Лауреаты конкурса «Свободный полёт - 2013»

    О фонде  Конкурс Свободный полёт  Конкурс творческих идей  Собрание конкурсных работ  Физика  Математика  Это интересно 

Открытие пионов (пи-мезонов). Теория ядерных сил Юкавы

Подпись:  
Хидеки Юкава

Пионы принадлежат к классу частиц, называемых мезонами, т.е. частиц с целым спином, состоящих из кварков и имеющих целый спин и не имеющих барионного заряда. Поскольку все кварки по отдельности обладают спином и барионным зарядом , мезоны состоят из кварка и антикварка. На сегодняшний день известны только связанные состояния одной кварк-антикварковой пары — и представителями таких состояний являются три пи-мезона . Обычно эти три частицы объединяют в триплет, поскольку по отношению к сильному взаимодействию они ведут себя одинаково. Различаются только свойства этих частиц по отношению к слабому и электромагнитному взаимодействию, что объясняет небольшую разницу в массах пионов: . Таким образом, пионы примерно в семь раз легче нуклонов (протона и нейтрона). Заряженные пионы являются античастицами друг по отношению к другу, а нейтральный пион тождественен своей античастице.

Пион был еще одной частицей, существование которой было предсказано до ее открытия. Существование таких частиц следовало из теории ядерных сил японского физика-теоретика Хидеки Юкавы (1907–1981), которую он предложил в 1935 году. В этой теории предполагалось, что сильное ядерное взаимодействие (которое, например, сцепляет нуклоны внутри ядра) обусловлено обменом некоторыми частицами, которые Юкава назвал мезотронами (впоследствии они были названы мезонами). Диаграммы, описывающие взаимодействие протона и нейтронав теории Юкавы, изображены ниже.


Рис.1

Необходимо подчеркнуть, что в квантовой теории поля нельзя однозначно определить, какая из конечных частиц в начальном состоянии была протоном, а какая — нейтроном, поэтому все три диаграммы абсолютно неотделимы друг от друга и описывают один процесс. Два протона (как и два нейтрона) могут взаимодействовать только через нейтральный пион (третья диаграмма), т.к. его испускание не влечет за собой изменения электрического заряда.

Исходя из диаграмм выше, Юкава получил уравнение для потенциала , который должен возникать между протонами и нейтронами:

Это так называемое уравнение Клейна–Гордона, причем  — масса пиона, а  — плотность ядерного заряда, которым обладают в протоны и нейтроны, как электроны обладают электрическим зарядом. Неподвижный точечный заряд в начале координат, согласно этому уравнению, должен создавать вокруг себя потенциал Юкавы — аналог кулоновского потенциала

Этот потенциал, в отличие от кулоновского, экспоненциально быстро затухает на расстояниях больше или порядка эффективного радиуса взаимодействия:

Приравняв этот радиус к известному из экспериментов по рассеянию радиусу ядер (вспомним, хотя бы, эксперименты Резерфорда 1909–11 годов), а именно, , Юкава получил, что масса переносчика ядерного взаимодействия должна быть не более двух сотен МэВ. Кроме того, из превращений протона в нейтрон и обратно при испускании пи-мезонов следовало, что спин переносчика взаимодействия скорее всего нулевой.

Пионы были, как и позитрон, открыты в космических лучах. Эти частицы не являются стабильными, поэтому не могут долететь до Земли от внеземных источников. Однако пионы образуются при взаимодействии стабильных высокоэнергетических частиц космических лучей с атмосферой Земли. Впервые эти частицы были зарегистрированы в 1947 году с помощью фотографической эмульсии группой под руководством Сесила Фрэнка Пауэлла (1903–1969). Фотопластинки для регистрации элементарных частиц делают гораздо толще, чем пластинки бытовой фотографии: слой эмульсии может достигать одного-двух миллиметров по толщине. Обычно большое количество пластинок эмульсии толщиной в несколько сотен микрон каждая укладывают стопкой, при этом образуется трехмерная чувствительная к пролетающим частицам среда. Частицы высоких энергий взаимодействуют с бромидом серебра, входящим в состав эмульсии, также как свет, а также через тормозное излучение, вторичное излучение возбужденных ядер и т.д. В результате такого взаимодействия в фотоэмульсии образуются отдельные атомы металлического серебра. В процессе проявления вокруг каждого такого атома, как вокруг очага, начинается процесс выпадения в осадок металлического серебра — в результате эмульсия чернеет. Примеры фотографий реакций с участием частиц представлены ниже.


