Курс физики для вузов - часть 129

рактерны времена жизни 10

 с.

Как сильное, так и слабое взаимодей-

ствия — короткодействующие. Радиус
действия сильного взаимодействия со-

ставляет примерно

 м, слабого —

не превышает

 м. Радиус действия

электромагнитного взаимодействия
практически не ограничен.

Элементарные частицы принято де-

лить на три группы:

1) фотоны, состоящие всего лишь

из одной частицы — фотона

 кванта

электромагнитного излучения;

2) лептоны (от греч.

 — лег-

кий), участвующие только в электро-
магнитном и слабом взаимодействиях.

К лептонам относятся электронное и
мюонное нейтрино, электрон, мюон и
открытый в 1975 г. тяжелый

 —

т-лептон, или таон, с массой примерно

 а также соответствующие им

античастицы. Название лептонов свя-
зано с тем, что массы первых известных
лептонов были меньше масс всех дру-
гих частиц. К лептонам относится так-
же таонное нейтрино, существование
которого также установлено; .

3) адроны (от греч. «адрос» — круп-

ный, сильный), обладающие сильным
взаимодействием наряду с электромаг-
нитным и слабым. Из рассмотренных

выше частиц к ним относятся протон,
нейтрон, пионы и каоны.

Для всех типов взаимодействия эле-

ментарных частиц выполняются законы
сохранения энергии, импульса, момен-
та импульса и зарядовых чисел.

Характерным признаком сильных

взаимодействий является

 не-

зависимость ядерных сил. Как уже ука-
зывалось (см. § 254), ядерные силы,
действующие между парами р — р,п—п
или р—п, одинаковы. Поэтому если бы
в ядре осуществлялось только сильное
взаимодействие, то зарядовая независи-
мость ядерных сил привела бы к оди-

наковым значениям масс нуклонов
(протонов и нейтронов) и всех
нов. Различие в массах нуклонов и со-
ответственно

 обусловлено

электромагнитным взаимодействием:
энергии взаимодействующих заряжен-
ных и нейтральных частиц различны,
поэтому и массы заряженных и нейт-
ральных частиц оказываются неодина-

ковыми.

Зарядовая независимость в сильных

взаимодействиях позволяет близкие по
массе частицы рассматривать как раз-

личные зарядовые состояния одной и

той же частицы. Так, нуклон образует
дублет (нейтрон, протон),

 —

триплет

 и т.д. Подобные

группы «похожих» элементарных час-
тиц, одинаковым образом участвующих
в

 взаимодействии, имеющие

близкие массы и отличающиеся заряда-
ми, называют изотопическими

Каждый изотопический мультиплет

характеризуют изотопическим спи-
ном (изоспином) — одной из внутрен-
них характеристик адронов, определя-
ющей число (п) частиц в изотопичес-
ком мультиплете: п =

 1. Тогда изо-

спин нуклона / =

 (число членов в

изотопическом мультиплете нуклона

равно двум),

 пиона /= 1 (в пи-

онном мультиплете

 3) и т.д. Изото-

пический спин характеризует только

число членов в изотопическом мульти-

плете и никакого отношения к рассмат-

риваемому ранее спину не имеет.

Исследования показали, что во всех

процессах, связанных с превращениями
элементарных частиц, обусловленных
зарядово-независимыми сильными вза-
имодействиями, выполняется закон
сохранения изотопического спина.

Для электромагнитных и слабых взаи-

модействий этот закон не выполняет-
ся. Так как электрон, позитрон, фотон,

515

мюоны,

 и

 в

сильных взаимодействиях участия не
принимают, то им изотопический спин
не приписывается.

§ 273. Частицы и античастицы

Гипотеза об античастице впервые

возникла в 1928 г., когда П.Дирак на
основе релятивистского волнового
уравнения предсказал существование
позитрона (см. § 263), обнаруженного
спустя четыре года К. Андерсоном в со-
ставе космического излучения.

Электрон и позитрон не являются

единственной парой частица — антича-
стица. На основе релятивистской кван-
товой теории пришли к заключению,
что для каждой элементарной частицы
должна существовать античастица

(принцип зарядового сопряжения).
Эксперименты показывают, что за не-
многим исключением (например, фото-

на и

 действительно, каждой

частице соответствует античастица.

