Пред.
След.
Макеты страниц
Распознанный текст, спецсимволы и формулы могут содержать ошибки, поэтому с корректным вариантом рекомендуем ознакомиться на отсканированных изображениях учебника выше Также, советуем воспользоваться поиском по сайту, мы уверены, что вы сможете найти больше информации по нужной Вам тематике ДЛЯ СТУДЕНТОВ И ШКОЛЬНИКОВ ЕСТЬ
ZADANIA.TO
54. ЗАРЯД, ИЗОТОПИЧЕСКИЙ СПИН И СТРАННОСТЬДавно уже было высказано предположение, что протон и нейтрон, которые обладают близкими массами, одинаковыми спинами и сходным характером взаимодействия, являются, возможно, двумя состояниями одной и той же частицы, различающимися между собой лишь электрическим зарядом. Гейзенберг выдвинул гипотезу, согласно которой эти два состояния соответствуют двум проекциям внутреннего (изотопического) спина (сходного с обычным спином, но не связанного с пространством-временем). Квантовое число изотопического спина нуклона равно
причем
[Здесь наблюдается полная аналогия между изотопическим и обычным спином, или угловым моментом. Так, если спиновое квантовое число равно В случае протона и нейтрона электрический заряд выражается через
так что вместо этих двух частиц можно рассматривать одну частицу, способную находиться в двух различных состояниях (фиг. 318). Эту простую классификацию можно распространить и на
Связь между зарядовым квантовым числом и
Постоянная в этой формуле
Фиг. 318. Нуклон, заключенный в кубическом сосуде, описывается волновой функцией, которая характеризуется тремя длинами волн де Бройля После открытия
На этом пути им удалось ввести новое квантовое число — странность. Для нуклонов
а для
Гелл-Манн и Нишижима предположили, что дополнительная постоянная в выражениях, связывающих спина и зарядовое квантовое число, сама является новым квантовым числом
Квантовое число, характеризующее странность
Барионное число равно 0 для мезонов и лептонов (электроны, мюоны и нейтрино), 1 для нуклонов и гиперонов
в случае нуклонов и гиперонов (тяжелых нуклонов)
и в случае антинуклонов и антигиперонов
Во всех случаях
Теперь можно было предположить, что гиперзаряд (или странность) сохраняется при сильных и электромагнитных взаимодействиях, но не сохраняется при слабых взаимодействиях (распадах), так что процессы, в которых сохраняется странность или гиперзаряд, такие, как
протекают очень быстро вследствие сильного взаимодействия, в то время как процессы, в которых гиперзаряд не сохраняется, например
происходят в 1013 раз медленнее, так как они обусловлены слабым (распадным) взаимодействием (время жизни Со времени первого наблюдения Рассмотрим в качестве примера три S-частицы-
Во всех этих распадах гиперзаряд слева равен нулю, а справа — единице, так как гиперзаряд я-мезона — нуль, а нуклона — единица. Значит, все эти распады должны происходить в результате слабых (кликните для просмотра скана) взаимодействий, вероятность их мала и время жизни Но в распаде
Однако масса
Поэтому распад Фотонный распад энергетически возможен, однако
В этом процессе, который энергетически разрешен и действительно наблюдается, гиперзаряд сохраняется. Следовательно, за этот распад ответственно электромагнитное взаимодействие, которое в 1011 раз сильнее, чем слабое взаимодействие.
Фиг. 319. В результате время жизни
Время жизни
Хотя сейчас и не ясно, введены ли все необходимые понятия, однако кажется, что классификация частиц, основанная на таких величинах, как странность и изотопический спин, сохранится в той или иной форме в любой будущей теории. Имея в наличии десятки бозонов и фермионов и будучи вынужденными вводить в теорию сотни вершин типа вершины Юкавы, одна из которых изображена на фиг. 319, мы можем лишь констатировать, что та простота, которая была свойственна электродинамике (фотоны, заряженные частицы и одна фундаментальная вершина), ушла в прошлое. Помимо всех технических проблем, возникающих в теориях, в которых исследуются сильные взаимодействия частиц с помощью вершин юкавского типа, имеется огромное количество разнообразных процессов и вершин, рассчитать следствия которых мы не в состоянии. С точки зрения наведения порядка в хаосе частиц, распадов, взаимодействий и т. д. в условиях, когда строгая теория отсутствует, процессы, которые не происходят, представляют, наверное, не меньший интерес, чем процессы, которые наблюдаются. Основная идея анализа таких процессов состоит в приписывании частицам определенных величин (квантовых чисел), которые сохраняются при некоторых, но не при всех взаимодействиях. Все виды взаимодействий разбиваются на четыре класса, различающиеся между собой по характеру сохранения внутренних квантовых чисел — изотопического спина и странности, или гиперзаряда (табл. 10). Такая классификация позволяет понять скорости рождения и распада различных частиц. Таблица 10
Было обнаружено, что во всех процессах, помимо классических законов сохранения (импульса, энергии и углового момента), которые предполагаются выполненными во всех реальных процессах, должны выполняться законы сохранения заряда, барионного числа и лептон-ного числа. Закон сохранения заряда описывает чисто классический факт, состоящий в том, что сумма электрических зарядов в любой области пространства остается постоянной, если заряды не пересекают границу этой области. Если заряды рождаются, то они рождаются парами; скажем, фотон вызывает рождение электрон-позитронной пары:
Возможно, что закон сохранения числа тяжелых частиц (барионного числа) является просто усложненной формулировкой того очевидного утверждения, что наш мир устойчив. Одна тяжелая частица может распасться на другие тяжелые частицы:
после чего распадается
и, наконец, распадается
Таким образом, окончательные продукты распада таковы:
причем все они устойчивы. Если бы протон мог, например, совершать распад
то со временем Менее очевидным и более поздним законом является принцип сохранения лептонов (легких фермионов — электронов, мюонов и нейтрино). Анализ исех известных процессов согласуется с этим законом. В любом процессе число лептонов минус число антилептонов остается неизменным (фото 25). Так, например,
Фиг. 320. Расшифровка события на фото 24. В ньютоновской теории законы сохранения (энергии, импульса, углового момента) являлись относительно частными теоремами, относящимися к свойствам систем, которые подвержены действию сил, обладающих определенным типом симметрии. В квантовой теории связь между характером симметрии силовой системы и законами сохранения не только осталась, но и приобрела новое важное значение. Совершенно очевидно, что анализ запрещенных событий (скажем, запрещенных переходов), относящихся к энергетическим уровням водородного атома, позволил бы угадать некоторые свойства силы, действующей между электроном и протоном, если бы эта сила не была нам известна. Анализируя процессы, происходящие с этими новыми частицами, не зная характера действующих сил и будучи не в состоянии провести какие-либо вычисления, мы пытались по запрещенным процессам угадать правила отбора и квантовые числа, на основании которых можно было бы сделать выводы о характере симметрии различных взаимодействий. В результате такого анализа нам удалось установить, что помимо тех величин, которые всегда должны сохраняться (импульс, энергия, барионное число и т. д.), имеются такие величины, как странность и изотопический спин, которые сохраняются лишь при определенных взаимодействиях. Это направление исследований совершило неожиданный поворот в 1956 г.
|
1 |
Оглавление
|