Доклад на тему лептоны

Обновлено: 17.08.2022

В настоящее время элементарные частицы делятся на большие классы и подклассы в зависимости от типов фундаментальных взаимодействий, в которых эти частицы участвуют. Первоначально классификация элементарных частиц осуществлялась по их массе, что и получило отражение в названиях типов частиц (лептоны — легкие, мезоны — средние, барионы — тяжелые, адроны — крупные).

Лептоны — класс элементарных частиц, не участвующих в сильном взаимодействии. Все лептоны имеют спин 1/2 (в единицах ħ), т. е. являются фермионами. Как уже указывалось выше, такое название они получили потому, что до открытия τ-лептона они были самыми легкими из элементарных частиц.

Элементарные частицы, входящие в семейство лептонов, их обозначения и основные характеристики приведены в табл. 2.

Как следует из таблицы, общее число лептонов невелико — их всего шесть. Три заряженных лептона (e - , μ - , τ - ) участвуют в электромагнитном и слабом взаимодействиях и каждому из них соответствует нейтральная частица — нейтрино (ve , vμ, vτ ), участвующая только в слабом взаимодействии. Все лептоны, кроме мюона и тау-лептона, являются стабильными частицами. Таким образом, можно говорить о трех семействах лептонов: электронный (е - , ve), мюонный (μ - , vμ) и таонный (τ - , vτ) дуплеты. Каждому их них соответствует дуплет антилептонов: (е + , ), (μ + , ), (τ + , ), где , и — соответственно электронное, мюонное и таенное антинейтрино.

Название частицы Символ Электрический заряд Масса Спин Время жизни
[e] [me] [ħ] [c]
Электрон e - 1/2 Стабилен
Электронное нейтрино ve 0? 1/2 Стабильно
Мюон μ - 206,8 1/2 2,2*10 -6
Мюонное нейтрино vμ 0? 1/2 Стабильно
Тау-лептон τ - 1/2 3,5*10 -13
Таонное нейтрино vτ 0? 1/2 Стабильно

Для выделения лептонов, как группы элементарных частиц, им приписывают лептонный заряд (лептонное число) L. Для лептонов L = 1, для антилептонов L = -1, для всех остальных элементарных частиц L = 0. Таким образом, антинейтрино отличается от нейтрино лептонным зарядом, подобно тому, как позитрон и электрон отличаются знаками электрического заряда (кстати, и лептонного тоже).

При всех процессах взаимопревращаемости элементарных частиц лептонный заряд сохраняется, в этом заключается закон сохранения лептонного заряда. Лептонный заряд не связан ни с какими полями, а просто является средством учета количества лептонов в реакциях.

Например, для реакции:

выполняется закон сохранения лептонного заряда (0 = 0 + 1 - 1).

Следствием закона сохранения лептонного числа является то, что в реакции (3) вылетает антинейтрино, а при распаде — нейтрино. Так как у электрона и нейтрино L = +1, а у позитрона и антинейтрино L = -1, то закон сохранения лептонного числа выполняется лишь при условии, что возникает вместе с электроном, a - с позитроном.

Для реакций распада мюона и τ-лептона

также выполняется закон сохранения лептонного заряда:

Семейство лептонов в настоящее время считают истинно элементарными (фундаментальными) частицами, поскольку эксперименты, включая столкновения в ускорителях частиц с огромнейшими энергиями, говорят о лептонах как о неделимых частицах.

лептоны

Бурные события происходят сейчас в физике элементарных частиц. Фраза может показаться банальной — человек, постоянно читающий популярные журналы, уже привык к тому, что в науке всегда происходят бурные события. В принципе все верно: число людей: занимающихся наукой вообще и физикой элементарных частиц в частности, все время растет, постоянно строятся новые, все более мощные ускорители; непрерывно совершенствуется экспериментальная техника. Систематические усилия многих тысяч серьезных людей не могут остаться без результата, и каждый год добавляет что-то новое к нашим знаниям о фундаментальной структуре материи. В развитии любой науки, однако, бывают периоды, когда подспудное накопление фактов, порой незаметное для неспециалистов, приводит вдруг к качественному скачку в нашем понимании природы. В физике таких событий было несколько.

