Класифікація та характеристики елементарних частинок

 

Зміст

Вступ

1. Літературний огляд

1.1 Види класифікації елементарних частинок. Поділ частинок за статистичним розподілом Фермі-Дірака та Бозе-Енштейна

1.2 Основні види елементарних взаємодій

1.3 Класифікація частинок за видом взаємодій

1.4 Класифікація частинок за часом життя

1.5 Античастинка. Антиречовина

1.6 Гіпотетичні елементарні частинки

2. Матеріали та методи дослідження

2.2 Методи дослідження характеристик елементарних частинок. Прискорювачі

2.2 Лінійні резонансні прискорювачі

2.3 Циклічні прискорювачі

3. Результати та їх обговорення

3.1 Бозони

Глюони

Бозон Хіггса

3.2 Ферміони

Лептони

Кварки

3.3 Адрони

Баріони

Чарівний баріон

Гарний баріон

3.4 Мезони

В-мезон

Мезони

Чарівний мезон

Гарний мезон

Дивний мезон

Екзотичні мезони

С - мезони

Список використаних джерел

Вступ

Античні греки вважали, що світ складається з чотирьох первинних стихій: землі, повітря, вогню та води. Давньогрецький філософ Демокрит розробив атомістичне вчення, відповідно до якого існують лише атоми та порожнеча. Атоми Демокрита - неподільні матеріальні елементи, вічні, непроникні, що відрізняються формою та розмірами. З їх вихору утворюються як окремі тіла, так і всі різноманітні, невидимі людині світи, що діють на органи відчуттів.

Після І. Ньютона запанувала механістична модель з ґравітаційною взаємодією між рухомими частинками. У ХХ ст. механістична картина світу була замінена польовою - властивості світу виводилися з чотирьох типів взаємодії: ядерної, електромагнітної, слабкої та ґравітаційної. Останнім часом усю різноманітність навколишнього світу повязують із властивостями вакууму. Вакуум - найстабільніше з усього, що існує в природі і в той же час найскладніше з усього, про що ми знаємо. Наприклад, однаковість елементарних частинок диктується саме властивостями вакууму. Більше того, при флуктуаціях вакууму можуть породжуватися пари елементарних частинок.

Елементарними називають найдрібніші відомі частинки фізичної матерії. Спочатку під терміном "елементарна частинка розуміли щось абсолютно елементарне. Проте, коли в 1950-х і 1960-х роках були відкриті сотні адронів зі схожими властивостями, стало ясно, що принаймні адрони мають внутрішні ступені свободи, тобто не є в строгому значенні слова елементарними. Зокрема, було виявлено внутрішню структуру протона, нейтрона, інших частинок. Вони складаються з кварків, пар "кварк-антикварк" та глюонів. У свою чергу кварки, можливо, теж мають свою структуру, хоча на сучасному рівні знань вони є фундаментальними складовими адронів. Тобто характерною ознакою елементарних частинок є їх здатність до взаємних перетворень, що не дозволяє розглядати елементарні частинки як найпростіші, незмінні "цеглинки світобудови.

Відомий сьогодні набір елементарних частинок не був таким протягом усього існування Всесвіту. Космогонічна теорія Великого вибуху стверджує, що на початку, в момент часу 10-33 с після Великого вибуху, існували частинки-прабатьки, так звані преони, з енергією 1015 ГеВ. Прямими "спадкоємцями преонів стали кварки. Близько 10-6 с після Великого вибуху утворили протони і нейтрони. За цими уявленнями через приблизно 3 хв. після початку процесу утворилася й більша частина ядер гелію, що існують у Всесвіті [1].

елементарна частинка прискорювач

1. Літературний огляд

1.1 Види класифікації елементарних частинок. Поділ частинок за статистичним розподілом Фермі-Дірака та Бозе-Енштейна

Статистика Фермі - Дірака - особливий вид розподілу частинок за енергією, характерний для ферміонів <#"27" src="doc_zip1.jpg" /> із енергією задається формулою:

(1.1)

Тут - хімічний потенціал <#"23" src="doc_zip5.jpg" /> - стала Больцмана <#"17" src="doc_zip6.jpg" /> визначається із умови нормування розподілу й залежить від повного числа часток в системі N:

(1.2)

В основному стані <#"27" src="doc_zip8.jpg" /> із енергією визначається формулою:

(1.3)

Оскільки ймовірність повинна бути додатним числом, значення хімічного потенціалу завжди менше за енергію <#"44" src="doc_zip11.jpg" /> (1.4)

Одним із наслідків квантової статистики Бозе - Ейнштейна є можливість існування у тривимірних системах за низьких температур особливої фази <#"center">.2 Основні види елементарних взаємодій

З фундаментальних сил у природі гравітаційні сили (тяжіння) були усвідомлені першими, для них була створена математично зрозуміла теорія - теорія Ньютона.

У теорії тяжіння Ньютона простір і час не мають тісного звязку, який було встановлено в теорії відносності Ейнштейна.

На початку XX ст. було відкрито два нових фундаментальних типи звязку: слабку взаємодію, яка зумовлює ?-розпад, і сильну взаємодію, що звязує протони і нейтрони в атомних ядрах. Ці типи звязку не були відкриті раніше, оскільки вони діють лише на малих субатомних відстанях, тоді як сили тяжіння і електромагнітні сили далеко діючі, радіус дії їх нескінченно великий.

Інтенсивність взаємодії прийнято характеризувати за допомогою так званої константи, яка є безрозмірним параметром, що визначає ймовірність процесів, зумовлених певним видом взаємодії. Відношення значень констант дає відносну інтенсивність відповідних взаємодій.

Нині відомо чотири види взаємодії між частинками, а саме: гравітаційна, сильна, електромагнітна і слабка.

Гравітаційна взаємодія є найслабкішою з перелічених і в процесах мікросвіту істотного значення не має. Щоправда, сучасна теорія передбачає, що цей вид взаємодії можливо буде основним усередині елементарних частинок. Проте сучасна техніка експерименту не дає змоги проникнути в глибини частинок і перевірити висновки теорії. У звязку з цим обмежимося розглядом трьох видів взаємодії: сильної, електромагнітної і слабкої [4].

Сильна взаємодія характерна для важких елементарних частинок (протонів, нейтронів та ін.). Вона зумовлює звязок нуклонів у ядрі. Саме через це сильну взаємодію іноді називають ядерною. Особливістю ядерної взаємодії є мале значення радіуса дії ядерних сил, який становить близько 1 фермі (10-15м).

Короткодія ядерних сил робить їх подібними до молекулярних сил, що дало змогу І. Є. Тамму 1933 р. висловити ідею про обмінний характер їх. Подальший розвиток цієї ідеї належить X. Юкаві, який 1935 р. розробив теорію обмінних сил. За теорією Юкави, ядерні сили (сильні взаємодії) зобовязані своїм походженням деяким спеціальним частинкам - мезонам, якими обмінюються нуклони в ядрі. Цим віртуальним мезонам властива певна маса і дуже короткий час життя - 10-23 с. За цей час мезон, випромінений нуклоном, пролітає відстань близько 10-15 м, повертається назад і поглинається частинкою, що його породила. Якщо ж поблизу є інший нуклон, то він поглинає мезон і відразу випромінює його знову. Внаслідок такого обміну мезонами нуклони взаємодіють. Сильна взаємодія відбувається за ядерний час - час проходження світлом відстані, що дорівнює розміру атомного ядра, - 10-23 с і відзначається площею перерізу 10-31м2. Інтенсивність взаємодії характеризується:

, (1.5)

де g - стала мезон-нуклонної взаємодії є безрозмірною величиною константою.

Інтенсивність сильної взаємодії має найбільше значення серед подібних констант: для ?-мезонів і для К-мезонів. Сильній взаємодії властива незалежність від електричного заряду. У реакціях, що відбуваються за сильної взаємодії, зберігається максимальна кількість квантових чисел: баріонний і електричний заряди, ізотопічний спін, дивність, парність [5].

Електромагнітна взаємодія за своєю інтенсивністю в 102.103 разів слабша від сильної взаємодії і спостерігається між електрично зарядженими частинками. Нею зумовлені кулонівські сили, процеси народження електронно-позитронних пар ?-фотонами, розпад ?-мезона на два ?-фотони та ін.

Електромагнітні взаємодії характеризуються безрозмірною константою (е - заряд електрона).

Електромагнітні взаємодії найзручніші для експериментального і теоретичного дослідження. Вони вигідно відрізняються від слабких взаємодій тим, що тільки в сто разів слабші від сильних і, отже, мають майже ті самі порядки значень для перерізів взаємодії - 10-31.10-34м, що і в ядерних взаємодіях. Великі інтенсивності пучків електронів і фотонів у прискорювачах дають змогу виміряти ці перерізи з великою точністю. Крім того, електромагнітні взаємодії відрізняються від сильних взаємодій тим, що вони досить слабкі (константа взаємодії набагато менша за одиницю). При цьому можна провести точні розрахунки і побудувати досить досконалу теорію електромагнітних взаємодій - квантову електродинаміку.

Природу електромагнітної взаємодії можна описати, якщо припустити, що електрони обмінюються фотонами подібно до того, як нуклони обмінюються ?-мезонами. Тільки обмін фотонами відбувається не за 10-23 с, за 10-20 с - характерний час електромагнітної взаємодії. На відміну від сильної взаємодії для електромагнітної взаємодії порушується закон збереження ізотопічного спіну.

Слабка взаємодія в 10-14 разів слабша від сильної. Цей тип взаємодії відповідальний за всі види ?-розпаду ядер, за спонтанний розпад більшості елементарних частинок, за процеси взаємодії нейтрино з речовиною.

Слабкі взаємодії характеризуються безрозмірною константою де f - електронно-нейтринний заряд, що відповідає гіпотетичному полю слабких взаємодій.

Відрізняють слабкі процеси за участю лептонів, які класифікуються за допомогою лептонного заряду, і слабкі процеси, що проходять зі зміною дивності й класифікуються за допомогою цього поняття. При цьому константа слабкої взаємодії однакова не лише для всіх видів лептонних процесів, а й у першому наближенні збігається також із константою взаємодії для процесів, що проходять зі зміною дивності [6].

Слабка взаємодія, як і сильна, є короткодіючою. Характерний час для слабкої взаємодії становить 10-10 с.

Вчені вважають, що слабка взаємодія має також обмінний характер і переноситься специфічним векторним мезонним полем. Йому відповідають три сорти заряджених і нейтральних проміжних векторних бозонів: W+, W - і Z°. Для слабкої взаємодії порушуються закони збереження ізотопічного спіну, дивності, парності.

Таблиця 1.1-

Таблиця характеристик елементарних частинок та природа взаємодій

ВзаємодіяНосіїІнтенсивністьРадіус, мПереріз м2Характерний часСильна (ядерна) Глюони1…10……ЕлектромагнітнаФотони1/137?……СлабкаПроміжні бозони… …ГравітаційнаГравітони?…

Електромагнітні та гравітаційні взаємодії спадають обернено пропорційно квадрату відстані між частинками, а тому про якийсь певний радіус дії для них не йдеться. Водночас експериментальний характер залежності ядерних сил від відстані дає змогу визначити радіус їхньої дії - порядку 10-15 м. Ядерні сили в сотні разів інтенсивніші від електромагнітних, проте через малий радіус дії були виявлені зовсім недавно, коли фізичний експеримент дав змогу проникнути в середину атомного ядра. У табл.1.1 наведено основні характеристики всіх взаємодій (q - електричний заряд, В - баріонний заряд, S - дивність, J - ізотопічний спін).

.3 Класифікація частинок за видом взаємодій

Елементарні частинки діляться на наступні групи:

-адрони <#"justify">До калібрувальних бозонів відноситься:

-фотон <#"center">.4 Класифікація частинок за часом життя

Нині відома велика кількість елементарних частинок, які мають різноманітні властивості. Спроби класифікувати їх за деякими загальними ознаками сприятимуть встановленню закономірностей, повязаних з будовою і поведінкою частинок, дадуть змогу передбачити ще невідкриті частинки, як це зробив Д.І. Менделєєв для хімічних елементів.

