Основы физики элементарных частиц. Тема 6

1.

Тема 6. Основы физики элементарных частиц
6.1 Структура адронов.
6.2 Основные положения модели кварков.
6.3 Цветовой заряд, глюоны.
6.4 Лептоны.

2.

3.

4.

5.

6.

Фундаментальные взаимодействия
Взаимодействие
Радиус
действия,
см
Время
жизни,
с
Константа
Пример
Сильное
10-13
10-23
10
ядро
Электромагнитное
10-16
10-2
атом
Слабое
10-13
10-8
10-14
-распад
Гравитационное
10--39
Сила
тяготения

7.

Классы элементарных частиц
2. лептоны
m0 0,
s 1
e , e , e , ~e ,
, , , ~ ,
m0 0 106МэВ,
s 1/ 2
, , , ~
3. мезоны
, , 0
~
K , K , K 0, K 0
4. Барионы
m0 135 888МэВ,
s 0
p, n
, , 0 , , , 0 ,
m0 938МэВ,
s 1/ 2
адроны
1. фотоны

8.

9.

М. Гелл-Ман
Д.Цвейг

10.

11.

12.

13.

14.

6.1 Структура адронов.
2. лептоны
m0 0,
s 1
e , e , e , ~e ,
, , , ~ ,
m0 0 106МэВ,
s 1/ 2
, , , ~
3. мезоны
, , 0
~
K , K , K 0, K 0
4. Барионы
m0 135 888МэВ,
s 0
p, n
, , 0 , , , 0 ,
m0 938МэВ,
s 1/ 2
адроны
1. фотоны

15.

3. мезоны
4. Барионы
, , 0
m0 135 888МэВ,
~
K , K , K 0, K 0
p, n
, , 0 , , , 0 ,
s 0
m0 938МэВ,
s 1/ 2

16.

17.

q1 q1 q2 0 q(n)
q1 q2 q2 1 q ( p )
q1 1/ 3
q2 2 / 3
s 1/ 2

18.

3. мезоны
4. Барионы
, , 0
m0 135 888МэВ,
~
K , K , K 0, K 0
s 0
p, n
m0 938МэВ,
, , 0 , , , 0 ,
s 1/ 2

19.

6.2 Основные положения модели кварков.
все сильновзаимодействующие частицы состоят из кварков;
кварки являются фермионами; по современным представлениям они
бесструктурны;
кварки имеют внутренние квантовые числа: электрический заряд q,
спин 1/2, четность P, барионное число B, изоспин I, проекцию изоспина,
странность s, шарм c, bottomness b, topness t
(совокупность этих внутренних квантовых чисел, характеризующих
определенный тип кварка, называется также "ароматом" кварка), цвет;
квантовые числа кварков определяют характеристики адронов;

20.

барионы (фермионы с барионным числом B = 1) строятся из трех кварков;
антибарионы (фермионы с барионным числом B = -1) строятся из трех
антикварков;
мезоны (бозоны с барионным числом B = 0) строятся из кварка и
антикварка;

21.

число цветов кварков равно трем - красный, зеленый, синий;
известные барионы и мезоны - бесцветны;

22.

Диаграммы Фейнмана
На диаграммах частицы изображаются линиями, а точки (вершины), из
которых выходят эти линии (или в которые приходят), показывают места
локальных взаимодействий частиц.
t
пространство

23.

Внутренние линии на диаграммах (линии не имеющие свободных концов)
Соответствуют виртуальным частицам. Эти частицы рождаются и исчезают
В результате взаимодействия.
t
пространство

24.

вид
взаимодействия
источник
взаимодействия
сильное
цветовой заряд
электромагнитное
электрический
заряд
слабое
Слабый зряд
гравитационное
масса
промежуточная
частица
глюон, g
Фотон,
векторные бозоны
W-, W+, Z0
гравитон
?

25.

?

26.

27.

кварки в адронах связаны глюонами;
glue
кварки участвуют в электромагнитных взаимодействиях, излучая или
поглощая -квант, при этом не изменяется ни цвет, ни тип (аромат) кварков

28.

кварки участвуют в слабых взаимодействиях, излучая или поглощая W
или Z-бозоны, при этом может изменяться тип (аромат) кварка, но цвет
кварка при этом остается без изменения

29.

кварки участвуют в сильных взаимодействиях, излучая или поглощая
глюон g, при этом изменяется цвет кварка, а его тип (аромат) остается
неизменным

30.

