Колебания и волны. Оптика. Атомная и ядерная физика
§ 242. Лептоны. Промежуточные бозоны. Единство всех
жүктеу/скачать 6,71 Mb. Pdf көрінісі
|
| § 242. Лептоны. Промежуточные бозоны. Единство всех
взаимодействий. Бурное развитие физики элементарных ча- стиц последних лет существенно изменило наши представления не только об адронах, но и о лептонах, т. е. частицах, обладаю- щих только слабым и электромагнитным (заряженные лептоны) взаимодействиями. Помимо двух пар лептонов, известных ра- нее (электроны и электронные нейтрино и мюоны и мюонные нейтрино — см. §§ 231, 233, 234), был открыт еще один тяже- лый заряженный лептон, получивший название тау-лептона (τ − ).
одно нейтрино — так называемое тау-нейтрино (ν τ ). Правда, это последнее пока еще не наблюдалось в прямых экспериментах. Тау-нейтрино могут появляться, например, при распаде тау-леп- тонов или вылетать вместе с тау-лептонами в распадах более тяжелых частиц. У каждого лептона существует соответствующая античасти- ца — антилептон. Многочисленные опыты показали, что вплоть до расстояний порядка 10 − 16 см лептоны и антилептоны ве- дут себя как элементарные «точечные» объекты. Именно леп- тоны вместе с кварками и представляют собой, как сегодня думают, истинно элементарные, или фундаментальные частицы (см. табл. 14). Все процессы образования и распада лептонов (о некоторых из них говорилось раньше — см. § 233) могут быть объяснены, если считать, что у лептонов также есть определенные сохраня- ющиеся квантовые числа, называемые «лептонными зарядами» и напоминающие барионный заряд. Сейчас известно три типа таких лептонных зарядов — элек- тронный (l e ), мюонный (l μ ) и тау-лептонный (l τ ):
− и электронных нейтрино ν e электронный лептонный заряд l e = +1, у их античастиц (e + , ν e ) l
e = −1,
у всех других частиц l e = 0; Гл. XXVI. Новые достижения в физике элементарных частиц 635
2) у мюонов μ − и мюонных нейтрино ν μ мюонный лептонный заряд равен l μ = +1, у соответствующих антилептонов (μ + , ν μ ) l μ = −1, у всех остальных частиц l μ = 0;
3) у тау-лептона τ − и тау-нейтрино ν τ l τ = +1; у анти-тау- лептонов (τ + ,
τ ) l
τ = −1; у всех других частиц l τ = 0.
Во всех исследованных до сих пор процессах все три леп- тонных заряда сохраняются. В качестве упражнения читателям предлагается с помощью представления о сохраняющихся леп- тонных зарядах показать, что распады (233.1), (233.2) и ре- акции (233.3), (233.4) могут происходить в природе, а такие процессы, как ν e
− , ν
μ + n → p + e − , μ
− → e
− + γ,
τ → μ
+ + e
+ + e
− , оказываются запрещенными. Действительно, эти и другие переходы, нарушающие законы сохранения леп- тонных зарядов, никогда не наблюдались ни в одном из много- численных поисковых экспериментов. Барионные заряды и квар- ковые ароматы у лептонов отсутствуют, т. е. соответствующие квантовые числа равны нулю. Это связано с тем, что лептоны вообще не участвуют в сильных взаимодействиях. В табл. 14 мы поместили те частицы, которые сегодня счита- ются истинно элементарными. Адроны в нее не входят, так как их сложное внутреннее строение установлено вполне надежно, и доказано, что именно кварки, «склеенные» обменом глюонов, являются теми структурными элементами, из которых состоят адроны. Однако эту таблицу надо дополнить еще другими эле- ментарными частицами. Это прежде всего фотоны — кванты электромагнитного поля, которые осуществляют электромагнит- ные взаимодействия между заряженными частицами. Сюда же мы поместили глюоны, осуществляющие взаимодействия между кварками и вместе с кварками осужденные к «пожизненному заключению» внутри адронов. Очень важную роль в физике элементарных частиц играют и слабые взаимодействия. Как уже отмечалось, это единствен- ное взаимодействие в природе, которое может менять индиви- дуальность фундаментальных частиц — лептонов и кварков — и вызывать взаимное превращение между такими частицами (подчиняясь, однако, при этом законам сохранения барионного и лептонных зарядов). Давно уже обсуждался вопрос о том, каков же механизм действия слабых сил. Высказывались пред- положения, что эти силы обусловлены обменом особыми кван- тами поля слабых взаимодействий, которые получили название промежуточных бозонов. В отличие от глюонов, промежуточ- ные бозоны, как и фотоны, должны существовать в свободном |