21649

Вивчення кваркової моделі адронів

Курсовая

Физика

Поняття «елементарна частинка» у фізиці виникло у зв\'язку з ідеєю відшукання неподільних частинок, з яких складається вся матерія. Неподільність спочатку приписували атомам, потім - ядрам, потім - нуклонам.

Украинкский

2014-11-24

219.5 KB

9 чел.

                                                    ЗМІСТ

ВСТУП………………………………………………………………………………….....3

Розділ І.   ЕЛЕМЕНТАРНІ ЧАСТИНКИ ……………………………………………4

  1.  Елементарні частинки та їх класифікація …………………….………………….....4
    1.  Адрони …………………………………...……………………………………..……..7

Розділ ІІ. КВАРКИ ……………………………………………………………………....9
2.1 Відкриття кварка ……………………………………………………………………...9

2.2 Взаємодія між кварками …………………………………………………………….13
Розділ ІІІ. КВАРКОВА СТРУКТУРА АДРОНІВ…………………………………..16
3.1
Кваркова модель мезонів……………………………………………………………16
3.2 Кваркова модель баріонів…………………………………………………………...18
Розділ IV. ПОЛОЖЕННЯ КВАНТОВОЇ ХРОНОДИНАМІКИ………………….19
4.1
Квантова хромодинаміка…………………………………………………………....19
4.3 Асимптотична свобода………………………………………………………………21

4.4  Кварк-глоюонна плазма…………………………………………………………….27

ВИСНОВКИ……………………………………………………………………...............28

СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ…………………………………………...29


ВСТУП
 

Дана курсова робота присвячена вивченню кваркової моделі, яка пояснює не тільки систематику, а й динаміку адронів. В даний час вона принята загальновизнаною. 

Актуальнысть проблемы обумовлена цікавістю людини зрозуміти устрій світу і пояснити навколишні його явища. В даний час створена теорія, так звана квантова хромодинаміка, що описує поведінку кваркових систем.

Метою роботи є вивчення кваркової моделі адронів, що передбачає вирішення наступних завдань:

  •  познайомитися з класифікацією елементарних частинок;
  •  розглянути кваркові моделі будови частинок;
  •  дізнатися основні положення квантової хромодинаміки.

Матеріалом для реалізації мети послужили дані, отримані при роботі з літературою та Internet.

Курсова робота складається з вступу, трьох розділів, висновків, списку літератури.

У вступі обумовлюється актуальність роботи, формулюються основні цілі і завдання, а також використовуваний матеріал.

У першому розділі розглядаються види елементарних частинок і їх класифікація.

У другому розділі розповідається про створення кваркової теорії та відкритті кварків.

У третьому розділі розглянуто кваркову структуру адронів.

У четвертому розділі наводяться основні положення квантової хромодинаміки і дається поняття глюонів та асимптотичної свободи та методи дослідження кварків.

У висновку в узагальненому вигляді підбиваються підсумки роботи.



Розділ І. ЕЛЕМЕНТАРНІ ЧАСТИНКИ
1.1 Елементарні частинки та їх
класифікація

Поняття «елементарна частинка» у фізиці виникло у зв'язку з ідеєю відшукання неподільних частинок, з яких складається вся матерія. Неподільність спочатку приписували атомам, потім - ядрам, потім - нуклонам.

Вперше про елементарні частинки, як складові будь-якого атома стали говорити наприкінці XIX - початку XX століття. Саме в цей час було показано, що атоми можуть перетворюватися один в одного, при радіоактивних перетвореннях. Відкриті катодне і рентгенівське випромінювання, випускання яких різними атомами свідчило про подібну будову усіх атомів.

Наступними етапами при  дослідженні будови атома було відкриття атомного ядра (1911 р.) і його складових частин: протона (1919 р.) і нейтрона (1932 р.).

Елементарними частинками сучасна фізика умовно називає велику групу найдрібніших мікрочастинок, які не є атомами чи атомними ядрами (за винятком протона, який є ядром атома водню). В даний час до «істинно» елементарних прийнято відносити такі частинки (і їх античастинки): 

1) лептони (е, μ, τ і відповідні їм нейтрино); 

2) кварки; 

3) фотони і проміжні бозони W ±, Z 0. 

В даний час відкрито і досліджено так багато елементарних частинок, що для їх позначення вже використані всі вільні літери грецького алфавіту і багато літер латинського алфавіту. Причому існують ізотопічні (зарядові) мультиплети частинок,  всі члени яких позначаються однаковими буквами (наприклад, Σ +, Σ -, Σ 0 тощо). Крім того, для позначення частинок використовуються букви зі штрихами, з зірочками і з цифрами. Взагалі, кількість елементарних частинок (включаючи нестабільні частки - резонанси) разом з античастинками в кілька разів перевищує число елементів періодичної системи Менделєєва, тому стає досить безглуздим вважати їх елементарними. 

Всі частинки (у тому числі і неелементарному частинки і квазічастинки) поділяються на бозони і ферміони. Бозони (або бозе-частинками) називаються частки або квазічастинки, що володіють нульовим або цілочисловим спіном. Бозони підкоряються статистиці Бозе-Ейнштейна (звідси і їхня назва). До бозонів належать: гіпотетичний гравітон (спін 1/2), фотон (спін 1), проміжні векторні бозони (спін 1), глюони (спін 1), мезони і мезонні резонанси, а також античастинки усіх перерахованих частинок. Частинки або квазічастинки з напівцілим спіном називаються ферміонами (або фермі-частинками). Для них справедливий принцип Паулі, і вони підкоряються статистиці Фермі-Дірака (звідси і їхня назва). До ферміонів відносяться: лептони, всі баріони та баріонні резонанси, кварки (спін 1 / 2), а також відповідні античастинки. 

