Рождение физики элементарных частиц. Частица-волна, волновые свойства электрона, страница 9

Если взаимодействие между частицами осуществляется посредством обмена частицей с некоторой массой т, то зависимость силы и потенциальной энергии V(r) такого взаимодействия от расстояния r между частицами определяется функцией V(r)~ exp(—тr). Из этого закона следует, что взаимодействие существенно на расстояниях, на которых выполняется неравенство тr £ 1. Здесь, как и во многих других расчетах, мы используем систему единиц, в которой h = с = 1. В этой системе единиц 10^-13 см = 1/200 Мэв. Таким образом, если принять, что радиус действия ядерных сил порядка 10~*3 см, то масса обменной частицы — переносчика ядерного взаимодействия — должна быть порядка 200 Мэв. Это рассуждение легло в основу предсказания в 1935 г. Хидеки Юкавой необходимости существования пиона, ранее неизвестной частицы, сильно взаимодействующей с нуклонами ядра. Согласно этим же пред. ставлениям, обменной частице — g-кванту или гравитону с нулевой массой отвечает бесконечно большой радиус действия кулоновских и гравитационных сил. Масса гипотетического W-бозона предполагается равной десяткам гигаэлектронвольт, что отвечает радиусу слабого взаимодействия порядка 10^-15 см.

В соответствии с характером взаимодействия частицы подразделяются на классы. Сильновзаимодействующие частицы называют адронами. Это протоны, гипероны, p- и K-мезоны и их античастицы. Частицы класса адронов характеризуются барионным квантовым числом, равным +1 или -1 соответственно для барионов и антибарионов и 0 для мезонов. Спин барионов и мезонов — целый.

Единственная частица, участвующая только в электромагнитном взаимодействии — это g-квант. m-Мезон, электрон, нейтрино и их античастицы не испытывают сильного взаимодействия и относятся к классу лептонов. Лептоны — частицы, участвующие в слабом взаимодействии. Заряженные из них испытывают и электромагнитное взаимодействие.

Основные задачи и проблемы, решаемые физикой элементарных частиц, условно можно разделить на две категории. К первой из них, «статической», относятся те, которые касаются свойств отдельных частиц. Перечислим часть «статических» проблем.

1. Как объяснить существующий спектр масс элементарных частиц?

2. Как объяснить существующие значения элементарного электрического заряда, барионного заряда, странности и других квантовых чисел?

3. Почему мы живем в мире частиц, а не античастиц?

Вторую категорию составляют динамические задачи, в которых определяются вероятности того, что при соударении частиц произойдет та или иная реакция, рассчитываются или измеряются распределения рождающихся в реакции частиц по их энергиям и углам вылета.

В химии вероятность реакции однозначно определяет скорость протекания химической реакции. Ядерные реакции осуществляются за счет одного из видов взаимодействий: реакции соударения адронов — благодаря сильным взаимодействиям; лептонов — слабым; заряженных частиц и g-кванта — электромагнитным. Динамическая задача электромагнитного и слабого взаимодействий в основном решена, тогда как в теории сильновзаимодействующих частиц делаются еще только первые шаги. Хотя в теории электромагнитного и слабого взаимодействий существуют определенные логические трудности, но они не сказываются на исключительно высокой точности описания экспериментальных данных. Правда, если теория электромагнитного взаимодействия имеет вполне завершенный вид в течение уже трех десятилетий, то в физике слабого взаимодействия время от времени открываются новые явления, знание которых не требует изменения установленных ранее свойств слабого взаимодействия. В случае сильного взаимодействия можно сказать, что, хотя физикам известны многие существенные моменты этого взаимодействия, тем не менее практически нет ни одной динамической задачи, полностью количественно описываемой теорией. Это в особенности становится ясно, когда на практике появляется возможность проверить теоретические предсказания. В основном теория сильного взаимодействия находится на феноменологическом, описательном уровне, хотя уже и сформулирована система постулатов, которая, возможно, позволит построить теорию.