Элементарные частицы. Квантовая хромодинамика

Август 23, 2022

Главная
Физика
Элементарные частицы. Квантовая хромодинамика

Содержание

2. Элементарные частицы обычно подразделяются на четыре класса. В одном из них только одна частица – фотон.
3. х Рассмотрим более подробно перечисленные классы частиц. ФОТОНЫ, γ (кванты электромагнитного поля), участвуют в электромагнитных взаимодействиях,
4. 1. ЛЕПТОНЫ (греч. «лептос» – лёгкий). Это легкие частицы, не обладающие сильным взаимодействием: электроны (e–,e+), мюоны
5. 2. АДРОНЫ − тяжелые, крупные частицы участвующие в сильных, электромагнитных и слабых взаимодействиях. Класс адронов обьединяет
6. Класс БАРИОНов объединяет в себе нуклоны (p, n) и нестабильные частицы с массой большей массы нуклонов,
7. Мезоны – сильно взаимодействующие нестабильные частицы, не несущие т. н. барионного заряда: π - мезоны или
8. х В отличии от лептонов , мезоны обладают не только слабым (и, если они заряжены, электромагнитным),
9. х Наряду с общими для всех частиц характеристиками, используют также квантовые числа, которые приписывают только отдельным
10. х Лептонные числа Le, Lμ, Lτ. Лептонные числа приписывают частицам, образующим группу лептонов. Лептоны e, μ
11. х Барионное число В. Барионное число имеет значение В = 0, +1, −1. Барионы, например, n,
12. Изоспин I. Сильно взаимодействующие частицы можно разбить на группы частиц, обладающих схожими свойствами (одинаковое значение спина,
13. х Лептоны считаются элементарными частицами, т.к. они, насколько известно, не распадаются на составные части, не обнаруживают
14. х Эксперименты показали, что адроны обладают внутренней структурой, и их обилие наводит на мысль, что адроны
15. Зондирование протонов электронами
16. Только с помощью компьютеров удалось выделить вклады отдельных центров рассеяния и определить их заряд.
17. Непривычное свойство - дробные заряды Заряд составной частицы равен сумме зарядов кварков нейтрон u d d
18. Непривычное свойство - дробные заряды Заряд составной частицы равен сумме зарядов кварков протон d u u
19. Мезоны состоят из сочетания кварк-антикварк. Например, π+-мезон представляет собой пару
20. Точечные заряды оказались дробными !
21. х Подобно лептонам кварки представляют собой истинно элементарные частицы. Три «сорта» кварков были обозначены буквами u
22. х В 1964 г. ряд физиков высказал предположение о существовании четвертого кварка. Они основывались на глубокой
23. х Четвертый кварк получил название очарованный. Его электрический заряд должен быть равен 2/3е. Кроме того, четвёртый
24. х После открытия (экспериментального) τ-лептона с массой 178 МэВ/с и соответствующего , семейство лептонов стало насчитывать
25. Кварки
27. только белые сочетания являются стабильными состояниями Барионы содержат три кварка – по одному каждого цвета; мезоны
28. Аналогия: нейтральные атомы - бесцветные нуклоны
29. х Первоначально цвета кварков были введены для того , чтобы удовлетворить принципу Паули для частиц со
30. Каждому кварку приписывается ЦВЕТОВОЙ ЗАРЯД, аналогичный электрическому заряду и сильное взаи-модействие между кварками часто называют ЦВЕТОВЫМ
31. Считается, что сильное взаимодействие адронов сводится к взаимодействию составляющих их кварков. Частицы, переносящие взаимодействие, называются ГЛЮОНАМИ
32. Обмен глюоном
34. Скачать презентацию

Слайд 2

Элементарные частицы обычно подразделяются на четыре класса.
В одном из них только

одна частица – фотон.
Второй класс образуют лептоны,
третий – адроны,
четвёртый класс – калибровочные бозоны.
Мезоны и барионы часто объединяют в один класс сильно взаимодействующих частиц, называемых адронами (греческое слово «адрос» означает крупный, массивный).
Помимо перечисленных классов частиц предполагается существование ещё одного класса частиц – гравитонов (квантов гравитац. поля).

Краткая классификация и
свойства частиц

Слайд 3

х
Рассмотрим более подробно перечисленные классы частиц.
ФОТОНЫ, γ (кванты электромагнитного поля),

участвуют в электромагнитных взаимодействиях, но не обладают сильным и слабым взаимодействием.

Слайд 4

1. ЛЕПТОНЫ (греч. «лептос» – лёгкий). Это легкие частицы, не обладающие

сильным взаимодействием:
электроны (e–,e+),
мюоны (μ–,μ+),
таоны (τ–,τ+),
а также электронные нейтрино ( ),
мюонный нейтрино ( ) и
тау нейтрино ( ).
Все лептоны имеют спины, равные 1\2 , и следовательно являются фермионами.

Слайд 5

2. АДРОНЫ − тяжелые, крупные частицы участвующие в сильных, электромагнитных и

слабых взаимодействиях.
Класс адронов обьединяет мезоны и барионы Сегодня известно свыше сотни адронов.