У табл.1.2 наведено основні відомі елементарні частинки та їхні характеристики. Якщо в основу класифікації частинок покласти спін, то їх можна розділити на дві групи - ферміони і бозони. Якщо ж в основу класифікації частинок покласти масу, то визначаться чотири групи частинок: фотони, лептони, мезони, баріони.

У табл.1.2 наведено назви тільки для частинок. Назву відповідної античастинки для баріонів, нейтральних каонів і всіх видів нейтрино утворюють додаванням до назви частинки приставки "анти". Наприклад, протон - антипротон, електронне нейтрино - електронне антинейтрино. Антиелектрон називають також позитроном. До заряджених піонів і каонів термін античастинка, як правило, не застосовують. Йдеться про позитивні й негативні піони (каони).

Нині відомо пять зарядів, які строго зберігаються: електричний q, баріонний В і три види лептонних зарядів Lе (для ), L? (для ) і L? (для). Характерною особливістю всіх цих зарядів є їхнє цілочислове значення. Кожний із зарядів може бути як позитивним, так і негативним.

Фотони, тобто ?-кванти електромагнітного поля, маса яких дорівнює нулю, а спін дорівнює , беруть участь лише в електромагнітних взаємодіях.

Лептони. Ще донедавна було відомо чотири лептони: два заряджених (е-, ?-) і два їхні нейтральні супутники (, ). Потім було встановлено третій заряджений лептон, якому присвоїли символ ?. Допускається, що ?-лептон також має "власне" нейтрино.

Для лептонів властиві малі значення мас. Серед цих частинок найбільшу масу має ?-лептон, найменшу - електронне нейтрино. Лептони беруть участь лише в електромагнітних і слабких взаємодіях. Усі лептони мають півцілий спін і, отже, описуються статистикою Фермі. Серед них є електрично заряджені (електрон, позитрон, мюони) і нейтральні (електронні й мюонні нейтрино й антинейтрино). Вони мають відмінний від нуля лептонний заряд. Баріонний заряд для них дорівнює нулю.

Електрони - це елементарні частинки, які були виявлені першими при вивченні атомної структури речовини.

Електрон є носієм найменшої порції електричного заряду. Його заряд е = 1,60 ? 10-19 Кл, маса спокою mе =9,11 ? 10-31 кг. Електрону властивий власний момент кількості руху - спін, що дорівнює . Магнітний момент електрона майже дорівнює магнетону Бора:

(1.6)

Знак мінус означає, що магнітний і механічний моменти електрона мають протилежний напрям. Електрони позначаються символом е-. Електрон є стабільною частинкою, яка спонтанно не перетворюється в інші частинки.

Поряд з негативними існують позитивні електрони - позитрони, які відносно електронів є античастинками. Позитрон відрізняється від електрона тільки знаком електричного і електронного лептонного зарядів. Абсолютні значення цих зарядів і всі інші характеристики у позитронів і електронів збігаються. Позитрон є частинкою, стабільною у вакуумі, проте в речовині довго не може існувати внаслідок того, що при зіткненні з електроном вони анігілюють, перетворюються в електромагнітне випромінювання

Мюони. Вперше мюони виявили 1937 р. К. Андерсон і С. Недермейєр у складі космічного випромінювання. Відомо позитивні (?+) і негативні (?-) мюони. Електричний заряд мюонів за абсолютним значенням дорівнює заряду електрона. Негативно і позитивно заряджені мюони виступають відповідно як частинка й античастинка. Маса мюонів становить 206,8 електронних мас, спін їх дорівнює (). Середній час життя нерухомих мюонів ? = 2,15 ? 10-6 с.

У 1948 р. Г.Б. Жданов і А.А. Хайдаров установили, що електрони й позитрони, утворені при розпаді мюонів, які майже втратили швидкість, мають широкий спектр енергії. Середня енергія їх становить близько 35 МеВ, що відповідає 1/3 енергії спокою мюона.

Це означає, що при розпаді мюона крім легкої зарядженої частинки виникає не одне (як при (?-перетворенні), а два нейтрино. Якщо розпад мюона, що припинився, супроводжувався, як вважали спочатку, випромінюванням одного нейтрино, то при одночасному збереженні енергії 106 МеВ і при однаковості імпульсів двох частинок - електрона і нейтрино - енергія всіх електронів розпаду була б однаковою і дорівнювала 53 МеВ. Викидання двох нейтрино з антипаралельними орієнтаціями спінів забезпечує при розпаді мезону збереження спіну .

Нині встановлено, що нейтрино і антинейтрино, які випромінюються разом з позитронами і електронами, відрізняються від нейтрино і антинейтрино, що випромінюються разом з мюонами. У звязку з цим, як зазначалося, розрізняють електронне і мюонне нейтрино і антинейтрино. Виходячи із закону збереження електронного лептонного заряду, схему розпаду ?±-мезонів слід переписати так:

, (1.7)

Якби швидкорухомі мюони мали той самий середній час життя, який спостерігається для нерухомих (що зупинились) мюонів, то середній пробіг мюонів у атмосфері при їхній швидкості, близькій до швидкості світла, не перевищував би 600м. Насправді пробіг мюонів у атмосфері в багато разів більший. Це пояснюється збільшенням тривалості всіх періодичних процесів (сповільненням часу) при русі з великими швидкостями, як це випливає з теорії відносності. Відповідно збільшується і середній час життя будь-якої нестабільної частинки, коли її швидкість наближається до швидкості світла.

Енергія швидких мюонів у космічному випромінюванні становить близько 3000 МеВ, тоді як енергія мюона - 100 МеВ. При такій енергії середній час життя мюона виявляється в 30 разів більшим, ніж середній час життя нерухомого мюона, і становить 6 ? 10-5 с. У звязку з цим середній пробіг мюонів у атмосфері дорівнює 18 км. При такій довжині пробігу слід чекати, що на шляху в 1 км розпадатиметься близько 5 % мюонів. Цей розрахунок підтверджується вимірюванням інтенсивності жорсткої компоненти космічного випромінювання і порівнянням числа швидких мюонів у стратосфері з їхнім числом на рівні моря.

Особливий інтерес становить електронне (?е) і мюонне (??) нейтрино, які мають надзвичайно велику проникну здатність. Вони характеризуються пів цілим спіном і нульовою масою. Останнім часом завдяки експериментам зроблено припущення про наявність у нейтрино маси.

Наведемо приклади реакцій, в яких випромінюється нейтрино:

, (1.8)

де ?е - електронне нейтрино; ?? - мюонне нейтрино. Антинейтрино () народжується в реакціях ?-розпаду природних радіоактивних речовин і в реакціях розпаду мезонів за такою схемою:

, (1.9)

де е - електронне антинейтрино; ? - мюонне антинейтрино. Спін обох видів нейтрино ?е і ?? напрямлений в бік, протилежний напряму швидкості (імпульсу), спін антинейтрино і збігається зі швидкістю їхнього руху.

Мезони - частинки з масою, проміжною між масами лептонів і масами більш масивних частинок - баріонів, належать до наступного класу. Вони беруть участь у всіх трьох видах взаємодії, при цьому сильна взаємодія превалює. Від класу баріонів вони відрізняються відсутністю баріонного заряду, від класу лептонів - відсутністю лептонного заряду. Мезони мають нульовий спін. Вони бувають електрично зарядженими й нейтральними, дивними і звичайними, характеризуються цілим і пів цілим ізотопічними спінами. До групи мезонів належать піони (?-мезони), каони (K-мезони), етон (?-мезон). Мезони, як електрони або протони, існують у двох видах частинок і античастинок.

Існування й нестабільність мезонів були передбачені до їх відкриття квантово-механічною теорією внутрішньоядерних сил, запропонованою японським фізиком X. Юкавою (1935 р.). У теорії Юкави передбачалось, що:

) мезони можуть мати заряд електрона або позитрона;

) їхня маса в 200-300 разів більша від маси електрона;

) мезони нестабільні і мають спонтанно розпадатись на електрон (чи позитрон) і нейтрино;

) середній час життя мезона становить мільйонну частку секунди.

Деякий час фізики ототожнювали мюони з частинками, передбаченими теорією X. Юкави. Проте вивчення їхніх властивостей показало, що у мюонів немає основної властивості частинок Юкави: вони, на відміну від частинок Юкави, ядерно неактивні.

Аналогом частинок Юкави виявилися ?±-мезони (піони), які також мають заряд електрона (?--мезони) або позитрона (?+-мезони). Спін їх дорівнює нулю. Маса ?-мезонів приблизно в 4/3 раза більша від маси мюонів m?± =273,2mе.

Заряджені ?-мезони були відкриті в космічному випромінюванні 1947 р., а 1949 р. їх було одержано в лабораторних умовах (на прискорювачі в Берклі) при зіткненні швидких протонів з протонами і нейтронами:

(1.10)

У 1950 р. було відкрито ?-мезони, що не мають заряду, нейтральні ?0-мезони, які інколи називають нейтретто. їхня маса трохи менша від маси заряджених ?-мезонів: як і заряджені ?-мезони, ?° - мезони мають нульовий спін. (Існування нейтральних ?-мезонів не виявлено.) Як і ?-мезони, ?-мезони є нестабільними частинками і спонтанно розпадаються з дуже малим середнім часом життя. Відповідні вимірювання показали, що середній час життя заряджених ?+-мезонів однаковий і становить 2,6 ? 10-8 с, тобто на два порядки менший, ніж у ?-мезонів. Саме цим пояснюється той факт, що у космічному випромінюванні на рівні моря число ?-мезонів набагато менше від числа ?-мезонів. Заряджені ?-мезони розпадаються за такою схемою:

(1.11)

Отже, внаслідок розпаду ?+-мезонів утворюються ?±-мезони і мюонне нейтрино (або антинейтрино).

Середній час життя ?° - мезона становить 0,76 ? 10-16 с. Нейтральний ?° - мезон розпадається на два фотони:

, (1.12)

Де ?-кванти високої енергії, що виникають при цьому, дають початок каскадному утворенню електронно-позитронних пар.

На відміну від ?-мезонів ?-мезони сильно взаємодіють з атомними ядрами і, проникаючи в них, спричинюють ядерні перетворення. Особливе значення для фізики ядра має можливий віртуальний обмін зарядженими ?-мезонами між різнорідними нуклонами і нейтральними ?°-мезонами між однорідними нуклонами всередині ядра. Виходячи з ідей, які висловили ще 1934 р.І. Є. Тамм, Д.Д. Іваненко, X. Юкава, вважають, що, подібно до фотонів електромагнітного поля,?-мезони зі спіном, який дорівнює нулю, випромінюються і поглинаються нуклонами і є квантами ядерного (мезонного) поля:

,.

,. (1.13)

Поглинання цих мезонів іншими нуклонами приводить до сильної взаємодії між ними, яка реалізується по одній із таких схем:

;

;

; . (1.14)

До групи мезонів належать також K-мезони. Як і ?-мезонам, К-мезонам властивий нульовий спін. Маса їх більша за масу ?-мезонів і становить 966,3mе для заряджених K+-мезонів і 974,5mе для нейтральних K-мезонів (К°) і анти-ка-нуль-мезонів (). K-мезон має елементарний позитивний заряд, а K-мезон - елементарний негативний заряд. Залежно від типу K-мезонів середній час життя змінюється від 10-8 до 10-10 с. Існує кілька схем розпаду K-мезонів. Так, у випадку K-мезона можливі такі види розпадів:

(1.13)

Як зазначалось, ?-мезони можуть бути утворені при ядерних реакціях із частинками високих енергій в потужних прискорювачах; ?-мезони утворюються в результаті перетворення ? - і K-мезонів. K-мезони народжуються з великою інтенсивністю при зіткненнях мезонів або протонів високої енергії з нуклонами. Якщо один із видів частинок, наприклад негативні мезони, назвати частинками, то позитивні мезони будуть античастинками. Можна прийняти і протилежне позначення.

