Физика атома атомного ядра и элементарных частиц 48

Физика атома, атомного ядра и элементарных частиц 48. (0). Типы взаимодействий и классификация элементарных частиц. Античастицы. Виртуальные частицы. Диаграммы Фейнмана.

Виды фундаментальных взаимодействий

Классы элементарных частиц Фотон (участвует только в электромагнитных взаимодействиях) Лептоны (участвуют в слабых взаимодействиях, а также в электромагнитных, если есть электрический заряд, и не участвуют в сильных взаимодействиях) Адроны (участвуют во всех видах взаимодействий: слабых, электромагнитных и сильных) Адроны делятся на – Барионы – Мезоны

Лептоны: Некоторые барионы: Некоторые мезоны:

Адронов в настоящее время известно несколько сотен; они, в свою очередь, делятся на барионы и мезоны. К барионам принадлежат протон, нейтрон и все гипероны. К мезонам принадлежат, в частности, пи-мезоны, К-мезоны, эта-мезоны, ро-мезоны и др. Мю-мезон, хотя и назван мезоном, принадлежит, как указано выше, к классу лептонов, поэтому в настоящее время его чаще называют сокращенно мюоном. Каждый адрон характеризуется определенным квантовым числом, называемым барионным зарядом B. Все барионы имеют барионный заряд, равный +1; все античастицы барионов (антипротон, антинейтрон и др. ) имеют барионный заряд равный -1. Барионный заряд всех мезонов равен нулю.

Адроны состоят из кварков. Барионы состоят из трех кварков, а мезоны - из двух кварков, точнее, из одного кварка и одного антикварка. Свойства кварков и структура некоторых адронов приведены ниже. Структура лептонов и кварков в настоящее время неизвестна, и на нынешнем этапе физики элементарных частиц они считаются точечными.

У каждой элементарной частицы есть своя античастица (экспериментальный факт). У частицы и античастицы массы, спины, времена жизни одинаковы, а прочие характеристики (электрический заряд, барионный заряд, лептонные заряды) одинаковы по абсолютной величине, но противоположны по знаку. В некоторых случаях частица совпадает со своей античастицей, в таком случае частица называется истинно нейтральной. Таких частиц немного, на сегодняшний день надежно установлено, что истинно нейтральными являются фотон, пи-ноль мезон, эта-ноль мезон.

Существование античастиц было впервые предсказано П. Дираком в 1931 г Соотношение между энергией, импульсом и мас-сой имеет вид: Поэтому для энергии можно записать: В классической механике для энергии всегда выбирают знак +, так что при p = 0 энергия E = m 0 c 2. Движение с отрицательной кинетической энергией считается не имеющим физического смысла.

Интерпретация П. Дирака Если выбрать знак "минус", то при p = 0 получим E = -m 0 c 2, что можно интерпретировать как отрицательную массу. При увеличении импульса энергия уменьшается, и может стать как угодно малой. Интервал значений от E= -m 0 c 2 до E = +m 0 c 2 не может быть получен ни при каком значении p, и, следовательно, является запрещенным.

Согласно гипотезе П. Дирака, состояния с отрицательной энергией существуют, и т. к. им соответствуют минимальные значения энергии, они полностью заполнены электронами, так что образуется сплошной фон ("море") ненаблюдаемых электронов с отрицательными энергиями и массами. Если какой-то из этих электронов получит энергию, достаточную для преодоления запрещенной зоны, он попадет в верхнюю область, а в нижней зоне возникнет "дырка". Т. к. в сплошном фоне электронов с отрицательными электрическими зарядами и отрицательными массами будет не хватать одного электрона, то дырка будет вести себя как частица, с положительной массой и зарядом, которые по абсолютной величине в точности равны массе и заряду электрона.

Интерпретация Р. Фейнмана Состояние с отрицательной энергией можно трактовать по-другому. Пусть частица движется в положительном направлении x, имеет положительный импульс p и положительную энергию E+. Волновая функция этой частицы имеет вид (для постоянной фазы px - E+t = const координата т. е. частица действительно движется вдоль x в положительном направлении).

Для состояния с отрицательной энергией волновая функция имеет вид: и для постоянной фазы т. е. можно считать, что частица с отрицательной энергией - это частица с положительной энергией, но движущаяся назад по времени.

При этом по формуле Лоренца т. е. движение частицы с зарядом q вперед по времени удовлетворяет тому же уравнению, что и движение частицы с зарядом -q назад по времени. Другими словами, частица с зарядом -q и отрицательной энергией ведет себя как частица с зарядом +q и положительной энергией, т. е как античастица. Эта интерпретация совершенно естественным образом объясняет факт тождественности всех характеристик частиц и античастиц (массы, спина, магнитного момента и т. д. ).

Виртуальные частицы Частицы, для которых нарушена правильная связь между энергией и импульсом: называются виртуальными. Для описания процессов в физике элементарных частиц часто применяются квантовые схемы, которые называются диаграммами Фейнмана. На этих схемах движение элементарных частиц изображается непрерывными линиями, а взаимодействия - условными обозначениями с указанием виртуальных частиц - переносчиков взаимодействий.

Условные обозначения фундаментальных взаимодействий (диаграммы Фейнмана) Сильное Электромагнит. Слабое Гравитационное