какое взаимодействие имеет место при превращении элементарных частиц друг в друга
Элементарные частицы. Презентация по физике. 11 класс.
Описание презентации по отдельным слайдам:
Цель: Ознакомление с физикой элементарных частиц и систематизация знаний по теме. Развитие абстрактного, экологического и научного мышления учащихся на основе представлений об элементарных частицах и их взаимодействиях
Как обнаружить элементарную частицу? Обычно изучают и анализируют следы (траектории или треки), оставленные частицами, по фотографиям
Классификация элементарных частиц Все частицы делятся на два класса: Фермионы, которые составляют вещество; Бозоны, через которые осуществляется взаимодействие.
Классификация элементарных частиц Фермионы подразделяются на лептоны кварки. Кварки участвуют в сильных взаимодействиях, а также в слабых и в электромагнитных.
Кварки Гелл-Манн и Георг Цвейг предложили кварковую модель в 1964 г. Принцип Паули: в одной системе взаимосвязанных частиц никогда не существует хотя бы две частицы с тождественными параметрами, если эти частицы обладают полуцелым спином. М. Гелл-Манн на конференции в 2007 г.
Спины некоторых микрочастиц Спин Ообщееназвание частиц Примеры 0 скалярные частицы π-мезоны,K-мезоны,хиггсовскийбозон, атомы и ядра4He, чётно-чётные ядра, парапозитроний 1/2 спинорные частицы электрон, кварки, протон, нейтрон, атомы и ядра3He 1 векторные частицы фотон, глюон, векторные мезоны, ортопозитроний 3/2 спин-векторные частицы Δ-изобары 2 тензорные частицы гравитон, тензорные мезоны
Свойства кварков Кварковые супермультиплеты (триада и антитриада )
Кварки имеют свойство, называемое цветовой заряд. Существуют три вида цветового заряда, условно обозначаемые как синий, зелёный Красный. Каждый цвет имеет дополнение в виде своего антицвета —антисиний, антизелёный и антикрасный. В отличие от кварков, антикварки обладают не цветом, а антицветом, то есть противоположным цветовым зарядом. Свойства кварков: цвет
У кварков имеется два основных типа масс, несовпадающих по величине: масса токового кварка, оцениваемая в процессах со значительной передачей квадрата 4-импульса, и структурная масса (блоковая, конституэнтная масса); включает в себя ещё массу глюонного поля вокруг кварка и оценивается из массы адронов и их кваркового состава. Свойства кварков: масса
Каждый аромат (вид) кварка характеризуется такими квантовыми числами, как изоспин Iz, странность S, очарование C, прелесть (боттомность, красота) B′, истинность (топность) T. Свойства кварков: аромат
Свойства кварков: аромат Символ Название Заряд Масса рус. англ. Первое поколение d нижний down −1/3
5 МэВ/c² u верхний up +2/3
3 МэВ/c² Второе поколение s странный strange −1/3 95 ± 25 МэВ/c² c очарованный charm (charmed) +2/3 1,8 ГэВ/c² Третье поколение b прелестный beauty (bottom) −1/3 4,5 ГэВ/c² t истинный truth (top) +2/3 171 ГэВ/c²
0.003 0.08-0.15 1.1-1.4 4.1-4.9 174+5
Какая энергия выделяется при аннигиляции электрона и позитрона?
Какая энергия выделяется при аннигиляции протона и антипротона?
Что было доказано опытами Дэвиссона и Джермера? А. Квантовый характер поглощения энергии атомами. Б. Квантовый характер излучения энергии атомами. В. Волновые свойства света. Г. Волновые свойства электронов.
Какая из приведенных формул определяет длину волны де-Бройля для электрона (m и v — масса и скорость электрона)?
Тест 1.Какие физические системы образуются из элементарных частиц в результате электромагнитного взаимодействия? А. Электроны, протоны. Б. Ядра атомов. В. Атомы, молекулы вещества и античастицы. 2. С точки зрения взаимодействия все частицы делятся на три типа: А. Мезоны, фотоны и лептоны. Б. Фотоны, лептоны и барионы. В. Фотоны, лептоны и адроны. 3. Что является главным фактором существования элементарных частиц? А. Взаимное превращение. Б. Стабильность. В. Взаимодействие частиц друг с другом. 4. Какие взаимодействия определяют устойчивость ядер в атомах? А. Гравитационные. Б. Электромагнитные. В. Ядерные. Г. Слабые.
