ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ И ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ

Кварковая модель строения элементарных частиц

Курсовая работа

Выполнил студент

3 курса отделения

«физика - информатика»

группы «Д»

Дегтярев Н.С.

Научный руководитель: доцент, кандидат

физико-математических наук

Е.П. Данько

Работа защищена «__»_________________2007г.

Оценка _____________________________________

Проверил ___________________________________

Благовещенск 2007

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫИ ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ

1.1 ЛЕПТОНЫ

1.2 АДРОНЫ

2. ГИПОТЕЗА О СУЩЕСТВОВАНИИ КВАРКОВ

2.1 СУПЕРМУЛЬТИПЛЕТЫ

2.2 КВАРКОВАЯ ГИПОТЕЗА

2.2.1 ОТКРЫТИЕ С – КВАРКА

2.2.2 ОТКРЫТИЕ В – КВАРКА

3. КВАНТОВАЯ ХРОМОДИНАМИКА

3.1 ГЛЮОНЫ

3.2 АСИМПТОТИЧЕСКАЯ СВОБОДА

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ПРИЛОЖЕНИЯ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ

Данная курсовая работа посвящается изучению кварковой модели, которая объясняет не только систематику, но и динамику адронов. Она приводит к массе оправдывающихся предсказаний и в настоящее время считается общепризнанной.

Актуальность данной проблематики обусловлена стремлением человека понять устройство мира и объяснить окружающие его явления. В настоящее время создана теория, так называемая квантовая хромодинамика, описывающая поведение кварковых систем.

Целью работы является изучение кварковой модели строения элементарных частиц, что предусматривает решение следующих задач:

Ø познакомиться с классификацией элементарных частиц;

Ø рассмотреть кварковую модель строения частиц;

Ø узнать основные положения квантовой хромодинамики.

Материалом для работы послужили данные, полученные при работе с литературой и Internet.

Курсовая работа состоит из введения, трех глав, заключения, приложений и списка литературы, изложенного на 33 странице.

Во введении обуславливается актуальность работы, формулируются основные цели и задачи, а также используемый материал.

В первой главе рассматриваются виды элементарных частиц и их классификация.

Во второй главе рассказывается о создании кварковой теории и открытии кварков.

В третьей главе приводятся основные положения квантовой хромодинамики и дается понятие о глюонах и асимптотической свободе.

В заключении в обобщенном виде подводятся итоги работы.

В приложении приводятся таблицы и графики.

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫИ ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ

Понятие «элементарная частица» в физике возникло в связи с идеей отыскания таких неделимых далее частиц, из которых состоит вся материя. Неделимость вначале приписывалась атомам, потом – ядру, затем – нуклонам.

Впервые об элементарных частицах как о составных частях любого атома стали говорить в конце XIX – начале XX столетия. Именно в это время было показано, что атомы могут преобразовываться друг в друга при радиоактивных превращениях. В эти же годы были открыты катодное и рентгеновское излучения, испускание которых различными атомами свидетельствовало о сходном строении всех атомов.

Следующими этапами в познании строения атома было открытие атомного ядра (1911 г.) и его составных частей: протона (1919 г.) и нейтрона (1932 г.).

Элементарными частицами современная физика условно называет большую группу мельчайших микрочастиц, не являющихся атомами или атомными ядрами (за исключением протона, который является ядром атома водорода). В настоящее время к «истинно» элементарным принято относить следующие частицы (и их античастицы):

1) лептоны (е, μ, τ и соответствующие им нейтрино);

2) кварки;

3) фотоны и промежуточные бозоны W^±, Z⁰.

В настоящее время открыто и исследовано так много элементарных частиц, что для их обозначения уже использованы все свободные буквы греческого алфавита и много букв латинского алфавита. Причем существуют изотопические (зарядовые) мультиплеты частиц, все члены которых обозначаются одинаковыми буквами (например, Σ⁺, Σ^-, Σ^о и т.п.). Кроме того, для обозначения частиц используются буквы со штрихами, со звездочками и с цифрами. Вообще, число элементарных частиц (включая нестабильные частицы - резонансы) вместе с античастицами в несколько раз превышает число элементов периодической системы Менделеева, поэтому становится довольно бессмысленным считать их элементарными:

Все частицы (в том числе и неэлементарные частицы и квазичастицы) разделяются на бозоны и фермионы. Бозонами (или бозе-частицами) называются частицы или квазичастицы, обладающие нулевым или целочисленным спином. Бозоны подчиняются статистике Бозе-Эйнштейна (отсюда и происходит их название). К бозонам относятся: гипотетический гравитон (спин 2), фотон (спин 1), промежуточные векторные бозоны (спин 1), глюоны (спин 1), мезоны и мезонные резонансы, а также античастицы всех перечисленных частиц. Частицы или квазичастицы с полуцелым спином называются фермионами (или ферми-частицами). Для них справедлив принцип Паули, и они подчиняются статистике Ферми—Дирака (отсюда и происходит их название). К фермионам относятся: лептоны, все барионы и барионные резонансы, кварки (спин 1/2), а также соответствующие античастицы.

