Открытие в 1932 г. К. Андерсоном позитрона стало
исключительно важным событием в понимании окружающего мира. Позитрон по своим
характеристикам идентичен электрону, но имеет положительный электрический заряд,
Открытие позитрона восстановило зарядовую симметрию мира. Была решена одна из
загадок устройства окружающего мира: почему единичный положительный
электрический заряд существует у тяжелого протона, а отрицательный электрический
заряд — у лёгкого электрона.
Рис. 12. Позитрон, зарегистрированный в камере
Вильсона, помещенной в магнитное поле. Тонкая изогнутая линия, идущая снизу
вверх − след позитрона. Темная полоса, пересекающая камеру Вильсона
посередине − слой вещества, в котором позитрон теряет часть энергии и на выходе
из которого он движется с меньшей скоростью. Поэтому после прохождения слоя
вещества след позитрона искривлен сильнее.
Позитрон, так же как электрон, является стабильной
частицей и может в пустом пространстве существовать бесконечно долго. Однако при
столкновении позитрона и электрона происходит их аннигиляция − электрон и
позитрон исчезают и вместо них рождаются два γ‑кванта
e+ + e−
→ 2γ.
Две частицы, имеющие массу (электрон, позитрон)
превращаются в два γ‑кванта,
имеющие нулевую массу. Превращение массивных частиц в частицы нулевой массы
явилось одним из ярких подтверждений эквивалентности массы и энергии
E = mc2.
Античастицы. История открытий
1932 г. Позитрон
1955 г. Антипротон
1956 г. Антинейтрон
1966 г. Антидейтерий
1970 г. Антигелий
1998 г. Антиводород
Каждый лептон и кварк имеют аналог − античастицу.
Античастицы отличаются от частицы заменой всех зарядов (электрического,
барионного, лептонного, ароматов кварков) на противоположный. Ряд характеристик
частицы и античастицы совпадают (масса, спин). Связь характеристик частиц и
античастиц показана в таблице 4.
Таблица 4
Связь характеристик частицы и античастицы
Характеристика
Частица
Античастица
Масса
M
M
Электрический заряд
+(-)Q
-(+)Q
Спин
J
J
Магнитный момент
+(-)
-(+)
Барионное число
+B
-B
Лептонное число
+Le, +Lμ, +Lτ
-Le, -Lμ, -Lτ
Странность
+(-)s
-(+)s
Очарование (Charm)
+(-)c
-(+)c
Bottomness
+(-)b
-(+)b
Topness
+(-)t
-(+)t
Изоспин
I
I
Проекция изоспина
+(-)I3
-(+)I3
Четность
+(-)
-(+)
Время жизни
T
T
Схема распада
Зарядово сопряженная
Сильновзаимодействующие частицы, состоящие из кварков,
называются адронами. Так хорошо известные нам адроны − протон и нейтрон −
состоят из u и d кварков.
p ≡ uud, n ≡ udd
Рис. 13. Типы адронов и
их кварковый состав
Адроны существуют трёх типов: барионы, мезоны и
антибарионы. На рис. 13 показаны типы адронов и их кварковый состав.
Барионы состоят из трёх кварков. Мезоны состоят из
кварка и антикварка. Антибарионы состоят из трёх антикварков.
Кварковая модель адронов
Кварки объединяются в сильновзаимодействующие частицы, называемые адронами.
Существуют адроны трех типов.
Барионы, состоящие из трех кварков qqq. Барионы имеют
барионное число B = 1.
Мезоны, состоящие из кварка и антикварка q. Мезоны имеют
барионное число B = 0.
Антибарионы, состоящие из трех антикварков
. Антибарионы имеют
барионное число B = -1.
Квантовые числа кварков, образующих адрон, определяют его квантовые числа.
Для того чтобы правильно описать квантовые свойства
адронов кваркам приписали ещё одно квантовое число цвет −условное
название внутренней степени свободы каждого из шести кварков. Обычно используют
три цвета: красный (к), зеленый (з), синий (с). Антикварки имеют антицвет
,
,
. Кварки внутри адрона
связаны глюонами. В нашем мире адроны должны быть бесцветными состояниями
системы кварков и глюонов. Поэтому мы не видим отдельные цветные кварки, а видим
их бесцветные комбинации в виде адронов.