6. Реальность превращения вещества в электромагнитное поле: А. Подтверждается на опыте аннигиляции электрона и позитрона. Б. Подтверждается на опыте аннигиляции электрона и протона. 7. Реакция превращения вещества в поле: А. е + 2γ→е+ Б. е + 2γ→е- В. е+ +е- =2γ. 8. Какое взаимодействие ответственно за превращение элементарных частиц друг в друга? А. Сильное взаимодействие. Б. Гравитационное. В. Слабое взаимодействие Г. Сильное, слабое, электромагнитное. Ответы: В; В; А; В; Б; А; В; Г. 5. Существуют ли в природе неизменные частицы? А. Существуют. Б. Не существуют.
Курс повышения квалификации
Дистанционное обучение как современный формат преподавания
Курс профессиональной переподготовки
Физика: теория и методика преподавания в образовательной организации
Курс повышения квалификации
Современные педтехнологии в деятельности учителя
Номер материала: ДБ-1658660
Международная дистанционная олимпиада Осень 2021
Не нашли то что искали?
Вам будут интересны эти курсы:
Оставьте свой комментарий
Авторизуйтесь, чтобы задавать вопросы.
В школе в Пермском крае произошла стрельба
Время чтения: 1 минута
Рособрнадзор оставил за регионами решение о дополнительных школьных каникулах
Время чтения: 1 минута
Школьников не планируют переводить на удаленку после каникул
Время чтения: 1 минута
Минпросвещения разрешило школам вводить каникулы до 30 октября
Время чтения: 1 минута
В Туве объявили каникулы в школах с 25 октября
Время чтения: 2 минуты
Студенты разработали программу для предупреждения опасного поведения в школах
Время чтения: 1 минута
Подарочные сертификаты
Ответственность за разрешение любых спорных моментов, касающихся самих материалов и их содержания, берут на себя пользователи, разместившие материал на сайте. Однако администрация сайта готова оказать всяческую поддержку в решении любых вопросов, связанных с работой и содержанием сайта. Если Вы заметили, что на данном сайте незаконно используются материалы, сообщите об этом администрации сайта через форму обратной связи.
Все материалы, размещенные на сайте, созданы авторами сайта либо размещены пользователями сайта и представлены на сайте исключительно для ознакомления. Авторские права на материалы принадлежат их законным авторам. Частичное или полное копирование материалов сайта без письменного разрешения администрации сайта запрещено! Мнение администрации может не совпадать с точкой зрения авторов.
didi79
didi79Я Леди.
2.1 Элементарные частицы и виды взаимодействия внутри атома
Эволюция понятия “элементарная частица”
Элементарные частицы в точном значении этого термина – первичные, неделимые частицы, из которых состоит вся материя.
В дальнейшем выявилась сложная структура атома, состоящего из ядра и электронов.
В свою очередь ядра, как оказалось, также являются сложными структурами и состоят из протонов и нейтронов (общее название нуклоны).
Виды взаимодействия элементарных частиц
Сильное взаимодействие вызывает процессы, протекающие с наибольшей интенсивностью, оно приводит к самой сильной связи элементарных частиц. Именно сильное взаимодействие обуславливает связь протонов и нейтронов в ядрах атомов и обеспечивает устойчивость ядер. Потому сильное взаимодействие называют также ядерным.
Электромагнитное взаимодействие осуществляется через электрическое поле. Очевидно, что это взаимодействие возможно только между электрически заряженными телами. Электромагнитное взаимодействие заметно слабее сильного (ядерного). Именно это взаимодействие обуславливает связь электронов с ядром в атоме и атомов в молекуле.
Слабое взаимодействие вызывает очень медленно протекающие процессы с элементарными частицами. Примером процесса, обусловленного слабым взаимодействием, является бета-распад, а примером элементарной частицы, способной только к слабому взаимодействию, может служить нейтрино. Именно крайне малой интенсивностью слабого взаимодействия объясняется тот факт, что нейтрино свободно пронизывают толщу Земли и Солнца, не испытывая при этом поглощения.
Гравитационное взаимодействие является универсальным, оно наблюдается между любыми материальными телами, но в микромире оно не играет существенной роли. По сравнению с остальными тремя взаимодействиями оно пренебрежимо мало.