Из общих положений квантовой те-

ории следует, что частицы и античасти-
цы должны иметь одинаковые массы,
одинаковые времена жизни в вакууме,
одинаковые по модулю, но противопо-
ложные по знаку электрические заря-
ды (и магнитные моменты), одинако-
вые спины и изотопические спины, а
также одинаковые остальные кванто-
вые числа, приписываемые элементар-
ным частицам для описания закономер-
ностей их взаимодействия (лептонное
число, барионное число, странность,

очарование и т.д.).

До 1956 г. считалось, что имеется

полная симметрия между частицами и
античастицами, т. е. если какой-то про-
цесс идет между частицами, то должен
существовать точно такой же (с теми же
характеристиками) процесс между ан-

тичастицами. Однако в 1956 г. доказа-
но, что подобная симметрия характер-
на только для сильного и электромаг-
нитного взаимодействий и нарушает-
ся для слабого.

Согласно теории Дирака, столкнове-

ние частицы и античастицы должно
приводить к их взаимной аннигиляции,
в результате которой возникают другие
элементарные частицы или фотоны.
Примером тому является рассмотрен-
ная реакция (263.3) аннигиляции пары
электрон — позитрон (

 +

 ).

После того как предсказанное теоре-

тически существование позитрона было

подтверждено экспериментально, воз-
ник вопрос о существовании антипро-
тона и антинейтрона. Расчеты показы-
вают, что для создания пары частица —
античастица надо затратить энергию,
превышающую удвоенную энергию по-
коя пары, поскольку частицам необхо-
димо сообщить весьма значительную
кинетическую энергию. Для создания

 необходима энергия пример-

но 4,4 ГэВ. Антипротон был действи-
тельно обнаружен экспериментально

(1955) при рассеянии протонов (уско-

ренных на крупнейшем в то время син-
хрофазотроне Калифорнийского уни-
верситета) на нуклонах ядер мишени

(мишенью служила медь), в результате
которого рождалась пара р

Антипротон отличается от протона

знаками электрического заряда и соб-
ственного магнитного момента. Анти-
протон может аннигилировать не толь-
ко с протоном, но и с нейтроном:

(273.1)

(273.2)

(273.3)

Годом позже (1956) на том же уско-

рителе удалось получить антинейтрон

(п) и осуществить его аннигиляцию.

516

Антинейтроны возникали в результате
перезарядки антипротонов при их дви-
жении через вещество. Реакция переза-

 р состоит в обмене зарядов меж-

ду нуклоном и антинуклоном и может

протекать по схемам

Антинейтрон п отличается от нейт-

рона п знаком собственного магнитно-

го момента. Если антипротоны — ста-
бильные частицы, то свободный анти-
нейтрон, если он не испытывает анни-
гиляции, в конце концов претерпевает
распад по схеме

 с (258.1)].

Античастицы были найдены также

для

 каонов и гиперонов (см.

§ 274). Однако существуют частицы,
которые античастиц не имеют, — это так
называемые истинно нейтральные ча-
стицы. К ним относятся фотон,
зон и т|-мезон (его масса равна
время жизни 7 •

 с; распадается с об-

разованием

 и

Истинно нейтральные частицы не спо-

собны к аннигиляции, но испытывают
взаимные превращения, являющиеся
фундаментальным свойством всех эле-

ментарных частиц. Можно сказать, что

каждая из истинно нейтральных частиц
тождественна со своей античастицей.

Большой интерес и серьезные труд-

ности представляли доказательство су-
ществования антинейтрино и ответ на

вопрос, являются ли нейтрино и анти-
нейтрино тождественными или различ-
ными частицами. Используя мощные
потоки антинейтрино, получаемые в

реакторах [осколки деления тяжелых
ядер испытывают

 и, согласно

(258.1), испускают антинейтрино], аме-

риканские физики Ф. Рейнес и К. Коу-

эн (1956) надежно зафиксировали ре-
акцию захвата электронного антинейт-
рино протоном:

(273.6)

Аналогично зафиксирована реакция

захвата электронного нейтрино нейтро-
ном:

(273.7)

Таким образом, реакции (273.6) и

(273.7) явились, с одной стороны, бес-

спорным доказательством того, что  и

 — реальные частицы, а не фиктивные

понятия, введенные лишь для объясне-
ния

 а с другой — подтверди-

ли вывод о том, что  и  — различные
частицы.

