Геометрия, динамика, вселенная - Иосиф Розенталь

e заряд электрона (протона).

Г_р_а_в_и_т_а_ц_и_о_н_н_о_е в_з_а_и_м_о_д_е_й_с_т_в_и_е является дальнодействующим, пропорциональным массам m|, m|

1 2 частиц системы. Сила соответствующего гравитационного взаимодействия F = G * m| * m| / r**2. Безразмерная

1 2 константа гравитационного взаимодействия ALPHA| = G * m**2 / (HP * c); G = 6.7 * 10**-8

g г**-1 * см**-3 * с**-2 — константа Ньютона. Характеристической массой в выражении для константы ALPGA|

p обычно полагают массу протона m| ≈ 10**-24 г. В этом случае

p ALPHA| ≈ 10**-38 /

g

С_л_а_б_о_е в_з_а_и_м_о_д_е_й_с_т_в_и_е отвечает за большинство распадов ядер и за взаимодействие нейтрино. Это короткодействующее взаимодействие: радиус его действия ~10**-16 см. Оно характеризуется безразмерной константой ALPHA| = g| * m**2 * c / HP**3, где g| = 10**-49 эрг*см**3

w F F — постоянная Ферми. При m=m| ALPHA| ≈ 10**-5.

p w

С_и_л_ь_н_о_е в_з_а_и_м_о_д_е_й_с_т_в_и_е ранее отождествлялось с ядерным взаимодействием между протонами и нейтронами. Начиная с 70-х годов доминирует концепция, что сильное (ядерное) взаимодействие обусловлено взаимодействием кварков, составляющих протоны и нейтроны и другие адроны (см. далее о классификации элементарных частиц). В соответствии с современными представлениями сильное элементарное взаимодействие — взаимодействие между кварками. Взаимодействие между протоном и нейтроном отождествляется с взаимодействием двух систем кварков, составляющих нуклоны. Сильное взаимодействие между двумя кварками короткодействующее. Его константа ALPHA| имеет сложную

s зависимость от характеристической массы m. Эту зависимость можно аппроксимировать в предельных случаях выражениями

/

! a

! -----, m >> m|,

! ln(m/m|) p ALPHA| = < p (Д.1)

s!

! ~1, m ~ m|.

! p

Величина a зависит от числа сортов кварков. В грубом приближении можно положить a≈1.

Совокупность квантовых чисел полностью определяет элементарную частицу. Некоторые квантовые числа имеют аналоги в макроскопической физике; некоторые специфичны лишь для представителей микрофизики элементарных частиц. Существенно, что конкретная совокупность квантовых чисел принадлежит только данной частице, изменение совокупности изменяет ее сорт. Здесь мы остановимся на определении некоторых из квантовых чисел, упомянутых в основном тексте книги.

М_а_с_с_а. Каждая частица характеризуется в свободном состоянии массой. Если частица входит в состав сложной схемы, то ее масса может измениться. Поэтому хотя масса и является важнейшим квантовым числом, тем не менее она не является строго сохраняющимся квантовым числом.

З_а_р_я_д. Электрический заряд всех элементарных частиц кратен заряду электрона e. Заряд — строго сохраняющееся квантовое число.

С_п_и_н. Спин — число, характеризующее собственное вращение элементарных частиц. Количественная его характеристика — момент количества движения. Спин может приобретать целое (в единицах HP: 0, HP, 2HP….) или полуцелое (1/2 HP, 2/3 HP….) значения. Наглядно, но неточно можно представить спин как вращение частицы в обычном пространстве Минковского. Ошибочность такого представления связана с точечностью некоторых элементарных частиц, и в первую очередь электрона. Для точечной частицы ее размеры r=0, следовательно, ее момент M = [rv] = 0. В квантовомеханической интерпретации спин — собственное вращение вектора состояния частицы в обычном пространстве.

И_з_о_т_о_п_и_ч_е_с_к_и_й с_п_и_н. Изотопический спин характеризует вырождение элементарных частиц по массам. Изотопический спин — характеристика семейств сильно взаимодействующих частиц. В семейство частиц с одинаковым изотопическим спином входят одинаково сильно взаимодействующие частицы, но с различными электрическими зарядами и близкими массами.

Количественно изотопический спин характеризуется целыми и полуцелыми числами. Изотопический спин отражает вращение вектора состояния в «воображаемом» зарядовом (изотопическом) пространстве. Изотопический спин характеризуется двумя числами: полным значением изотопического спина T и его проекцией на одну из осей координат T|. Приведем два z типичных изотопических семейств.