Почему атом остается в равновесии?
На расстояниях порядка м величина сильного взаимодействия между нуклонами (общее название протона и нейтрона), составляющими атомное ядро, настолько велика, что позволяет практически не принимать во внимание их электромагнитное взаимодействие (отталкивание).
Интенсивность различных взаимодействий по сравнению с сильным распределяется следующим образом:
Учебники
Журнал «Квант»
Общие
Взаимные превращения элементарных частиц
С элементарными частицами возможны реакции превращения, синтеза, распада, подчиняющиеся законам сохранения.
Одно из наиболее общих фундаментальных свойств элементарных частиц — их превращения друг в друга. При этом образующиеся частицы не входят в состав исходных частиц, а рождаются непосредственно в процессах их соударений или распадов. Следует заметить, что фотон также не входит в состав атома, а рождается непосредственно в процессе перехода электрона в атоме с одного энергетического уровня на другой. Только такими превращениями можно объяснить Р-распад, при котором электроны или позитроны вылетают из ядра, в котором их не было. Одна из таких реакций идет по схеме \(
_1^1p\to _0^1n+_<+1>^0e+_0^0\nu\) где \(
_0^1n\) — нейтрон. Взаимодействия между элементарными частицами приводят к целому ряду взаимопревращений и других процессов, которые можно разделить на три группы: упругое рассеяние, неупругие процессы и распады.
При упругом рассеянии частицы не претерпевают превращение, а просто изменяют состояние своего движения. Примером может служить рассеяние \(
\alpha\)-частиц атомными ядрами в опытах Э. Резерфорда.
В неупругих процессах (реакциях) происходит столкновение двух частиц, сопровождающееся их превращением в частицы другого сорта. Соответствующий пример дает аннигиляция электронно-позитронной пары в два фотона.
Частицы, рождающиеся в процессах рассеяния, за редкими исключениями являются нестабильными и претерпевают распады. Они живут после рождения очень малые промежутки времени, превращаясь затем в другие частицы. Самая устойчивая из нестабильных частиц — нейтрон, обладающий средним временем жизни \(\tau = 898\pm 16 c.\)
Литература
Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. — Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. — С. 639.
Какое взаимодействие имеет место при превращении элементарных частиц друг в друга
2. Константа взаимодействия и превращения элементарных частиц
Подумаем еще раз: что такое заряд?
Мы уже говорили о том изменении, которое претерпело понятие «заряд». Вернемся же к этому еще раз, чтобы резюмировать все, что мы узнали. Подчеркнем: все, о чем мы сейчас будем говорить, представляет собой самую суть понятия «заряд», как мы его сейчас понимаем.
Здесь нельзя не отметить одного обстоятельства, которое раньше, в предыдущих главах, осталось в тени (может быть потому, что там рассмотрение велось с несколько иной точки зрения).
Ядерные взаимодействия уже таким свойством не обладают или, может быть, содержат лишь какие-то его слабые отголоски. Так денежное обращение как-то смутно напоминает натуральный обмен: это тоже какая-то «мена», только один из «продуктов» заменен определенным количеством денежных единиц.
Но здесь есть существенные различия. В некоторых отношениях настолько существенные, что это даже вызвало изменение терминологии.
Первое различие состоит вот в чем. При испускании заряженных π-мезонов происходит превращение частиц-источников. Это уже нечто совершенно новое по сравнению с электромагнитным взаимодействием.
Мы можем сказать, что процессы ядерного (или, иначе говоря, сильного) взаимодействия сопровождаются, вообще говоря, взаимным превращением частиц. Этого не происходит в единственном случае: когда испущенным или поглощенным является нейтральный π-мезон. Во всех остальных случаях ядерные взаимодействия связаны не только с изменением состояния движения, но и с изменением сорта частиц.
Здесь, однако, подчеркнутая нами сторона дела выступает еще не очень ярко. Уж очень много сходного между протоном и нейтроном. Если бы вдруг «выключились» электромагнитные взаимодействия, то их вообще невозможно было бы отличить друг от друга. Поэтому часто говорят, что это не разные частицы, а разные «зарядовые состояния» одной и той же частицы. Но сильные взаимодействия типичны не для одних нуклонов. Сильно взаимодействуют и гипероны (частицы тяжелее нейтрона и протона, обозначаемые как Λ-, Σ- и Ξ-частицы), а также К-мезоны. Здесь уже вполне ярко проявляется та черта сильных взаимодействий, что они связаны с превращением одних частиц в другие.