За часом життя τ розрізняють стабільні, квазістабільні і резонансні частинки. Останні для стислості називають просто резонансами. Резонансними називають частинки, які розпадаються за рахунок сильної взаємодії з часом життя 10 -23 с. Нестабільні частинки, час життя яких перевищує 10 -20 с, розпадаються за рахунок електромагнітного або слабкого, але не за рахунок сильної взаємодії. Ці частинки відносять до квазістаціонарним. Час 10 -20 с, нікчемний у повсякденних  масштабах, має вважатися великим, якщо його порівнювати з ядерним часом. Ядерний час-це час, потрібний  світлу на проходження діаметра ядра (10 -13 см). Навіть за час 10 -20 світло встигає пробігти відстань у 10 3 -10 4 нуклонних діаметри. За цей час може відбутися ще багато внутрінуклонних процесів. Ось чому частинки, названі нами квазістабільними, у довідниках називають просто стабільними. Втім, абсолютно стабільними частками є, мабуть, тільки фотон γ, електрон е -, протон р, електронне   ν е, мюонне ν μ і таонное ν τ нейтрино та їх античастинки - розпад всіх цих частинок на досвіді не зареєстрований. 

Розпади можуть відбуватися по сильній, електромагнітної і слабкої взаємодій. Найбільш швидко відбуваються розпади по сильній взаємодії - такі розпади резонансів. Квазістабільні частки розпадаються за рахунок слабкої або електромагнітної взаємодії. Вони стали б абсолютно стійкими, якщо б можна було подумки «вимкнути» ці взаємодії, залишивши тільки сильне. Найбільш стабільними резонансами є частинки J / ψ і ү, для яких τ ≈ 10 -20 с. Вони відносяться до резонансів тому, що у них є канали розпаду, зумовлені сильним взаємодією, але ці розпади пригнічені законами збереження чарівності і краси при сильних взаємодіях. 

В силу малого часу життя τ, резонанси не володіють певною масою. Це видно зі співвідношення невизначеностей Гейзенберга Δ *Τ ≈ h. Резонанси описуються безперервним спектром мас. Положення максимуму цього спектру і називається масою резонансу. Ширина спектру Г визначається звичайним співвідношенням             Г ≈ ħ / τ. При дуже малому часові життя вона буває порівнянна зі значенням самої маси резонансу. Саме ширина Г (а не τ) зазвичай і наводиться в таблицях в якості запобіжної нестабільності резонансу. Так, при τ ≈ 10 -23 отримуємо Г ≈ 100 МеВ. Тому резонансами можна назвати частинки з великою шириною спектру мас Г ≈ 100 МеВ. 

Особливу групу елементарних часток становлять фотони, які є переносниками електромагнітної взаємодії, і споріднені з ними W ±, Z o  - бозони, які є носіями слабкої взаємодії. Ці чотири частинки утворюють групу так званих носіїв взаємодії. До носіїв взаємодії відносяться і глюони, а також гіпотетичні-Гравітон. Всі інші частинки поділяються на лептони і адрони. 
Так як дана робота присвячена кварковій структурі адронів, тому приділим увагу адронам.



1.2 Адрони

Адронами називаються елементарні частинки, що беруть участь в сильній взаємодії. Вони, як правило, беруть участь також і в всіх інших взаємодіях - електромагнітній і слабкій. 

Ці частинки, в основному резонанси, складають найбільш численну групу елементарних частинок - їх налічується близько 400. Адрони поділяються на стабільні і квазістабільні адрони і резонанси. У свою чергу стабільні адрони поділяються на мезони і баріони. Теоретичні мотиви такого підрозділу з'ясуються в кваркової моделі. До групи резонансів входять мезонні та баріонів резонанси. 

Мезонами називаються нестабільні заряджені або нейтральні адрони, що володіють нульовим або цілочисловим спіном, а тому належать до класу бозонів. Сюди відносяться π ° - і π ± - мезони, К ± - мезони. Ці мезони були відкриті раніше за інших. Маса їх - проміжна між масами електрона і протона (звідси і їхня назва - від грецького слова mesos, що означає «середній, проміжний»). Пізніше були відкриті більш важкі D ± -, D о -, F ± - мезони, маса яких більша за масу протона. Було відкрито також багато мезонних резонансів, тобто мезонів з часом життя порядку  10 -23 с. Маса деяких з них також перевершує масу протона. Мюони μ спочатку називалися μ - мезонами, але вони не належать до класу мезонів, тому, що мають спін  1 / 2 і не беруть участь в сильних взаємодіях. 

У ядерній фізиці баріоними резонансами називаються адрони з напівцілим спіном і масами, не меншими маси протона. До них відносяться нуклони (протони і нейтрони), гіперони та ін.. Протон і нейтрон - найлегші баріони. Протон - єдиний стабільний у ядерній фізиці, а всі інші баріони і резонанси нестабільні і шляхом послідовних розпадів перетворюються на нуклони і легкі частинки: π-мезони, електрони, нейтрино, γ-кванти. (Нейтрон у вільному стані - нестабільна частка з часом життя ~ 16 хв, але у зв'язаному стані усередині ядра він стабільний, якщо A Z М <A Z +1 M + M e, тобто коли не відбувається β - - розпаду. Якщо ж A Z М> A Z +1 M + m е, то нестабільний протон і відбувається позитронний β + - розпад: р → n + е + + ν e. 

Нестабільні баріони з масами, більшими маси нуклона (протона і нейтрона), і великим часом життя у порівнянні з ядерним часом (порядку 10 -23 с) називаються гіперонами. Перші гіперонів (Λ) були відкриті у космічних променях. Детальне вивчення їх стало можливим після того, як їх почали отримувати на прискорювачах заряджених частинок високих енергій при зіткненнях швидких нуклонів, π - і К - мезонів з нуклонами атомних ядер. Відомо кілька типів гіперонів: лямбда (Λ °), сігма (Σ -, Σ °, Σ +), ксі (Ξ -, Ξ °), омега (Ω -), Λ с. Усі гіперони мають спін 1 / 2, за винятком гіперон Ω -, спін якого дорівнює 3 / 2. Таким чином, гіперони є ферміонами. Час життя гіперонів τ ~ 10 -10 с (за винятком Σ ° і Λ ° і Λ с, для яких τ одно 10 -19 і    10 -13 с відповідно). За цей час вони розпадаються на нуклони і легкі частки (π - мезони, електрони, нейтрино, γ-кванти). 