Наиболее яркий и исключительный пример — это, пожалуй, создание квантовой механики. Гораздо обычнее ситуация, когда новая теория не требует коренной ломки мировоззрения, а довольствуется более скромной (но тоже достаточно почетной) ролью. Исходя из немногих основных постулатов, она объясняет непонятные до того факты в некоторой области явлений и делает предсказания, которые затем (если теория правильна) подтверждаются экспериментом. Именно такая теория создается сейчас в физике элементарных частиц.

Еще не так давно физиками владело некоторое уныние. Наши сведения о частицах напоминали тогда груду кирпичей. Точнее, из кирпичей — отдельных экспериментальных фактов — на скорую руку были сооружены временные непритязательные постройки; в них можно было работать, но жить трудновато.

Сегодня уныние исчезло без следа. Строительная площадка микрофизики имеет сейчас совсем другой вид. Можно сказать, что стены здания будущей теории уже построены. Предстоит еще возвести крышу, прорубить кое-где окна, провести отделочные работы… Хочется верить, что главное уже сделано.

После такого начала читатель вправе ждать более подробных разъяснений, что, собственно, произошло в физике частиц. К сожалению, внятного ответа на все эти важные и интересные вопросы он здесь не найдет. Невозможно в рамках одной статьи обстоятельно рассказать об итоге многолетней работы физиков. О многом наш журнал уже писал, еще больше рассказов — впереди.

Должен честно предупредить — открытие тяжелого лептона не принадлежит к числу тех великих экспериментов, которые ложатся в основание кладки и определяют дальнейшее развитие физики на много лет вперед. Людей, открывших тяжелый лептон, можно сравнить с грибниками, обнаружившими под елочками вместо рыжиков… новый автомобиль. Конечно, надо отдать им должное,— заметив подозрительный блеск металла в глубине зарослей, они не списали его на обман зрения, а расчистили к нему путь и совместными усилиями выкатили на поляну. Автомобиль сфотографировали, измерили со всех сторон, открыли капот и даже начали разбираться в механизме. Но ездить на нем пока никто не умеет!

Пора, однако, закончить эту лирическую часть и пойти навстречу тому читателю, который устал уже от развернутых сравнений и хочет выяснить толком, что, в сущности, этот автомобиль (он же кирпич) собой представляет. И опять ему придется набраться терпения и выдержать еще одно, теперь…

Вступление физическое

Но задолго до открытия тяжелого лептона, о котором речь пойдет дальше, стало ясно, что легкость лептонов — свойство чисто внешнее, не отражающее сути явления.

Тогда какое же свойство лептонов следует счесть главным, определяющим их характер и поведение? Безусловно, их категорическое нежелание участвовать в сильном взаимодействии. Свое название это взаимодействие оправдывает тем, что оно сильнее трех других, известных на сегодня, по крайней мере, в тысячу раз. Это оно скрепляет кварки в адронах, нуклоны в ядрах, зажигает Солнце и звезды…

Тот факт, что лептоны не участвуют в сильных взаимодействиях, пожалуй, наиболее ярко проявился в истории открытия мюона.

В начале тридцатых годов прошлого ХХ века японский физик Юкава предложил первую в истории теорию сильного взаимодействия. Сделал он это по аналогии с уже имевшейся к тому времени теорией электромагнитного взаимодействия, согласно которой заряженные частицы взаимодействуют друг с другом, обмениваясь виртуальными фотонами. По теории Юкавы ядерные частицы взаимодействуют между собой, тоже обмениваясь некими частицами, которые он назвал мезонами (я прошу извинить за непонятные слова, но подробные объяснения увели бы нас слишком далеко в сторону). Мезоны тогда еще не были открыты, но по теоретическим оценкам их масса должна была лежать в районе 100—200 Мэв.

Какова же была радость физиков, когда в 1936 году в космических лучах, открыли частицу с массой 106 Мэв. Вскоре, однако, стало ясно, что это не та частица, которую ждали. Она не испытывала сильных взаимодействий и свободно проходила через толстые слои вещества, тормозясь лишь за счет электромагнитного взаимодействия с оболочкой атомов.