Барионы − адроны, состоящие из трёх кварков (qqq) и имеющие барионное число B = 1.

Слайд 6

Класс БАРИОНов объединяет в себе нуклоны (p, n) и нестабильные частицы

с массой большей массы нуклонов, получившие название гипероны (

Все гипероны обладают сильным взаимодействием и, следовательно, активно взаимодействуют с атомными ядрами.
Спин всех барионов равен 1/2, так что барионы являются фермионами.
За исключением протона все барионы нестабильны: время жизни составляет всего лишь ~10–23–10–22с.

Слайд 7

Мезоны – сильно взаимодействующие нестабильные частицы, не несущие т. н.

барионного заряда:
π - мезоны или пионы (π+, π–, π0),
K - мезоны или каоны ( )
η – (эта) мезон
Массы π+ и π– мезонов одинакова и равна 273,1me,

264,1 me

время жизни соответственно 2,6∙10–8 и 0,8∙10–16с.
Масса К – мезонов составляет 970me.

Мезоны − адроны, состоящие из кварка и антикварка ( ) и имеющие барионное число B=0.

Время жизни К – мезонов 10–8с.
Масса эта – мезонов 1074 me, время жизни порядка 10–19с.

Слайд 8

х
В отличии от лептонов , мезоны обладают не только слабым (и,

если они заряжены, электромагнитным), но также и сильным взаимодействием, проявляющимся при взаимодействии их между собой, а также при взаимодействии между мезонами и барионами.
Спин всех мезонов равен нулю, так что они являются бозонами.
3. Калибровочные бозоны − частицы переносящие взаимодействие между кварками и лептонами.

Слайд 9

х
Наряду с общими для всех частиц характеристиками, используют также квантовые числа,

которые приписывают только отдельным группам частиц.
Квантовые числа:
лептонное число L
барионное число В,
странность s,
очарование (charm) с,
красота (bottomness или beauty) b,
верхний (topness) t,
изотопический спин I приписывают только сильно взаимодействующим частицам − адронам.

Слайд 10

х
Лептонные числа Le, Lμ, Lτ.
Лептонные числа приписывают частицам, образующим группу

лептонов.
Лептоны e, μ и τ участвуют только в электромагнитных и слабых взаимодействиях. Лептоны νe, νμ и ντ участвуют только в слабых взаимодействиях.
Лептонные числа имеют значения
Le, Lμ, Lτ = 0, +1, −1.
Например, e− имеет Le = +l; e+, νe имеют
Le = −l.
Все адроны имеют Le, Lμ, Lτ = 0.

Слайд 11

х
Барионное число В.
Барионное число имеет значение
В = 0, +1,

−1.
Барионы, например, n, р, Λ, Σ, нуклонные резонансы имеют барионное число В = +1. Мезоны, мезонные резонансы − В = 0. Антибарионы В = −1.
Странность s.
Квантовое число s может принимать значения −3, −2, −1, 0, +1, +2, +3 и определяется кварковым составом адронов.
Например, гипероны Λ, Σ имеют s = −l;
K+, K−-мезоны имеют s = +l.

Слайд 12

Изоспин I.
Сильно взаимодействующие частицы можно разбить на группы частиц,

обладающих схожими свойствами (одинаковое значение спина, чётности, барионного числа, странности и др. квантовых чисел, сохраняющихся в сильных взаимодействиях) − изотопические мультиплеты. Величина изоспина I определяет число частиц, входящих в один изотопический мультиплет:
n и р составляют изотопический дуплет I = 1/2;
Σ+, Σ−, Σ0 изотопический триплет I = 1,
Λ − изотопический синглет I = 0,
Число частиц, входящих в один изотопический мультиплет, 2I+1.

Слайд 13

х
Лептоны считаются элементарными частицами, т.к. они, насколько известно, не распадаются на

составные части, не обнаруживают никакой внутренней структуры и не имеют определённого размера.
Попытки определить размеры лептонов показали, что верхний предел составляет
10–18 м.
С другой стороны, адроны оказались более сложными частицами.

Слайд 14

х
Эксперименты показали, что адроны обладают внутренней структурой, и их обилие наводит

на мысль, что адроны совсем не элементарны.
Для решения этой проблемы М. Гелл-Манн и Г. Цвейг в 1963 г. независимо высказали идею согласно которой все известные адроны не элементарны, а построены из трёх более фундаментальных точечных объектов, называемых кварками.

Слайд 15

Зондирование протонов электронами

Слайд 16

Только с помощью компьютеров удалось выделить вклады отдельных центров рассеяния и определить их заряд.

Слайд 17

Непривычное свойство - дробные заряды
Заряд составной частицы равен сумме зарядов кварков
нейтрон
u
d

Слайд 18

Непривычное свойство - дробные заряды
Заряд составной частицы равен сумме зарядов кварков
протон
d
u

Слайд 19

Мезоны состоят из сочетания кварк-антикварк.
Например,
π+-мезон представляет собой пару

Слайд 20

Точечные заряды оказались дробными !