Баріони - масивні елементарні частинки. Вони складаються з двох підгруп - нуклонів і гіперонів. Для них баріонний заряд відмінний від нуля, лептонний заряд дорівнює нулю, і вони є ферміонами. З мезонами їх обєднує здатність брати участь у сильній взаємодії, внаслідок чого мезони і баріони обєднують в групу адронів. Адронами називають усі сильно взаємодіючі частинки [8].

Нуклони. До нуклонів належать протон (р), антипротон (), нейтрон (n) і антинейтрон ().

Протон має масу, що дорівнює 1836,5 електронним масам, тобто mр = 1,672 ? 10-27 кг. Позитивний заряд протона за абсолютним значенням дорівнює заряду електрона, тобто qp =1,60 ? 10-19 Кл.

Спін протона дорівнює , магнітний момент ?p =2,7929?я, де

(1.14)

Протон є однією з найзручніших частинок для прискорення в прискорювачах та використання для ядерних реакцій. Для протона прийнято такі позначення: 11Н або р.

Протон - стабільна частинка. Проте, як показують теоретичні розрахунки, час життя його менший за 1032 років. Експериментально розпад протона не зафіксовано.

Існування антипротона було передбачено теорією Дірака, але експериментальне відкриття його стало можливим тільки через чверть століття після відповідного розвитку техніки прискорювачів заряджених частинок. Він був відкритий наприкінці 1955 р. групою фізиків у складі Е. Сегре, О. Чемберлена та інших при бомбардуванні мідної мішені протонами, прискореними в бетатроні Стенфордського університету до енергії 6,3 МеВ.

Антипротон має масу, що дорівнює масі протона, і заряд, однаковий за значенням і знаком з електроном. Спін антипротона дорівнює Магнітний момент однаковий за значенням з магнітним моментом протона, але має відємний знак, тобто напрямлений протилежно спіну. Отже, ? =2,7929?я. Антипротон позначають символом .

Протон і антипротон, подібно до електрона і позитрона, утворюють систему частинка - античастинка. Якщо в системі електрон - позитрон позитивно заряджена частинка після проходження через речовину швидко анігілює, то в парі частинок протон - антипротон стабільною є саме позитивна частинка - протон. Антипротон, хоч і стабільний у вакуумі, проте в речовині швидко анігілює з протоном, утворюючи ? - і K-мезони і рідше жорсткі ?-фотони. Отже, поряд з електронно-позитронним вакуумом має існувати протонно-антипротонний вакуум. Антипротон відносно протона є античастинкою. Протон є однією з найважливіших складових частинок складних ядер і сам становить ядро атома гідрогену. Разом з електроном протон утворює нейтральний атом гідрогену. Можна уявити собі обернену систему, тобто систему антипротон - позитрон, яка буде за всіма властивостями (оптичними, хімічними, магнітними) аналогічна атомам гідрогену. Це буде анти атом гідрогену.

Елементарна частинка нейтрон має масу майже однакову з масою протона, але не має електричного заряду. Внаслідок цього нейтрону властива велика проникна здатність, оскільки він під час руху в речовині не витрачає енергію на іонізацію, випромінювання тощо. Крім того, через відсутність кулонівського відштовхування нейтрони дуже легко проникають в атомні ядра і тому є дуже ефективними частинками, які спричинюють ядерні реакції з усіма ядрами атомів. Маса нейтрона дорівнює 1838,6 електронним масам, а електричний заряд - нулю. Спін нейтрона дорівнює , а магнітний момент нейтрона ?n =-1,9131?я. Позначають нейтрон символом n: інколи 1n або 10n. Це вказує на те, що його масове число - одиниця, а заряд дорівнює нулю. Нейтрон є нестабільною елементарною частинкою і після його звільнення з атомного ядра через деякий час розпадається. Період піврозпаду нейтрона 16,9 хв. Він розпадається за такою схемою:

(1.15)

де - електронне антинейтрино.

Античастинкою відносно нейтрона є антинейтрон.

Це елементарна частинка з тією самою масою, як і нейтрон, із зарядом, що дорівнює нулю, і спіном Магнітний момент антинейтрона дорівнює за абсолютним значенням магнітному моменту нейтрона, проте протилежний йому за знаком. Антинейтрон позначають символом .

Уперше антинейтрони виявили (1956 р.) американські фізики Б. Корк, Г. Ламбертсон, О. Піччоні, В. Вензель, які спостерігали антинейтрони, що виникли в результаті перезарядження антипротонів, при русі їх через речовину.

Реакція перезарядження полягає в обміні зарядами між нуклоном і антинуклоном за такою схемою:

(1.16)

Вихід цих реакцій дуже невеликий, однак все ж вдається спостерігати виникнення антинейтронів. Відкриття антинейтронів поряд з відкриттям антипротонів є блискучим підтвердженням сучасної теорії елементарних частинок.

Дослідження космічного випромінювання методом фотоемульсій, а також з камерами Вільсона спеціальних конструкцій привели до відкриття важких нестабільних частинок, які названо гіперонами. Маса гіперонів більша від маси нуклонів (протонів і нейтронів), але менша від маси дейтронів. Нуклони і гіперони належать до групи баріонів, тобто важких частинок. їх позначають великими літерами грецького алфавіту. Існують нейтральні й заряджені гіперони, спін їх дорівнює

При деяких зіткненнях піона з нуклоном піон зникав, а замість нього народжувався новий мезон, який назвали K-мезоном, або каоном. Нуклон при цьому перетворювався в нову частинку. Ця нова частинка, як і нуклон, була баріоном. Час життя її був близько 10-10 с. Якщо вона розпадалась, то зявлявся піон і нуклон і все поверталось у вихідний стан, тільки з "додачею" K-мезона.

Порівняно з ядерним часом тривалість життя 10-10 с досить велика, і нові баріони з цієї точки зору можна розглядати як стабільні.

Гіперони народжуються при зіткненні піонів високої енергії з нуклонами. При цьому утворюються, зокрема, ?°-гіперони з масою 2182,75mе, два різних сигма-гіперони з майже однаковими масами (?+ з масою 2327,6mе і ? - з масою 2342,6mе), а також нейтральний сигма-гіперон (?°). Час життя його 10-14с або менший. Маса ?°-гіперона близька до маси ?+ - і ?--гіперонів і дорівнює 2333,4mе. Крім ? - і ?-гіперонів було виявлено й інші гіперони. Незвичними здалися фізикам два ксі-гіперони і , які розпадались так:

(час життя с)

(час життя с) (1.17)

По-перше, незвичним було те, що ксі-гіперони не розпадались відразу на нуклони, а обов'язково спочатку перетворювались в ламбда-гіперон. По-друге, у ксі-гіперона не виявилось позитивно зарядженого антипода. Ксі-гіперони були схожі на пару нуклонів, а не на три сигма-гіперони. Маси їх близькі 2584,7me у і 2572me. у . Незвичною була також поява ксі-гіперонів. Вони народжувались у супроводі двох каонів, наприклад так:

(1.18)

Останній представник гіперонів, який привернув до себе увагу, це ? - (омега-мінус-гіперон), маса якого дорівнює 3278mе, час життя - 1,3 ? 10-10 с. Утворюється він також при зіткненні піона з нуклоном, але в супроводі трьох каонів:

(1.19)

Вперше ?--гіперон виявлено на Брукхейвенському синхротроні 1964 р. при здійсненні реакції:

(1.20)

При цьому було одержано 300 тис. знімків і лише на восьми з них виявлено сліди ?--гіперонів. На цих самих знімках було зафіксовано і розпад ?--гіперонів. ?--гіперон випромінює піон ? - і перетворюється в -гіперон. Ксі-нуль-гіперон, у свою чергу, розпадається на ?°-гіперон і нейтральний піон. Нейтральний піон, як ми знаємо, перетворюється на два фотони, кожний з яких народжує пару електрон - позитрон. ?°-гіперон перетворюється в протон і негативний піон.

Отже, гіперони беруть свій початок від нуклонів. Нуклони є також кінцевими продуктами їхнього розпаду. Саме це дає змогу розглядати гіперони як збуджені нуклони. На користь такої думки свідчить і той факт, що гіперони здатні заміняти нуклони в атомних ядрах, унаслідок чого виникають нестабільні гіперядра.

.5 Античастинка. Антиречовина

Одне з найважливіших досягнень сучасної фізики - відкриття особливої симетрії природи, яка полягає в тому, що в кожної частинки речовини існує "двійник" - античастинка. Вона має ту саму масу і спін, але протилежний знак електричного та інших характерних зарядів. На існування в природі такої симетрії вперше вказав (1928 р.) П. Дірак.

Першою відкритою античастинкою був позитрон (антиелектрон), виявлений 1932 р. у складі космічного випромінювання. Через більш ніж двадцять років в експериментах на прискорювачах високих енергій були відкриті антипротон і антинейтрон. Потім на прискорювачах вдалося спостерігати велику групу нестабільних частинок - антигіперонів. Зокрема, одна з таких частинок - анти-сигма-мінус-гіперон - була відкрита на синхрофазотроні в ОІЯД м. Дубни. Античастинки можуть народжуватися лише в парі зі своїм двійником - звичайною частинкою. Енергія, що витрачається на утворення пари частинки - античастинки, дорівнює 2mс2, де m - маса частинки. Наприклад, у разі народження пари електрон - позитрон витрачається енергія 1,02 МеВ.

Усі ці античастинки належать до класу елементарних частинок. Із теоретичних уявлень випливає, що поряд з елементарними античастинками мають існувати їхні складові системи - антиядра, складовими елементами яких є антипротони і антинейтрони. Більше того, атому кожного хімічного елемента таблиці Д.І. Менделєєва відповідають атоми антиелементів, що складаються з антиядер і антиелектронів (позитронів). Отже, поряд з будь-якою хімічною сполукою звичайної речовини можуть існувати аналогічні хімічні сполуки, побудовані з атомів антиречовини. Інакше кажучи, сучасна теорія припускає, що у Всесвіті можуть існувати ділянки з антиречовиною. Вони відрізняються від звичайної речовини лише тим, що замість електронної оболонки "звичайних" атомів в "антиатомах" оболонка складається з позитронів, а замість атомних ядер містяться відповідні антиядра.

Характерною особливістю взаємодії частинок з античастинками є те, що при зіткненні вони можуть анігілювати, точніше перетворюватись у випромінювання або в частинки меншої маси. Так, позитрон, зіткнувшись з електроном, може перетворитися в два або три ?-кванти, антипротон при зіткненні з протоном - у кілька мезонів, які потім або поглинаються речовиною, або розпадаються. Через реакцію анігіляції "антиречовина" не може стабільно існувати разом із речовиною. В такій "суміші" неперервно знищувалися б частинки і античастинки доти, доки один з її компонентів повністю не "вигорів" би. Оскільки при анігіляції виділяється значна енергія, суміш речовини і антиречовини становить "ідеальне" паливо максимально можливої калорійності. Воно приблизно в тисячу разів калорійніше від палива на основі ядерного поділу. Внаслідок великого енерговиділення при анігіляції речовини і антиречовини гіпотеза існування "антисвітів" (тобто ділянок, що складаються з антиречовини) часто використовувалась астрофізиками для пояснення незрозумілих потужних джерел випромінювання у Всесвіті.

Із введенням в експлуатацію потужних прискорювачів елементарних частинок на енергію в десятки мільярдів електрон-вольтів істотно розширились можливості експериментального вивчення антиречовини. Справа в тому, що для народження античастинок при зіткненні частинок високої енергії важливо, щоб енергія бомбардуючої частинки була досить великою. Наприклад, реальна можливість спостережень антипротонів зявилась тоді, коли було споруджено прискорювачі протонів до енергій 6.10 ГеВ. На прискорювачі, розрахованому на енергії близько 30 ГеВ, було виявлено антидейтерій.