У 70-х роках на великих прискорювачах були створені пучки заряджених і нейтральних гіперонів високих енергій (20-100 ГеВ). Це дозволило перевірити формулу для релятивістського уповільнення часу в кращих умовах, порівняно з тим, як це робилося раніше. Якщо б не було релятивістського уповільнення часу, то гіперонів від свого народження до розпаду пробігали б шлях близько сантиметра або десятків сантиметрів. Насправді цей шлях досягає декількох метрів. 


Розділ ІІ. КВАРКИ
2.1 Відкриття кварка

Тріумфом кварковой моделі є відкриття чарівних частинок. Перша зачарівначастинка була відкрита в 1974 р. двома групами експериментаторів незалежно друг від друга: на протонному прискорювачі в Брукхейвені (США) при бомбардуванні протонами ядер Ве й на прискорювачі із зустрічними електронно-позитронними пучками в Стонфорді (США). Перша група назвала відкриту частку мезоном J, а друга -мезоном ψ. Тому виявлений мезон і одержав подвійну назву J/ ψ. Його маса 3,096 ГеВ. Чудова особливість відкритої частинки полягає в її довговічності. Її ширина 60 кеВ, тоді як звичайна ширина для часток таких енергій 10—70 МеВ, що приблизно на три порядки більша. Цей факт, як і у випадку дивних частинок, вказує на заборону по якомусь новому квантовому числу. У результаті було введено квантове число С, що одержала назва чарівності, або шарму. Йому відповідає новий кварк с. У кварковой моделі чарівність визначається як різниця між числом кварків (с) і антикварків (с). Частинки із шармом, відмінним від нуля, називаються чарівними. Чарівність зберігається при сильних і електромагнітних взаємодіях, але не зберігається при слабких. Розпади зачарованих адронів відбувається за рахунок слабкої взаємодії, при цьому чарівність змінюється на одиницю. J- мезон побудований із кварка с і антикварка с.  Його чарівність дорівнює нулю й відносять його до мезонів зі прихованим зачаруванням. Приховане зачарування в частинок проявляється в тому, що вони легко розпадаються на чарівні частинки, якщо розпад не заборонений законами збереження енергії й імпульсу, а розпади на незачаровані частинки сильно подавлені (тому, що подавлена анігіляція в більш дрібні кварки), тобто відбуваються з малою ймовірністю.

По своїй структурі квантова система сс, називана чармонієм, нагадує атом водню (скоріше, позитронія). Однак останній завжди називається атомом водню незалежно від того, у якому зі збуджених станів він перебуває. Напроти, різні збуджені стани чармоніябудь-яких інших кваркових систем) домовилися вважати різними частинками й позначати різними символами. Мезон Jє одним зі збуджених станів чармонія. Після нього було відкрито кілька збуджених станів чармонія. Були відкриті і мезони з явним зачаруванням:

D+ - cd,           D0cu,              F+ - sc

D- - dc,            D0uc,              F- - sc,

1869 Мев         1865 Мев         2021 МеВ

Були відкриті також і зачаровані баріони.

Історія відкриття нового кварка b аналогічна історії відкриття кварка с. В 1977 р. у Батавії (США) був відкритий новий мезон, позначений через Υ. Він виникав при бомбардуванні мішені з міді й свинцю пучком протонів з енергією 400 ГеВ. Цей надважкий мезон при масі тr характеризується відносно малою шириною ( близько 0,04 МеВ). Властивості нової частинки не укладалися в схему чотирьохкваркової моделі, і довелося ввести п'ятий кварк b, який був названий чарівним, або гарним. (Адрони, у які входить кварк б, називають гарними, або чарівними). Мезон Υ є одним зі збуджених станів зв'язаної системи b b зі спіном 1. Надалі мезон Υ та інші збуджені стани тієї ж системи Υ ', Υ ", Υ "' отримувались в зустрічних електроннопозитронних пучках, а на зустрічних рр - пучках у ЦЕРН (Швейцарія) був також виявлений перший, найлегший «гарний» баріон Λb = udb масою 5400 МеВ. Різниця між числами b-кварків і їх антикварків b називається красою. Краса, зберігається при сильних і електромагнітних взаємодіях і може порушуватися при слабких.

Якщо переглянути всі квантові числа для адронів, то легко виявити, що електричний заряд адрона  можна обчислити по формулі

Q = T3 + (1/2)(B+S+C+b)

Зокрема, ця формула застосовна для нуклонів. У них S =C=b=0, B= +1, для протона T3=+1/2, для нейтрона T3= -1/2.

Успішна   класифікація   адронів на основі   кваркової моделі з'явилася вагомим аргументом на її користь. Іншим аргументом є досліди по прямому просвічуванню нуклонів і інших адронів високоенергетичними електронами. Процес, що відбувається при цьому, називається глибоконепружнім розсіюванням. Теоретичний аналіз його привів до висновку, що усередині адронів електрони розсіюються на точкових частинках із зарядами +2/3 і -1/3 і спіном 1/2. На цих частинках електрони різко зміняють свої імпульси та енергії, повідомляючи їх кварку, подібно тому як це відбувається з - частинками при розсіюванні на ядрах у досвідах Резерфорда. Про кінцеві розміри кварків ці досвіди нічого не говорять. З них можна дізнатись тільки, що у всякому разі на відстанях від силового центру більше 10-15 см  кварки поводяться ще як безструктурні точкові частинки. Можливо, що за п'ятим кварком b и передбачуваним шостим t будуть відкриті й інші кварки. Можливо, що збільшення числа кварків буде невеликим і обмежене загальними принципами або внутрішніми властивостями симетрії елементарних частинок. Можливо, що й безструктурність кварків відбиває лише досягнутий рівень дослідження цих матеріальних об'єктів.

Численні пошуки вільних кварків, що проводилися на прискорювачах високих енергій, у космічних променях і навколишньому середовищу, виявилися безуспішними. Зокрема, кварки шукали при вимірі заряду краплі по методу Міллікена (1868 -1953). Виявлення крапель із дробовим зарядом свідчило б про присутність кварка, тому, що дробовий заряд кварка не міг би бути скомпенсований цілим зарядом електрона або іона. Такі досліди проводилися в наші часи із набагато більшою точністю,  чого  не  зміг зробити  Міллікен.