Слайд 21

х
Подобно лептонам кварки представляют собой истинно элементарные частицы.
Три «сорта»

кварков были обозначены буквами
u (up – вверх),
d (down – вниз),
s (strange – странный).
Все известные в то время адроны теоретически можно было построить из кварков трёх видов: u, d, s.

Слайд 22

х
В 1964 г. ряд физиков высказал предположение о существовании четвертого кварка.

Они основывались на глубокой симметрии природы, включая связь кварков и лептонов.
Если существуют (как считали в 60-ых годах) четыре лептона, то и кварков должно быть четыре.

Слайд 23

х
Четвертый кварк получил название очарованный.
Его электрический заряд должен быть

равен 2/3е.
Кроме того, четвёртый кварк должен обладать ещё одним свойством, отличающим его от трёх остальных кварков. Это новое свойство или квантовое число, было названо очарованием. Предполагалось, что очарование с ведёт себя подобно странности: сохраняется в сильном и электромагнитном взаимодействии и не сохраняется в слабом взаимодействии.
У нового очарованного кварка с = +1,
у его антикварка – с = – 1.

Слайд 24

х
После открытия (экспериментального) τ-лептона с массой 178 МэВ/с и соответствующего

, семейство лептонов стало насчитывать шесть частиц (и шесть античастиц).
Исходя из симметрии природы физики предположили существование ещё двух кварков
b-кварки (bottom – низ или beauty - красивый) и
t – кварки (top –высший или truth - истинный). Соответственно новые свойства (квантовые числа), отличающие новые кварки от ранее известных, называются t и b - свойствами или истиной и красотой.

Слайд 25

Кварки

Слайд 26

Слайд 27

только белые сочетания являются стабильными состояниями
Барионы содержат три кварка – по одному

каждого цвета;
мезоны состоят из пары кварк – антикварк определенного цвета и соответствующего антицвета,
поэтому и барионы, и мезоны оказываются «белыми» или «бесцветными».

Слайд 28

Аналогия: нейтральные атомы - бесцветные нуклоны

Слайд 29

х
Первоначально цвета кварков были введены для того , чтобы удовлетворить принципу

Паули для частиц со спинами 1/2 (или любым полуцелым спином, например, 3/2 , 5/2 и т. д.) – таким, как электрон или нуклон.
Т.к. спин кварков равен 1/2, они должны подчиняться принципу Паули. Но у трёх барионов uuu, ddd, sss все три кварка имели бы одинаковые квантовые числа, и по крайней мере у двух из них спины имели бы одинаковое направление (т.к. существует только два возможных направления спина +1/2 и –1/2). Это означало бы нарушение принципа Паули.

Слайд 30

Каждому кварку приписывается ЦВЕТОВОЙ ЗАРЯД, аналогичный электрическому заряду и сильное взаи-модействие

между кварками часто называют
ЦВЕТОВЫМ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕМ.
Новая теория сильного взаимодействия получила название квантовой хромодинамики («хрома» – цвет) или КХД.

Слайд 31

Считается, что сильное взаимодействие адронов сводится к взаимодействию составляющих их

кварков.
Частицы, переносящие взаимодействие, называются ГЛЮОНАМИ (от англ. glue– клей). Согласно теории существует восемь глюонов все с нулевой массой покоя, часть из них имеют цветовой заряд.

Переносчиками слабого взаимодействия являются и – частицы.
Это взаимодействие обусловлено слабым зарядом, которым обладает каждая частица.

Слайд 32

Элементарные частицы. Квантовая хромодинамика

Содержание

Элементарные частицы обычно подразделяются на четыре класса. В одном из них только

х Рассмотрим более подробно перечисленные классы частиц. ФОТОНЫ, γ (кванты электромагнитного поля),

1. ЛЕПТОНЫ (греч. «лептос» – лёгкий). Это легкие частицы, не обладающие

2. АДРОНЫ − тяжелые, крупные частицы участвующие в сильных, электромагнитных и

Класс БАРИОНов объединяет в себе нуклоны (p, n) и нестабильные частицы

Мезоны – сильно взаимодействующие нестабильные частицы, не несущие т. н.

х В отличии от лептонов , мезоны обладают не только слабым (и,

х Наряду с общими для всех частиц характеристиками, используют также квантовые числа,

х Лептонные числа Le, Lμ, Lτ. Лептонные числа приписывают частицам, образующим группу

х Барионное число В. Барионное число имеет значение В = 0, +1,

Изоспин I. Сильно взаимодействующие частицы можно разбить на группы частиц,

х Лептоны считаются элементарными частицами, т.к. они, насколько известно, не распадаются на

х Эксперименты показали, что адроны обладают внутренней структурой, и их обилие наводит

Зондирование протонов электронами

Только с помощью компьютеров удалось выделить вклады отдельных центров рассеяния и определить их заряд.

Непривычное свойство - дробные зарядыЗаряд составной частицы равен сумме зарядов кварковнейтронu d

Непривычное свойство - дробные зарядыЗаряд составной частицы равен сумме зарядов кварковпротонd u

Мезоны состоят из сочетания кварк-антикварк. Например, π+-мезон представляет собой пару