Перше антиядро-антидейтрон одержали 1965 р. американські фізики під керівництвом Л. Ледермана. Можливість же спостерігати антиядро наступного за гідрогеном елемента таблиці Д.І. Менделєєва - гелію відкрилась, по суті, тільки з введенням в експлуатацію Серпухівського прискорювача протонів з максимальною енергією 76 ГеВ. Ядро антигелію складається з двох антипротонів і одного антинейтрона.

Труднощі, які виникли перед експериментаторами, полягали у тому, що ядра антигелію потрібно було шукати серед великої кількості інших частинок, які утворюються при зіткненні частинок високих енергій. їх виділяли з маси інших частинок одночасно за кількома ознаками, зокрема за електричним зарядом, швидкістю руху частинок, які визначались різними методами. Це дало змогу надійно зареєструвати ядра антигелію. За час вимірювання через експериментальну установку було пропущено понад 2 ? 1011 частинок, серед яких виявилося пять ядер антигелію. Відкриття ядер антигелію має велике принципове значення, оскільки воно підтверджує теоретичну концепцію існування антиречовини. А це, у свою чергу, сприятиме глибокому розумінню процесів, які відбуваються у Всесвіті, а також його еволюції.

Якби були можливими накопичення антиречовини, то процеси, які в них можуть відбуватися, не відрізнялись би від тих, що існують у звичайній речовині. Таке накопичення антиречовини, яке за своїми масштабами еквівалентне, наприклад, галактиці, можна назвати антигалактикою.

Можна припустити, що поряд з галактиками існують антигалактики. При зіткненні антигалактик із звичайними космічними утвореннями мають відбуватися грандіозні катастрофи у Всесвіті, які супроводжуються грандіозними вибухами з виділенням величезної кількості випромінювання. Можливо, що цими процесами можна пояснити спалахи нових зірок та інші космічні явища [8].

1.6 Гіпотетичні елементарні частинки

Аксіно - гіпотетична нейтральна елементарна частинка зі спіном 1/2, яку передбачали деякі теоретики фізики елементарних частинок. Теорія Печчеї - Квінн намагається пояснити спостережуване явище, відоме як сильна CP-проблема, шляхом введення гіпотетичних реальних псевдоскалярних частинок, так званих аксіонами <#"14" src="doc_zip100.jpg" /> як ~ 1/V.

В оригінальній теорії Печчеї-Квінн V ~ 100 ГеВ <#"17" src="doc_zip101.jpg" /> - і -частинок. В модифікованій теорії в рамках Великого об'єднання <#"center">2. Матеріали та методи дослідження

.2 Методи дослідження характеристик елементарних частинок. Прискорювачі

У сучасних ядерних дослідженнях основними джерелами частинок високих енергій є прискорювачі, в яких дістають пучки електронів, протонів, а частинок і важких іонів, а також зустрічні пучки електронів та позитронів і зустрічні пучки протонів та антипротонів. При бомбардуванні мішені частинками цих пучків внаслідок ядерних перетворень утворюються інші частинки. Якщо таких частинок достатньо і вони піддаються керуванню, то з них формують вторинні пучки нових частинок (піонів, каонів та ін.). Збільшення енергії заряджених частинок у прискорювачах відбувається внаслідок дії на них електричного поля. За способом розгону частинок прискорювачі можуть бути нерезонансними або резонансними. За формою траєкторії руху прискорюваних частинок прискорювачі поділяють на лінійні і циклічні.

Прискорювачі - це досить складні установки. За обладнанням і принципом дії вони відносяться до фізичної електротехніки і радіотехніки надвисоких частот. Роль прискорювачів у ядерній фізиці і особливо у фізиці елементарних частинок вирішальна. Крім застосування у фізиці, прискорювачі широко використовуються в хімії, біофізиці, геофізиці, медицині та в багатьох інших галузях науки і техніки [10].

Першим прискорювачем, який ще з початку 30-х років XX століття мав практичне застосування в ядерній фізиці, є електростатичний генератор Ван-де-Граафа. Звичайні генератори Ван-де-Граафа дають можливість одержати напругу до 2-5 МВ, а модифіковані - до 15-20 МВ.

Розглянемо фізичні основи, на яких грунтується дія прискорювачів.

2.2 Лінійні резонансні прискорювачі

У найпростішому лінійному прискорювачі заряджені частинки приводяться в прискорений прямолінійний рух під дією високої електричної напруги, прикладеної на кінцях або окремих ділянках вакуумної трубки (рис.1.1.). На одному кінці трубки міститься джерело заряджених частинок 1, а на другому - мішень 2. Проміжні електроди у вигляді пустотних циліндрів забезпечують рівномірніше падіння потенціалу вздовж трубки і запобігають виникненню розрядів на її кінцях.

Щілини між електродами фокусують пучок заряджених частинок

Рис. 1.1 Схема лінійного резонансного прискорювача.

Тому електричне поле має бути досить сильним. Для його створення використовують високовольтні генератори (електростатичний генератор Ван-де-Граафа, імпульсний генератор, каскадний генератор сталості напруги). Такі лінійні прискорювачі є нерезонансними.

У лінійних резонансних прискорювачах використовується високочастотна змінна напруга, а рух частинки синхронізується із змінами напруги. У циліндричній вакуумній трубці розташовано трубчасті електроди. Ці електроди з'єднані через один між собою, і на них подається змінна напруга. Нехай у деякий момент часу потенціали електродів визначаються верхніми знаками "+" або "-", а напрям електричного поля - верхніми стрілками.

Вважатимемо, що прискорюваними частинками є протони, які влітають у прискорювач зліва і рухаються всередині першої трубки-електрода. При русі протона в щілині між електродами 1 і 2 відбувається його прискорення. Потім прискорювана частинка рухається всередині другої трубки-електрода. Пролітаючи в ній, протони не зазнають дії ніяких сил, оскільки електричне поле всередині металевої трубки, як і всередині будь-якого провідника, відсутнє. Продовжуючи свій рух, протони знову потрапляють у щілину між електродами 2 і 3. Якби поле було сталим у часі, то, пролітаючи у щілині, протони втратили б усю енергію, яку одержали у першій щілині. Однак за той час, протягом якого частинки пролітають другим електродом, потенціали на електродах змінюються так, що напрям електричного поля і потенціали визначаються нижніми знаками (рис.2). і За такої умови протони у другій щілині знову прискорюватимуться і їхня енергія зростатиме. Ідея цього методу прискорення полягає в тому, що напруга змінюється за той час, поки протони знаходяться всередині тієї чи іншої трубки. Такий метод прискорення називають резонансним. Довжина трубчастих електродів із ростом їх номера в цих прискорювачах збільшується. Оскільки частинки рухаються в кожному наступному електроді з наростаючими швидкостями, то вони мають пролітати всі трубчасті електроди за той самий час, який дорівнює половині періоду змінної прискорюючої напруги (або непарному числу півперіодів). Лінійні резонансні прискорювачі протонів застосовуються в основному як перший ступінь прискорення (інжектори) у циклічних прискорювачах [11].

Лінійні резонансні прискорювачі електронів істотно відрізняються від протонних. Для прискорення електронів застосовують так звані "прискорювачі з біжучою хвилею". У них електрон весь час перебуває біля гребеня такої хвилі і безперервно прискорюється.

Незважаючи на те що лінійні прискорювачі не можуть надавати частинкам таких великих енергій, які тепер використовуються в атомній фізиці, вони поки що залишаються важливими установками в ядерних дослідженнях [12].

2.3 Циклічні прискорювачі

У циклічних прискорювачах використовується спільна дія на заряджену частинку електричного і магнітного полів. Електричне поле прискорює частинки, а магнітне утримує їх на певній траєкторії і багато разів повертає у прискорююче поле. Циклічні прискорювачі, як і лінійні, поділяються на нерезонансні і резонансні.

До нерезонансних циклічних прискорювачів належить бетатрон, який використовується для прискорення р-частинок (електронів). Теорію бетатрона розробив у 1940 р. радянський фізик Я.П. Терлецький, а в 1940-1941 рр. у США Д. Керст збудував перший бетатрон, який давав змогу прискорювати електрони до енергій 2-3 МеВ. На рис. 3 показано схематичний переріз бетатрона (1 - полюсні наконечники; 2 - переріз вакуумної тороїдальної трубки; 3 - центральний сердечник; 4 - обмотка електромагніту; 5 - ярмо магніту).

Як відомо, змінне магнітне поле створює вихрове електричне поле, лінії напруженості якого являють замкнені криві, що охоплюють лінії магнітної індукції. Таке вихрове електричне поле використовується для прискорення електронів у тороїдальній трубці. Під час посилення магнітного поля у трубку вводять електрони. Їх підхоплює вихрове електричне поле і розганяє до високих енергій. Через чверть періоду зміни сили струму в електромагніті напруженість магнітного поля досягає максимуму і прискорення електронів припиняється. За цей час електрони набувають енергію до 300 МеВ. Максимальна енергія електронів, прискорених у бетатроні, може досягати 500 МеВ. Дальшому зростанню їх енергії перешкоджають значні витрати її на електромагнітне випромінювання електронів, що рухаються по викривлених траєкторіях.

Залежно від характеру прискорюючого поля і керуючого магнітного поля циклічні резонансні прискорювачі поділяють на циклотрони, фазотрони, синхротрони та синхрофазотрони.

Розглянемо принцип дії деяких циклічних резонансних прискорювачів. Першим циклічним резонансним прискорювачем був циклотрон, який сконструював у 1930 р. Е. Лоурено. В однорідному магнітному полі у вакуумній камері розміщено два порожнистих D-подібних електроди - дуанти 1 і 2 (рис. 3). У центрі між ними вмонтовано вертикальну трубку А, через яку вводяться позитивно заряджені іони. Дуанти підключено до генератора змінної електричної напруги. У щілині між дуантами виникає електричне поле то прямого, то протилежного напрямів. Нехай з джерела іонів А вилітає позитивний іон у той момент, коли дуант 1 має позитивний потенціал, а дуант 2 - негативний.

Рис. 1.2 Циклічний резонансний прискорювач.

Рис. 1.3 Циклічний резонансний прискорювач.

Позитивний іон під дією електричного поля зазнає прискорення і влітає в порожнину дуанта 2. У порожнині дуанта 2 під дією магнітного поля іон перейде на колову орбіту. Радіус орбіти R знаходимо за умови, що роль доцентрової сили відіграє сила Лоренца, тобто:

q?B = m?2/R, тоді R=m?/qB, (2.1)

де q,m і ? - відповідно заряд, маса і швидкість іона.

Якщо за час, протягом якого іон у дуанті опише півколо і підійде до щілини, напрям електричного поля зміниться на протилежний, то поле знову прискорюватиме його. Такий механізм прискорення зарядженої частинки в циклотроні можливий тільки за умови, що її рух відбувається синхронно (в резонансі) із зміною напруги між дуантами, тобто період змінного електричного поля збігається з періодом Т колового руху іона в дуантах. Оскільки ? = 2?R/Т, то умова синхронізації має вигляд:

Т0 = Т = 2?m/qB. (2.2)

Прискорення позитивних іонів у циклотроні можливе доти, поки частинки рухаються в резонанс з прискорюючим полем, тобто поки не проявляються релятивістські ефекти залежності маси від швидкості. За допомогою циклотронів можна прискорювати протони, дейтрони, іони гелію до енергій 10÷20 МеВ. При значному збільшенні швидкості частинки її маса помітно збільшується і рівняння синхронізації порушується [13].

У 1944-1945 рр. радянський вчений В.І. Векслер і незалежно від нього американський вчений Е. Макміллан відкрили досить важливе фізичне явище, яке було названо механізмом автофазування. Він діє у резонансних прискорювачах і дає змогу досягнути також і релятивістських енергій:

Рис. 1.4 Прискорювач з однорідним магнітним полем.

