Представленные здесь материалы являются дополнением к лекциям по ядерной физике и физике элементарных частиц, читающихся студентам третьего курса в весеннем семестре на физических факультетах МГУ и СПбГУ. Это не курс лекций, а лишь краткое его содержание с основными формулами, графиками и фотографиями. Цель этого материала v дать студентам возможность после занятий просмотреть содержимое лекций, в том числе и материал, не поддающийся конспектированию (графики, схемы и т.д.).
Слабые взаимодействия удобно изучать в реакциях с нейтрино — частицами, участвующими только в слабых взаимодействиях или в распадах, запрещенных в сильных и электромагнитных взаимодействиях. Впервые экспериментально прямая регистрация антинейтрино была осуществлена в опытах Райнеса и Коуэна. Наблюдались задержанные совпадения импульсов от аннигиляции позитрона (e+) и радиационного захвата нейтрона кадмием.
В эксперименте 1962 г. было показано, что нейтрино и антинейтрино, рождающиеся в распаде m-->мезон ов не тождественны нейтрино и антинейтрино, образующимся в процессе b-распада.
t-лептонбыл открыт в 1975 г. по наблюдению аномальных событий типа 
. t -лептон по своим свойствам аналогичен e, m и характеризуется лептонным числом Lt .
 |
|||||||||
По аналогии с изоспином, введенным в случае сильных взаимодействий, объединим в единый слабый мультиплет фермионные дублеты 
- 
ча стицы, рождаемые W-бозоном. Слабое взаимодействие включает фермион-антифермионные пары. Из инвариантности слабого взаимодействия относительно вращений в слабом изоспиновом пространстве наряду с полями переносчиками 
>и 
>бозонами необходимо ввести третье поле 
>с нулевым эл ектрическим зарядом. Реакции, идущие в результате обмена >бозоном, называют слабыми процессами с сохранением заряда или нейтральными слабыми токами. Из состояний 
>и 
>можно построить 2 суперпозиции
,соответствующие фотону и 
-бозону. >-бозон был открыт в 1983 г.
Квантовое число s может принимать значения -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3 и определяется кварковым составом адронов. Частицы, в сос тав которых входит странный кварк, называются странными частицами. Сохранение странности в сильных и электромагнитных взаимодействиях проявляется в особенности их рождения и распада. Странные частицы в сильных и электромагнитных взаимодействиях как прави ло рождаются парами. Характерное время жизни странных частиц10—10 с. Это объясняется тем, что в слабых распадах странность может не сохраняться. Барионы L, S, X, W со странностью, отличной от нуля, называются гиперонами.
В сильных и электромагнитных взаимодействиях странность сохраняется
В слабых взаимодействиях странность не изменяется или изменяется на единицу
Квантовое число c может принимать значения -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3 и определяется кварковым составом адронов. Адроны с о тличным от нуля числом c называются очарованными частицами.
В сильных взаимодействиях квантовое число c сохраняется. В слабых взаимодействиях оно либо сохраняется, либо изменяется на единицу: Dc= 0, ¦1.
Красота (beauty, bottomness) b. Квантовое число b может принимать значения -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3 и зависит от числа b кварков и антикварков в составе адрона.
 |
В сильных взаимодействиях квантовое число b сохраняется. В слабых взаимодействиях оно либо сохраняется, либо изменяется на единицу
В сечении сильновзаимодействующих частиц наблюдаются резонансы — коротко живущие возбужденные состояния адронов, распадающиеся в результате сильного взаимодействия. Характерное время жизни резонанса10—2 2 —10—24 сек. Впервые резонансы наблюдались в сечении взаимодействия p-, p+ — мезонов с нуклонами. Масса резонансной частицы M определяется из релятивистского инварианта
,где E и p- полная энергия и полный импульс p-мезона и нуклона. Ма ксимумы в сечении p-N рассеяния интерпретируются как появление нестабильной частицы - резонанса - с вполне определенными квантовыми характеристиками: массой, зарядом, спином, изоспином и др. Резонансы наблюдаются и во взаимодействии p-мезонов.
