Моделирование в физике элементарных частиц
азрыв с рождением кварк-антикварковой пары частиц. Это
происходит, когда потенциальная энергия в месте разрыва больше массы покоя
кварка и антикварка. Процесс разрыва жгута силовых линий глюонного поля
показан на рис. 10 в.
Такая качественная модель о рождении кварка-антикварка позволяют понять,
почему одиночные кварки вообще не наблюдаются и не могут наблюдаться в
природе. Кварки навечно заключены внутри адронов. При высоких энергиях
жгуту может быть выгоднее разорваться сразу во многих местах, образовав
множество [pic]-пар. Таким путем мы подошли к проблеме множественного
рождения кварк-антикварковых пар и образованию жестких кварковых струй.
Чрезвычайно важно, что оба партнера пары имеют при этом одинаковый цветной
заряд и такой же антизаряд, так что их пара независимо от ароматов кварков
не имеет цвета.
Все кварки и антикварки имеют спин, равный 1/2h. Поэтому суммарный спин
сочетания кварка с антикварком равен либо 0, когда спины антипараллельны,
либо 1, когда спины параллельны друг другу. Но спин частицы может быть и
больше 1, если сами кварки вращаются по каким-либо орбитам внутри частицы.
В табл. приведены некоторые парные и более сложные комбинации кварков с
указанием, каким известным ранее адронам данное сочетание кварков
соответствует.
|Кварки |Мезоны | |Кварки |Барионы |
| |J=0 |J=1 | | |J=1/2 |J=3/2 |
| |частицы |резонансы | | |Частицы |резонансы |
|[pic] |[pic] |[pic] | |uuu | |[pic] |
| |(пион+) |(ро+) | | | |(дельта++)|
|[pic] |[pic] |[pic] | |uud |P |[pic] |
| |(пион-) |(ро-) | | |(протон) |(дельта+) |
|[pic] |[pic] |[pic] | |udd |N |Delta^0 |
| |(пион0) |(ро0) | | |(нейтрон) |(дельта0) |
|[pic] |[pic] |[pic] | |ddd | |[pic] |
| |(эта) |(омега) | | | |(дельта-) |
|[pic] |[pic] |[pic] | |uus |[pic] |[pic] |
| |(каон0) |(каон0*) | | |(сигма+) |(сигма+*) |
|[pic] |[pic] |[pic] | |uds |[pic] |[pic] |
| |(каон+) |(каон+*) | | |(лямбда0) |(сигма0*) |
|[pic] |[pic] |[pic] | |dds |[pic] |[pic] |
| |(каон-) |(каон-*) | | |(сигма-) |(сигма-*) |
|[pic] |[pic] |[pic] | |uss |[pic] |[pic] |
| |(дэ+) |(дэ+*) | | |(кси0) |(кси0*) |
|[pic] |[pic] |[pic] | |dss |[pic] |[pic] |
| |(де-эс+) |(дэ-эс+*) | | |(кси-) |(кси-*) |
|[pic] |Чармоний |[pic] | |sss |[pic] | |
| | |(джей-пси) | | |(омега-) | |
|[pic] |Боттоний |Ипсилон | |udc |[pic] | |
| | | | | |(лямбда-цэ+)| |
|[pic] |[pic] |[pic] | |uuc |[pic] | |
| |(дэ0) |(дэ0*) | | |(сигма-цэ++)| |
|[pic] |[pic] |[pic] | |udb |[pic] | |
| |(бэ-) |(бэ*) | | |(лямбда-бэ) | |
Из наиболее изученных в настоящее время мезонов и мезонных резонансов
наибольшую группу составляют легкие неароматные частицы, у которых
квантовые числа S = C = B = 0. В эту группу входят около 40 частиц. Таблица
3 начинается с пионов [pic]±,0, открытых английским физиком С.Ф. Пауэллом в
1949 году. Заряженные пионы живут около 10-8 с, распадаясь на лептоны по
следующим схемам:
[pic]и [pic].
Их "родственники" в таблице - резонансы [pic]±,0 имеют в отличие от пионов
спин J = 1, они нестабильны и живут всего около 10-23 с. Причина распада
[pic]±,0 - сильное взаимодействие.
Причина распада заряженных пионов обусловлена слабым взаимодействием, а
именно тем, что составляющие частицу кварки способны испускать и поглощать
в результате слабого взаимодействия на короткое время t виртуальные
калибровочные бозоны: [pic]или [pic], причем в отличие от лептонов
осуществляются и переходы кварка одного поколения в кварк другого
поколения, например [pic]или [pic]и т.д., хотя такие переходы существенно
более редкие, чем переходы в рамках одного поколения. Вместе с тем при всех
подобных превращениях электрический заряд в реакции сохраняется.