Наконец, слабые взаимодействия. Они редко ассоциируются у физиков с представлением о чем-то, хотя бы отдаленно напоминающем силовые воздействия. И «заряд» здесь называют, как правило, просто «константой слабых взаимодействий», как бы подчеркивая, что по своему смыслу он очень далек от классического аналога.
Точно так же, впрочем, вместо электрического заряда можно говорить о константе электромагнитных взаимодействий. В случае ядерных сил физики уже давно предпочитают говорить о константе сильных взаимодействий, а не о ядерном или мезонном заряде.
Законы сохранения барионного и лептонного зарядов
Термин «заряд» не был изгнан из области сильных и слабых взаимодействий, а лишь перестал характеризовать их количественно, превратившись в сохраняющееся квантовое число. Произошло это вот почему. До сих пор мы не обращали внимания на то, что электрический заряд двулик. С одной стороны, он характеризует интенсивность электромагнитных взаимодействий, а с другой стороны, является сохраняющейся величиной. Как вы помните, алгебраическая сумма электрических зарядов в замкнутой системе остается неизменной.
Обе эти функции заряда не связаны органически. Нет такого закона природы, который требовал бы сохранения констант взаимодействия для любых сил.
В мире больших тел, в макромире, нет ни одного закона сохранения, хотя бы отдаленно напоминающего закон сохранения барионного заряда. Если бы подобный закон существовал, то это приводило бы к удивительнейшим ситуациям. Представим себе на минуту, что существовал бы закон сохранения человеческих индивидуумов. Тогда мужчины и женщины рождались бы только парами и в дальнейшем могли бы существовать неограниченно долго. Но при первой попытке образовать семью они тут же исчезали бы (по крайней мере для общества).
Именно таково положение вещей в мире тяжелых частиц. Аналогичным образом дело обстоит с лептонами, которые участвуют все без исключения в слабых взаимодействиях.
Разность между числом лептонов и антилептонов, как мы уже говорили, сохраняется, причем сохранение числа лептонов (будем так говорить для краткости) не имеет отношения к константе слабых взаимодействий.
Вероятно, электрический заряд оказался способным совмещать в себе функции константы взаимодействия и сохраняющегося квантового числа по той причине, что константа электромагнитных взаимодействий может иметь различные знаки: наряду с притяжением существует и отталкивание. В сильных и слабых взаимодействиях этого нет и потому такого рода совмещение функций здесь невозможно. Впрочем, во всем этом пока нет полной ясности.
Вывод, может быть, самый важный в книге
Теперь, после экскурса в область новых законов сохранения, подведем некоторый итог тому, что мы знаем о взаимодействиях. Любая константа взаимодействия определяет, насколько активно протекают превращения в определенных группах родственных процессов. (По существу слово «родственный» часто и обозначает только то, что в данном классе превращений можно обойтись одной и той же константой взаимодействия.)
Здесь трудно не впасть в патетический тон и не начать говорить в «высоком штиле» о том, какой умный народ физики, однако сделаем над собой усилие и продолжим наш рассказ.
Здесь уже трудно усомниться в правомерности названия «слабые» для взаимодействий последнего типа.
Но в то же время в этом, как и во многих других случаях, нельзя забывать, что «слабое» отнюдь не является синонимом «несущественного».
Силы в природе и законы сохранения
По выражению Кеннета Форда в микромире господствует полная демократия. Частицы могут вести себя как угодно в рамках закона. Если раньше думали, что фундаментальные законы определяют то, что может (и должно) произойти, то теперь приходится считать самыми главными те законы, которые утверждают, что не может произойти. Такими законами и являются законы сохранения. Они абсолютно запрещают процессы, в которых обязанные быть сохраняющимися величины не остаются постоянными.
В конце концов это изменение представлений о фундаментальных законах природы определяется просто вероятностным характером квантовых законов движения и превращений элементарных частиц.