До негативного результату привів і дуже точний мас-спектроскопічний аналіз води, який дав для верхньої межі відношення числа вільних кварків до протонів величину порядку 10-27. Зараз більшість фахівців схиляється до того, що у вільному стані кварки не існують.

Отже, кваркова модель припускає, що кварки усередині адронів існують, але досвід змушує визнати, що вилетіти звідти й з'явитися у вільному стані вони не можуть. Таке положення називають англійським словом «конфаймент», яке означає «полон, тюремне ув'язнення». Кварк, що одержав енергію в результаті зіткнення з електроном, не вилітає назовні з адрону, а розтрачує її на утворенні кварк - антикваркових пар, тобто на утворення нових адронів, в основному мезонів.

Однієї із причин неспостерігаємості  кварків у вільному стані, можливо, є їх дуже великі маси. Це перешкоджає народженню кварків при тих енергіях, які досягаються на сучасних прискорювачах. Не виключена можливість, що у вільному стані кварки принципово не можуть з'явитися в силу специфіки їх взаємодії. Приводилися досліди експериментального й теоретичного характеру, згідно з якими сили взаємодії між кварками не слабшають із відстанню. Якщо це так, то для відділення їх друг від друга потрібні нескінченно великі енергії, при яких таке відділення робиться неможливим. Все це-тільки припущення, жодною мірою не претендують на достовірність і навіть правдоподібність.


2.2 Взаємодія між кварками

Хвильові функції систем кварків, що утворюють баріони, повинні бути антисиметричними, тому що кварки мають спін 1/2. Тим часом зустрічаються баріони з однаковими орієнтаціями спінів: Δ++ (u u u ), Ω-(s s s ), які симетричні щодо перестановки кварків, якщо тільки останні не мають які-небудь додаткові характеристики. Такі характеристики й довелося ввести. Вони називаються кольором. Кожний тип (аромат) кварка характеризується трьома кольорами. Їм умовно привласнили назви: червоний R , зелений G і блакитний B. Антикваркам привласнили антикольора R,G,B. Кожний антиколір є додатковим до свого кольору, так що комбінації RR, GG, BB вважаються безкольоровими (білими). Точно такою ж безкольорною буде й комбінація RR + GG + ВВ.

 По сучасним уявленням сильна взаємодія здійснюються шляхом обміну між кварками безмасовими частинками зі спіном 1 і нульовою масою спокою. Ці частинки називаються глюонами. Передбачається існування восьми глюонів, що володіють характеристикою «колір». Обмін глюонами між кварками міняє їхній колір, але залишає незмінними всі інші квантові числа (електричний заряд, дивність, зачарування, красу), таким чином зберігає аромат кварка. Кожний глюон містить колір і антиколір. Із трьох кольорів і антикольорів можна скласти всього дев'ять комбінацій:

  RR,   RG,   RB,

  GR,   GG,   GB,

  BR,   BG,   BB.

Кожної з таких комбінацій відповідає глюон. Колір, подібно електричному заряду, зберігається. Тому шість недіагональних явно пофарбованих комбінацій не можуть перемішуватися між собою. Три діагональні комбінації безкольорні, і перемішування їх між собою не міняє колір. Кожна з діагональних комбінацій може бути отримано шляхом лінійної суперпозиції двох інших комбінацій. Існує, отже, усього вісім відповідних їм глюонів.

Представимо схематично взаємодію між кварками шляхом обміну глюонами. Будемо зображувати червоний, зелений і блакитний кварки будь-якого аромату символами qR, qG, qb (q = u,d,s,c,b,t). Тоді взаємодія між червоним і зеленим кварками запишеться так:

qRqG + qRG,      qG + qRGqR

Перша рівність означає, що червоний кварк випустив червоно-зелений глюон і перетворився в зелений кварк qG. Друге означає, що зелений кварк, поглинувши червоно-зелений глюон, перетворився в червоний кварк.

Викладене має досить формальний характер, а головне в загальній фізиці не має яких-небудь конкретних застосувань. Відповідні питання ставляться до спеціальної теоретичної дисципліни — квантової хромодинами (КХД).

На закінчення помітимо, що до теперішнього часу Вайнберг (р. 1915), Салам (р. 1926) і Глешоу (р. 1932) створили теорію, у якій електромагнітні й слабкі взаємодії об'єднані в єдине електрослабку взаємодію. На відстанях від силового центру, менших радіуса дії слабких сил (10-16 см), відмінність між електромагнітними й слабкими взаємодіями зникає. На більших відстанях, однак, зберігається відмінність між ними, так що стара теорія залишається в силі.


Таблиця елементарних частинок


Розділ ІІІ. КВАРКОВА СТРУКТУРА АДРОНІВ

3.1 Кваркова модель мезонів

Мезони побудовані із двох частинок: кварка й антикварка. Тому їх баріонне число дорівнює нулю. Подивимося, які комбінації із двох таких часток можуть бути складені із трьох найлегших кварків u, d, s і їх антикварів  u,d,s. Очевидно, усього таких комбінацій буде дев'ять:

uu,     ud,     us,

du,     dd,     ds,

su,      sd,     ss,

Кварки й антикварки можуть входити в ці (і всякі інші) комбінації з різними орбітальними кутовими моментами. Спіни кварків і антикварків можуть по-різному орієнтуватися один щодо іншого. Загальний кутовий момент складений із кварків і антикварків знаходять за правилом векторного додавання спінового й орбітального моментів.

Допустимо, що всі кварки не мають орбітальні кутові моменти; усі їхні моменти чисто спінові. Допустимо, далі, що спіни кварка й антикварка спрямовані протилежно. Тоді кожна комбінація представляє мезон зі спіном J=0. Найбільш легкі заряджені мезони представляються комбінаціями ud, і du. Це — π-мезони:

π + = ud,  π - = du.

Нейтральний π °- мезон складається з таких же кварка й антикварка. Але він являє собою лінійну суперпозицію станів uu й dd. Він з рівною ймовірністю може перебувати в стані uu й у стані dd.

Більш важкі  К-мезони містять кварк s і антикварк s.

K+ = us,   K0 = ds,    K0 = sd,    K- = su.