Новая частица — мюон — была лептоном, полностью тождественным электрону с одним- единственным исключением. Она тяжелее электрона в 207 раз. (Настоящая частица Юкавы — переносчик сильного взаимодействия л-мезон — была открыта значительно позже.)

Открытие мюона немало озадачило физиков. Он никак не вписывался в сложившуюся к тому времени картину мира; было совершенно непонятно, кому и зачем он нужен. Не очень понятно это и до сих пор.

Прежде чем начать разговор о недавних открытиях, вспомним еще об одном свойстве лептонов — законе сохранения лептонного числа.

О нем можно было и не говорить — из множества законов сохранения, известных в физике, это один из самых неинтересных. Некоторые законы сохранения — например, энергии и импульса — связаны с глобальными симметриями пространства и времени (например, закон сохранения импульса связан с однородностью пространства, то есть с тем, что законы природы во всех точках пространства одни и те же).

Закон сохранения лептонного числа не связан ни с какой из известных симметрий и носит скорее характер рецепта. О нем, однако, придется рассказать, иначе нельзя будет понять, как было сделано открытие тяжелого лептона.

Забудем пока о мюоне. Представим, что есть всего 4 лептона: электрон, электронное нейтрино и их античастицы — позитрон и электронное антинейтрино. Закон сохранения лептонного числа гласит, что при взаимодействии частиц лептоны могут исчезать и появляться, но лептонное число L = число лептонов минус число антилептонов должно при этом сохраняться.

Так что же под елочками?

Я не буду испытывать ваше терпение, подробно рассказывая о том, как проверялись и отбрасывались различные гипотезы, выдвинутые для объяснения этого эффекта. Было высказано подозрение, что в реакциях замешана какая-то (или какие-то) неизвестная частица, которую следует принимать во внимание при подсчете лептонных чисел. Прошло около полутора лет напряженной работы, пока не стало окончательно ясно, что открыто… сразу две новые элементарные частицы! Одна из них — давно обещанный мною тяжелый лептон. Тау-лептон (так предложили его назвать первооткрыватели) оказался действительно тяжелым. Он весит примерно 1780 Мэв, что почти в два раза превосходит массу протона. И наряду с тау-лептоном существует еще одно (!) нейтральное безмассовое тау-нейтрино — уже третье по счету, отличное от уже известных электронного и мюонного.

Такова разгадка странного явления, открытого на ускорителе. Изложенную здесь картину ни в коем случае не следует воспринимать как умозрительное гипотетическое построение. Процессы указанного типа рассчитываются точно и до конца. Лишь после тщательных измерений и сравнения с предсказаниями теории был сделан вывод, что все происходит именно так, как здесь рассказано.

Мы видим, что известные на сегодняшний день лептоны распадаются на три отдельных независимых семейства (е, уе), (u, vu) (t, vt). Во всех реакциях должен теперь выполняться закон сохранения и тау-лептонного числа.

Дело в том, что, кроме лептонов, в микромире существуют, как известно, кварки. Кварки отличаются от лептонов тем, что сильно взаимодействуют друг с другом, группируясь в адроны. В настоящее время известно уже пять кварков: нейтронный n, странный s и прелестный b с зарядами — 1/3, а также протонный p и очарованный c с зарядами + 2/3. Не открыт, но никто не сомневается, что существует и шестой кварк с зарядом +2/3, имени для которого еще нет. Как и лептоны, кварки группируются в семейства: (pn), (сs), а шестой кварк — это недостающая пока пара к недавно открытому в-кварку. Суммарный заряд кварков равен +3.

Лептонов с учетом семейства тау стало шесть штук: электрон, мюон и тау с зарядом — 1 и три сорта нейтральных нейтрино (сейчас мы говорим лишь о частицах, а не их антиподах — шести антилептонах и шести антикварках). Суммарный заряд лептонов равен —3.

На сегодняшний день, правда, совершенно непонятно, почему кварков и лептонов так много — теоретикам вполне бы хватило двух лептонов и двух кварков. Но число кварков и лептонов связано друг с другом — из существования семейства тау вытекает существование пятого и шестого кварков, и наоборот.

Пока же можно констатировать начало нового этапа в исследовании микромира. Центр тяжести перемещается в сторону новой области — физики кварков и лептонов, объектов одного уровня организации материи, свойства которых в большой мере определяют все многообразие явлений микромира.

Неоконченное заключение

Давайте взглянем на таблицу элементарных частиц, как она выглядит сейчас.

таблица элементарных частиц

Раньше можно было встретить совсем другие таблицы. Там не было ни кварков, ни глюонов, ни промежуточных бозонов, зато были протон и нейтрон, эта-мезон, кси- со звездочкой, минус-гиперон и еще несколько сот различных частиц. Все они отсутствуют в нашей таблице, поскольку эти частицы теперь уже никак нельзя считать элементарными. На самом деле это сложные составные объекты, сделанные из кварков и глюонов.

Что касается кварков, то таких свидетельств очень много, они прекрасно согласуются и дополняют друг друга, так что реальность кварков практически несомненна. Вопрос о существовании глюонов на сегодняшний день еще не так ясен — это отмечено соответствующим знаком в таблице.

Вопросительным знаком также отмечены промежуточные бозоны и бозон Хиггса — гипотетические агенты слабого взаимодействия. Имеется красивая и стройная теория — так называемая модель Вайнберга — Салама, — предсказывающая их существование. Помимо красоты и стройности, эта теория обладает также тем достоинством, что она правильно описывает эксперимент всюду, где сравнение теории и эксперимента удалось провести. Но решающий эксперимент — по наблюдению еще впереди.

В таблице нет гравитона — предположительно существующего кванта гравитационного поля, который иногда можно встретить в таблицах элементарных частиц. Дело в том, что более или менее удовлетворительные теории сильного, электромагнитного и слабого взаимодействия уже построены (заметим, что раньше сказать так было нельзя). Эти теории и есть свежевыстроенные стены того здания, о котором говорилось в начале. В то же время квантовая теория гравитации пока не создана, а об экспериментах на эту тему сейчас и думать нечего.

Объединение нескольких видов взаимодействия в единое целое на основе более общей теории — не новость для физики. Электромагнитная теория Максвелла, например, показала, что такие на первый взгляд разные явления, как электричество, магнетизм и свет, имеют одну и ту же природу (именно по этому, например, цвет свечения светодиодных ламп можно описать физическим языком в терминах физики элементарных частиц). Одна из стен будущего здания — теория Вайнберга — Салама — это единая теория слабого и электромагнитного взаимодействия.

На вопрос о том, почему же такая замечательная теория до сих пор не создана, можно ответить двояко.

Во-первых, формулировка такой теории — дело, мягко говоря, непростое. Глядя на дрожание наэлектризованных гребешком полосок бумаги и, с другой стороны, на дрожание железных опилок на листке бумаги между полюсами подковообразного магнита, нелегко было угадать вид уравнений Максвелла. Неизмеримо труднее, переводя взгляд с одной части таблицы на другую, понять, какой единый закон обеспечивает все разнообразие свойств элементарных частиц.

Во-вторых, эта теория, если она будет создана, окажется на порядок сложнее существующих. Перед физиками стоят труднейшие математические проблемы, и может пройти не один десяток лет между формулировкой основ теории и моментом, когда станет возможным сравнить предсказания теории с экспериментом.

Тем не менее, задача построения такой теории стоит на повестке дня. Высказаны уже конкретные идеи о том, как должна выглядеть будущая теория. Идеи эти очень красивы, и может быть, их красота не окажется пустоцветом.

начение открытий субатомных элементарных частиц в 60-70-е годы. Изучение структуры протона и нейтрона. Основные подходы к классификации частиц в физике. Гипотеза о существовании кварков. Поиски и открытие новых кварков. Свойства и поколения лептонов.

Рубрика Физика и энергетика
Вид курсовая работа
Язык русский
Дата добавления 28.12.2011
Размер файла 27,5 K

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

1. Основные подходы к классификации частиц

2. Гипотеза о существовании кварков

4. Поиски кварков

5. Пленение кварков внутри адронов

элементарный частица физика кварк лептон

В 60-70-е годы физики были совершенно сбиты с толку многочисленностью, разнообразием и необычностью вновь открытых субатомных частиц. Казалось, им не будет конца. Совершенно непонятно, для чего столько частиц. Являются ли эти элементарные частицы хаотическими и случайными осколками материи? Или, возможно, они таят в себе ключ к познанию структуры Вселенной? Развитие физики в последующие десятилетия показало, что в существовании такой структуры нет никаких сомнений. В конце ХХ в. физика начинает понимать, каково значение каждой из элементарных частиц.

Миру субатомных частиц присущ глубокий и рациональный порядок. В основе этого порядка - фундаментальные физические взаимодействия.

Элементарная частица -- собирательный термин, относящийся к микрообъектам в субъядерном масштабе, которые невозможно расщепить (или пока это не доказано) на составные части. Их строение и поведение изучается физикой элементарных частиц. Понятие элементарных частиц основывается на факте дискретного строения вещества. Ряд элементарных частиц имеет сложную внутреннюю структуру, однако разделить их на части невозможно. Другие элементарные частицы на данный момент считаются бесструктурными и рассматриваются как первичные фундаментальные частицы.

Современная наука выявила единство на самом глубоком уровне: наблюдаемое вещество состоит из фотонов, лептонов (электроны, мюоны, нейтрино) и кварков. Помимо переносимых фотонами электромагнитных взаимодействий существуют сильные ядерные взаимодействия, связывающие кварки в барионы (протоны, нейтроны и пр.) и мезоны. Слабые ядерные взаимодействия ответственны за распад нейтронов, например. Все они описываются единой нелинейной теорией, обобщающей уравнения Максвелла. Такое обобщение было сделано в 1954 г. Ч.Янгом и Р. Миллсом, и другие обобщения называются также теорией Янга -- Миллса. Ранее подобные теории выдвигали Г. Ми и М. Борн, А. Эйнштейн и Я. И.Френкель. Хотя проблема элементарных частиц связана с самими основами науки, их изучение ведется в некотором отрыве от других областей физики.

1. Основные подходы к классификации частиц

Спин -- одна из важнейших характеристик элементарных частиц. Она определяется собственным моментом импульса частицы. Спин фотона равен 1; это означает, что частица примет тот же вид после полного оборота на 360°. Частица со спином -- 1/2 примет прежний вид при обороте, в 2 раза большем, т. е. в 720°. Спин протона, нейтрона и электрона -- 1/2. Существуют частицы со спином 3/2, 5/2 и т.д. Частица со спином, равным нулю, одинаково выглядит при любом угле поворота. В зависимости от значения спина все частицы делят на две группы:

1. фермионы (название дано в честь Энрико Ферми) -- с полуцелыми (1/2, 3/3, . ) спинами. Фермионы составляют вещество и, в свою очередь, делятся на два класса -- лептоны (от греч. leptos -- легкий) и кварки. Кварки входят в состав протонов, нейтронов и других подобных им частиц, называемых в совокупности адронами (от греч. adros -- сильный). Заряженные лептоны могут так же, как и электроны, вращаться вокруг ядер, образуя атомы. Лептоны, не имеющие заряда, могут, как и нейтрино, проходить сквозь всю Землю, ни с чем не взаимодействуя. У каждой частицы есть и античастица, отличающаяся только зарядом;

2. бозоны (названные в честь индийского ученого Шатьендраната Бозе, одного из создателей квантовой статистики) -- это частицы с целыми спинами (0, 1, 2), бозоны переносят взаимодействие.

По видам взаимодействий элементарные частицы делятся на следующие группы:

1. Составные частицы:

1.1 адроны -- частицы, участвующие во всех видах фундаментальных взаимодействий. Они состоят из кварков и подразделяются, в свою очередь, на:

1.1.1 мезоны (адроны с целым спином, т. е. бозоны);

1.1.2 барионы (адроны с полуцелым спином, т. е. фермионы). К ним, в частности, относятся частицы, составляющие ядро атома, -- протон и нейтрон.

2. Фундаментальные (бесструктурные) частицы:

2.1 лептоны -- фермионы, которые имеют вид точечных частиц (т. е. не состоящих ни из чего) вплоть до масштабов порядка 10?18 м. Не участвуют в сильных взаимодействиях. Участие в электромагнитных взаимодействиях экспериментально наблюдалось только для заряженных лептонов (электроны, мюоны, тау-лептоны) и не наблюдалось для нейтрино. Известны 6 типов лептонов.