каждому адрону приписывается определенная внутренняя четность.
Правило 1. Четность кварка равна +1 и не зависит от типа кварка.
Правило 2. Четность антикварка равна -1 и не зависит от типа кварка.
Правило 3. Внутренняя четность адрона.
P Pi Pj Pk ( 1)
Li

31.

d
u
s
c
b
t
Электрический заряд, q
-1/3
2/3
-1/3
2/3
-1/3
2/3
Барионное число, В
1/3
1/2
+1
1/3
1/2
+1
1/3
1/2
+1
1/3
1/2
+1
1/3
1/2
+1
1/3
1/2
+1
1/2
-1/2
1/2
+1/2
0
0
0
0
0
0
0
0
Шарм, c
0
0
0
0
-1
0
0
+1
0
0
0
0
Bottomness, b
0
0
0
0
-1
0
Topness, t
0
0
0
0
0
+1
Масса в адроне, ГэВ
0.33
0.33
0.51
1.8
5.0
180
Масса, ГэВ
0.007 0.005
0.150
1.30
4.0
174
Спин, J
Четность, P
Изоспин, T
Проекция изоспина Ts
Странность, s

32.

Гелл-Ман-Нишиджима
q
1
mI ( B S C )
e
2
S
1
1/2
d
-1
-1/2
u
1/2
-1/2
-1
s
1
mI

33.

S
(udd )
(uud )
n
p
-1
mI
+1
(dds )
(uus )
(uds )
-1 0
(dss )
(uss )
-2
0

34.

S
(ddd )
(udd )
(uud )
(uuu )
0
-1
+1
(dds )
(uds )
*
*
*0
(uss )
(dss )
*
*0
-2
(sss )
(uus )
mI

35.

, , 0 , , , 0 ,

36.

Взаимодействие кварка с глюоном

37.

Взаимодействие глюонов

38.

Взаимодействие кварков путем обмена глюоном

39.

Confinement (Невылетание кварков)

40.

41.

42.

7.4 Лептоны.
Лептоны – частицы, не участвующие в сильных взаимодействиях, а
нейтральные лептоны не участвуют в электромагнитных взаимодействиях
1-е поколение
2-е поколение
3-е поколение
e
~
~
~
e
e
e
Все лептоны являются фермионами (s=1/2) и являются истинно
Элементарными, то есть бесструктурными
u
d
c
s
t
b

43.

me 0,51 МэВ
m e 5,1 эВ
m 105 МэВ m 0,27 МэВ
m 1777 МэВ m 31 МэВ

44.

1-е поколение
Электрон, электронное нейтрино
Спин
1/2
0,51
Масса, МэВ
Магнитный момент
e / 2me
Среднее время жизни, лет
1,001
4,2 х 1024
Лептонное число:
Le
+1
L
0
L
0

45.

Доказательство существования нейтрино, 1956 г.
~
p e n
e
e e 2
43
2
~
( , p) 10 cm
Мишень – (CdCl2+H2O), V=2x200л
Сцинтилляторы – 3 бака по 1200 л, 100 ФЭУ

46.

2-е поколение
Мюон, мюонное нейтрино
Основные характеристики мюона, обнаруженного
В 1936 г. в составе космических лучей
Спин
1/2
Масса, МэВ
105,66
Магнитный момент e / 2m
1,001
Среднее время жизни, с
2,2 х 10-6
Лептонное число:
Le
0
L
+1
L
0

47.

Основные каналы распада мюонов
e ~e
e ~e
( 100%)
( 1,4 0,4%)
e ~e e e ( 3,4 0,4) 10 5%
e e ~

48.

Источник мюонов высоких энергий кроме космических лучей
являются распады -мезонов высоких энергий
~
а также столкновения электронов и позитронов
e e

49.

Эксперимент по детектированию мюонного нейтрино
~ p n
~
p e n
n p
e
Le ( , ) 0
~ ~e
n e p
~
L ( , ) 1

50.

3-е поколение
Тау-лептон, тау-нейтрино
Спин
1/2
Масса, МэВ
1777
Магнитный момент e / 2m
1,001
Среднее время жизни, с
2,9 х 10-13
Лептонное число:
Le
0
L
0
L
+1

51.

Тау-лептон обнаружен в 1975 году
e e

52.

Основные каналы распада тау-лептонов
~
e ~e
адроны
17,3%
17,8%
50%

53.

Тау-нейтрино впервые зарегистрирован в 2000 г.
n p
~ p n

54.

L ( , ) 1
L ( , ~ ) 1
Le ( , , , ~ ) 0
L ( , , , ~ ) 0