 K+ і K- є частинкою й античастинкою по відношенню один до одного. Те ж відноситься до К°- і К°- мезонам, які, таким чином, не є істинно нейтральними частками: К°- мезон відрізняється від своєї античастинки К° дивністю. У К°- мезона дивність +1, а в К°- мезона дивність —1. Із цим зв'язане те, що К° на відміну від К° слабко поглинаються речовиною. Справа в тому, що дивність усіх баріонів негативна або дорівнює нулю. Тому поглинання К° речовиною може відбуватися лише з незбереженням дивності, тобто через слабку взаємодію. Маса К±- мезонів рівна 493,7 МеВ, нейтрального К°- мезона — 497,7 МеВ. Частинки, що містять s кварк, є дивними, а сам s - кварк називається дивним кварком. Діагональні члени uu, dd, ss відповідають нейтральним мезонам. Лінійна суперпозиція двох перших із них, як ми вже відзначали вище, представляє π°- мезои. Двом іншим лінійним суперпозиціям uu + ss і ss відповідають істинно нейтральні частинки: η- і η'-мезони з масами відповідно 548,8 і 957,6 МеВ.

Допустимо як і раніше, що орбітальних кутових моментів у кварків і антикварків немає, але їх спіни спрямовані паралельно. У цьому випадку можливі ті ж дев'ять комбінацій кварків з антикварками. Однак спін кожної комбінації буде 1. Цим комбінаціям відповідає дев'ять більш важких мезонів:

ρ+  ρ- ρ0,                К*+К*0К*-К*0,            ω0,               φ0.

770 МеВ                     892 МеВ              783МеВ         1020 МеВ


3.2 Кваркова модель баріонів

Звернемося тепер до баріонів. Спін їх напівцілий.  Отже, якщо кварки не мають орбітального момента, то баріони повинні бути побудовані з непарного числа частинок. Розглянемо випадок, коли такими частинками є кварки u, d, s.  Спін баріону може бути рівний або 1/2 (коли спіни двох кварків паралельні, а спін третього спрямований протилежно), або 3/2 (коли спіни всіх кварків паралельні). У першому випадку утворюється октет (вісімка) баріонів:

p(uud),     n(udd),     Λ0(uds),

Σ-(dds),   Σ0(uds),  Σ+(uus),   Ξ-(dss),  Ξ0(uss).

Баріони зі спіном 3/2 утворюють де куплет баріонів:

 ddd   udd   uud   uuu         Δ-Δ0Δ+Δ++    1232 МеВ

  dss   uds    uus                 Σ- Σ0 Σ+       1385 МеВ

       dss  uss       Ξ- Ξ0    1530 Мев

 sss        Ω-     1672 Мев

Ω- - гіперон, що перебуває у вершині цього переверненого трикутника, був передбачений на підставі кварковой моделі баріонів і виявлений експериментально в 1964 р. Були передбачені і його властивості-маса, дивність, час життя; усе це підтвердилося на досліді.



Розділ IV.ПОЛОЖЕННЯ КВАНТОВОЇ ХРОНОДИНАМІКИ
4
.1 Квантова хромодинаміка 

Квантова теорія поля і, зокрема, теорія калібрувальних полів є природним розвитком квантової механіки - революційної фізичної теорії, створеної в перших десятиліттях XX століття. 

Один із принципів квантової механіки - принцип тотожності, або нерозрізненості частинок, з якого випливає важливий наслідок: в системі частинок з напівцілим спіном (тобто спіном 1 / 2, 3 / 2 і т. д.) в кожному квантовому стані не може бути більше однієї частинки. Це положення називають забороною Паулі. Заборона Паулі є наслідком вимоги симетрії по відношенню до перестановки частинок: перестановка часток не повинна приводити до зміни стану системи. Для частинок з напівцілим спіном цю вимогу призводить до неможливості стану з двома однаковими частками. Заборона Паулі відіграє визначальну роль у теорії періодичної системи елементів Менделєєва; вона пояснює розподіл електронів атома по оболонок. Теорія електронів у твердому тілі теж має в основі заборону Паулі. 

Розглянемо на основі заборони Паулі кварки баріонів Δ + +, Δ - і Ω -. Їх кваркова структура виглядає так: uuu, ddd, sss. Кварки мають спін 1 / 2 і повинні підкорятися забороні Паулі. Тому в трьох розглянутих баріонів кварки повинні відрізнятися один від одного. 

Спочатку не виключали можливість, що по відношенню до кварків потрібно узагальнення законів квантової механіки, що дозволяє трьом однаковим кваркам перебувати в одній системі. Однак більш природним доводиться вважати кварки, у зазначених баріонів, різними. Таку пропозицію було зроблено в 1965 р. радянськими вченими М.М. Боголюбовим, Б.В. Струмінським та А. Н. Тавхелідзе. Пізніше квантове число, яке відрізняє кварки і може приймати три різні значення, було названо «кольором». Таким чином, Ω - слід передавати у вигляді s r s g s b, де r відзначає «червоний», g - «Зелений», b - «Синій» кварки. Фізичні адрони повинні бути безбарвними (білими): колірне квантове число будь-якого Адрону дорівнює нулю. 

Відповідно до гіпотези кольору, кварків не шість, а вісімнадцять: кожен із шести кварків може бути трьох можливих кольорів. Для видів кварків введено термін «аромат» (flavour): існують кварки шести ароматів (запахів) і трьох кольорів. 

Докази існування кольору були отримані в дослідах на зустрічних е - е + - пучках. Повне перетин анігіляції пропорційно сумі квадратів електричних зарядів всіляких кварків. Це означає, що ймовірність процесу за умови, що існують кварки трьох кольорів, в 3 рази більше, ніж у випадку одноколірних кварків. Досліди, проведені при різних енергіях (тобто з різною кількістю ароматів кварків), підтвердили триколірну модель. 


4.3 Асимптотична свобода 

Напруженість електричного поля зменшується обернено пропорційно квадрату відстані від заряду, що створює поле. Подібного роду сили, повільно зменшуються з відстанню, називають дальнодією. Для сил типу електричних немає можливості ввести кінцевий «радіус» їх дії; поле звертається в нуль тільки на нескінченно великій відстані від заряду. Можна сказати, що радіус електричних сил дорівнює нескінченності. Відповідно до квантової теорії нескінченний радіус дії пов'язаний з рівністю нулю маси фотона. Слабка взаємодія здійснюється дуже важким мезоном (він приблизно в 80 разів важче нуклона), і воно є близькодією. Радіус слабкої взаємодії можна оцінити величиною 10 -16 см. 