Рис.2

Рис.3

На рис. 2 слева изображена фотография взаимодействия ядра с остановившимся пи-мезоном, справа — взаимодействие прилетевшего справа сверху пиона с ядром с образованием множества вторичных частиц. Поскольку механизмы торможения частиц в веществе известны, по длине, толщине и характеру треков можно оценить скорость, массу и заряд оставивших их частиц. По таким трекам и был идентифицирован заряженный пи-мезон, в частности, характерная для него мода распада

что и изображено на рисунке 3. Естественно, нейтрино не оставило следов на эмульсии в силу его слабого взаимодействия с материей. Эксперимент проводился в Швейцарских Альпах и в Андах, поскольку до уровня моря успевает долететь лишь малое число короткоживущих частиц, образовавшихся при неупругом рассеянии космических лучей на атмосфере Земли. Между прочим, этот эффект распада частиц на полпути к Земле использовался для оценки времени жизни релятивистских мюонов (см. раздел, посвященный специальной теории относительности).

Незаряженные пионы не регистрировались в эксперименте Пауэлла. Причина этого заключается в чрезвычайно малом времени полураспада ‑мезона — порядка (для сравнения, в заряженных пионов ). В то время как заряженные пионы распадаются на лептон и нейтрино благодаря слабому взаимодействию, для истинно нейтрального ‑мезона открыт электромагнитный канал распада:

Именно в том, что константа связи электромагнитного взаимодействия гораздо больше константы слабого, заключается причина такой существенной разницы времен жизни заряженных и нейтрального пиона. Нейтральные пионы были идентифицированы по продуктам их распада в 1950 году. В том же году Сесил Пауэлл был удостоен Нобелевской премии по физике. Хидеки Юкаве Нобелевская премия была вручена в 1949 году.

С современных позиций сильное взаимодействие представляет собой обмен глюонами, а не мезонами — и именно это взаимодействие удерживает кварки внутри адронов, в частности, протона и нейтрона. С точки зрения кварковой теории протон и нейтрон суть связанные состояния трех кварков,

‑кварк обладает электрическим зарядом , а  — зарядом . Обмен таких частиц пионом является, на самом деле, обменом двух кварков, как показано ниже. На этой диаграмме изображен обмен ‑мезоном между протоном и нейтроном в понимании кварковой модели (сравни со средней диаграммой на рис. 1).

Как видим, происходит обмен кварками через их промежуточное состояние. Квантовая теория поля говорит, что, поскольку в этом промежуточном состоянии u- и d-кварки движутся навстречу друг другу, один из них ведет себя как античастица. По этой причине промежуточная частица состояние имеет кварковый состав . Приближение юкавского обмена пионами применимо на не слишком больших, но и не слишком малых расстояниях (не работает внутри адронов, далеко вне ядра также не работает, но внутри ядра — весьма хорошо). На таких расстояниях испущенный протоном глюон, будучи неустойчивым, на пути к нейтрону почти сразу превращается в кварк-антикварковую пару — адронизуется.

Юкавское взаимодействие, несмотря на его вторичность с позиций глюонной модели, тем не менее, оставило свой след в теории фундаментальных взаимодействий. В Стандартной модели аналогичное (и тоже называемое юкавским) взаимодействие связывает кварки и лептоны со особым полем — скалярным дублетом. Эта пара скалярных полей играет в теории ключевую роль: она отвечает за большие массы переносчиков слабого взаимодействия. Само же юкавское взаимодействие приводит к появлению масс у лептонов. Кстати, одной из степеней свободы скалярного дублета является пресловутый бозон Хиггса, который так усердно пытаются найти на ускорителях современные физики-экспериментаторы.

<<К предыдущему эксперименту  |  Квантовая теория  |  К следующему эксперименту>>