Именно вероятностный характер законов не позволяет утверждать наверняка, что произойдет при столкновении двух частиц. Так, при столкновении быстрого протона с нейтроном могут появиться самые разнообразные частицы. Может быть рождено три π-мезона и пара К-мезонов. С тем же успехом π-мезонов может быть пять и т. д. В большой серии одинаковых опытов реализуются все возможности. Вероятности конечных результатов столкновения различны, но все они не равны нулю, если не противоречат законам сохранения. Поэтому всегда можно сказать, что не произойдет, но никогда нельзя заранее утверждать, что же получится в конце реакции.
На чем держится наш мир
Под действием трех типов сил никогда не прекращаются виртуальные превращения частиц друг в друга. Если нет препятствий со стороны закона сохранения энергии (другие законы сохранения выполняются и при виртуальных процессах), то рано или поздно произойдет реальное превращение: тяжелая частица распадается на более легкие.
При этом ничего не запрещает обратного процесса. Встретившись вместе, дочерние частицы сольются, превращаясь в материнскую. Однако такая встреча очень мало вероятна. Частицы разлетаются от места рождения, и так как наш мир не очень густо населен частицами, встреча их с братьями и сестрами, как правило, не успевает произойти. Они раньше распадутся, если только не являются стабильными. Все процессы микромира, в частности превращения частиц, обратимы, но обратный распаду процесс в обычных условиях мало вероятен. Лишь при сверхплотных состояниях вещества, в недрах тяжелых звезд, обратные процессы, по-видимому, происходят столь же часто, как и прямые.
Поэтому надо ожидать, что рожденная частица долго не может существовать. Так и есть на самом деле, за некоторыми исключениями. Таких исключений пять, если не считать античастицы: фотон, два сорта нейтрино, электрон и протон. Удивляться следует именно тому, что стабильные частицы все же существуют.
То, что фотон и нейтрино стабильны, понять не сложно. Они легче легкого. Их масса покоя уже равна нулю, и на более легкие частицы они распадаться не могут. Все другие частицы, казалось бы, должны распадаться на фотоны и нейтрино. Закону сохранения энергии это не противоречит.
Сохраняются не только электрический, барионный и лептонный заряды. Есть и другие квантовые числа, которые также сохраняются, но уже не всегда. С ними вам предстоит познакомиться в дальнейшем.
В физику входит странность
* ( См. сборник «Над чем думают физики», вып. 2, Элементарные частицы, Физматгиз, 1963.)
Начиная с 1947 года, в таблице элементарных частиц появилась целая плеяда гиперонов и К-мезонов. Появилась нежданно-негаданно. Ни из какой теории они не вытекали. Это были «странные частицы». Так их и назвали.
Элементарные частицы
И частицы как будто поспешили оправдать свое название.
Однако дело не ограничивалось удивительной прихотливостью процессов рождения. Распады новых частиц были еще более «странными».
И действительно, это подтверждается целым рядом как теоретических, так и прямых экспериментальных доводов: гипероны, например, отлично бы замещали нуклоны в ядре, не будь они так неустойчивы (о чем мы уже говорили, рассказывая о гиперядрах).
что, кстати, действительно и наблюдается.
Цитируем опять обзор Гелл-Манна и Розенбаума: «. двигаясь прочь друг от друга непосредственно после своего рождения, странные частицы уходят от своей гибели посредством сильного взаимодействия и живут до тех пор, пока значительно менее вероятный слабый процесс не покончит с ними».
«Секрет долголетия» странных частиц
Итак, вне всякого сомнения, существуют какие-то обстоятельства, препятствующие «сильному» распаду странных частиц. Что же это за обстоятельства? Длительный опыт приучил физиков к мысли, что за любым «запретом» следует искать какие-то законы сохранения. Не могут протекать превращения, в которых нарушился бы закон сохранения заряда. Закон сохранения энергии «запрещает» процессы, в которых суммарная масса продуктов распада больше массы распадающейся частицы. Законы сохранения энергии и импульса приводят к тому, что при аннигиляции электронно-позитронной пары рождается не меньше двух γ-квантов.
Не означает ли «заторможенность» сильного распада гиперонов, что здесь проявляется какой-то новый, еще не замеченный физиками закон сохранения?
Такая гипотеза была выдвинута Гелл-Манном. Новую величину, которая сохраняется при сильных и электромагнитных взаимодействиях, назвали «странностью».