Глюони не мають маси, тому радіус сильної взаємодії має бути нескінченним. Спостережувана сильна взаємодія безбарвних адронів з коротким 10 -13 см радіусом - всього лише видимий прояв кварк-глюонної сили, аналогічне електричному взаємодії нейтральних атомів або молекул між собою. 

Таким чином, сили в хромодинаміці, як і в електродинаміці, дальнодіючі. У електродинаміки вони зменшуються обернено пропорційно квадрату відстані від точкового заряду. А в хромодинаміці вони зростають із зростанням відстані між кольорнозарядженими частинками. 

Якщо в деяке середовище поміщений електричний заряд - джерело електричного поля, то відбувається поляризація середовища: частинки середовища під дією поля повертаються так, що заряди знака, протилежної внесеного заряду, виявляються ближче до нього, ніж однойменні. У результаті дія заряду на великій відстані послаблюється, заряд «екранізується» зарядами протилежного знака. «Екранований» заряд менше первинного.

Відповідно до квантової електродинаміки, розглянутий ефект виникає не тільки в середовищі, а й у вакуумі: існує явище поляризації вакууму, викликане виникненням та зникненням в ньому віртуальних електронно-позитронного пар. При наближенні до джерела поля - електрично зарядженою частці - ефективний заряд повинен зростати. 

Вимірюваний при звичайних енергіях заряд електрона е = 1,6 * 10 -19 Кл - це ефективний заряд; він оточений хмарою віртуальних пар. «Справжній» заряд, заряд «голого» електрона, без шуби з віртуальних частинок, можна було б спробувати виміряти, вивчаючи процеси при дуже високих енергіях, коли заряджені частинки повинні виявитися на дуже малій відстані один від одного. Однак у таких експериментах починають грати роль сильні взаємодії, так що про процеси при надвисоких енергіях квантова електродинаміка взагалі не дає ніякої інформації. 

У хромодинаміці носії взаємодії-глюонноїе поле саме є зарядженим (тобто кольоровим). Утворюючи навколо джерела поля - кварка - поляризаційне хмара, глюони беруть на себе заряд кварка. Виходить ефект антиекранізаціїі. Розрахунок показує, що антиекранування переважає над звичайною екрануванням, викликаної віртуальними парами кварк - антикварк, якщо число ароматів кварків не надто велике, не більше 16 (нагадаємо, що нам відомо 5 ароматів). 

При зменшенні відстані від джерела глюонного поля колірний заряд прагне до нуля. Інакше кажучи, при великих енергіях частинок, що стикаються (точніше, в процесах з великим переданим імпульсом) кварки можна розглядати як вільні, невзаємодіючі один з одним частинки. 

Ситуація парадоксальна, але повністю підтверджена експериментом. Вивчення розсіювання лептонів на протонах при великих переданих імпульсах - так зване «глибоко непружне» розсіювання, при якому взаємодія відбувається на дуже малій відстані, а від лептона протону передається великий імпульс - показало, що адрони ведуть себе так, як якщо б вони складалися з невзаємодіючих точкових частинок - Партон. Ці результати були отримані в Стенфорді в 1967-1968 рр.., А Партон модель адронів сформульована Р. Фейманом в 1969 р. Вивчення струменів повністю підтверджує слабкість сильної взаємодії на малих відстанях. Ослаблення ефективної взаємодії з ростом енергії називається асимптотичної свободою (тобто свободою в межі нескінченно високої енергії). Це властивість полів Янга - Міллса було виявлено теоретично в 1973 р. голландцем Хоофтом, а також американськими фізиками Д. Гроссом разом з Ф. Вілчек і незалежно X. Політцера. 

Поведінка взаємодії між кварками на великих відстанях також визначається дією глюонів. При віддаленні кварків один від одного глюонні поля завдяки тяжінню глюонів один до одного стискається так, що лінії поля стають паралельними аналогічно лініях електричного поля в плоскому конденсаторі. Як відомо, в плоскому конденсаторі поле однорідне, напруженість однакова у всьому обсязі. Потенціал такого поля змінюється в напрямку від однієї пластини до іншої, зростаючи із зростанням координати. При незмінному заряді енергія поля всередині конденсатора зростає із збільшенням відстані між пластинами. Точно таким чином, чим більше відстань між кварками, тим більше енергія глюонного поля. При достатньому видаленні кварків один від одного можуть виникнути глюон або пари кварк - антікварк, причому вони тут же породжують безбарвні адрони. Вільні частинки з дробовим зарядом до цих пір не спостерігалися, незважаючи на ретельні пошуки. Ймовірно, не може існувати і вільний глюон. 

Поява кварків фіксується за особливостями віпромінення адронів в зіткненнях на зустрічних пучках. У результаті розпаду важких кварків виникають два струмені адронів, спрямовані в протилежні сторони. Якщо, крім кварків, в проміжному стані є глюон, то має з'явитися ще один струмінь. 

Глюонні струмені були виявлені в 1979 р. в експериментах на зустрічних пучках. При цьому спостерігалося збільшення числа триструменних подій у міру збільшення енергії частинок, що стикаються, що передбачається теорією. Вивчення кутового розподілу струменів призвело до висновку, що спін глюона дорівнює одиниці, як і повинно бути, раз глюонне поле є калібрувальним. 

Оскільки глюони взаємодіють один з одним, можливо існування безбарвних пов'язаних станів двох або більшої кількості глюонів - глюболів («куль з клею»). Ці стани нестабільні і повинні виявлятися як резонанси в розсіянні. Прикладом глюбола є глюонна - частинка, що складається з глюонів і антіглюонів, наприклад, rb і br. Глюболи повинні виникати при розпадах «Чармон» тобто J / ψ - частки: вона може розпадатися на адрони не безпосередньо, а в результаті перетворення в три глюони або два глюони і фотон. Виникаючі глюони можуть об'єднатися в глюбол. При розпаді J / ψ - частки, дійсно, були знайдені нові резонанси; їх маси-1440 ГеВ / с 2 і 1700 ГеВ / с 2, однак немає впевненості, що їх слід ототожнити з глюболами. 

