Физика. Том 2. Джанколи Д.

Джанколи Д.

Физика. Том 2

* 1989 *

DJVU

От нас: 500 радиоспектаклей (и учебники)
на SD‑карте 64(128)GB — ГДЕ?..

Baшa помощь проекту:
занести копеечку — КУДА?..

ФPAГMEHT УЧЕБНИКА (...) Если две элементарные частицы (лептоны или кварки) сближаются на расстояние меньше этого масштаба объединения, то между ними перестает существовать какое-либо различие и кварк может легко превращаться в лептон или наоборот. Барионный и леп-тонный заряды при этом не сохраняются. Лептоны и кварки принадлежат единому семейству. Слабое, электромагнитное и сильное (цветовое) взаимодействия сливаются в единое взаимодействие.
Каким образом лептон может превратиться в кварк и наоборот? Теория предсказывает существование частиц, обмен которыми между лептоном и кварком позволяет одной частице превращаться в другую подобно тому, как обмен заряженными пионами между п~-мезоном и протоном р на рис. 43.8,5 позволяет протону превращаться в нейтрон. Масса новых частиц, осуществляющих обмен, в соответствии с принципом неопределенности, которым мы уже пользовались в этой главе [см. формулу (43.2), где следует положить d « 10“31 м], равна примерно 1015 ГэВ/с2, или 1015 масс протона. Столь необычайно большая масса не оставляет особых надежд на наблюдение этих частиц в лаборатории. Именно из-за чудовищной величины этой массы в наблюдаемых реакциях барионный и лептонный заряды сохраняются, так как вероятность рождения столь массивной частицы даже виртуально в процессе обмена при самых высоких достигнутых в лабораторных условиях энергиях крайне мала.
То, что происходит на расстояниях, превышающих масштаб объединения (10 31 м), называют нарушением симметрии. В качестве аналогии рассмотрим атом в кристалле. Внутри атома существует значительная симметрия-в самых близких к ядру областях электронное облако сферически-симметрично. Но к периферии атома симметрия нарушается: электронные облака испытывают возмущения главным образом в направлениях между узлами в кристаллической решетке. Точно так же взаимодействие между элементарными частицами на расстоянии 10“31 м симметрично и не отличает один тип «заряда» от другого. Но на больших расстояниях симметрия нарушается и возникают три разных взаимодействия. [В «стандартной модели» электрослабого взаимодействия (разд. 43.9) нарушение симметрии между электромагнитным и слабым взаимодействиями происходит на расстоянии около 10 18 м.
Так как объединение наступает только на сверхмалых расстояниях при огромных энергиях, теория Великого объединения плохо поддается экспериментальной проверке. Тем не менее ее экспериментальную проверку нельзя считать полностью невозможной. Одна из проверок может использовать идею, высказанную в конце разд. 43.4
Заключение
о возможности распада протона (например, р п°е+) с нарушением закона сохранения барионного заряда. Такой распад мог бы произойти при сближении двух кварков на расстояние меньше 10“31 м. Но при нормальной температуре и энергии это крайне маловероятно и соответственно вероятность распада протона очень мала. В простейшем варианте теории Великого объединения оценка времени жизни протона дает значение ~ 1031 лет. Эта величина уже допускает экспериментальную проверку. Пока наблюдать распад протона никому не удалось, и эксперименты 1983 г. установили нижний предел времени жизни протона около 6,5-1031 лет, что почти на порядок величины выше предсказанного значения. Этот результат вызвал разочарование, но вместе с тем явился и вызовом. На более сложные варианты теории Великого объединения он не повлиял.
Еще одно интересное предсказание теории Великого объединения относится к космологии. Теория утверждает, что в первые 10“40 с после Великого Взрыва, в результате которого возникла наша Вселенная, температуры были столь высоки, что частицы обладали энергиями, соответствующими масштабу объединения. Это означает, что барионный заряд не сохранялся. Этим объясняется наблюдаемое в настоящее время преобладание вещества (В 0) над антивеществом (В 0) во Вселенной.
Последний пример интересен тем, что показывает глубокую связь между исследованиями, проводимыми на противоположных концах шкалы размеров: теории, занимающиеся изучением мельчайших объектов (элементарных частиц), вносят существенный вклад в наше понимание Вселенной как целого.
Еще более претенциозными, чем теория Великого объединения, представляются попытки включить в единую схему и гравитационное взаимодействие, объединив тем самым в рамках единой теории все четыре фундаментальных взаимодействия. Мир элементарных частиц открывает перед нами все новые и новые перспективы. Мы с нетерпением ожидаем того, что произойдет в ближайшем будущем.
Для увеличения энергии заряженных частиц, например электронов и протонов, до очень больших значений, используются ускорители. Частицам высоких энергий соответствуют очень малые длины волн, поэтому их можно использовать для получения подробной информации о строении бомбардируемых объектов. При столкновениях с высокой энергией происходит образование новых частиц (соотношение Е = тс2).
Подобно тому как электромагнитное взаимодействие происходит благодаря обмену фотонами, сильное взаимодействие переносится мезонами, обладающими массой покоя или, согласно более современным представлениям, безмассовыми глюонами.
Античастица имеет такую же массу, что и частица, но противоположный по знаку заряд. Противоположными могут быть и некоторые другие характеристики античастицы; например знак барионного заряда антипротона противоположен знаку барионного заряда протона. Во всех ядерных реакциях и реакциях с участием частиц выполняются следующие законы сохранения: импульса, массы-энергии, момента импульса, электрического заряда, барионного заряда и трех лептонных зарядов. Некоторые частицы обладают свойством, которое называется странностью, сохраняется при сильном и не сохраняется при слабом взаимодействии.
Частицы можно классифицировать как лептоны и адроньц фотон образует отдельный класс. Лептоны участвуют в слабом и электромагнитном взаимодействиях. Адроны, помимо того, участвуют в сильном взаимодействии. Адроны подразделяются на мезоны (с нулевым ба-рионным зарядом) и барионы (с ненулевым барионным зарядом).
Все частицы, за исключением фотона, электрона, нейтрино и (насколько пока известно) протона, распадаются с измеримым периодом полураспада от 10 23 до 103 с. Период полураспада зависит от того, каким взаимодействием в основном определяется распад. Период полураспада за счет слабого взаимодействия превышает примерно 10 10 с. Периоды полураспада при электромагнитном взаимодействии заключены в пределах от 10“16 до 10“19 с. Самые короткоживущие частицы-так называемые резонансы-распадаются за счет сильного взаимодействия и существуют лишь примерно 10“23 с.
Последние теории элементарных частиц основаны на гипотезе кварков как составных частей адронов. Первоначально считалось, что существует три кварка. Затем были получены указания о существовании четвертого - очарованного кварка, а еще позже возникла необходимость ввести пятый и шестой кварки. Ожидается, что число кварков совпадает с числом лептонов и что кварки и лептоны являются истинно элементарными частицами. Кварки обладают цветом. Согласно квантовой хромодинамике, переносчиками сильного цветового взаимодействия между цветовыми зарядами служат глюоны. Теория, объединяющая взаимодействия, предполагает, что на очень коротких расстояниях (10 31 м) и при очень высоких энергиях слабое, электромагнитное и сильное взаимодействия проявляются как единая сила, а фундаментальное различие между кварками и лептонами исчезает.

Джанколи Д.