«Обычным» частицам, т. е. протону, нейтрону (и их античастицам), а также нейтральному и заряженным π-мезонам приписывалась нулевая странность. Для остальных сильно взаимодействующих частиц странность распределялась так:
странность, равная минус единице:
странность, равная плюс единице:
Если реакция такова, что странность не меняется, то процесс идет по сильному каналу. Так, в уже приведенном примере
С другой стороны, распад
Чтобы внести большую наглядность в то, о чем мы здесь говорили, представьте себе, что некоторый процесс, идущий по «сильному каналу» (т. е. без изменения странности), длится одну секунду. Тогда на превращения с изменением странности на единицу потребовались бы миллионы лет! А на случаи, когда странность меняется на две единицы, нужны были бы невообразимо большие сроки, намного превосходящие возраст самой Земли.
Какие взаимодействия называются слабыми
Впрочем, мы и не стремились к последовательности. Вначале хотелось дать представление, хотя бы отчасти, о том несколько хаотическом потоке идей и фактов, который имел место в действительности при исследовании слабых взаимодействий.
Теперь пора упорядочить те сведения об этих взаимодействиях, которыми ученые располагают сейчас. Такое упорядочение, кстати, произошло лишь в последние годы. Но несмотря на это, теория слабых взаимодействий далеко не достигла той степени совершенства, как квантовая электродинамика. Здесь еще, как бы ни были велики успехи, очень много загадочного. Несомненно, даже больше, чем известного. Не исключено, что мы не знаем самого главного. Не знаем даже, в чем это главное должно состоять.
Что же мы знаем, если говорить по возможности последовательно?
Если жизнь вообще и чтение этой книги, в частности, еще не притупили чудесную способность удивляться, то первый же факт может поразить.
Представьте себе: на лужайке вы увидели необыкновенный цветок, затерянный среди густой, высокой травы. Вы никогда не видели таких и уверены, что он единственный, как сказочный аленький цветочек. А вам вдруг говорят, что такие цветы повсюду. Лишь густая высокая трава закрывает их. И не нужно путешествовать к «чудищу безобразному», чтобы сорвать аленький цветочек.
* ( По крайней мере при энергиях, с которыми имеют дело современные экспериментаторы.)
Все процессы, в которых появляется (или исчезает) нейтрино, обусловлены слабыми взаимодействиями. Именно поэтому изучение процессов с нейтрино наилучшим образом проливает свет на природу слабых сил.
Есть еще только одна группа процессов, в которых слабые взаимодействия оказываются решающими. Это процессы превращения частиц с изменением странности. Сохранение странности в сильных и электромагнитных взаимодействиях открывает простор для слабых сил, при действии которых по таинственным причинам странность не сохраняется.
Универсальность слабых взаимодействий
Если вдуматься, то попытки объяснить одной причиной массу разнообразных превращений элементарных частиц могут показаться столь же мало перспективными, как попытки объяснить единой причиной вымирание древних ящеров и появление на земном шаре китов и кашалотов.
Однако это не так. Сравнительно недавно была высказана гипотеза, объясняющая природу универсальности слабых взаимодействий. Сейчас эта гипотеза стала почти достоверной.
В мире живых существ этому соответствовала бы довольно фантастическая картина. Закон преобразования семейной пары Ивановых в ту же пару, но в новом состоянии был бы точно таким же, как закон преобразования слона и ехидны в кенгуру и черепаху.
Здесь, естественно, читатель должен выступить с протестом. «Сходство между превращениями элементарных частиц и трансмутацией слона в кенгуру заведомо преувеличено. Но где же можно усмотреть объяснение универсальности слабых взаимодействий, если по сути дела все остается довольно странным, если учесть возможность подобных параллелей? Ведь у вас фактически речь идет о том, как в рамках теории увязать необычайные факты, а не о том, как их объяснить».
На это можно ответить примерно так. Ну что же, в значительной степени дело обстоит именно таким образом. В первую очередь задача физиков состоит в том, чтобы увидеть то общее, что скрывается за бездной разрозненных фактов. Открыть (или угадать) общий закон. А почему в природе действует этот общий закон? Здесь мы опять-таки, как и в других случаях до этого, ничего сказать не в состоянии. По крайней мере в настоящее время.
Не нужно только думать, что угадать четырехфермионный характер слабых взаимодействий было легко. Отнюдь нет! В случае, скажем, распада нейтрона и μ-мезона это непосредственно очевидно:
Здесь все четыре взаимодействующих фермиона налицо.
