту).
Основными источниками частиц, применяемыми в настоящее время, служат ускорители (Ш.11.4), которые формируют интенсивные пучки заряженных частиц (электронов, протонов и тяжелых ионов) с высокими энергиями. При взаимодействии первичного пучка с мишенью получаются вторичные, тре-
§ VIII. 2.2. ВЗАИМОПРЕВРАЩЕНИЯ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ 665
тичные и т. д. пучки, содержащие элементарные частицы и атомные ядра, не существующие в природе.
С точки зрения генерации новых частиц особенно эффективны установки со встречными пучками (коллайдеры), в которых сталкиваются частицы с нулевым суммарным импульсом (частицы из разных пучков обладают равными по модулю, но противоположно направленными импульсами). Благодаря этому вся начальная кинетическая энергия может быть преобразована в энергию покоя рождающихся частиц, суммарный импульс которых также равен нулю. Энергия W обычного ускорителя (с неподвижной мишенью), эквивалентного ускорителю со встречными пучками с энергией Wc, вычисляется по формуле
2W?
W^------
тсг
Встречные пучки впервые реализованы в СССР в 1967 г. В крупнейших современных установках сталкиваются протоны и антипротоны с энергиями Wc = 270 ГэВ, электроны и позитроны с энергиями Wc = 19 ГэВ. В последнем случае энергия W эквивалентного обычного ускорителя равна примерно
1 R
1,5 х 10 эВ, что уже гораздо больше средней энергии космических частиц.
6°. Все процессы, в которых участвуют элементарные частицы, обусловлены взаимодействиями между ними. В настоящее время различают четыре типа фундаментальных взаимодействий (см., однако, VIII.2.4.14°): сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное.
Сильное взаимодействие свойственно тяжелым частицам, начинающимся с пионов, за исключением тяжелого лептона т (VIII.2.3.2°). Наиболее известное его проявление — ядерные силы, обусловливающие существование атомных ядер. Примеры процессов, обусловленных сильным взаимодействием: реакция рождения антипротона (п. 2°), реакции образования странных частиц (п. 4°).
В электромагнитном взаимодействии непосредственно участвуют только электрически заряженные частицы и фотоны. Наиболее известное его проявление — кулоновские силы (111.1.2.1°), обусловливающие существование атомов. Именно
666
ГЛ. VIII.2. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ
электромагнитное взаимодействие ответственно за подавляющее большинство макроскопических свойств вещества. Оно же управляет процессами рождения и аннигиляции электрон-по-зитронной пары (VIII. 2.1.7°), процессами упругого рассеяния электронов на атомных ядрах, на протонах и друг на друге ит. д.
Слабое взаимодействие характерно для всех частиц, кроме фотонов. Наиболее известное его проявление — бета-превращения атомных ядер (VIII. 1.6). Оно же обусловливает нестабильность многих элементарных частиц. Например, распады
тс+ —> ц,+ Ч- Vfi, цГ -» е~ + ve + Vfi, K- —» п~ + к0
вызваны именно слабым взаимодействием. В последние годы интенсивно изучаются слабые процессы рассеяния нейтрино и антинейтрино на протонах и электронах.
Гравитационное взаимодействие присуще все телам Вселенной, проявляясь в виде сил всемирного тяготения (1.6.1.1°). Эти силы обусловливают существование звезд, планетных систем и т. п. Гравитационное взаимодействие является предельно слабым (см. табл. VIII.2.1) и в мире элементарных частиц при обычных энергиях роли не играет1.
Таблица VIII.2.1
Взаимодей- ствие Механизм обмена * Интенсив- ность Радиус, м Характерное время, с
Сильное глюонами ~1 ~1(Г15 ~10-23
Электро- магнитное фотонами 1/137 OO ~1(Г20
Слабое промежуточными бозонами ~1(Г10 ~10~18 ~10-13
Гравитаци- онное * Cm. VIII.2.4 гравитонами ~10-38 OO ?
1 В мире элементарных частиц гравитация становится существенной при энергиях W ~ IO25 эВ, которые соответствуют расстояниям R ~ IO-35 м (!).
§ VIII.2.2. ВЗАИМОПРЕВРАЩЕНИЯ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ 667
7°. На полуфеноменологическом уровне фундаментальные взаимодействия различаются интенсивностями, радиусами действия и характерными временами (табл. VIII.2.1), а также свойственными им законами сохранения (VIII.2.3). С динамической точки зрения они различаются типами обменного механизма (VIII.2.4).
8°. Интенсивность данного взаимодействия характеризуется некоторой безразмерной величиной (константой связи), построенной из фундаментальных констант и соответствующего «заряда». Для электромагнитного взаимодействия такой величиной является постоянная тонкой структуры а = = е2/47ГЄоhe ~ 1/137. Из таблицы VIII.2.1 видно, что среди взаимодействий, которые существенны в мире элементарных частиц, сильное — самое интенсивное, слабое — наименее интенсивное, откуда и их названия. Гравитационное взаимодействие обладает предельно малой интенсивностью (п. 6°), и во Вселенной оно играет важную роль лишь потому, что массы астрономических объектов колоссальны1.