2.2 кварки -- дробнозаряженные частицы, входящие в состав адронов. В свободном состоянии не наблюдались (для объяснения отсутствия таких наблюдений предложен механизм конфайнмента). Как и лептоны, делятся на 6 типов и являются бесструктурными, однако, в отличие от лептонов, участвуют в сильном взаимодействии.

2.3 калибровочные бозоны -- частицы, посредством обмена которыми осуществляются взаимодействия:

2.3.1 фотон -- частица, переносящая электромагнитное взаимодействие;

2.3.2 восемь глюонов -- частиц, переносящих сильное взаимодействие;

2.3.3 три промежуточных векторных бозона W+, W? и Z0, переносящие слабое взаимодействие;

2.3.4 гравитон -- гипотетическая частица, переносящая гравитационное взаимодействие. Существование гравитонов, хотя пока не доказано экспериментально в связи со слабостью гравитационного взаимодействия, считается вполне вероятным; однако гравитон не входит в Стандартную модель.

Адроны и лептоны образуют вещество. Калибровочные бозоны -- это кванты разных видов излучения.

Кроме того, в Стандартной Модели с необходимостью присутствует хиггсовский бозон, который, впрочем, пока ещё не обнаружен экспериментально.

2. Гипотеза о существовании кварков

Кварки были придуманы в 1964 г. американскими физиками Гелл-Маном и независимо Цвейгом для объяснения существующей в природе симметрии в свойствах сильновзаимодействующих частиц - адронов.

Оказывается, если известные адроны рассортировать по значениям их спина и внутренней четности, то образуется несколько больших групп адронов (в среднем по десятку частиц в одной группе), внутри которых наблюдаются интересные закономерности. Такие группы называют супермультиплетами или унитарными мультиплетами.

В это время можно было вполне четко выделить четыре большие группы частиц. Мезонные адроны с нулевым спином и отрицательной четностью образуют группу из девяти частиц (нонет). Электрический заряд, странность и масса членов этой девятки закономерно изменяются от частицы к частице. Аналогичную девятку образуют также мезонные адроны со спином, равным единице, и отрицательной четностью. Барионы со спином Ѕ и положительной четностью образуют сходный октет. Наконец, барионные адроны с оспином 3/2 и положительной четностью составляют десятку - декуплет.

Закономерности можно проследить также и в других супермультиплетах. Для объяснения закономерностей было предложено несколько различных теорий. Общим для всех этих теорий является предположение о существовании двух разновидностей сильного взаимодействия: очень сильного и умеренно сильного, которые вместе с электромагнитным определяют основные свойства адронов. Очень сильное взаимодействие одинаково для всех членов унитарного мультиплета и определяет главную часть их энергии взаимодействия (а значит, и массы). Умеренно сильное взаимодействие зависит от странности и потому различно для членов разных изотопических мультиплетов, т.е. для частиц, стоящих в разных строках.

Три кошмарные частицы.

В конце 1974 г. одновременно в двух лабораториях была открыта новая частица, свойства которой оказались таковы, что их не удалось объяснить в рамках трехкварковой модели. Для интерпретации этих свойств потребовалось ввести четвертый кварк - с-кварк, названный очарованным ( от слова charm -очарование).

с-Кварк оказался вполне равноправной частицей по отношению к остальным трем кваркам. Комбинируя с-кварк с антикварками u, d, s, можно получить новые мезоны, которые были названы очарованными. В настоящее время уже обнаружены представители всех очарованных мезонов и некоторые очарованные барионы. На этом основании, казалось бы, можно было считать, что кварковая модель достигла совершенства, т.е. описывает все существующие частицы и не конструирует лишних, не встречающихся в природе.

Однако, в 1977 г. была открыта еще одна частица, названная ипсилон-мезоном, свойства которой не укладывались в четырехкварковую модель. Новый, пятый кварк b, названный прелестным (от слова beauty - прелесть, иногда название b-кварка производят от слова botom - низ).