Механізм автофазування полягає в тому, що при досить повільній зміні з часом частоти прискорюючого поля ?2 (t) і середнього значення індукції магнітного поля (t) енергія частинки автоматично набирає значення, близьке до резонансного. Для з'ясування принципу автофазування, як приклад, розглянемо прискорювач з однорідним магнітним полем, прискорююча напруга якого змінюється за законом косинуса.

Нехай ?0 - "рівноважна фаза", тобто фаза частинки, що перебуває в резонансі з прискорюючим полем. Якщо частинка випадково потрапляє у фазу ?1>?0, то вона дістає енергію меншу, ніж при ?=?0 (рис.1.4), період ЇЇ обертання відповідно до (3.2) зменшиться, частинка відставатиме по фазі, тобто ЇЇ фаза наближатиметься до рівноважної фази ?0. Навпаки, частинка, яка відстала (?2 < ?0), дістає більшу енергію, ніж при ?= ?0, її період збільшується, вона прийде до щілини між прискорюючими електродами пізніше і, отже, наблизиться до рівноважної частинки. Відкриття принципу автофазування привело до створення нових типів циклічних резонансних прискорювачів.

Як зазначалось, при зростанні енергії прискорюваної частинки рівняння синхронізації порушується і наступне прискорення частинки припиняється. Відповідно для збільшення енергії частинки у прискорювачі при збереженні синхронізації необхідно нарощувати магнітне поле. Прискорювач, в якому режим прискорення частинок підтримується зміною магнітного поля, називається синхротроном. У таких прискорювачах частота прискорюючого поля ?2 стала. Синхротрон використовується для прискорення електронів.

Інший метод автофазування полягає в тому, що для збереження синхронізації повільно змінюють частоту прискорюючого електричного поля ?2 відповідно до зміни маси частинки, а магнітне поле залишається незмінним. Такий прискорювач називають фазотроном. Він працює в імпульсному режимі і використовується для прискорення протонів та іонів. Прискорювач, в якому поєднуються принципи дії синхротрона і фазотрона, називають синхрофазотроном [14].

Максимальна енергія протонів, досягнута на синхрофазотроні (США), - 500 ГеВ, в ЦЕРН (Швейцарія) - 450 ГеВ. У СРСР біля Серпухова працює синхрофазотрон з енергією протонів 76 ГеВ.

Рис. 1.6. Схема установки на зустрічних протон-протонних пучках.

Для ефективного підвищення енергії частинок тепер широко застосовуються установки із зустрічними пучками. Найпоширенішими є установки на електрон-позитронних, протон-протонних і протон-антипротонних пучках. Такі установки називають коллайдерами. Перший електронний прискорювач на зустрічних пучках був введений у дію в Новосибірську (1967р.). Енергія частинок у кожному пучку становила 0,16 ГеВ. Відповідно до розрахунків для еквівалентного прискорювача з нерухомою мішенню це відповідає Е = 100 ГеВ. Планується введення в дію у Новосибірську прискорювача на зустрічних електрон-позитронних пучках, у якого енергія частинок кожного пучка 1000 ГеВ. Це відповідатиме енергії частинок прискорювача з нерухомою мішенню Е = 4 109 ГеВ.

На (рис.1.6.) показана схема установки на зустрічних протон-протонних пучках (ЦЕРН, енергія частинок кожного пучка 31 ГеВ, Е = 2 103 ГеВ). Прискорювальна система складається з інжектора І (лінійного прискорювача), бустера В (малого прискорювача) і потужного синхрофазотрона СФ. Система формує пучок протонів з енергією 31 ГеВ Біля прискорювача розташовано два накопичувальних кільця НК, у яких трохи деформовані кола діаметром 300м перетинаються 8 разів під кутом 15°. Протони вводяться в кільця по черзі каналами 1 і 2 протягом 30 хв до досягнення сили струму 30 А. Після цього синхрофазотрон від'єднується. Тиск доведений до 109 Па. Це дає змогу зберігати зустрічні протонні пучки протягом кількох діб. Пучки зазнають зіткнень у місцях перетину кілець, де й відбувається реєстрування подій. Тепер розробляються проекти установок із зустрічними протон-антипротонними пучками на кілька десятків ТеВ. Провадяться також пошуки нових принципів прискорення елементарних частинок. Вважають перспективним колективний метод прискорення, при якому поля, що прискорюють частинки, створюються не зовнішніми радіотехнічними засобами, а за допомогою інших груп заряджених частинок.

Ведуться роботи по створенню прискорювачів з електромагнітами з високотемпературних надпровідників та кібернетичних прискорювачів.

Всі нейтральні частинки, у тому числі і нейтрони, неможливо прискорювати і фокусувати електромагнітними полями. Такі частинки утворюються тільки під час ядерних реакцій. Джерела нейтронів поділяють на три групи: джерела, в яких нейтрони виникають внаслідок радіоактивних випромінювань; джерела, в яких нейтрони створюються частинками, що вилітають з прискорювачів; ядерні реактори.

Для дослідження взаємодії одних частинок з іншими перші направляють у вигляді пучка частинок певних енергій на інші, які знаходяться в спеціальних пристроях, їх називають мішенями. Дослідженню підлягають частинки, які вилітають з мішені. Мішені можуть бути розміщені як всередині камери прискорювача, так і за її межами. Часто мішенню є робоча речовина самого детектора [15].

3. Результати та їх обговорення

Згідно сучасних уявлень у фізиці елементарних частинок,що базується на експериментальних дослідженнях, реалізованих у різних наукових лабораторіях (APS, CERN, та ін.) вважається встановленим той факт що стандартна модель яка перевірялась протягом більш них 50 років є доведеним фактом.

Станом на 2013 рік перелік елементарних частинок та їх класифікація здійснюється згідно стандартної моделі. Останнім тріумфом незаперечної правильності стандартної моделі є експериментально встановлене існування бозона Хіггса.

Незважаючи на велику кількість елементарних частинок ті їх класифікацію повна класифікація у літературі повністю не приводиться. За виключенням дуже спеціалізованих систематизованих видань для спеціалістів з ядерної фізики (NNDC, DPG та ін.). Такий стан речей викликає труднощі у процесі вивчення у предметі ядерна фізика як у студентів, так і у науковців, повязаних з фізикою ядерних частинок. Крім того загальна кількість елементарних частинок часто змінюється та поповнюється, що вносить додаткові труднощі у сприйнятті нової інформації, тому метою роботи було провести найбільш детальний аналіз та класифікацію елементарних частинок станом на 2013 рік. А також провести характеристики на енерго-часових діаграмах.

.1 Бозони

Частинки які підкоряються розподілу Бозе-Ейнштейна (1.3) який описує частинки з цілим або нульовим спіном. Згідно С.М. ці частинки є перенощиками різних взаємодій, тобто є квантами поля, тому їх класифікують за видами взаємодії що вони переносять. Згідно цієї класифікації таблиця (3.1) електромагнітну взаємодію здійснює фотон який переносить заряд, тому часто фотон, або гамма-квант, розглядається як джерело іонізуючого випромінювання.

Таблиця 3.1-

Основні характеристики бозонів

ЧастинкаСимволТип частинкиВзаємодіяМаса, МеВЧас життя, сСпін в ћХігс-бозонH0бозон1144000Зет-бозонZ0калибр бозонСлабка91187,62,64E-251Дубль-Ве-бозонW (+ - ) калибр бозонСлабка803993,16E-251Фотон?калибр бозонел-маг, грав. 1E-24?1Глюонgкалибр бозонСильнаГравитонGкалибр бозонгравітаціна0?2Хігс-плюсминус-бозонH (+ - ) бозон79300Дубль-Ве-штрих-бозонW'бозон1000000Зет-штрих-бозонZ'бозон1030000

Така взаємодія здійснюється згідно квантової електродинаміки шляхом обміну віртуальними лептонами з елементарними частинками. Згідно літературних даних фотон це без масова частинка, яка була теоретично доведена Планком у 1900 року та Ейнштейном у 1905-1907 роках. Остаточного підтвердження ця теорія здобула у 1923 році. Фотон має два спінові стани з проекціями спіну на напрямки руху (спіральність) ±1. Класичною аналогією цієї квантової характеристики відповідає коловій правій та лівій поляризації електромагнітної хвилі.

Фотону як квантовій частинці властивий корпускулярно-хвильовий дуалізм, тобто прояв властивостей частинок і хвиль. Швидкість фотону який є калібровочним бозоном у вакуумі складає с (с=299792458 м/с) і є максимальною швидкістю згідно теорії відносності Ейнштейна.

Для частинок що мають електромагнітну та гравітаційну взаємодію є характерним анігіляція або утворення пари частинок - античастинок за участю фотона (гама кванту). Фотони є безпосередніми учасниками таких процесів як фотоефект, ядерний фото розпад, ефект Комптона.

Згідно теорії електрослабкої взаємодії слабка взаємодія і електромагнітна взаємодія на початку утворення всесвіту мали однакові характеристики і по суті були перенощиками слабкої взаємодії, але через деякий швидкоплинний період електромагнітна і слабка взаємодія розділилась у наслідок того, що фотон не взаємодіє з бозоном Хігсса (безмасовий), а калібровочні слабкі бозони взаємодіяли і отримали значну масу табл. (3.1).

Слабкі колібровочні бозони (weak) переносять квантову характеристику, яку по аналогією з електромагнітною взаємодією можна порівняти з слабким зарядом. Аромат - квантова характеристика що притаманна кваркам, яка може змінюватися під впливом або z - бозона, тобто один тип кварку змінюється на інший.

Проявом слабкої взаємодії є різні типи бета розпаду. Крім того слабка взаємодія характерна для інших типів розпаду елементарних частинок.

Слабкі калібровочні бозони приймають участь у слабкій і гравітаційній взаємодіях, а W-бозон у електромагнітній. Електричний заряд для дорівнює е а для z 0 Кольоровий заряд 0 спін 1 кількість спінових станів 3. Відкритий у ЦЕРНі в 1983 році.

Випромінювання або w - бозону може підвищити або знизити електричний заряд частинки що випромінює на 1 і змінити спін на 1.бозон може змінювати генерацію частинок. Перетворювати "с" кварк на "u" кварк. - бозон не може змінювати будь який заряд а тільки спін і імпульс, тому він не змінює ні генерацію, ні аромат частинки яка його випромінює. Свою назву W-бозон отримав від слова weak, що означає слабкий а - бозон від слова zero що означає нульовий по підношенню до його заряду.

Глюони

Глюон також є перенощиком слабкої взаємодії. Результатом взаємодії з яким змінюється квантовий кольоровий стан кварку. Тобто глюон це векторний калібровочний бозон який безпосередньо відповідає за сильну кольорову взаємодію між кварками і описується квантовою хромодинамікою. Глюон приймає участь у сильній та гравітаційній взаємодії. Теоретично обґрунтував Гелл-Ман та

Цвейг у 1964 році, а експериментально встановлено існування вже у 1979 році.

Таблиця 3.2-

Можливі комбінації глюонів

сз

Існує 8 типів глюонів. Див тал. (3.2) згідно цієї таблиці глюон має одночасно два квантових кольори. Колір один та антиколір два. При взаємодії з кварком наприклад з кварком у стані зелений глюон з антизеленим і синім кольором спочатку робить кварк безколірним, а потім "фарбує" його в синій.

Завдяки такий неперервній взаємодії глюонів з кварками, кварк є весь час зайнятим і тому не може покинути межі частинки частину якої він складає. Це явище називається "в'язниця" яке є сутністю сильної взаємодії, що не дозволяє кваркам бути вільними. І створює можливість їх існування лише в складі трьох різних кварків або системи кварк - антикварк.

Три кварки баріони, а кварк анти кварк мезони.

У середині сильно взаємодіючої частинки (адрона) кварки і глюони є відносно рівними і утворюють кварк - гюонну плазму. Маса і електричний заряд глюона дорівнює 0, спін 1, а кількість спінових станів 2.