Здесь непосредственно участвуют только по два фермиона. Тем не менее и данные реакции вызываются четырехфермионным слабым взаимодействием, но все происходит много сложнее.
Эти реакции идут в два этапа, и на одном из этапов в качестве промежуточного состояния возникает нуклон-антинуклонная пара, которая затем аннигилирует, причем важно, что это промежуточное состояние существует столь малое время, что квантовая неопределенность энергии, о которой мы уже говорили, позволяет реакции идти. С классической точки зрения реакция была бы невозможна, так как ее течение не согласуется с законом сохранения энергии в классическом понимании.
Мы в состоянии наблюдать лишь начальное и конечное состояния, и поэтому здесь четырехфермион- ный характер слабого взаимодействия оказывается замаскированным.
а возникший на первом этапе реакции протон продолжает существовать. В целом реакция выглядит так:
Сходным образом обстоит дело и при других реакциях.
Сейчас построена удовлетворительная количественная теория слабых взаимодействий, в которых не участвуют странные частицы. Гораздо хуже обстоит дело, если они в реакции участвуют. Здесь теоретические предсказания не совпадают с экспериментальными даже по порядку величины.
Существует ли поле слабых взаимодействий?
Но так ли это в действительности? Откуда такая исключительность слабых взаимодействий?
Более привлекательна идея о том, что есть поле слабых взаимодействий и в этом отношении слабые взаимодействия не отличаются от всех остальных. Соответственно существуют и кванты этого поля, условно пока названные промежуточными бозонами.
Гипотеза об их существовании хорошо согласуется с представлением об универсальном четырехфермионном взаимодействии. Взаимодействия между двумя парами фермионов осуществляются посредством обмена квантами поля слабых взаимодействий, подобно тому как при электромагнитных взаимодействиях частицы обмениваются фотонами.
При тех энергиях, которые сейчас можно получить на ускорителях, не удается установить, существует ли промежуточный бозон или же слабое взаимодействие является локальным. По выражению Л. Б. Окуня, бозон как жесткая пружина связывает между собой пары частиц. Если энергия, передаваемая пружине при столкновениях, мала по сравнению с ее жесткостью, пружина выступает как твердое тело (этому соответствует локальное взаимодействие, когда существование промежуточного бозона не сказывается). Если энергия велика, то пружина деформируется и это можно обнаружить экспериментально.
Рождаться промежуточные бозоны могут в поле ядра при рассеянии нейтрино больших энергий. Правда, вероятность таких процессов очень мала. Нужны очень большие энергии и плотности пучков нейтрино, которые современные ускорители не могут обеспечить. Промежуточные бозоны пока не обнаружены. Значительных успехов физики ожидают от тех мощных ускорителей, которые сооружаются в настоящее время в разных странах.
Можно только удивляться, как много мы уже знаем о свойствах этой частицы. Правда, самого главного мы не знаем: существует ли она вообще.
Всегда ли «слабы» слабые взаимодействия?
Слабые взаимодействия, как уже упоминалось, обусловливают не только распады странных частиц и распады с появлением нейтрино. При столкновениях частиц слабые взаимодействия вызывают рассеяние, которое до сих пор не наблюдалось по той простой причине, что оно очень мало и обычно затмевается электромагнитным и ядерным взаимодействиями.
Лишь при рассеянии нейтрино, например на электронах, рассеяние может быть обусловлено исключительно слабыми взаимодействиями. Но опять-таки из-за слабости взаимодействия этот процесс пока не удалось наблюдать.
Наблюдение такого процесса, однако, не безнадежное дело. Слабые взаимодействия обнаруживают еще одно необычное свойство. Вероятность взаимодействия частиц при столкновениях быстро возрастает с энергией. Если помните, это обстоятельство было использовано при доказательстве существования двух сортов нейтрино.
При энергиях порядка 300 миллиардов электрон- вольт, как показывает теория, слабые взаимодействия фактически уже перестают быть слабыми. Вероятность рассеяния частиц за счет слабых взаимодействий становится сравнимой с вероятностью рассеяния частиц при электромагнитных взаимодействиях.
На Земле нейтрино сверхвысоких энергий могут быть получены только на ускорителях, т. е. в ничтожных количествах. Но в космосе, внутри звезд, могут встретиться самые необычные условия. Об этом пойдет речь в дальнейшем.