В дальнейшем эксперименты по

рождению и поглощению мюонных
нейтрино показали, что

 и

 — раз-

личные частицы. Также доказано, что

пара

 — различные частицы, а пара

 не тождественна паре

 Соглас-

но идее Б.М.Понтекорво (см. § 271),
осуществлялась реакция захвата мюон-
ного нейтрино [получались при распа-

де

 +

 (271.1)] нейтронами и

наблюдались возникающие частицы.

Оказалось, что реакция (273.7) не идет,

а захват происходит по схеме

т. е. вместо электронов в реакции рож-
дались

 Это и подтверждало

различие между  и

По современным представлениям,

нейтрино и антинейтрино отличаются

друг от друга одной из квантовых ха-
рактеристик состояния элементарной
частицы —

 определя-

емой как проекция спина частицы на
направление ее движения (на импульс).

Для объяснения эксперименталь-

ных данных предполагают, что у нейт-

517

Нейтрино Антинейтрино

 352

рино спин  ориентирован антипарал-
лельно импульсу р, т. е. направления р и

 образуют левый винт и нейтрино об-

ладает левой

 (рис.

352, а), У антинейтрино направления р
и  образуют правый винт, т. е. антиней-

трино обладает правой

 (рис. 352, б). Это свойство спра-

ведливо в равной мере как для элект-
ронного, так и мюонного нейтрино (ан-
тинейтрино).

Для того чтобы спиральность могла

быть использована в качестве характе-
ристики нейтрино (антинейтрино),
масса нейтрино должна приниматься
равной нулю. Введение спиральности
позволило объяснить, например, нару-
шение закона сохранения четности (см.
§ 274) при слабых взаимодействиях,
вызывающих распад элементарных ча-
стиц и

 Так,

 припи-

сывают правую спиральность,

ну — левую.

После открытия столь большого

числа античастиц возникла новая зада-
ча — найти антиядра, иными словами,
доказать существование антивещества,

которое построено из античастиц, так

же как вещество из частиц. Антиядра
действительно были обнаружены. Пер-
вое антиядро — антидейтрон (связан-
ное состояние

 — было получено в

1965 г. группой американских физиков

под руководством Л. Ледермана. В по-
следствии на Серпуховском ускорите-
ле были синтезированы ядра антигелия
(1970) и антитрития (1973).

Следует, однако, отметить, что воз-

можность аннигиляции при встрече с

частицами не позволяет античастицам
длительное время существовать среди
частиц. Поэтому для устойчивого
стояния антивещества оно должно быть
изолировано от вещества. Если бы
вблизи известной нам части Вселенной

существовало скопление антивещества,
то должно было бы наблюдаться мощ-
ное аннигиляционное излучение (взры-
вы с выделением огромных количеств
энергии). Сколь-нибудь существенных
скоплений антивещества во Вселенной
пока не обнаружено. Исследования,
проводимые для поиска антиядер (в ко-
нечном счете антиматерии), и достиг-
нутые в этом направлении первые ус-
пехи имеют фундаментальное значение
для дальнейшего познания строения ве-
щества.

§ 274. Гипероны. Странность

и четность элементарных частиц

В ядерных фотоэмульсиях (конец

40-х годов XX в.) в на ускорителях за-
ряженных частиц (50-е годы) обнару-
жены тяжелые нестабильные элемен-
тарные частицы массой, большей мас-
сы нуклона, названные гиперонами

(от греч. hyper — сверх, выше). Извест-

но несколько типов гиперонов: ламбда

(Л°), сигма (Е°,

 кси

 и

омега

Существование

 следо-

вало из предложенной (1961) М. Гелл-

Маном (р. 1929) (американский физик;
Нобелевская премия 1969 г.) схемы для
классификации сильно взаимодейству-
ющих элементарных частиц. Все изве-

стные в то время частицы укладывались
в эту схему, но в ней оставалось одно
незаполненное место, которое должна
была занять отрицательно заряженная

518