Свою назву глюон отримав від англійського слова gluve - клей. Опис гіпотетичної частинки яка як вважають відповідає за гравітаційну взаємодію і називається гравітон виходить за рамки стандартної моделі. Це частинка є калібровочним бозон що гравітаційно взаємодіє. Можливі і інші типи взаємодії, наприклад темна, існування якої не доведено. Маса частинки і електричних заряд дорівнює 0, а спін 2 з двома можливими напрямками поляризації.

Незважаючи на це пошуки існування гравітону підтвердженням чого є дослідження Гарвард - Смітсонівського центру астрофізики що підтверджують квантову теорію гравітації (2014).

Бозон Хіггса

Бозон Хіггса - гіпотетична масивна без спінова частинка, квант відповідного (хіггсового) поля, що виникає в теоретичних моделях із спонтанним порушенням симетрії (в тому числі і в стандартної моделі) і відповідального за виникнення мас у елементарних частинках.

Стандартна модель передбачає, що існує ще одне поле, яке практично невіддільне від порожнього простору. Його прийнято називати полем Хіггса (за прізвищем англійського теоретика Пітера Хіггса). Вважається, що весь простір заповнений цим полем, і що частинки набувають масу шляхом взаємодії з ним. Ті з них, які сильно взаємодіють з полем Хіггса, є важкими частинками, а слабо взаємодіючі - легкими. Цей ефект аналогічний ефекту руху тіла в в'язкої рідини, коли воно за рахунок взаємодії з рідиною набуває додаткової ефективну масу. Ще один приклад - електрон в кристалі. Через електромагнітну взаємодії з атомами кристалічної решітки електрон набуває ефективну масу, відмінну від маси вільного електрона.

Одне з найважливіших завдань сучасної фізики - виявлення хіггсовських частинок і вивчення їх властивостей. Існування бозонів Хіггса надзвичайно важливо для фізики елементарних частинок. За сучасними теоретичними уявленнями, хиггсовских бозони мають пряме відношення до концепції походження мас елементарних частинок - фундаментального питання фізики. Примітно, що це питання не піднімалося до появи Стандартної моделі.

В силу корпускулярно-хвильового дуалізму полю Хіггса повинна відповідати, принаймні, одна частинка - квант цього поля, звана часткою Хіггса або хіггсовським бозоном. Вважається, що хіггсовський бозон має нульовий спін. Експериментальне спостереження хіггсовського бозона було б одним з найбільших наукових відкриттів XXI століття.

Існують чотири основні канали народження хіггсовського бозона в зіткненні партонів з двох зустрічних протонів:

Народження в злитті глюонів: gg ? H. У ультрарелятивістському протоні глюони (з потрібною кінематикою) переважають над іншими Партонами, тому це домінуючий канал народження. Цей процес виявився досить важким для розрахунку тому, що поправки високого порядку виявилися не малі, проте після декількох років роботи вони обчислені з хорошою точністю.

Народження в злитті векторних бозонів WW ? H або ZZ ? H. Віртуальні векторні бозони, які випромінюються і поглинаються кварками, можна теж розглядати як Партон, яких, правда, в протоні надзвичайно мало. Проте вони дуже сильно (набагато сильніше, ніж самі кварки) пов'язані з хіггсовських бозоном, тому перетин цього процесу всього в декілька разів менше, ніж злиття глюонів.

Асоціативне народження разом з W-або Z-бозоном. Цей процес часто називають також Higgsstrahlung ("гальмівне випромінювання бозона Хіггса" - за аналогією з bremsstrahlung, гальмівним випромінюванням фотонів).

Асоціативне народження разом з топ-кварками. Цей процес можна уявити собі як народження двох топ-кварк-антикваркових пар, причому кварк і антикварк з різних пар потім зливаються, породжуючи хіггсовський бозон. Перетин цього процесу ще менше, але він володіє своєю специфічною сигнатурою (картиною розпаду в детекторі), яку можна використовувати для пошуку хиггсовского бозона.

.2 Ферміони

Згідно статистичної фізики ферміони це частинки що мають спін кратний напівцілому і під контролюються статистиці Фермі-Дірка. Якщо бозони це частинки поля, то ферміони це частинки матерії. По відношенню до фундаментальної взаємодії всі частинки стандартної моделі поділяються на лептон, адрони і кварки.

Лептони

Лептони йде від слова легкий. Входять у клас фундаментальних ферміонів (разом з кварками). Вони складають клас фундаментальних ферміонів з яких складеться речовина і в яких відсутня внутрішня структура (станом на 2013). Ферміони складаються з трьох генерацій (поколінь) таблиця (3.3).

Таблиця 3.3-

Основні характеристики лептонів

НазваСимволМасаСпінЧас життяЕлектроне, е9,10938 (40) ·10?31 кг 0,51099898 МеВ/c² (1/2) ? (не менее 4,6·10^26 лет) Позитроне+9,1093826 (16) ·10?31 кг 0,51098910 (13) МеВ/c² (1/2) ? (не менее 4,6·10^26 лет) Продовження таблиці 3.3Мюон? (??) 105,6583715 (35) МеВ (1/2) 2, 19703 (4) ·10?6 cТау-лептон 1,77682 (16) ГеВ (1/2) 2,9·10?13 сЕлектронне нейтрино?eменьше 0,28 МеВ, але не 0 (1/2) 10·1013 с10·1013 сМюонне нейтрино??меньше 0,28 МеВ, але не 0 (1/2) 10·1013 сТау-нейтрино??меньше 0,28 МеВ, але не 0 (1/2) 10·1013 с

Електронне нейтрино, тау лептон, тау лептонне нейтрино і т.д. Які відрізняються за масою і у результаті розпаду перетворюються один у одного.

Рис. 3.2 Графік залежності часу життя від енергії для лептонів.

Електрони мюони і таони взаємодіють електромагнітно, слабко та гравітаційно, а нейтрино тільки слабко і гравітаційно. Для нейтрино також характерне перетворення одного типу в інший які називаються нейтринними осциляціями. Проблема нейтринних осциляцій розвязується якраз у даний час і до кінця не вирішена, хоча останні дослідження вказують на можливість усіх типів нейтринних осциляцій. Деякі вчені висловлюють думку що таон і мюон є збудженими станами електрона за масою, або за енергією. Тому вони у результаті розпаду перетворюються у стабільний електрон.

В підтвердження таких стверджень нами приведено залежність енергії лептона від часу його життя (рис 3.2.) з якої видно що при зменшенні енергії лептона час його життя збільшується. Тому на наш погляд такі ствердження є обґрунтовані.

Відомо що всі перетворення лептонів здійснюються у відповідність з законом збереження лептонних зарядів. Співвідношення мас лептонів відповідає формулі Коїде і формулі Борутта.

Кварки

Кварки разом з лептонами складають сімю фундаментальних ферміонів з яких складається матерія і які не мають внутрішньої структури (станом на 2013 рік). Кварки також складають з трьох поколінь (генерацій) див таблицю (??). Кварки приймають участь у всіх елементарних взаємодіях: слабка, сильна, електромагнітна і гравітаційна. Особливість кварків полягає в тому що їх заряд кратний е\3. І складає - 1/3 е або +1/3 е Кварки не спостерігаються у вільному стані. Точковий масштаб розмірів менше метра. Всі сильно взаємодіючі частинки (адрони) складаються з кварків.

Таблиця 3.4-Основні характеристики кварків

НазваПоколінняАнтичастинка МасаЕлектричний зарядспін u-кварк першеu-антикварк 1.7 - 3.3 МеВ 1/3 1/2d-кварк першеd-антикварк 4.1 - 5.8 МеВ - 1/3 1/2с-кваркдругес-антикварк 1.27 ГеВ 2/3 1/2s-кварк другеs-антикварк 101 МеВ - 1/3 1/2t-кварк третєt-антикварк 172.0±2.2 ГеВ 1/3 1/2b-кварктретєb-антикварк 4.19 ГеВ - 1/3 1/2

Кварки мають 6 ароматів див таблицю (3.4) які можуть змінюватись під впливом слабкої взаємодії. Для кварків характерна наявність конфайменту, що реалізується у результаті сильної взаємодії з глюонами. Кварки у різній модифікації є складовими частинами двох типів адронів: баріонів (сполучення трьох кварків) і мезонів (сполучення кварку і антикварку).

Рис. 3.3 Адронні струми

Кваркова модель буда запропонована Гелл-Ман і Цвейгом і на сьогодні пояснює існування всіх адронів. Існування кварків підтверджено експериментально з досліду адронних струмів. Існування яких вважається експериментально встановленим фактом.

.3 Адрони

Адрони е частинки для яких характерна сильна взаємодія. Назва адрони з грецької "масивний" запропоновано Окунем у 1962 році. Поділяють на дві основні групи. Баріони що складаються з трьох кварків і трьох кольорів які утворюють безкольорову комбінацію і мають на пів цілий спін тобто є (складеними) ферміонами таблиця (3.3) куди відносять нуклони що складають ядро атома, гіперони.

Другою групою частинок є мезони що складаються з кварку та антикварку. До мезонів відносяться піони, каони, та інші важкі мезонии. Вони мають цілий спін тобто є складеними бозонами.

Для обох підвидів адронів характерне існування частинок з малим часом життя менше секунді що називають резонансом. У звязку з тим що адрони складають найбільш широкий клас частинок більше 300.

На їх класифікації зупинимось більш детально.

Баріони

Основні баріони приведені у таблиці (3.6)

Майже для всіх баріонів приведених у таблиці відомі основні характеристики, в тому числі і для гіперонів. Незважаючи на певну відмінність характеристик баріонів нами запропонований їх ілюстрований розподіл за масою та часом життя рис (3.3.).