Таблица
5
Некоторые мезоны
Частица
Кварковый состав
Масса, Mc2
(МэВ)
Время жизни (сек) или ширина
Спин-четность, изоспин
JP(I)
Основные
моды распада
π+,π-
u, d
139.7
2.6·10-8
0-(1)
νμ+,μ-
π0
u-d
134.98
8.4·10-17
0-(1)
2
K+,K-
u, s
494
1.2·10-8
0-(1/2)
K0,K0
d, s
498
0-(1/2)
0-(1/2)
π+π-,
π0π0
η
u+d, s
547
1.2 кэВ
0-(0)
η'
u+d, s
958
0.20 МэВ
0-(0)
ρ±
ρ0
770
151 МэВ
1-(1)
ππ
ω
u+d
782
8.4 МэВ
1-(0)
π+π-π0
φ
s
1020
4.4 МэВ
1-(0)
K+K-,π+π-π0
D±
c, d
1869
1.1·10-12
0-(1/2)
K
+ другие частицы,
e + другие, μ + другие
D0,D0
c,
u
1865
4.2·10-13
0-(1/2)
c,
s
1969
4.7·10-13
0-(0)
K + другие
5279
1.6·10-12
0-(1/2)
D0+др,
D*+др
0-(1/2)
ν+др, D++др, D*+др
J/ψ
c
3097
87 кэВ
1-(0)
адроны, e+e-,μ+μ-
Y
b
9460
53 кэВ
1-(0)
τ+τ-,e+e-,μ+μ-
Таблица 6
Некоторые барионы
Частица
Кварковый
состав
Масса,
mc2
(МэВ)
Время жизни
(сек) или ширина (МэВ)
Спин-четность, изоспин
JP(I)
Основные моды распада
p
uud
938.27
>1031 лет
1/2+(1/2)
n
ddu
939.57
887+2
1/2+(1/2)
pe
Λ
uds
1116
2.6·10-10
1/2+(0)
pπ-,
nπ0
Σ+
uus
1189
0.80·10-10
1/2+(1)
pπ0, nπ+
Σ0
uds
1193
7.4·10-20
1/2+(1)
Λγ
Σ-
dds
1197
1.5·10-10
1/2+(1)
nπ-
Ξ0
uss
1315
2.9·10-10
1/2+(1/2)
Λπ0
Ξ-
dss
1321
1.6·10-10
1/2+(1/2)
Λπ-
Ω-
sss
1672
0.82·10-10
3/2+(0)
ΛK-, Ξ0π-
Δ++
Δ+
Δ0
Δ−
1230-1234
115-125
3/2+(3/2)
(n или p) + π
Σ+(1385)
uus
1383
36
3/2+(1)
Λπ,
Σπ
Σ0(1385)
uds
1384
36
Σ-(1385)
dds
1387
39
Ξ0(1530)
uss
1532
9.1
3/2+(1/2)
Ξπ
Ξ-(1530)
dss
1535
9.1
N(1440)
N+ uud
1430-1470
250-450
1/2+(1/2)
n(p)+π(2π),π
N0 udd
N(1520)
N+ uud
1515-1530
110-135
3/2-(1/2)
n(p)+π(2π),π
N0 udd
udc
2285
2.0·10-13
1/2+(0)
(n или p) + другие
uuc
2453
1/2+(1)
π
udc
2454
ddc
2452
При встрече частицы и античастицы происходит их
взаимная аннигиляция.
Рис. 14 Частицы и античастицы.
Попадающий в пузырьковую камеру
антипротон исчезает в нижней части
фотографии в результате столкновения с протоном (рис. 14). При этом
происходит рождения пары ΛΛ p +
→
Λ + Λ (точка 1). Эти
нейтральные частицы не оставляют следов в камере Вильсона, но их можно видеть по
распадам на заряженные частицы. Одним из продуктов распада
Λ является новый
антипротон (точка 2), который аннигилирует в верхней части камеры, образуя
четыре π-мезона p +
→
π++ π−+
π+ + π− (точка 4). Λ-частица распадается на
протон и π−-мезон
Λ→ p + π− (точка 3).
Рис. 15. Образование ω-частицы
(резонанса).
Антипротон, движущийся в пузырьковой камере снизу вверх
(рис. 15), аннигилирует с протоном с образованием нескольких мезонов p
+
→
π++ π−+
ω0 (точка 1). Время жизни
ω-мезона
10–22 сек. Поэтому образование ω0 можно наблюдать только по продуктам его
распада ω0 →
π+ + π−+
π0 (точка
2 в правой верхней части рис. 15). В точке 3 π+-мезон распадается на положительно
заряженный мюон и нейтрино π+ → μ+ +
νμ. В точке 4 происходит распад положительно
заряженного мюона на позитрон и два нейтрино μ+ → e+ +
μ +
νe. Нейтрино в камере Вильсона не оставляет
следов.