Нуклоны включают протоны с массой m| = 938.2 МэВ и p нейтроны с массой m| = 939.5 МэВ. Изотопический спин N нуклонов T = 1/2. Для протона проекция T| = 1/2, для z нейтрона T| = -1/2.

z

+

Пионы — семейство, состоящее из трех частиц: π ||- и 0 π |-пионов. Изотопический спин пионов T=1; проекции T|

z ± 0 π ||-пионов равны ±1; проекция T| для π |-пиона равна нулю.

z Изотопический спин — приближенно сохраняющееся квантовое число. Оно сохраняется в сильных и электромагнитных взаимодействиях, но не сохраняется в слабых.

С_т_р_а_н_н_о_с_т_ь. Это квантовое число отражает свойство некоторых элементарных частиц рождаться исключительно парами.

Например, невозможна реакция:

0 p+n — > p+^Л|, (Д.2)

(((ЗДЕСЬ Л ОБОЗНАЧАЕТ ДОВОЛЬНО БОЛЬШОЙ ЗНАЧОК ^)

но возможна реакция

+ + 0 π |+ + n — > K| + Л| (Д.3)

+ 0 (K| и Л| — символы K- и Л-частиц).

Объяснение этого явления основано на постулировании наличия у некоторых (странных) элементарных частиц нового квантового числа — странности S, которое может принимать оба

0 + знака. Так, для Л|-частицы странность S=-1; для K|-частицы S=+1. Странность также сохраняется лишь в сильных и электромагнитных взаимодействиях, но не сохраняется в слабых. Обе реакции (Д.2) и (Д.3) определяются сильным взаимодействием; поэтому в них странность S должна сохраняться. В реакции (Д.2) странность не сохраняется (слева S=0; справа — S=-1), поэтому эта реакция не осуществляется. В реакции (Д.3) странность S=0 в обеих частях равенства. Поэтому эта реакция наблюдается и хорошо изучена.

Ц_в_е_т. Это количественная характеристика (заряд) сильного взаимодействия. Поскольку носителями сильного взаимодействия являются кварки, то цвет — характеристика взаимодействия между кварками. В отличие от электромагнитного взаимодействия, которое имеет два типа, соответствующие положительному и отрицательному зарядам, сильное взаимодействие характеризуется тремя модификациями.

Другое отличие заключается в том, что носители сильного заряда — кварки — не встречаются в свободном состоянии.

Вследствие этих особенностей невозможно использовать координатные оси для описания сильного заряда. В математике положительная и отрицательная полуоси эквивалентны, что и отражает полную эквивалентность положительных и отрицательных зарядов. Три числа (например, ±1, 0) не эквивалентны, следовательно, числовое представление «сильных» зарядов неадекватно. Поэтому для их представления был выбран физической образ — цвет. Известно, что в цветовой гамме содержатся три дополнительных цвета (красный, желтый и синий), которые в сумме дают белый цвет. Оба свойства дополнительных цветов (число три и обесцвеченность) хорошо представляют основные свойства сильного взаимодействия: три модификации заряда и нейтральность (относительно сильного взаимодействия) элементарных частиц, состоящих из кварков.

Подчеркнем еще раз, что, кроме общности символики, цвет как заряд сильного взаимодействия не имеет ничего общего с оптическими цветами.

В квантовой теории поля взаимодействие между частицами f| и f| осуществляется передачей частицы-переносчика B. 1 2 Частица-переносчик может передать массу (энергию), импульс, заряд, спин, изотопический спин, цвет и другие квантовые числа.

Свойства частицы-переносчика и константа взаимодействия полностью определяют все характеристики взаимодействия.

Наиболее хорошо изучена частица-переносчик фотон частица с нулевой массой покоя и спином, равным единице. Его изотопический спин, странность и цвет равны нулю. Поэтому при электромагнитном взаимодействии переносится от частицы f| к частице f| масса (энергия), импульс и спин. Цвет, 1 2 странность и другие квантовые числа не переносятся. Это простейший пример предопределенности взаимодействия свойствами частицы-переносчика.

В таблице сведены характеристики частиц-переносчиков различных взаимодействий.

Тип взаимодей- Название Электри- Изотопичесствия частицы- Спин ческий Цвет кий спин

переносчика заряд

Электромаг- Фотон 1 0 0 0 нитное

Слабое Бозон 1 ±1,0 0 1

Сильное Глюон 1 0 Три 0

цвета

Гравитационное Гравитон 2 0 0 0

Исключительно важной основой классификации частиц является их спин. Частицы с полуцелым спином (HP/2, (3/2) * HP…) называются фермионами, частицы с целым спином (0, HP, 2*HP…) — бозонами.

Кардинальное отличие в поведении фермионов и бозонов обусловлено разницей в симметрии волновых функций, описывающих состояние системы в целом. Фермионы не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии (принцип Паули), для бозонов такой запрет отсутствует. Более того, система бозонов, находящихся в основном состоянии, стремится увеличить число частиц в этом состоянии (явление бозе-конденсации).