Таблиця 3.6-

Основні баріони та їх характеристики

ЧастинкаСимволМаса, МеВЧас життя, сІзоспін IЭн-одиннадцать-барионN11 (+ - 0 ~) 26501,01263E-24 1/2Эн-семь-штрих-барионN7' (+ - 0 ~) 21901,31642E-24 1/2Эн-девять-штрих-барионN'9 (+ - 0 ~) 22751,27808E-24 1/2Эн-один-барионN1 (+ - 0 ~) 14452,02527E-24 1/2Дельта-три-штрих-барион?3' (++,+,0,-) 16251,88061E-241 1/2Эн-девять-барионN9 (+ - 0 ~) 22501,54873E-24 1/2Дельта-пять-штрих-барион?5' (++,+,0,-,) 19601,82837E-241 1/2Дельта-пять-барион?5 (++,+,0,-,) 18901,96481E-241 1/2Дельта-три-дваштриха-барион? (1700) D3317102, 19404E-241 1/2Дельта-одинадцать-барион?11 (++,+,0,-,) 24001,64553E-241 1/2Дельта-семь-барион?7 (++,+,0,-,~) 1932,52,30952E-241 1/2Эн-три-барионN3 (+ - 0 ~) 17252,92539E-24 1/2Дельта-один-дваштриха-барион?"1 (++,+,0,-,~) 18952,86179E-241 1/2Эн-барионN (1650) S111652,53,98916E-24 1/2Эн-один-штрих-барионN1' (+ - 0 ~) 15354,38808E-24 1/2Дельта-барион? (++,+,0,-,) 12325,57807E-241 1/2Дельта-один-штрих-барион?1' (++,+,0,-) 16304,53939E-241 1/2Эн-штрих-пять-барионN (1675) D1516754,46245E-24 1/2Эн-один-дваштриха-барионN"1 (1710) P1117104,38808E-24 1/2Эн-пять-барионN5 (+ - 0 ~) 16855,06317E-24 1/2Эн-три-штрих-барионN3' (+ - 0 ~) 15205,72358E-24 1/2Эн-три-дваштриха-барион N3" (+ - 0 ~) 17006,58212E-24 1/2Нейтронn939,565346885,7 1/2Протонp938,2720135E+32 1/2Сигма-плюс-гиперон?+11890.80·10-101/2+ (1) Сигма-нуль-гиперон?011937.4·10-201/2+ (1) Сигма-мінус-гиперон?-11971.5·10-101/2+ (1) Ксі-нуль-баріон?013152.9·10-101/2+ (1/2) Ксі-мінус-баріон?-13211.6·10-101/2+ (1/2) Омега-мінус-баріон ?-16720.82·10-103/2+ (0) дельта-плюс-плюс-баріон?++1230-1234115-1253/2+ (3/2) дельта-плюс-баріон?+1230-1234115-1253/2+ (3/2) дельта-нуль-баріон?01230-1234115-1253/2+ (3/2) дельта-мінус-баріон??1230-1234115-1253/2+ (3/2) Сигма-плюс-гиперон (1385) ?+ (1385) 1383363/2+ (1) Сигма-нуль-гиперон (1385) ?0 (1385) 1384363/2+ (1) Сигма-мінус-гиперон (1385) ?- (1385) 1387393/2+ (1) Ксі-нуль-баріон (1530) ?0 (1530) 15329,13/2+ (1/2) Ксі-мінус-баріон (1530) ?- (1530) 15359,13/2+ (1/2) Ен-баріон (1440) N (1440) 1430-1470250-4501/2+ (1/2) Ен-баріон (1440) N (1440) 1430-1470250-4501/2+ (1/2) Ен-баріон (1520) N (1520) 1515-1530110-1353/2- (1/2) Ен-баріон (1520) N (1520) 1515-1530110-1353/2- (1/2) Сигма-плюс-плюс-чарівний-баріон24531/2+ (1) Сигма-плюс-чарівний-баріон24541/2+ (1) Сигма-нуль-чарівний-баріон24521/2+ (1) Лямбда-нуль-баріон1115.68±0.0061/2+ (0) Лямбда-плюс-чарівний-баріон22852.0·10-131/2+ (0) Лямбда-нуль-красивий-баріон5620.2±1.61.409±0.055·10-121/2+ (0) Лямбда-плюс-правдивий-баріон - - 1/2+ (0)

З рисунку видно, що розподіл маси баріону від часу життя має не лінійний характер. Спостерігається тенденція збільшення часу життя зі зменшенням маси баріонів, що характеризує їх можливий квантовий стан.

Рис. 3.3 Залежність часу життя від енергії у баріонів.

Чарівний баріон

У таблиці (3.7) приведені основні характеристики чарівних баріонів для виділених деякі характеристики досі невідомі.

Таблиця 3.7- Характеристика чарівних баріонів

ЧастинкаСимволМаса, МеВЧас життя, сІзоспін IКси-це-штрих-плюс?'c+2575,6 1/2Кси-це-штрих-ноль?'c02577,9 1/2Сигма-це-плюс-плюс?с (2800) ++28018,78E-241 Сигма-це-плюс? ?с (2800) +27921,06E-231 Сигма-це-ноль? ?с (2800) 028021,08E-231 Кси-це-плюс?? ?с (2980) +2971,42,53E-23 1/2Сигма-це-три-плюс?с (2520) +2517,53,87E-231 Кси-це-ноль?? ?с (2980) 029683,29E-23 1/2Сигма-це-три-нуль?с (2520) 025184,09E-231 Сигма-це-три-плюс-плюс?с (2520) ++2518,44,42E-231 Лямбда-це-плюс? ?с (2940) +2939,33,87E-230 Кси-це-один-штрих-плюс?'с1 (2790) +2789,14,39E-23 1/2Кси-це-один-штрих-ноль?'с1 (2790) 02791,85,49E-23 1/2Кси-це-три-штрих-ноль?'c3 (2815) 02819,61,01E-22 1/2Кси-це-три-ноль?с3 (2645) 2645,91, 20E-22 1/2Лямбда-це-пять-плюс?с5 (2880) +2881,531,13E-220 Кси-це-плюс??? ?с (3080) +30771,13E-22 1/2Сигма-це-плюс?с (2455) +2452,91,43E-221 Кси-це-плюс??? ?с (3080) 03079,91,18E-22 1/2Лямбда-це-плюс-штрих?'c (2595) +2595,41,83E-220 Кси-це-три-штрих-плюс?'c3 (2815) +2816,61,88E-22 1/2Кси-це-три-плюс?с3 (2645) 2645,92,12E-22 1/2Сигма-це-плюс-плюс?с (2455) ++2454,022,95E-221 Сигма-це-нуль?с (2455) 02453,762,99E-221 Лямбда-це-три-плюс?с3 (2625) +2628,13,46E-220 Омега-це-нейтральный?с02695,26,90E-140 Кси-це-нейтральный?с02470,881,12E-13 1/2Лямбда-це-плюс?с+2286,462,00E-130 Кси-це-плюс?с+2567,84,42E-13 1/2

Для чарівних баріонів характерна квантова характеристика аромату - чарівність, що вказує на існування у їхньому складі с - кварку. Наявність цієї характеристики при зведенні на одну діаграму енергія/час вказує що більшість таких баріонів має такий час життя і швидко розпадеться рис (3.4)

Рис. 3.4 Залежність часу життя від енергії для чарівних баріонів.

За виключенням чотирьох у кінці таблиці. Це може вказувати на особливості взаємодії це кварку у кварк-глюонній плазмі.

Гарний баріон

Гарні баріони відносяться до важких баріонів, та знаходяться на стадії вивчення. Їх усього 8-10 і складають невелику групу а їх класифікація доповнюється у результаті вивчення на коллайдері. Незважаючи на недостатню вивченість для 4 з них приведена масово часова залежність малюнок (3.5) яка вказує на певну відносну стабільність частинок що містять В-кварк. Час життя яких відповідає метастабільним станом.

Рис. 3.5 Залежність маси від часу життя для гарних баріонів.

Дивний баріон. У таблиці (3.8) приведена характеристика дивних баріонів які містять s-кварк. Наявність s-кварку у внутрішній структурі цих баріонів у більшості випадках робить їх нестабільними резонансами. За виключенням групи частинок які мають метастабільний стан.

Таблиця 3.8 -

Основні характеристики дивних баріонів

ЧастинкаСимволМаса, МеВЧас життя, сІзоспін IСигма-три-два-штриха?3" (+ - 0) 19252,93E-241 Лямбда-пять-дваштриха-барион?" (2110) F0521153,29E-240 Лямбда-один-дваштриха-барион?1" (1600) P0116304,39E-240 Сигма-семь?7 (+ - 0) (2030) F172032,53,76E-241 Лямбда-один?1 (1810) P0118004,39E-240 Лямбда-семь-штрих?7' (2100) G0721003,76E-240 Лямбда-девять?9 (2350) H0923553,76E-240 Сигма-один ?1 (1660) P1116605,49E-241 Лямбда-три?3 (1890) P0318805,06E-240 Сигма-пять-штрих?5' (+ - 0) (1775) D1517755,49E-241 Сигма-пять?5 (+ - 0) (1915) F151917,55,49E-241 Сигма-один-штрих?1' (+ - 0) (1750) S1117655,98E-241 Сигма? ? (2250) 22456,27E-241 Лямбда-пять-штрих?'5 (1830) D0518207,74E-240 Лямбда-пять?5 (1820) F0518208,23E-240 Сигма-три-штрих?3' (+ - 0) (1670) D1316701,10E-231 Лямбда-один-штрих?1' (1405) S0114061,32E-230 Лямбда-три-два-штриха?3" (1690) D0316901,10E-230 Кси?? ? (1950) 19501,10E-23 1/2Сигма-три-минус?3-1387,21,67E-231 Сигма--три нейтральный?301383,71,83E-231 Сигма-три-плюс?3+ (1385) P131382,81,84E-231 Oмега-минус? ? (2250) - 22521, 20E-230 Лямбда-один-триштриха-барион?1"' (1600) S0116701,76E-230 Кси? ? (1690) 16902, 19E-23 1/2Кси-три-штрих?3' (0 - ) (1820) D1318232,74E-23 1/2Лямбда-три-штрих?3' (1520) D031519,54,22E-230 Кси-пять?5 (0 - ) (2030) 20253,29E-23 1/2Кси-три-минус?3 - (1530) P1315356,65E-23 1/2Кси-три-нейтральный?30 (1530) P131531,87,23E-23 1/2Сигма нейтральный?01192,6427,40E-201 Сигма-плюс?+1189,378,02E-111 Омега-минус?-1672,458,21E-110 Сигма-минус?-1197,4491,48E-101 Кси-минус?-1321,711,64E-10 1/2Лямбда?1115,6832,63E-100 Кси-нейтральный?01314,862,90E-10 1/2

3.4 Мезони

В-мезон

Складають невелику групу важких мезонів з малим часом життя. Для більшості частинок час життя невизначено і потребує подальших досліджень. Кожен В-мезон складається з В-антикварка і кварків. Характеризують ізотопічним спіном 0. Що відрізняється від B-ароматом. Співвідношення В-антикварка і Т-кварка вважається неможливим унаслідок дуже малого часу життя. Співвідношення В-антикварка і В-кварка називається боттомонія, а не В-мезоном. Для В-мезона характерні В-мезонні, антимезонні асцеляції які називаються асцеляціею ароматів. Тобто с можуть спонтанно перетворюватись в свої античастинки і навпаки, є одним з основних пророцтв стандартної моделі. Дивний мезон при розпаді утворю більше частинок ніж античастинок. Детальне вивчення цього механізму у сучасній фізиці елементарних частинок може дати пояснення чому у Всесвіті існує переважна кількість частинок, а не античастинок.

Таблиця 3.9 -

Основні характеристики В-мезонів

ЧастинкаСимволМаса, МеВЧас життя, сІзоспіи IХи-б-ноль-мезон?b0 (1P) [qqqq] 9859,440Хи-б-один-мезон?b1 (1P) [qqqq] 9892,7890Хи-штрих-б-ноль-мезон?'b0 (2P) [qqqq] 1023250Хи-штрих-б-один-мезон?'b1 (2P) [qqqq] 10255,460Хи-штрих-б-два-мезон?'b2 (2P) [qqqq] 10268650Ипсилон-пятьштрихов-бе-мезон?""' (11020) 110198,33E-240Ипсилон-триштриха-бе-мезон?'" (4S) or Y (10580) 1057943,21E-230Ипсилон-бе-мезон? (1S) 9460,31,22E-200Ипсилон-штрих-б-мезон?' (2S) 10023,262,06E-190

Поведінка В-мезонів є цікавою у звязку з наявною взаємодію речовини з антиречовиною. Див. табл. (3.9).

Для цих частинок наявність В-антикварку впливає на нестабільність цих частинок. Рис. (3.6.) графік.

Рис. 3.6 Графік залежності енергії від часу життя у В-мезонів.

Мезони

Для всіх мезонів характерним є вміст кварку і антикварку. Таке сусідство визначально впливає на нестабільність цих частинок. Виключенням є легкі сорти ета і пі мезонів час життя яких лежить у інтервалі .