Наконец, имеются основания считать, что должен существовать еще и шестой кварк t, названный правдивым (от слова truth) или верхним (от слова top). Одним из таких оснований является предсказываемая теорией электрослабого взаимодействия симметрия в числе кварков и лептонов (которых открыто шесть).

4. Поиски кварков

Являются ли кварки реальными частицами или просто математическими измышлениями, нужными только для классификации адронов, еще неясно. В начале 1970г. в научных журналах было опубликовано несколько работ, авторы которых заявляли об обнаружении кварков в космических лучах, однако пока что это не подтверждено. Если кварки и в самом деле существуют в природе, то из этого факта мы сможем вывести целый ряд замечательных следствий. В частности, космогонические теории и теории источников энергии излучения звезд придется коренным образом пересмотреть. Далее, кварки смогут выступать в роли эффективных катализаторов ядерных реакций. Вполне возможно, что по крайней мере один из трех кварков окажется стабильным и не будет распадаться, а может быть, и все три кварка будут стабильными.

Успех кварковой модели и желание свести многообразие частиц к нескольким фундаментальным заставляют физиков искать кварки в природе.

Кваркам естественно приписать большую массу. Но рождение частиц сбольшой массой требует больших кинетических энергий, поэтому поиски кварков следует вести в таких условиях (естественно или искусственно созданных), когда имеется возможность трансформации большой порции кинетической энергии в энергию покоя (массу). Связь между массой кварка m q и минимальной кинетической энергией, бомбардирующей частицы Тмин, необходимой для рождения кварка этой массы, зависит от типа реакции, в которой образуется кварк. В соответствии с законами сохранения образование кварка может происходить только в паре с антикварком.

Для реакции образования кварка при соударении двух протонов получается следующая зависимость Тмин от предполагаемого значения m q:

Тмин=2(m q /m p) (2m p + m q) c

Существуют соображения, из которых следует, что при данной энергии Т могут рождаться частицы большей массы (напр., при Т=30 ГэВ могут родиться кварки массой до 5m p). Однако вероятность такого процесса настолько мала, что его можно не учитывать в расчетах. Кварки массой m q

Существует три поколения лептонов:

  • первое поколение: электрон, электронное нейтрино
  • второе поколение: мюон, мюонное нейтрино
  • третье поколение: тау-лептон, тау-нейтрино

(плюс соответствующие античастицы). Таким образом, в каждое поколение входит отрицательно заряженный (с зарядом −1e) лептон, положительно заряженный (с зарядом +1e) антилептон и нейтральные нейтрино и антинейтрино. Все они обладают ненулевой массой, хотя масса нейтрино весьма мала по сравнению с массами других элементарных частиц (менее 1 электронвольта для электронного нейтрино).

Каждому заряженному лептону (электрон, мюон, тау-лептон) соответствует лёгкий нейтральный лептон — нейтрино. Ранее считалось, что каждое поколение лептонов обладает своим (так называемым флейворным) лептонным зарядом, — иными словами, лептон может возникнуть только вместе с антилептоном из своего поколения, так, чтобы разность количества лептонов и антилептонов каждого поколения в замкнутой системе была постоянной. Эта разность называется электронным, мюонным или тау-лептонным числом, в зависимости от рассматриваемого поколения. Лептонное число лептона равно +1, антилептона — −1.

С открытием осцилляций нейтрино обнаружено, что это правило нарушается: электронное нейтрино может превратиться в мюонное или тау-нейтрино и т. д. Таким образом, флейворное лептонное число не сохраняется. Однако процессов, в которых не сохранялось бы общее лептонное число (не зависящее от поколения), пока не обнаружено. Лептонное число иногда называют лептонным зарядом, хотя с ним, в отличие от электрического заряда, не связано какое-либо калибровочное поле. Закон сохранения лептонного числа является экспериментальным фактом и пока не имеет общепринятого теоретического обоснования. В современных расширениях Стандартной Модели, объединяющих сильное и электрослабое взаимодействия, предсказываются процессы, не сохраняющие лептонное число. Их низкоэнергетическими проявлениями могут быть пока не открытые нейтрино-антинейтринные осцилляции и безнейтринный двойной бета-распад, изменяющие лептонное число на две единицы.