Перейдем к рассмотрению тяжелых адронов - барионов. Все они составлены из
трех кварков, но таких, у которых имеются все три разновидности цвета,
поскольку, так же как и мезоны, все барионы бесцветны. Кварки внутри
барионов могут иметь орбитальное движение. В этом случае суммарный спин
частицы будет превышать суммарный спин кварков, равный 1/2 или 3/2 (если
спины всех трех кварков параллельны друг другу).
Барионом с минимальной массой является протон p (см. табл.). Именно из
протонов и нейтронов состоят все атомные ядра химических элементов. Число
протонов в ядре определяет его суммарный электрический заряд Z.
В табл. 3 показано кварковое состояние протона uud и нейтрона udd. Но при
спине этой комбинации кварков J = 3/2 образуются резонансы [pic]и
[pic]соответственно. Все другие барионы, состоящие из более тяжелых кварков
s, b, t, имеют и существенно большую массу. Среди них особый интерес
вызывал W--гиперон, состоящий из трех странных кварков. Он был открыт
сначала на бумаге, то есть расчетным образом, с использованием идей
кваркового строения барионов. Были предсказаны все основные свойства этой
частицы, подтвержденные затем экспериментами. Многие экспериментально
наблюденные факты убедительно говорят сейчас о существовании кварков. В
частности, речь идет и об открытии нового процесса в реакции соударения
электронов и позитронов, приводящей к образованию кварк-антикварковых
струй.
Эксперимент выполнен на коллайдерах в Германии и США. На рисунке показаны
стрелками направления пучков e+ и e-, а из точки их столкновения вылет
кварка q и антикварка [pic]под зенитным углом [pic]к направлению полета e+
и e-. Такое рождение [pic]пары происходит в реакции
[pic]
Как мы уже говорили, жгут (струна) силовых линий при достаточно большом
растяжении рвется на составляющие. При большой энергии кварка и антикварка,
как говорилось ранее, струна рвется во многих местах, в результате чего в
обоих направлениях вдоль линии полета кварка q и антикварка образуются два
узких пучка вторичных бесцветных частиц, как это показано на рисунке. Такие
пучки частиц названы струями. Достаточно часто на опыте наблюдается
образование трех, четырех и более струй частиц одновременно.
4. Практическая часть
В настоящее время пока еще мало материала, способствующего усвоению
учащимися основных понятий в физике элементарных частиц, поэтому реальный
смысл многих из них ускользает от учащихся, что приводит к отсутствию
глубоких знаний по предмету. Так довольно трудное понятие свойств
элементарных частиц и их строение, оказывается усвоенной ими формально. В
данной работе предлагается апробированная методика формирования этих
понятий.
Заключение
Физика Элементарных Частиц - или, как ее сейчас чаще называют, Физика
Высоких Энергий - одна из областей, составляющих сейчас передний край
фундаментальной науки. Исторически Физика Элементарных Частиц образовалась
как наука, изучающая и создающая модели вещества на самом глубоком уровне.
Однако по мере накопления знаний о структуре материи вопрос "как устроен
мир?" сменился вопросом "почему он так устроен?". Такая постановка вопроса
- это уже совершенно новый уровень претензии на понимание мира. Возможен ли
окончательный и всеохватывающий ответ на этот вопрос? До каких пределов
может развиваться наше знание о фундаментальном устройстве мира? Что ждет
физику элементарных частиц в будущем?
Двадцатый век стал свидетелем нескольких замечательных моментов синтеза
разнородных областей физики. Синтез термодинамики с электродинамикой
Максвелла, проведенный М.Планком в 1900 г., положил начало квантовой теории
- совершенно новому взгляду на окружающий мир. За ним быстро последовал
синтез классической механики и электродинамики (А.Эйнштейн, 1905 г.),
приведший к созданию специальной теории относительности. Далее, в 20-х
годах из слияния электродинамики с квантовой теорией была создана квантовая
электродинамика.
Все это случилось менее чем за 30 лет. Оставшаяся часть 20-го века
принадлежала, по существу, эксперименту, который привел к созданию того,
что сейчас называется физикой элементарных частиц. В это время было открыто
большое количество частиц. Были экспериментально обнаружены сильные и
слабые взаимодействия, и лишь позже была понята их роль в микромире.
Наконец, к 70-м годам века, картина прояснилась настолько, что стала видна
единая природа слабых и электромагнитных взаимодействий. Теория,
осуществившая их синтез, - теория электрослабых взаимодействий - явилась
фундаментом современной Стандартной Модели Физики Элементарных Частиц.
Сильные взаимодействия также поддались описанию с помощью обобщения методов
квантовой электродинамики - так родилась квантовая хромодинамика, теория,
описывающая "цветовое" взаимодействие кварков и глюонов.
Все эти силы, включая и гравитационные, описываются одним и тем же классом
фундаментальных теорий - так называемыми калибровочн
| |  скачать работу |
Моделирование в физике элементарных частиц |