Від класу баріонів (які теж є адронами) відрізняються відсутністю баріонного <#"justify">Таблиця 3.10-

Основні мезонів

ЧастинкаСимволМаса, МеВЧас життя, сСпін в ћсигма (эф-ноль) мезон? (f0) (600) [g] 8008,23E-250 а-один-мезонa1 (1260) [k] 12301,55E-241 аш-один-мезонh1 (1170) 11701,83E-241 Пи-мезон?' (1300) 13001,65E-240 Ро-один-мезон?1 (+ - 0) (1450) [q] 14651,65E-241 эф-ноль-мезон f'0 (1370) [j] 13501,88E-240 Пи-один-мезон?1 (1400) [m] 13541,99E-241 Эф-дваштриха-два-мезонf"2 (1950) 19441,39E-242 Ро-мезон? (+ - 0) (770) [h] 775,494,41E-241 Омега-один-мезон?1 (1650) [r] 16702,09E-241 А-нуль-мезонa'0 (1450) [j] 14742,48E-240 Пи-два-мезон?2 (1670) 1672,42,54E-242 Омега-мезон?' (1420) [p] 14253,06E-241 Ро-один-мезон?'1 (1700) [q] 17202,63E-241 Эф-два-мезонf2 (1270) 1275,13,56E-242 Пи-один-мезон?"1 (1600) [m] 16622,81E-241 Эф-два-мезонf""'2 (2340) 23392,06E-242 Пи-два-мезон?'2 (1880) 18952,80E-242 Эф-четыре-мезонf4 (2050) 20182,78E-244 А-четыре-мезонa4 (2040) 20012,80E-244 Б-один-мезонb1 (+ - 0) (1235) 1229,54,64E-241 Пи-мезон?" (1800) 18163,16E-240 Эта-два-мезон?2 (1645) 16173,64E-242 Омега-три-мезон?3 (1670) 16673,92E-243 Эф-два-мезонf'"2 (2010) 20113,26E-242 Ро-три-мезон?3 (+ - 0) (1690) 1688,84,09E-243 Фи-один-мезон?1 (1680) 16804,39E-241 А-два-мезона2 (+ - 0) (1320) 1318,36,15E-242 эф-ноль-мезон f'"0 (1710) [s] 17204,88E-240 А-ноль-мезонa0 (+ - 0) (980) [j] 9808,78E-240 эф-ноль-мезон f" (1500) [m] 15056,04E-240 эф-ноль-мезон f'0 (980) [j] 9809,40E-240 Эф-два-мезонf""2 (2300) 22974,42E-242 Эта-мезон?" (1475) [n] 14967,74E-240 Эф-штрих-два-мезонf'2 (1525) 15259,02E-242 Фи-три-мезон?3 (1850) 18547,57E-243 Эта-ноль-мезон?0 (1295) 12941, 20E-230 Эф-один-мезонf'1 (1420) [o] 1426,41, 20E-231 Эта-мезон?' (1405) [n] 1409,81,29E-230 Фи-один-мезон?'1 (2170) 21751,08E-231 Эф-один-мезонf1 (1285) 1281,82,71E-231 Омега-мезон? (782) 782,657,75E-231 Фи-мезон? (1020) 1019,4551,55E-221 Эта-штрих-мезон? (958) 957,783,39E-210 Эта-мезон?547,8535,06E-190 Пи-нейтральный-мезон? (0) 134,97668,40E-170 Пи-плюс-минус-мезон? (+ - ) 139,570182,60E-080

Чарівний мезон

D-мезони мають charm =1 і ізоспін =1/2. Групується по триплетам. Вперше отримані в 1976 році у Стенфорді. Деякі з D-мезонів мають великий час життя. Отримали назву завдяки вмісту с-кварку. Характерною залежності енергії і часу життя не спостерігається.

Рис. 3.6 Графік залежності енергії від часу життя у D-мезонів.

Гарний мезон

Складають невелику групу елементарних частинок з напівцілим спіном. Характерні невеликим часом життя

Таблиця 3.11-

Основні характеристики гарних мезонів

ЧастинкаСимволМаса, МеВЧас життя, сІзоспін IД-звезда-ноль-мезонD*0 (2400) 023182,47E-24 1/2Д-звезда-два-нейтральный-мезонD*2 (+ - 0 ~) (2460) 02462,81,53E-23 1/2Д-один-мезонD1 (+ - 0 ~) (2420) 024223,23E-23 1/2Д-звезда-нейтральный-мезонD* (+ - ) (2007) 02006,963,13E-22 1/2Д-звезда-мезонD* (2010) (+ - ) 2010,256,86E-21 1/2Д-нейтральный--мезонD01864,834,10E-13 1/2Де-звезда-два-плюсминус-мезонD*2 (2460) (+ - ) 2460,14,40E-13 1/2Д-плюсминус-мезонD (+ - ) 1869,61,04E-12 1/2

При побудові часово-енергетичного графіка отримуємо не лінійну залежність. Гарні мезони приведені в таблиці (3.11)

Дивний мезон

Складають невелику групу і характеризуються в основному малим часом життя що характерний резонансам. Виключенням є каонна група дивних мезонів з великим часом життя. Таблиця (3.12).

Таблиця 3.12-

Основні характеристики дивних мезонів

ЧастинкаСимволМаса, МеВЧас життя, сІзоспін IКаон-звездаK*' (1680) 17172,04E-24 1/2Каон-дваK'2 (1820) [mm] 18162,38E-24 1/2Каон-ноль-звездаK*0 (1430) [kk] 14252,44E-24 1/2Каон-звезда-плюсминусK* (1410) 14142,84E-24 1/2Каон-звезда-четыреК*4 (+ - 0 ~) (2045) 20453,32E-24 1/2Каон-дваК2 (+ - 0 ~) (1770) [ll] 17733,54E-24 1/2Каон-штрих-одинК'1 (+ - 0 ~) (1400) 14033,78E-24 1/2Каон-звезда-триК*3 (+ - 0 ~) (1780) 17764,14E-24 1/2Каон-звезда-два-нольК*2 (1430) 01432,46,04E-24 1/2Каон-звезда-два-плюсминусК*2 (+ - ~) (1430) 1425,66,68E-24 1/2Каон-одинK1 (+ - 0 ~) (1270) 12727,31E-24 1/2Каон-звездочка-плюсминусК* (+ - ~) (892) 891,661,42E-23 1/2Каон-нейтральный (короткожив.) К0S497,6148,95E-11 1/2Каон-плюс (минус) К (+ - ) 493,6771,24E-08 1/2Каон-нейтральный (долгожив.) К0L497,6145,12E-08 1/2

Екзотичні мезони

До них відносяться дивні чарівні і дивні гарні мезони. Повні характеристики для яких досі відсутні, наприклад для БС - мезонів не визначений час життя тому аналізувати їх масово часовий розподіл важко.

Таблиця 3.12. -

Основні характеристики дивних чарівних і дивних гарних мезонів

ЧастинкаСимволМаса, МеВЧас життя, сІзоспін IД-эс-два-звездаD*s2 (2573) 2572,63,29E-230 Д-эс-ноль-звезда-мезонD*s0 (2317) (+ - ) 2317,81,73E-220 Д-эс-один-мезонDs1 (2460) (+ - ) 2459,51,88E-220 Д-эс-один-мезонDs'1 (2536) (+ - ) 2535,292,86E-220 Д-эс-звезда-плюсминус-мезонD*s (+ - ) 2112,33,46E-220 Д-эс-плюсминус-мезонDs (+ - ) 1968,475,00E-130Б-эс-звезда-мезонB*s5415,40 Б-эс-один-мезонBs1 (5830) 05829,4 1/2Б-эс-звезда-два-мезонB*s2 (5840) 05839,7 1/2Б-эс-ноль-мезонBs05366,31,47E-120

С - мезони

Частинки які характеризується нульовим ізоспіном. Є нестабільними частинками з характерною залежність масу частинки в часу життя що має не лінійний характер. Рис (3.7.) С-мезони є важкими частинками.

Таблиця 3.13. -

Основні характеристики С - мезонів.

ЧастинкаСимволМаса, МеВЧас життя, сІзоспін IКси-четырештриха-ц-мезон?"" (4160) [iiii] 44536,39E-240Хи-с-мезон?' (4260) 42636,93E-24? Кси-триштриха-ц-мезон?'" (4040) [iiii] 40398,23E-240Кси-с-мезон? (4415) [iiii] 44211,06E-230Эта-ц-мезон?с (1S) 2980,32,30E-230Кси-дваштриха-ц-мезон?" (3770) 3772,922,41E-230Эта-це?'с (2S) 36374,70E-230Хи-ц-ноль-мезон?с0 (1P) 3414,756,39E-230Хи-ц-мезон? (3872) 3871,562,86E-220Хи-ц-два-мезон?с2 (1P) 3556,23,34E-220Аш-це-мезонhc (1P) 3525,426,58E-22? Хи-ц-один-мезон?с1 (1P) 3510,667,65E-220Кси-штрих-ц-мезон?' (2S) 3686,092,17E-210Джи-на-пси-мезонJ/? (1S) 3096,9167,09E-210

Рис. 3.7 Графік залежності енергії від часу життя у С-мезонів.

Не зважаючи на велику кількість елементарних частинок і взаємодій характеристики простору часу накладають необхідності дотримання певних закономірностей які викладаються у законах збереження. Приведений аналіз описував частинки але треба враховувати той факт що існують античастинки всіх частинок.

Список використаних джерел

1.Бондарєв В.П. Елементарні частинки та їх місце в історії / В.П. Бондарєв. - М.: Альфа-М, 2003. - 464 с.

2.Статистика Фермі-Дірака / За ред.В.С. Білецького. Фізична енциклопедія - Донецьк: Донбас, 2004. с

.Статистика Бозе-Ейнштейна / Л.Б. Окунь, Елементарне введення у фізику елементарних частинок. М.: Наука. 1985.

.Гравітаційна взаємодія в елементарних частинках / Яворський Б. М, Детлаф А.А. Довідник із фізики. // М., Наука, 1990 р з.135 с.

.Сильна та слабка взаємодія в елементарних частинках / Горохов А.В. Фізика атомного ядра. Фізика елементарних частино"271 с.

.Електромагнітна взаємодія / Яворський Б. М, Детлаф А.А. // Фізика Довідник із фізики. - 1990. - С.161-168.

7.Види взаємодії в елементарних частинках / Савельєв І.В. Курс загальної фізики. Квантова оптика <http://ua-referat.com/%D0%9E%D0%BF%D1%82%D0%B8%D0%BA%D0%B0>. Атомна фізика. Фізика твердого тіла. Фізика атомного ядра і елементарних частинок: Учеб. посібник 2003. - С.356-393.

.Класифікація частинок за часом життя / Наумов А.І. Фізика атомного ядра і елементарних частинок: навч. посібник для студентів <http://ua-referat.com/%D0%A1%D1%82%D1%83%D0%B4%D0%B5%D0%BD%D1%82> пед. ін-тів з фіз. спец. - М.: Просвещение, 1984. - С.220-235.

.Ратнер Б.С. Методи дослідження елементарних частинок / Б.С. Ратнер. - М. "Мир", 1960. - 500 с.

.Циклічні прискорювачі та їх вклад у розвиток досліджень елементарних частинок / Дж. Ливингуд. Принципы работы циклических ускорителей. - М.: Изд-во иностр. лит., 1973.

.Принцип роботи циклічних прискорювачів / Г. Брук. Циклические ускорители заряженных частиц. - М.: Атомиздат, 1970. - С.32-43.

.Лінійні резонансні прискорювачі / Бабат Г.У. Ускорители. - М. "Молодая гвардия", 1977. - С.187-190.

.Будова циклічного резонансного прискорювача / А.Н. Лебедев, А.В. Шальнов. Основы физики и техники ускорителей (Учеб. пособие для физ. спец. вузов). - М.: Энергоиздат, 1981. - С.211-231.

.Механізм автофазування / А.А. Коломенский. Физические основы методов ускорения заряженных частиц (Учеб. пособие для физ. спец. вузов). - М.: Изд-во МГУ, 1980. - С.183-197.

.Інформація про CERN. Дослідження і результати експериментів / www.cern. ch/ý

.Фейнман Ричард Ф. Феймановские лекции по физике / Ричард Ф. Фейнман, Роберт Б. Л ейтон, Метью. Сэндс // Квантовая механика. - 2004. - Вып.8,9. - №3. - С.245-255.

.Ядерна фізик / 2-ге вид., перероб. І доп. - К.: Знание, 2005. - 439с.

Зміст Вступ 1. Літературний огляд 1.1 Види класифікації елементарних частинок. Поділ частинок за статистичним розподілом Фермі-Дірака та Бозе-Енште

Больше работ по теме: