Физика для школьников старших классов и поступающих - Яворский Б.М.
ISBN 5-7107-9384-1
Скачать (прямая ссылка):
Электромагнитные и гравитационные силы относятся к силам далекого действия, так как с ростом расстояния они убывают медленно — по степенному (а не экспоненциальному) закону (111.1.2.1°, 1.6.1.1°). Сильное взаимодействие сказывается лишь на малых расстояниях R ~ IO-15 м (VIII.1.3.2°), ради-
л
ус слабого взаимодействия еще меньше .
Понятие характерного времени является весьма условным. Эмпирически его можно ввести как минимальное время жизни частиц, подверженных распадам за счет данного взаимодействия. Например, характерное время сильного взаимодействия по порядку величины совпадает со средними временами жизни резонансов — самых нестабильных частиц, подверженных сильным распадам (Vin.2.1.5°). Кроме того, это время можно получить делением характерного расстояния (радиуса сильного взаимодействия) на характерную скорость (скорость
1 И потому, что радиус гравитационного взаимодействия бесконечен.
2 Радиусы взаимодействий связаны с массами переносящих их частиц (VIII. 2.4.8°).
668
ГЛ. VIII. 2. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ
света). Отношения характерных времен взаимодействий примерно совпадают с обратными отношениями их интенсивностей.
§ VIII.2.3. Лептоны и адроны
1°. На макроскопическом уровне, описываемом классической физикой, материя существует в двух формах — в виде вещества и в виде поля (1.2.2.1°). Вещество состоит из молекул, молекулы — из атомов, каждый атом — из электронной оболочки и ядра, построенного из нуклонов (протонов и нейтронов). Электроны — типичные представители класса так называемых лептонов, нуклоны — класса адронов. Фотоны — кванты электромагнитного поля — являются типичными представителями класса переносчиков взаимодействий (VIII.2.4). Вообще, содержательная систематика элементарных частиц основывается на их отношении к фундаментальным взаимодействиям.
2°. Лептонами называются элементарные частицы, не участвующие в сильном взаимодействии (VIII.2.2.6°) и имеющие спин J = 1/2 (ІП.12.1.3°, VHI.2.1.60), т. е. являющиеся фер-мионами (VII.2.2.4°, VIII.2.1.6°). Их основные характеристики приведены в табл. VIII.2.2.
Таблица VIII.2.2
Семейство Час- Лептонный заряд Спин, H Масса, Среднее
лептонов тица Le h Lх МэВ время жизни, с
Электронный дублет Б е" +1 0 0 1/2 0,511 OO
Ve +1 0 0 1/2 < 46 х х Ю"6 OO
Мюонный дублет M 0 +1 0 1/2 105,66 2,2 X X IO-6
vH 0 +1 0 1/2 <0,25 CO
Таонный дублет T т- 0 0 +1 1/2 1784 3,5 х х Ю-13
Vx 0 0 +1 1/2 < 70 ?
§ VIII.2.3. ЛЕПТОНЫ И АДРОНЫ
669
3°. Известны три заряженных лептона, участвующих в электромагнитном и слабом взаимодействиях: электрон е-,
мюон1 Ji-, таон т-. Каждому из них соответствует нейтральная частица, участвующая только в слабом взаимодействии: электронное нейтрино Ve, мюонное нейтрино Vli, таонное нейтрино vT. Кроме того, у каждого лептона имеется антилептон (VIII.2.1.7°). Нейтрино разных сортов различаются характером взаимопревращений. Например, реакции
Ve + п -» р + е-, Vj^ 4- п —> р + |Х_ разрешены, а реакции
Ve + п-> р + Ji-, v^ + n-»p + e—
запрещены. Именно путем изучения подобных процессов в 1962 г. было экспериментально доказано отличие мюонных нейтрино V^, рождающихся в распадах л+-мезонов (VIII.2.2.6°), от электронных нейтрино, участвующих, например, в Р-превра-щениях ядер (VIII.l.6).
Итак, известны три семейства («поколения») лептонов, в каждое из которых входит заряженная частица и нейтрино: электронный дублет E — (е-, Ve), мюонный дублет M = (ji~, Vli) и та-онный дублет T = (т-, vT). Всем лептонам приписывается лептон-ный заряд L= 4-1, для антилептонов L=-1. Лептонный заряд разбивается на три компонента: L = Le 4- L„ + где Le — элек-тронный заряд , Lil — мюонный заряд, Lx — таонный заряд. Значения этих квантовых чисел для лептонов приведены в табл.
VIII.2.2, для антилептонов они имеют противоположные знаки.
Пока считается, что лептонный заряд и его отдельные компоненты сохраняются во всех взаимодействиях. Сохранение L обусловливает, в частности, то, что в р+-распадах и if-захватах
участвуют нейтрино Ve, а в Р_-распадах — антинейтрино Ve (VIII. 1.6). Законы сохранения Le и L^1 разрешают две первые и запрещают две последние реакции. Однако законы сохранения
1 Старое название мю-мезон с современной точки зрения является неправильным, так как ц~ не относится к классу мезонов (п. 6°).
2 He путать с электрическим зарядом.
670
ГЛ. VIII.2. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ
лептонного заряда и его компонентов проверены на опыте с не очень высокой точностью.
4°. До недавних пор нейтрино считались безмассовыми (в таблице VHI. 2.2 указаны экспериментальные границы для значений их масс). В 1980 г. был установлен нижний предел на массу нейтрино: ITiv > 14 эВ. Однако из-за крайней сложности измерений и обработки их результатов этот вывод пока не подтвержден другими экспериментами. Наличие у нейтрино ненулевой массы привело бы к важным физическим и даже космологическим следствиям1. В частности, если Tnv* 0, а законы сохранения лептонных зарядов в какой-то степени нарушаются (п. 3°), то возможно возникновение нейтринных осцилляций, т. е. самопроизвольных
