Законы сохранения во взаимодействиях
Таблица адронностабильных частиц
Классификация элементарных частиц
Одна из возможностей классификации элементарных частиц состоит в расположении их в порядке возрастания масс и по типу взаимодействия, в которых они могут участвовать. Ниже приведена таблица частиц, которые были бы стабильными, если бы на свете существовало только адронное взаимодействие.
Все частицы разделены на четыре класса. Первый класс составляют самые легкие частицы - фотоны. Их инвариантная масса равна нулю. Фотоны участвуют в электромагнитном взаимодействии. Спин фотонов равен ћ, и они являются бозонами.
Следующий класс - лептоны. Это самые легкие из частиц с ненулевой инвариантной массой. Часто, в расчетах полагают, что инвариантная масса нейтрино равна нулю. Все
лептоны участвуют в слабом взаимодействии, а лептоны, имеющие электрический заряд, участвуют также в электромагнитном взаимодействии. Спин лептонов равен ћ/2. Они являются фермионами. Лептоны обладают особым сохраняющимся свойством, называемым лептонным зарядом. Есть два сорта лептонных заряда - электронный лептонный заряд и мюонный лептонный заряд. Каждый из них сохраняется по отдельности.
Последние два класса частиц, в отличие от первых двух, - частицы участвующие в адронном взаимодействии. Их называют адронами. Частицы средней массы - мезоны. Их спин равен нулю. Они являются бозонами. Мезоны являются носителями адронного взаимодействия. Более тяжелые адроны, имеющие полуцелый спин и являющиеся фермионами, называются барионами. Барионы обладают особым свойством, называемым барионным зарядом. Они разделены на два подкласса - нуклоны и гипероны. Гипероны обладают дополнительно еще одним особым свойством, называемым странностью.
| К Л А С С Ы | Обозн. | Спин | m0c2МэВ | m0/ me | Ср. вр. жизни секунды | Странность | |||
| ф о т о н ы | g | 1 | 0 | 0 | стабильны | 0 | |||
| л е п | ne ( )
| 1/2 | <6×10-5 | стабильны | 0 | ||||
| т о | nm ( )
| 1/2 | <0,65 | стабильны | 0 | ||||
| н ы | e– ( )
| 1/2 | 0,51 | 1 | стабильны | 0 | |||
m– ( )
| 1/2 | 105 | 207 | 2,2×10-6 | 0 | ||||
| м | p+ | 0 | 139,6 | 273 | 2,6×10-8 | 0 | |||
| е | p0 | 0 | 135,0 | 264 | 0,83×10-16 | 0 | |||
| з | p- | 0 | 139,6 | 273 | 2,6×10-8 | 0 | |||
| о | K+(K–) | 0 | 493,7 | 966 | 1,2×10-8 | 1 | |||
| н | K0( )
| 0 | 497,7 | 974 | 5,2×10-8 | 1 | |||
| А | ы | h ( )
| 0 | 548,8 | 1070 | 7,7×10-19 | 0 | ||
| Д | Б | НУК- | P ( )
| 1/2 | 938,3 | 1836 | стабилен | ||
| Р | А | ЛОНЫ | n ( )
| 1/2 | 939,6 | 1839 | 920 | ||
| О | Р | Г | L0 ( )
| 1/2 | 1115,6 | 2183 | 2,6×10-10 | -1 | |
| Н | И | И | S ( )
| 1/2 | 1189,4 | 2328 | 0,8×10-10 | -1 | |
| Ы | О | П | S0 ( )
| 1/2 | 1192,5 | 2334 | <1×10-14 | -1 | |
| Н | Е | S– ( )
| 1/2 | 1197 | 2343 | 1,5×10-10 | -1 | ||
| Ы | Р | X0( )
| 1/2 | 1314,9 | 2573 | 2,96×10-10 | -2 | ||
| О | X ±- | 1/2 | 1321,3 | 2586 | 1,65×10-10 | -2 | |||
| Н | W ( )-
| 3/2 | 1672,2 | 3277 | 1,4×10-10 | -3 | |||
Частицы, обладающие странностью, называют странными. Из приведенных в таблице частиц это - каоны и гипероны.
Кроме того, каждая частица из таблицы имеет пару-двойника - античастицу. Античастица имеет те же электрический, лептонный, барионный заряды, странность, что и их пары, но знаки противоположны.
Взаимодействиями в субатомной физике называют рассеяния, взаимные превращения частиц при столкновениях, распады. Все взаимодействия происходят таким образом, что выполняются законы сохранения импульса, момента импульса и энергии. Кроме того, во всех взаимодействиях сохраняются электрический, лептонный и барионный заряды. Во всех взаимодействиях, кроме слабого, сохраняется странность. В слабых взаимодействиях в 60% случаев странность сохраняется, а в 40% - не сохраняется, по этой причине данное квантовое число и назвали “странностью”. Законы сохранения являются правилами отбора, запрещающими или разрешающими то или иное взаимодействие. В физике элементарных частиц одним из главных законов является закон: “Все переходы и превращения возможны и происходят, если они не запрещены законами сохранения”.
Для примера рассмотрим распады. Среди лептонов самым легким является электронное нейтрино. Это - стабильная частица, так как любой распад запрещен законом сохранения энергии. Продуктами распада должны быть более легкие лептоны, причем, закон сохранения лептонного заряда требует, чтобы одна из распадных частиц имела электронный лептонный заряд. А так как более легких лептонов, чем нейтрино, нет, то распад нейтрино запрещен. В природе он и не происходит. Электрон более тяжелый лептон, чем нейтрино, поэтому закон сохранения энергии не запрещает его распад. Тем не менее, электрон является стабильной частицей. Распад запрещен законом сохранения электрического заряда - из заряженных лептонов электрон является самым легким. Распад мюона не запрещен ни законом сохранения энергии, ни законом сохранения лептонного заряда, поэтому он является нестабильным. Существует единственный способ распада (мода распада):
(7)
Значком “тильда – ~” обозначаются античастицы. В левой части электрический заряд равен минус единице (одному элементарному заряду), мюонный лептонный заряд равен единице. В правой части электрический заряд также равен минус единице. Электронные лептонные заряды электрона и электронного антинейтрино взаимно уничтожаются, так что в сумме получается нуль. Мюонное нейтрино дает равный единице мюоный лептонный заряд. Все законы сохранения выполняются.
Задача 3. Используя законы сохранения, объясните, почему протон является стабильной частицей, а нейтрон имеет возможность распасться. На какие частицы распадается нейтрон?
Задача 4. Покажите, что свободный фотон ни при какой энергии не может распасться. Какой закон сохранения будет обязательно нарушен? Почему вблизи какого либо ядра возможно взаимодействие g®e++e-?
Пример.Рассмотрим два почти неотличимых взаимодействия p-+P®L0+K0и 
. При энергии, превышающей порог взаимодействия, первое возможно, а второе ни при какой энергии невозможно. Все дело в том, что данные взаимодействия являются адронными. В адронных взаимодействиях странность должна сохраняться. В левых частях суммарная странность равна нулю. В правых же частях: в первом взаимодействии суммарная странность также равна нулю, а во втором суммарная странность равна –2. Во втором взаимодействии странность не сохраняется. Это обстоятельство налагает запрет на данное взаимодействие - оно невозможно.
Пример.Распад нейтрального каона на пару пионов K0®p++p-возможен, хотя странность не сохраняется. Причина состоит в том, что это взаимодействие является слабым. А в слабых взаимодействия допускается несохранение странности.