| JP(I) | Масса, МэВ | G, МэВ | распады | |
| D(1232) | 3/2+(3/2) | 1232 | 120 | Np |
| N(1520) | 3/2-(1/2) | 1520 | 120 | Np, Npp, Dp |
Каждая частица имеет своего двойника — античастицу. Античастицы обладают рядом характеристик, имеющих те же значения, что и частица — масса, спин, время жизни, и некоторые характе ристики с противоположным знаком — электрический заряд, барионное и лептонные числа, s, c, b, t.
 |
 |
и 
- мезоны обладают удивительными свойствами. Они резко отличаются по своим свойствам в сильных взаимодействиях и почти не различ имы в слабых. Эта специфика обусловлена тем, что единственное квантовое число, которым они различаются, — странность:
, 
.Это позволяет системе 
совершать уникальные превращения, которые служат иллюстрацией основного принципа квантовой механики — линейная суперпозиция двух состояний также являе тся состоянием системы. Состояния
имеют определенные значенияCP-четности.
Наблюдение в 1964 г. распада 
:
означает нарушение CP-четностив слабых распадах 
-мезонов. Была введена еще одна комбинация K0 и мезонов:
.
В опыте Пайса-Пиччиони наблюдались осцилляции 
в пучке K0-мезонов.
Свободное движение (J=0)
Операция пространственной инверсии в реальном пространстве можно сопоставить операцию инверсии в изоспиновом пространстве. Это приводит к появлению нового мультипликативного квантового числа — «изоспиновой четности» G, эквивалентной четности P реального пространства. Действие оператора G-преобразования можно свести к двум последовательным операциям — зарядовому сопряжению C и повороту на p вокруг оси 2 (или 1) в изоспиновом пространстве, то есть
,где 
оператор проекции изоспина на ось 2 изоспинового пространства. G — четность сохраняется только в сильных взаимодействиях.
Зарядовое сопряжение меняет знаки зарядов, оставляя неизменными пространственные переменные, импульс и момент импульса:
Оператор заряда 
не коммутирует с оператором зарядового сопряжения . Для заряженных частиц не существует уравнения на собственные з начения оператора зарядового сопряжения:
Это соотношение имеет место только для истинно нейтральных частиц или для систем «частица-античастица». В этом случае
и называется зарядовой четностью.
Зарядовая четность системы «частица-античастица» определяется соотношением
ИзC-инвариантностиследует равенство сечений процессов. В результатеC-инвариантностимы получили ненаблюдаемый в природе процесс. В слабом взаимодействииC-инвариантностьнарушается.
Комбинированная инверсия является последовательной комбинацией преобразований 
и 
.
Собственные значения оператора :
Электромагнитные и сильные взаимодействия инвариантны относительно операции комбинированной четности .
Слабые взаимодействия не инвариантны относительно и преобразований, однако инвариантны относительно операции комбинированной инверсии.
Пространственная четность Р характеризует свойства системы относительно пространственных отражений. Различают состояния с положительной и отрицательной четностью. Четность волновой функции Р частицы определяется моментом l и внутренней четностью Рi и равна Р = Рi (-1)l. Четность — мультипликативное квантовое число. Протоны и нейтроны имеют положительную внутреннюю четность, поэтому четность ядра определяется соотношением 
, где li — орбитальные моменты нуклонов в ядре.
Закон сохранения четности: если оператор четности коммутирует с оператором гамильтона, то имеет место закон сохранения четности — четность системы сохраняется. В случае сильных и электромагнитных взаимодействий:
В слабом взаимодействии четность не сохраняется. В результате слабого взаимодействия система может переходить из состояния с одной четностью в состояние противоположной четности:
Распад r0-мезона (сильное взаимодействие)
Распад p+-мезона (слабое взаимодействие)
Из P-инвариантности следует равенство сечений процессов. В результате P-преобразования возникла ситуация, ненаблюдаемая в природе - антинейтрино с отрицательной спиральностью. Следовательно, в слабых взаимодействиях P-инвариантность нарушается.
Ответственный за содержание: специалист управления по связям с общественностью С. С. Смирнова, s.s.smirnova@spbu.ru