Из заряженных лептонов стабильным является только самый лёгкий из них — электрон (и его античастица — позитрон). Более тяжёлые заряженные лептоны распадаются в более лёгкие. Например, отрицательный мюон распадается в электрон, электронное антинейтрино и мюонное нейтрино (видно, что в этом процессе сохраняются как общее, так и флейворные лептонные числа) с временем жизни около 2 микросекунд. Тау-лептон (время жизни около 3×10 −13 с) может распадаться с вылетом не только лептонов, но и лёгких адронов (каонов и пионов). Распад нейтрино не обнаружен, в настоящее время они считаются стабильными.

Все лептоны являются фермионами, то есть их спин равен 1/2. Лептоны вместе с кварками (которые участвуют во всех четырёх взаимодействиях, включая сильное) составляют класс фундаментальных фермионов — частиц, из которых состоит вещество и у которых, насколько это известно, отсутствует внутренняя структура.

Несмотря на то, что до сих пор никаких экспериментальных указаний на неточечную структуру лептонов не обнаружено, делаются попытки построить теории, в которых лептоны (и другая группа фундаментальных фермионов — кварки) были бы составными объектами. Рабочее название для гипотетических частиц, составляющих кварки и лептоны, — преоны.

Wikimedia Foundation . 2010 .

Полезное

Смотреть что такое "Лептоны" в других словарях:

ЛЕПТОНЫ — ЛЕПТОНЫ, элементарные частицы, не участвующие в сильных взаимодействиях (смотри Взаимодействия фундаментальные). К лептонам относятся электрон, мюоны, нейтрино и др. Название лептон (от греческого leptos тонкий, легкий) связано с тем, что массы… … Современная энциклопедия

ЛЕПТОНЫ — (от греч. leptos легкий) элементарные частицы со спином 1/2, не участвующие в сильном взаимодействии. К лептонам относятся электрон, отрицательно заряженные мюон и тяжелый ? лептон (с массой ок. двух протонных масс), электронное, мюонное нейтрино … Большой Энциклопедический словарь

ЛЕПТОНЫ — группа лёгких элементарных и фундаментальных (см.) и соответствующих им (см.), имеющих полуцелый (см.), равный 1/2 и не участвующих в сильном (см.). Различают отрицательно заряженные Л. (см.), мю мезон (мюон), тяжёлый тау лептон (таон) и их… … Большая политехническая энциклопедия

лептоны — (от греч. leptos лёгкий), элементарные частицы со спином 1/2, не участвующие в сильном взаимодействии. К лептонам относятся электрон, отрицательно заряженные мюон и тяжёлый τ лептон (с массой около двух протонных масс), электронное, мюонное… … Энциклопедический словарь

Лептоны — класс элементарных частиц, не обладающих сильным взаимодействием (См. Сильные взаимодействия), т. е. участвующих лишь в электромагнитных, слабых и гравитационных взаимодействиях. К Л. относятся электрон, мюон (См. Мюоны), электронное и… … Большая советская энциклопедия

лептоны — мн. Наиболее мелкие элементарные частицы (электрон, нейтрино и т.п.). Толковый словарь Ефремовой. Т. Ф. Ефремова. 2000 … Современный толковый словарь русского языка Ефремовой

ЛЕПТОНЫ — (от греч. leptos тонкий, лёгкий) класс элементарных частиц, к рые не способны к сильному взаимодействию. Спин Л. равен 1/2. К Л. относят электрон, отрицательно заряж. мюон, тяжёлый Л. (т а о н, t Л.), нейтрино и их античастицы … Большой энциклопедический политехнический словарь

ЛЕПТОНЫ — (от греч. лёгкий), элементарные частицы со спином 1/2, не участвующие в сильном взаимодействии. К Л. относятся электрон, отрицательно заряженные мюон и тяжёлый т лептон (с массой около двух протонных масс), электронное, мюонное нейтрино и их… … Естествознание. Энциклопедический словарь

лептоны — (гр. leptos легкий) физ. наиболее легкие элементарные частицы со спином v , не имеющие барионного заряда, но обладающие лептонным зарядом; к лептонам относятся электрон, тяжелый лептон, позитрон, нейтрино, мюон, несущий электрический заряд, и их… … Словарь иностранных слов русского языка

Читайте также: