Моделирование в физике элементарных частиц
В таблице представлены некоторые сведения о свойствах частиц с временем жизни более 10–20 с. Из многих свойств, характеризующих элементарную частицу, в здесь указаны масса частицы (в массах электрона), электрический заряд (в единицах элементарного заряда), момент импульса в единицах постоянной Планка ħ = h/2π и среднее время жизни частицы.
К группе фотонов относится единственная частица – фотон, которая является носителем электромагнитного взаимодействия.
Следующая группа состоит из наиболее легких частиц лептонов. В эту группу входят два сорта нейтрино (электронное и мюонное), электрон и μ-мезон. К лептонам относятся еще ряд частиц, не указанных в таблице. Все лептоны имеют спин ½, обладают лептонным зарядом и не имеют барионного заряда.
Третью большую группу составляют тяжелые частицы, называемые адронами, участвующие в сильных взаимодействиях. Эта группа делится на две подгруппы. Более легкие составляют подгруппу мезонов. Наиболее легкие из них – положительно и отрицательно заряженные, а также нейтральные π-мезоны с массами порядка 250 электронных масс. Пионы являются квантами ядерного поля, подобно тому, как фотоны являются квантами электромагнитного поля. В эту подгруппу входят также четыре K-мезона и один η0-мезон. Все мезоны имеют спин, равный 0. Вторая подгруппа – барионы – включает более тяжелые частицы. Она является наиболее обширной. Самыми легкими из барионов являются нуклоны – протоны и нейтроны. За ними следуют так называемые гипероны. Замыкает таблицу омега-минус-гиперон, открытый в 1964 г. Это тяжелая частица с массой в 3273 электронных масс.
Фундаментальные взаимодействия элементарных частиц.
Процессы, в которых участвуют различные элементарные частицы, бесчисленны и сильно отличаются по характерным временам их протекания и энергиям. По современным представлениям, в природе есть четыре типа взаимодействий, которые не могут быть сведены к другим: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Их и называютфундаментальными.
Сильное(илиядерное)взаимодействие – это наиболее интенсивное из всех
видов взаимодействий. Они обуславливает исключительно прочную связь между протонами и нейтронами в ядрах атомов. В сильном взаимодействии могут принимать участие только тяжелые частицы – адроны. Правда, именно адроны составляют подавляющее большинство элементарных частиц. Кроме протона и нейтрона, к семейству адронов принадлежат многочисленные мезоны и гипероны, как долгоживущие, так и резонансы. Известно всего лишь шесть фермионов, не участвующих в сильных взаимодействиях. Это так называемые лептоны – электрон, мюон, тау-лептон и соответствующие нейтрино. Сильное взаимодействие проявляется на расстояниях порядка и менее 10–15 м. Поэтому его называют короткодействующим.
Электромагнитное взаимодействие – в нем могут принимать участие любые электрически заряженные частицы и фотоны – кванты электромагнитного поля. Источником электромагнитного поля является четырехмерный вектор электромагнитного тока. В статическом пределе у этого вектора отлична от нуля лишь одна компонента – электрический заряд покоящейся частицы. Нейтральные частицы, не несущие электрических зарядов, как, например, нейтрон или нейтрино, взаимодействуют с электромагнитным полем лишь благодаря своей сложной структуре или квантовым эффектам. Это взаимодействие ответственно, в частности, за существование атомов и молекул, за процессы поглощения и излучения фотонов атомами и молекулами. В основном оно определяет свойства веществ в твердом, жидком и газообразном состояниях, приводит к неустойчивости ядер (отталкивание протонов) с большими массовыми числами.
Слабое взаимодействие – наиболее медленное из всех взаимодействий, протекающих в микромире. В нем могут принимать участие любые элементарные частицы, кроме фотонов. Оно ответственно за процессы с участием нейтрино или антинейтрино, например, β-распад нейтрона на протон, электрон и электронное антинейтрино, а также безнейтринные процессы распада частиц с большим временем жизни (τ ≥ 10–10 с).
Гравитационное взаимодействие универсально: в нем участвуют все элементарные частицы, однако из-за малости масс элементарных частиц силы гравитационного взаимодействия между ними пренебрежимо малы и в процессах микромира их роль несущественна. Источником гравитационного поля является четырехмерный тензор энергии – импульса. В статическом пределе у этого тензора отлична от нуля лишь одна. Гравитационные силы играют решающую роль при взаимодействии космических объектов (галактики, звезды, планеты и т. п.) с их огромными массами.
Дальнодействие– концепция мгновенного взаимодействия тел через пустоту. Близкодействие– концепция взаимодействия тел через посредника – то или иное поле.
С появлением квантовой теории поля была сформулирована концепция обменного взаимодействия, осуществляемое путем обмена частицами.
Исходной "затравочной" моделью в этом случае является поле, посредством которого осуществляется взаимодействие между зарядами. Так, например, электромагнитное взаимодействие между заряженными частицами, возникает вследствие обмена фотонами – квантами электромагнитного поля.
Сильное взаимодействие обусловлено обменом пионами при взаимодействии нуклонов и глюонами при взаимодействии кварков.
2.4 Современная модель нейтрона
Все элементарные частицы, как мы это узнали в предыдущем разделе, в результате строгих испытаний, получают своеобразный аттестат основных свойств. Это величина и знак заряда, масса, время жизни или период полураспада, спин, или момент количества движения и магнитный момент, а также особенности взаимодействия с ядрами.
Нейтрон сверхплотная частица. Его масса, которая в 1839 раз больше массы электрона, превосходит массу протона на 2,5 электронных массы и равна 1,00876 единиц массы, сосредоточена в очень маленьком объеме сферы с радиусом 1,23×10-15м. У него огромная плотность: 200млн. тонн в кубическом сантиметре! Чтобы вообразить такую чудовищную плотность, надо представить себе картину: гора Казбек, спрессованная в чайной ложке. Нейтрон во столько же раз меньше виноградинки, диаметр которой равен 1см, во сколько раз пылинка меньше земного шара.
Перейти на страницу: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19