С.Н. Манида: Субатомная физика

Просмотров: 13360

10. Слабые взаимодействия. Промежуточные бозоны

Просмотров: 11399

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.

		e		ne		e+
T		1/2		1/2		1/2		1/2
T3		-1/2		1/2		1/2		-1/2

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. 

9. Странность. Рождение и распад странных частиц

Просмотров: 12634

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.

Частица		Масса, mc2 (МэВ)		Время жизни t (сек) или ширина G(МэВ)		Спин-четность, изоспин, JP(I)
		9460		0.0525 МэВ		1-(0)

 В сильных взаимодействиях квантовое число b сохраняется. В слабых взаимодействиях оно либо сохраняется, либо изменяется на единицу

7. Резонансные частицы

Просмотров: 11393

1. Максимумы в сечении.
2. Восстановление инвариантной массы.

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.

6. Частицы и античастицы

Просмотров: 15415

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.

Характеристика		Частица		Античастица
Масса		M		M
Электрический заряд		+(-)Q		-(+)Q
Спин		S		S
Магнитный момент		+(-)m		-(+)m
Барионное число		+B		-B
Лептонное число		+Le, +Lm, +Lt		-Le, -Lm, -Lt
Странность		+(-)s		- (+)s
Charm		+(-)c		- (+)c
Bottomness		+(-)b		- (+)b
Topness		+(-)t		- (+)t
Изоспин		I		I
Проекция изоспина		+(-) I3		- (+)I3
Четность		+(-)		- (+)
Время жизни		T		T
Схема распада

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.

5. Обращение времени. СРТ-теорема.

Просмотров: 12015

Обращение времени, T

Свободное движение (J=0)

CPT-преобразование

4. Зарядовое сопряжение. Зарядовая (С) четность. СР-инверсия

Просмотров: 12615

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.

3. Пространственная инверсия. Р-четность

Просмотров: 12404

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 Р_i и равна Р = Р_i (-1)^l. Четность — мультипликативное квантовое число. Протоны и нейтроны имеют положительную внутреннюю четность, поэтому четность ядра определяется соотношением , где l_i — 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.