Цікаві результати були отримані в Інституті фізики високих енергій в експерименті, виконаному під керівництвом Ю. Д. Прокошкіна. Пучок негативно заряджених піонів з енергією 40 ГеВ прямував в камеру з рідким воднем. При зіткненні піонів з протонами відбуваються різноманітні події, але дослідників цікавило народження нейтральних частинок:

π - р → n π o π o (1) 

π - р → n η η (2) 

π - р → n η η '(3) 

Маса η - частки дорівнює 550 МеВ / с 2, η '- частки - 959 МеВ / с 2. 

Дослідження реакцій (2) та (3) показало, що частина η - частинок виникає в результаті розпаду невідомої раніше частинки без спіна з масою 1590 МеВ / с 2. Її час життя - близько 3 *10 -24 с. Цікаво, що G - мезон (так назвали новий резонанс) не розпадається ні на піони, ні на каони. Це означає, що він не може мати кваркової структури типу uu, dd або ss. Розпад (3) відбувається в 3 рази частіше, ніж розпад (2), а теорія передбачає таке відношення для розпадів глюбола. Насторожує велика маса G-мезона; теоретично маса глюбола повинна бути менше. І все ж, G-мезон є досить імовірним кандидатом у глюболи. 

Тепер звернемося до питання: що може квантова хромодинаміка? Відомі успіхи квантової електродинаміки, її точна відповідність експериментальним даним; її методи не тільки розраховують різні процеси (розсіяння електронів і фотонів, випускання і поглинання світла), а й дуже тонкі ефекти, пов'язані з впливом поляризації вакууму. Ці успіхи значною мірою зобов'язані малій величині електромагнітної взаємодії, яке характеризується безрозмірною величиною α = e 2 / hc = 1 / 137,названої постійною тонкої структури. Трішки взаємодії, точніше, α мале порівняно з 1, дозволяє розглядати його як добавку («обурення») до основних членів рівнянь, що описує поведінку вільних частинок, і методом послідовних наближень отримувати рішення з будь-яким ступенем точності. 

У квантовій хромодинаміці взаємодія стає малою на малих відстанях. У зв'язку з цим з'являється можливість скористатися методами, аналогічними розрахунковим методам електродинаміки, щоб отримувати інформацію про процеси при високій енергіях. Безрозмірна постійна, що характеризує кольорову взаємодію при високій енергії, близька до 0,2; це значно більше постійної тонкої структури, але все-таки менше одиниці. Для розробки методів розрахунку навіть в області високих енергій довелося подолати ряд труднощів, яких не було в електродинаміці. Значний внесок у розробку апарату квантової хромодинаміки внесли радянські вчені Л. Д Тадея, Є. С. Фрадкін, А. А. Славнов, В. М. Попов та ін. Послідовною теорії кольорової взаємодії, на великих відстанях не існує; такі процеси описуються з допомогою моделей, що мають обмежену сферу застосування. 


4.4 Кварк-глоюонна плазма

Кварк-глоюонна плазма (хромоплазма) — стан матерії, у якому кварки та глюони знаходяться у вільному, не зв'язаному у нуклонах, стані. На сьогодні відомо 4 стани речовини: газ, рідина, тверде тіло, плазма. Новий стан речовини можна отримати при великих баріонних густинах та енергіях.

Ідея кварк-глюонної плазми ґрунтується на припущенні екранування кольорового заряду, аналогічно екрануванню електричного заряду в плазмі. Окремі кварки та глюони не можуть існувати у вільному стані, завдяки явищу конфайнмента, яке дозволяє вільне існування тільки безколірних, або білих, частинок — баріонів та мезонів. Однак, при високій густині кварків та глюонів, взаємодія між ними може екрануватися і швидко зменшуватися з віддаллю. В такому разі кварки і глюони не об'єднувалися б в композитні частинки.

Поведінка кварк-глоюонної плазми описуються квантовою хромодинамікою. Відповідно до неї, для переходу речовини до такого стану необхідне перекривання квантовомеханічних функцій окремих адронів, що може бути досягнуто підвищенням тиску або теператури.

Звичайна баріонна речовина перетворюється на кварк-глюонну плазму при нагріванні до температури у 2 трильйони K, що відповідає енергії на одну частинку близько 175 МеВ. Густина квагми у декілька разів вища за густину звичайної нуклонної речовини.

Теоретичні обрахунки вказують, що кварк-глюонна плазма повинна мати властивості надплинної рідини.

Вважається, що кварк-глюонна плазма була одним із станів, через який пройшов у своїй еволюції Всесвіт у час до 10−5с після Великого вибуху.

На сучасному етапі матерія у стані кварк-глюонної плазми може існувати у центрі масивних нейтронних зірок, де внаслідок величезних тисків окремі баріони зливаються так, що їхні складові кварки набувають можливості вільно переміщуватися по усьому об'єму такої речовини.

Для експериментального отримання кварк-глюонної плазми використовуються зіткнення важких атомних ядер, як правило, золота або свинцю, прискорених до високих енергій. При їх зіткненні відбувається фазовий перехід частини ядерної речовини до стану кварк-глюонної плазми. Така ділянка існує близько10−23с, після чого внаслідок розширення її температура знижується і відбувається зворотний процес адронізації, коли окремі кварки об'єднуються у мезони та баріони, які фіксуються відповідними детекторами.

Прояви кварк-глюонної плазми досліджує експеримент з фізики високих енергій RHIC (Брукхевен, США) та ATLAS (ЦЕРН). Дослідженням у цій галузі також планує займатися майбутній експеримент CBM (GSI, Дармштадт, Німеччина), а також колайдер на важких іонах NICA (ОІЯД, Дубна, Росія).

Вивчення кварк-глоюонної плазми є важливим для розуміння ранніх етапів еволюції Всесвіту, кінцевих стадій розвитку деяких зірок та та для стоворення об'єднуючої теорії фізичних взаємодій.


