Лауреаты конкурса «Свободный полёт - 2013»

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

Резонансы в реакциях между элементарными частицами. Их описание как короткоживущие промежуточные частицы

Времена жизни субатомных частиц стремительно уменьшаются с увеличением их массы: открываются все новые и новые каналы распада, которые для частиц с малой массой были запрещены законом сохранения энергии-импульса. Поэтому встает вопрос: а как же обнаружить частицы, которые за характерное время своей жизни пролетают расстояние не больше размеров адрона ? Поскольку скорость частиц ограничена скоростью света, мы получаем оценку для времени жизни таких частиц:

На самом деле, как говорилось в разделе, посвященном специальной теории относительности, частица может пролететь и большее расстояние из-за релятивистского замедления времени, однако, для оценки мы не включаем в формулу релятивистский фактор. Кроме того, очень тяжелые частицы сложно разогнать до ультрарелятивистских скоростей, поэтому разница в оценке времени жизни будет максимум на один порядок.

Полученное время действительно очень мало, но современной физике известны частицы, живущие меньшее время: примером могут служить top-кварк и ‑частица. В большинстве случаев распад этих частиц происходит благодаря сильному взаимодействию: остальные взаимодействия просто не успевают «развалить» частицу за столь малое время.

Первый резонанс был открыт в начале 1950-х годов группой под руководством Энрико Ферми. Группа исследовала реакции ядерного взаимодействия, в частности, рассеяние пи-мезонов на протонах, на протонном ускорителе в Чикаго. Было обнаружено, что при достижении энергией в системе центра масс значения, близкого к , сечение ‑рассеяния немного возрастает — наблюдается характерный резонансный пик. В свете корпускулярно-волнового дуализма наличие такого пика можно качественного объяснить существованием у системы пиона и протона возбужденного состояния. Действительно, это аналогично воздействию на атом водорода в основном состоянии света с частотой , где  — энергии основного и первого возбужденного состояния. Атом начнет резонансно поглощать фотон, переходя в возбужденное состояние . Однако это состояние имеет малое время жизни, поэтому фотон будет переизлучаться на той же частоте с возвращением атома в основное состояние. В результате такой стимуляции атоме и последующего возвращения в основное состояние интенсивность взаимодействия атома со светом резонансной частоты будет существенно выше нерезонансной интенсивности взаимодействия. Точно такое же явление имеет место в случае ‑рассеяния: роль фотона здесь играет пион с энергией . Таким образом, резонансный пик на графике сечения рассеяния был отождествлен с наличием возбужденного состояния протона, возникающего после поглощения пиона:

Подпись:  
Декуплет S(P)=3/2(+)
Промежуточное одночастичное состояние было отождествлено с новой частицей, спин которой , изоспин , а электрический заряд . Это та самая частица, которая заставила физиков-теоретиков задуматься о цвете кварков, поскольку она должна состоять из трех u-кварков. Масса дельта-резонанса определяется по середине резонансного пика на графике сечения рассеяния , среднее время жизни —по ширине резонансного пика :

-резонанс принадлежит мультиплету из четырех дельта-резонансов, которые являются возбужденными состояниями протона и нейтрона, поглотившими -мезон. Эти четыре частицы, в свою очередь, принадлежат гипермультиплету из десяти частиц (декуплету) со спином , которому также принадлежат возбужденные состояния ‑ и ‑гиперонов и особая ‑ частица, состоящая из трех странных кварков (см. рис.).

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