По времени жизни τ различают стабильные, квазистабильные и резонансные частицы. Последние для краткости называют просто резонансами. Резонансными называют частицы, распадающиеся за счет сильного взаимодействия с временем жизни 10^-23 с. Нестабильные частицы, время жизни которых превышает 10^-20 с, распадаются за счет электромагнитного или слабого, но не за счет сильного взаимодействия. Эти частицы относят к квазистационарным. Время 10^-20 с, ничтожное в обыденных масштабах, должно считаться большим, если его сравнивать с ядерным временем. Ядерное время есть время, требующееся свету на прохождение диаметра ядра (10^{-13 см). Даже за время 10-20} с свет успевает пробежать расстояние в 10³-10⁴ нуклонных диаметров. За это время может совершиться еще много внутринуклонных процессов. Вот почему частицы, названные нами квазистабильными, в справочниках называют просто стабильными. Впрочем, абсолютно стабильными частицами являются, по-видимому, только фотон γ, электрон е^-, протон р, электронное ν_е, мюонное ν_μ и таонное ν_τ нейтрино и их античастицы — распад всех этих частиц на опыте не зарегистрирован.

Распады могут происходить по сильному, электромагнитному и слабому взаимодействиям. Наиболее быстро происходят распады по сильному взаимодействию — таковы распады резонансов. Квазистабильные частицы распадаются за счет слабого или электромагнитного взаимодействия. Они стали бы абсолютно устойчивыми, если бы можно было мысленно «выключить» эти взаимодействия, оставив только сильное. Наиболее стабильными резонансами являются частицы J/ψ и ү, для которых τ ≈ 10^-20 с. Они относятся к резонансам потому, что у них имеются каналы распада, обусловленные сильным взаимодействием, но эти распады подавлены законами сохранения очарования и красоты при сильных взаимодействиях.

В силу малости времени жизни τ, резонансы не обладают определенной массой. Это видно из соотношения неопределенностей Δ * τ ≈ h. Резонансы описываются непрерывным спектром масс. Положение максимума этого спектра и называется массой резонанса. Ширина спектра Г определяется обычным соотношением Г ≈ ħ/τ. При очень малых временах жизни она бывает сравнима со значением самой массы резонанса. Именно ширина Г (а не τ) обычно и приводится в таблицах в качестве меры нестабильности резонанса. Так, при τ ≈ 10^-23 с получаем Г ≈ 100 МэВ. Поэтому резонансами можно назвать частицы с большой шириной спектра масс Г ≈ 100 МэВ.

Особую группу элементарных частиц составляют фотоны, являющиеся переносчиками электромагнитного взаимодействия, и родственные им W^±, Z^o-бозоны, являющиеся переносчиками слабого взаимодействия. Эти четыре частицы образуют группу так называемых переносчиков взаимодействия. К переносчикам взаимодействия относятся и глюоны, а также гипотетические гравитоны. Все остальные частицы разделяются на лептоны и адроны.

ЛЕПТОНЫ

Лептонами называются частицы, не участвующие в сильных взаимодействиях и имеющие спин 1/2. В настоящее время установлено существование шести заряженных лептонов: электрон е^-, позитрон е⁺, мюоны μ^±, тяжелые лептоны τ^± (таоны), и соответствующих им шести нейтральных частиц: электронное нейтрино ν_е и антинейтрино ν̃_e, мюонное нейтрино ν_μ и антинейтрино ν̃_μ, таонное нейтрино ν_τ и антинейтрино ν̃_т. Нейтральные лептоны (нейтрино) не участвуют и в электромагнитных взаимодействиях.

Все лептоны, на современном уровне знания, можно назвать истинно элементарными частицами, так как у них в отличие от адронов не обнаружена внутренняя структура. В этом смысле лептоны называются точечными частицами.

Мюоны были открыты в космических лучах Андерсоном вместе с Неддермайером в 1937 г. Наличие у мюонов собственного (мюонного) нейтрино было установлено позже — только в начале 60-х годов, τ-лептоны были открыты в 1975 г. в Стэнфорде (США) группой экспериментаторов во главе с Перлом (р. 1927) в опытах со встречными электрон-позитронными пучками. Тау-лептон получается в результате аннигиляции электрона и позитрона (е⁺ +е^- →τ⁺ + τ^-). Масса мюона m_μ = 105,7 МэВ, время жизни τ = 2,2*10 ^-6 с, масса таона m_τ ~ 1,8 ГэВ, время жизни τ_τ ~ 5 * 10^-13 с.

Наши сведения о нейтрино очень неполные. Особенно это касается μ- и τ-нейтрино. Даже в отношении электронного нейтрино нельзя категорически утверждать, равна ли масса этой частицы нулю или только очень мала.

АДРОНЫ

Адронами называются элементарные частицы, участвующие в сильных взаимодействиях. Они, как правило, участвуют также и во всех других взаимодействиях — электромагнитном и слабом.

Эти частицы, в основном резонансы, составляют наиболее многочисленную группу элементарных частиц — их насчитывается около 400. Адроны подразделяются на стабильные и квазистабильные адроны и резонансы. В свою очередь стабильные адроны подразделяются на мезоны и барионы. Теоретические мотивы такого подразделения выяснятся в кварковой модели. В группу резонансов входят мезонные и барионные резонансы.

Мезонами называются нестабильные заряженные или нейтральные адроны, обладающие нулевым или целочисленным спином, а потому принадлежащие к классу бозонов. Сюда относятся π°- и π^± - мезоны, К^± - мезоны. Эти мезоны были открыты раньше других. Масса их — промежуточная между массами электрона и протона (отсюда и происходит их название — от греческого слова mesos, что означает «средний, промежуточный»). Позднее были открыты более тяжелые D^± -, D^о-, F^±- мезоны, масса которых больше массы протона. Было открыто также много мезонных резонансов, т. е. мезонов с временами жизни порядка 10^-23 с. Масса некоторых из них также превосходит массу протона. Мюоны μ первоначально назывались μ - мезонами, но они не относятся к классу мезонов, так как имеют спин 1/2 и не участвуют в сильных взаимодействиях.

Барионами и барионными резонансами называются адроны с полуцелым спином и массами, не меньшими массы протона. К ним относятся нуклоны (протоны и нейтроны), гипероны и др. Протон и нейтрон — самые легкие барионы. Протон — единственный стабильный барион, все остальные барионные резонансы нестабильны и путем последовательных распадов превращаются в нуклоны и легкие частицы: π-мезоны, электроны, нейтрино, γ-кванты. (Нейтрон в свободном состоянии — нестабильная частица со временем жизни ~ 16 мин, но в связанном состоянии внутри ядра он стабилен, если ^A_ZМ < ^A_Z+1M + m_e, т.е. когда не происходит β^- - распада. Если же ^A_ZМ > ^A_Z+1M + m_е, то нестабилен протон и происходит позитронный β⁺ - распад: р → n + е⁺ + ν_e.

Нестабильные барионы с массами, большими массы нуклона (протона и нейтрона), и большим временем жизни по сравнению с ядерным временем (порядка 10^-23 с) называются гиперонами. Первые гипероны (Λ) были открыты в космических лучах. Детальное изучение их стало возможным после того, как их стали получать на ускорителях заряженных частиц высоких энергий при столкновениях быстрых нуклонов, π - и К - мезонов с нуклонами атомных ядер. Известно несколько типов гиперонов: лямбда (Λ°), сигма (Σ^-, Σ°, Σ⁺), кси (Ξ^-, Ξ°), омега (Ω^-), Λ_с. Все гипероны имеют спин 1/2, за исключением гиперона Ω^-, спин которого равен 3/2. Таким образом, гипероны, как и все барионы, являются фермионами. Время жизни гиперонов τ ~ 10^-10 с (за исключением Σ° и Λ° и Λ_с, для которых τ равно 10^-19 и 10^-13 с соответственно). За это время они распадаются на нуклоны и легкие частицы (π - мезоны, электроны, нейтрино, γ-кванты).

В 70-х годах на больших ускорителях были созданы пучки заряженных и нейтральных гиперонов высоких энергий (20-100 ГэВ). Это позволило проверить формулу для релятивистского замедления времени в лучших условиях по сравнению с тем, как это делалось раньше. Если бы не было релятивистского замедления времени, то гипероны от своего рождения до распада пробегали бы путь порядка с*τ, т.е. порядка сантиметра или десятков сантиметров. На самом деле этот путь достигает нескольких метров.