Колебания и волны. Оптика. Атомная и ядерная физика
жүктеу/скачать 6,71 Mb. Pdf көрінісі
|
| суммарный барионный заряд сохраняется подобно электриче-
скому. Поэтому в ядерных реакциях, учитывая сохранение обоих зарядов, антинуклон может образоваться только в паре с нук- лоном. Такие реакции могут вызываться частицами с энергией Гл. XXV. Элементарные частицы 595
в миллиарды электронвольт, превосходящей энергию покоя пары нуклон–антинуклон (см. упражнение 58 в конце главы). В 1955–1956 гг., через несколько лет после вступления в строй первого ускорителя на 6 ГэВ, группе американских физиков уда- лось обнаружить процессы образования антипротонов и антиней- тронов на опыте. Эксперименты не только надежно доказали их существование, но и подтвердили предсказания теории относи- тельно их свойств. Рис. 416 и 417 иллюстрируют, как антинук- лоны изучаются при помощи пузырьковой камеры (см. § 235). В последующие годы среди продуктов ядерных реакций ча- стиц высокой энергии были обнаружены антидейтроны (атом- ные ядра, состоящие из антипротона и антинейтрона). Тео- ретически из антипротонов и антинейтронов можно строить всевозможные ядра (или, точнее, антиядра), отличающиеся от обычных протонно-нейтронных ядер лишь отрицательным зна- ком электрического (и барионного) заряда 1 ). Присоединяя пози- троны, такие антиядра должны образовывать атомы, столь же устойчивые, как и обычные земные атомы. Это означает, что мо- жет существовать антивещество, построенное из антинуклонов и антиэлектронов, т. е. позитронов. Астрофизические наблюдения до сих пор не обнаружили в ви- димой части Вселенной сколько-нибудь заметного присутствия антивещества. Пока нельзя с уверенностью сказать, чт´ о это:
результат ли недостаточной точности наблюдений или же Все- ленная действительно асимметрична, т. е. построена только из вещества, хотя антивещество, казалось бы, нисколько не худший строительный материал. В предыдущем изложении мы говорили о нейтрино как о единой частице. Работы последних лет доказали существование нескольких 2 )
β -распаде нейтронов и протонов обра- зуются электроны e − и позитроны e + . Частицу, испускаемую вместе с электроном, условились называть электронным антинейтрино ν e
Тогда частицу, испускаемую вместе с позитроном, следует называть электронным нейтрино ν e . С учетом этого реакции β -распада (230.2) и (230.3) записываются следующим образом: n → p + e − + ν
e , (233.1) p → n + e
+ + ν
e . (233.2) 1 ) В 1970 г. в Институте физики высоких энергий в Серпухове были синтезированы ядра антигелия-3, т. е. ядра, состоящие из двух антипротонов и одного антинейтрона. Затем были получены также ядра антитрития-3, состо- ящие из одного антипротона и двух антинейтронов. 2 ) Более точно и подробно см. § 242. 596 Гл. XXV. Элементарные частицы Р и с. 416.
Об р аз о в ани е и а ннигиляц ия антип р ото
н а. Сте р еофото
гр аф ия сл ед о в в пу зыр ьк о в о й к а м ере с ж и д к и м пр опа н ом С 3 Н 8 . К ам ер а о б л учал ас ь п учк
о м π -м ез о н ов с энерг ией
7 Г эВ о т у ск ори
те л я пр о то нов н а 1 0 Г эВ в Д у бне
( π -м ез оны
в оз ник али п р и вз аим од ей ств иях п рото н о в в б ер иллии). В то чк е O (с м. сх ем у сп р ав а о т ф ото гр аф ии) π -м езо н , ст а лкив ая сь с п рото
н о м, об р а зу ет п ар у п рото н ( p )–антип
р ото
н ( p )( р еа к ц и я π − + p → π − + p + p + p ). К а мера на х оди лас ь в м а гн и тн о м п оле ; к р и в изна сл ед а p указ
ыв ае т, что эт а ча стиц
а за р яж ен а о тр иц атель н о. Вт о ч к е O антип
р ото
н ст алк и в аетс я с п рото н о м и аннигили р у ет; п р и это м в оз ник
аю т π + -и π − -м ез оны, а так ж е, к ак сл ед у ет и з ан али за снимк
о в с уч ето
м зак
о н о в со х р ан ения эн ер гии и импу
льс а, π 0 -м ез о н ,н ед ав ш и йс л ед а в кам ере
Гл. XXV. Элементарные частицы 597
Рис. 417. Образование и аннигиляция антинейтрона. Пропановая пу- зырьковая камера облучалась пучком антипротонов, образованных при соударениях протонов с энергией 6 ГэВ с бериллиевой мишенью. След одного из антипротонов внезапно обрывается (верхняя стрелка), хотя другие антипротоны той же энергии пересекают всю камеру. Это мож- но объяснить только тем, что произошла реакция p + p → n + n . Антинейтрон и нейтрон летят в направлениях, близких к направлению полета антипротона, так как он передал им свой импульс, но не оставляют следов в камере. В точке, на которую указывает нижняя стрелка (она лежит приблизительно на продолжении следа антипро- тона), антинейтрон соударяется с протоном или ядром; заряженные продукты аннигиляции (в основном π -мезоны) образуют на снимке «звезду». По искривлению следов в магнитном поле можно судить, что испускаются как положительные, так и отрицательные частицы Прибавляя к уравнению (233.2) слева и справа по ν e и аннигилируя в правой части нейтрино ν e
ν e (освобождающаяся энер- гия поглощается позитроном), приходим к реакции (231.1) 1 ), но уже в более точном написании ν e + p → n + e + . (233.3) 1 ) Это рассуждение носит очень общий характер. С его помощью легко по- казать, что любые частицы можно переносить из правой части любой реакции в левую часть (или наоборот), заменяя их при этом на античастицы. 598 Гл. XXV. Элементарные частицы Аналогично из (233.1) следует ν e
− . (233.4) Являются ли нейтрино ν e и антинейтрино ν e одинаковыми или разными частицами? Ответ на этот вопрос должен дать эксперимент. Мы уже знакомы с частицами с нулевым электрическим зарядом, которые отличны от своих античастиц — это нейтроны и антиней- троны, различающиеся знаком барионных зарядов. Но существуют незаряженные частицы и другого типа, тождественные своим анти- частицам — например фотоны или π 0 -мезоны, получившие поэтому название истинно нейтральных частиц. Опыты, проведенные на пуч- ках антинейтрино ядерного реактора 1 ), показали, что реакция погло- щения ν e протонами (233.3) действительно наблюдается (см. § 231). Но поглощение ν e
и следовало ожидать, если электронные нейтрино и антинейтрино — разные частицы (тогда при взаимодействии с нейтронами могут погло- щаться ν
, но не ν e !). Таким образом, из прямого эксперимента следует, что электронные нейтрино ν e
ν e
от друга и не являются поэтому истинно нейтральными частицами. Дальнейшие исследования показали, что нейтрино, образующиеся при распаде π -мезонов вместе с мюонами, отличаются от нейтрино, обра- зующихся в β -распадах (233.1) и (233.2) вместе с электронами. Реакцию распада π + -мезона на мюон и нейтрино теперь следует писать в виде π +
+ + ν
μ 2 ). Прибавляя справа и слева по μ − и по нейтрону, аннигилируя μ + и μ − и объединяя n + π
+ → p
, приходим к реакции μ −
μ . Очевидно, должна идти и обратная реакция ν μ + n → p + μ − . Эта реакция наблюдалась экспериментально с помощью ускорителей на пучках нейтрино ν μ , образующихся при распаде π + -мезонов. Эти пучки не вызывали, однако, реакций (233.3) и (233.4). Отсюда и был сделан вывод о различии мюонных и электронных нейтрино. Экспериментально было показано также, что мюонные нейтрино и антинейтрино ν μ и ν μ отличаются друг от друга. Более подробно и полно о разных типах нейтрино см. в § 242. жүктеу/скачать 6,71 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|