ВИСНОВОК 

Кваркова структура елементарних частинок свідчить про те, що більшість елементарних частинок які вважались істинно елементарними такими не виявились, і на мою думаку в подальшому людство зможе заглянути глибше ніж на данний момент воно здатне це зробити, адже кваркова гипотеза не єдина. Існують гіпотези (засновані на що спостерігається на досвіді симетрії між кварками і лептона в електромагнітних взаємодіях, а також на ідеях Великого об'єднання сил) про те, що кварки і лептони самі складаються з більш фундаментальних частинок - «преонів».

В кінці 50-х років думка, що теорія сильних взаємодій може бути побудована за аналогією до квантової електродинаміки, здавалася просто наївною. І все ж теорія сильних взаємодій виявилася теорією поля, мало того, теорією калібрувального поля, подібної електродинаміки. 

Створення хромодинаміки свідчить про якісно нові властивості «кольорових» частинок і їх взаємодій в порівнянні з раніше вивченими об'єктами. Серед цих нових властивостей - щаслива для цієї теорії особливість взаємодії, його ослаблення на малих відстанях, що дозволило створити методи розрахунку глибоко непружних процесів. 

Фізика не стоїть на місці, особливо фізика елементарних частинок. Ця одна з молодих областей знання, тому багато відкриттів ще попереду. Вона допоможе глибше зрозуміти будову світу і відкриє перед людством нові горизонти знання. На данний момент багато країн світу обьеднують свох фінансові можливості заради науки особливо науки пов’язаної із фізикою елементарних частинок. 



СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ

  1.  Акоста В., Кован К., Грэм Б. « Основы современной физики», М. Просвещение, 1981 488 с.
  2.  Боголюбов Н. Н., Медведев Б. В., Поливанов М. К., «Вопросы теории дисперсионных соотношений», М., 1958.
  3.  Волковиськ Р.Ю. Кварки і світ. - Л.: Знання, 1986. - 32 с. 
  4.  Гершензон Є.М., Малов М.М., Мансуров О.М. Оптика і атомна фізика: навч. посібник для студ. вищих пед. навч. закладів - М.: Видавничий центр «Академія», 2000. - 408 с.
  5.  Логунов А. А, Основные тенденции в развитии теории сильных взаимодействий, «Физика элементарных частиц, и атомного ядра (ЭЧАЯ)», 1974, т. 5, в. 3.
  6.  Мухін К.Н. Цікава ядерна фізика. 3-тє вид. перераб. і доп. - М.: Вища школа, 1985. - 312 с.
  7.  Наумов А.І. Фізика атомного ядра і елементарних частинок: навч. посібник для студентів пед. ін-тів з фіз. спец. - М.: Просвещение, 1984. - 384 с., Іл.
  8.  Окунь Л.Б. α, β, γ ... Z (Елементарне введення в фізику елементарних частинок). - М.: Наука. Головна редакція фізико-математичної літератури, 1985. - 112 с. - (Бібліотечка «Квант». Вип. 45).
  9.  Розенталь И. «Элементарные частицы и структура Вселенной», М. Наука, 1984.
  10.  Савельєв І.В. Курс загальної фізики. У 5 кн. Кн. 5. Квантова оптика. Атомна фізика. Фізика твердого тіла. Фізика атомного ядра і елементарних частинок: Учеб. посібник для втузів / І.В. Савельєв. - М.: ТОВ «Видавництво Астрель": ТОВ «Видавництво АСТ», 2003. - 368 с. 
  11.  Сивухин Д.В. Загальний курс фізики. Учеб. посібник: Для вузів. У 5 т. Т. V. Атомна і ядерна фізика. - 2-е вид., Стереотипами. - М.: Фізматліт; Вид-во МФТІ, 2002. - 784 с.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

49300. Періодичні видання 2.17 MB
  Потужні редактори для опису операцій звязків і обчислення витрат на виконання робіт; Ієрархічна структура діаграм що полегшує послідовне уточнення елементів моделі; Контекстні діаграми для опису меж системи області дії призначення обєктів; Декомпозиційні діаграми для опису особливостей...
49301. Проектування електричного освітлення системи загального рівномірного й евакуаційного освітлення заготівельного цеху 185.46 KB
  Світлотехнічний розрахунок системи загального рівномірного освітлення й визначення одиничної встановленої потужності джерел світла в приміщеннях. Вибір джерел світла типу світильників їхнього розміщення світлотехнічний розрахунок евакуаційного освітлення. Визначення місць розташування щитків освітлення й траси електричної мережі.
49302. Топографические съемки крупного масштаба 443.92 KB
  Для этого выбирается ось маршрута сопвадающая с северной рамкой. При создании карты масштаба 1:5000 с высотой сечения рельефа 2м высотные опознаки совмещают с плановыми планововысотные опознаки ОПВ. В качестве ОПВ выбирают чёткие контурные точки положение которых можно определить на снимке и отождествить на местности с точностью не превышающей 0. Нельзя ОПВ выбирать на крутых склонах на округлых контурах лета и сельскохозяйственных угодьях а также высоких построек.
49303. MathML как средство разметки 86.64 KB
  MathML реализует две точки зрения на математическую разметку. Один из ее видов - это разметка представления (Presentation Markup), которая описывает визуальную форму представления математической формулы. Второй - разметка содержания (Content Markup), выражающая семантическое содержание.
49304. Обзорный диспетчерский радиолокатор 60.03 KB
  Построение зоны обзора РЛС в вертикальной плоскости без учета влияния земной поверхности. Построение зоны обзора РЛС в вертикальной плоскости с учетом влияния земной поверхности . Построение зоны РЛС в горизонтальной плоскости с учетом углов закрытия . Условные обозначения Pu – импульсная мощность РЛС; – длительность импульса; G – коэффициент усиления антенны; λ – длина волны; ϭц – эффективная поверхность рассеивания ЭПР цепи; rэ – радиус экрана индикатора; Pn.
49308. Усилительное устройство 969.96 KB
  Усилительное устройство - устройство, усиливающее мощность сигнала. С точки зрения схемотехнического построения усилители бывают транзисторные и на базе интегральных микросхем (ИМС). Преимуществами усилителей на базе ИМС являются: меньшие размеры, меньшее потребление и более высокое качество.