Методы регистрации элементарных частиц

                         Министерство образования и науки РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Смоленский государственный университет»

 

 

Кафедра физики

 

 

 

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

 

Методы регистрации элементарных частиц

 

 

Выполнила:

студентка 3 курса физико-математического факультета

специальности

«Физика и информатика»

КРОТОВА Ксения Александровна

 

Научный руководитель:

кандидат педагогических наук, доцент

                                                                 ДЮНДИН Андрей Викторович

 

Смоленск

 

Содержание

Введения...2

Глава 1. Основные характеристики элементарных частиц ...3

1.1 Краткая историческая справка …3

1.2 Классификация элементарных частиц …4

1.3 Состав атомных ядер…7

Глава 2. Общие положения об элементарных частицах…13

2.1 Свойства элементарных частиц …12

2.2 Кварки и лептоны…14

Глава 3. Способы регистрации элементарных частиц…18

3.1 Методы наблюдения элементарных частиц …18

Заключение…23

Список используемой литературы …24 

Введение

 

Данная тема весьма интересна, так как она рассказывает из каких частиц состоит материя.

Понятие «элементарная частица» сформировалось в связи с установлением строения вещества на микроскопическом уровне. Обнаружение в начале 20-го века мельчайших носителей свойств вещества – атомов – позволило описать все известные вещества как комбинации конечного, хотя и достаточно большого, количества составляющих – атомов.

Выявления сложного строения атомов, оказавшихся построенными всего из трёх типов частиц (электронов и протонов и нейтронов в ядре), существенно уменьшило количество дискретных элементов, формирующих свойства вещества, и дало основание предполагать, что цепочка составных частей материи заканчивается дискретными бесструктурными образованиями – элементарными частицами. Нельзя с уверенностью сказать, что частицы, элементарные в смысле приведённого определения, существуют. Протоны и нейтроны, долгое время считавшиеся элементарными, как выяснилось, имеют сложное строение. Не исключена возможность того, что последовательность структурных составляющих материи принципиально бесконечна. Есть гипотеза о том, что существуют так называемые «геометрические кванты». Её смысл заключается в том, что на расстоянии 10ֿ³³ см силы взаимодействия настолько велики, что само пространство сворачивается в некие микрообъекты, напоминая губку, и меньших расстояний попросту не бывает. Эти шарики и представляют собой «геометрические кванты», или струны.

Сейчас термин «элементарные частицы» используется в не совсем точном значении, а включает в себя группу мельчайших частиц, не являющихся атомами или атомными ядрами (исключение составляет протон – ядро атома водорода). 
Глава 1. Основные характеристики элементарных частиц

 

1.1 Краткая историческая справка

 

Первая элементарная частица – электрон – была открыта Дж. Дж. Томсоном в 1897 году. Он установил, что так называемые катодные лучи образованы потоком мельчайших частиц, названных впоследствии электронами. В 1911 году Э.Резерфорд, пропуская α-частицы от естественного радиоактивного источника через тонкие фольги из разных веществ, выяснил, что положительный заряд в атомах сосредоточен в компактных образованиях – ядрах. В 1919 году обнаружил протоны – положительно заряженные частицы, с массой, в 1836,2 раза превышающей массу электрона – среди частиц, выбитых из атомных ядер. В 1932 году Дж. Чедвик открыл третью частицу, входящую в состав атома – нейтрон, изучая взаимодействия α-частиц с бериллием. Нейтрон имеет массу, близкую к массе протона, но не имеет заряда. М.Планк, предположив, что энергия абсолютно чёрного тела квантована, получил правильную формулу для спектра излучения (1900 год). Развивая идею Планка, Эйнштейн постулировал, что электромагнитное излучение в действительности является потоком отдельных квантов (фотонов), и на этой основе объяснил закономерности фотоэффекта. Прямые экспериментальные доказательства существования фотона даны Р.Милликеном (1912-1915 года) и А.Комптоном (1922 год).

Открытие нейтрино – частицы, почти не взаимодействующей с веществом – ведёт своё начало от гипотезы В.Паули(1930 год), позволившей найти «невидимого вора» в процессах β-распада радиоактивных ядер (часть энергии исчезала неизвестно куда). Экспериментально существование нейтрино было подтверждено лишь в 1953 году Ф. Райнесом и К.Коуэном в США.

К настоящему времени открыто около 350 элементарных частиц, различных по своим характеристикам: времени жизни, заряду, массе, спину и т.д.

 

1.2 Классификация элементарных  частиц

 

Под элементарными частицами понимают такие микрочастицы, внутреннюю структуру которых на современном уровне развития физики нельзя представить как объединение других частиц. Во всех наблюдавшихся до сих пор явлениях каждая такая частица ведет себя как единое целое. Элементарные частицы могут превращаться друг в друга.

Все частицы (в том числе неэлементарные и квазичастицы) делятся на бозоны (или бозе-частицы) и фермионы (или ферми-частицы). Бозонами называются частицы или квазичастицы, обладающие нулевым или целым спином. Бозоны подчиняются статистике Бозе-Эйнштейна (отсюда и происходит их название). К бозонам относятся: гипотетический гравитон (спин 2), фотон (спин 1), промежуточные векторные бозоны (спин 1), глюоны (спин 1), мезоны и мезонные резонансы, а также античастицы всех перечисленных частиц. Фермионами называются частицы или квазичастицы с полуцелым спином. Для них справедлив принцип Паули и они подчиняются статистике Ферми-Дирака. К фермионам относятся лептоны, барионы, барионные резонансы и кварки (спин ½), а также соответствующие античастицы.

По времени жизни τ различают стабильные, квазистабильные и резонансные частицы или резонансы. Резонансными называют частицы, распадающиеся за счёт сильного взаимодействия со временем жизни 10ֿ²³ с. Нестабильные частицы, время жизни которых превышает 10ֿ²º с, распадаются за счёт слабого или электромагнитного, но не за счёт сильного взаимодействия. Такие частицы называются квазистационарными. Время 10ֿ²º с, ничтожное в обыденных масштабах, должно считаться большим, если его сравнивать с ядерным временем. Ядерное время – это время, которое требуется свету, чтобы пройти диаметр ядра (10ֿ¹³ см). За время 10 ֿ²º с может совершиться много внутринуклонных процессов, поэтому частицы, названные здесь квазистабильными, в справочниках именуются просто стабильными. Впрочем, абсолютно стабильными пока можно считать только 12 частиц: фотон γ, электрон e-, протон p+(?), электронное νe, мюоннное νμ и таоннное ντ нейтрино и соответствующие им античастицы – их распад на опыте не зарегистрирован.

В микромире каждой частице соответствует античастица. В некоторых случаях частица полностью тождественна со своей античастицей. В таком случае частицу называют истинно нейтральной. К ним относятся фотон γ, π0-мезон, η0-мезон, J∕ ψ-мезон, ипсилон-частица . Если же частица и античастица не совпадают, то массы, спины, изотопические спины, времена жизни у частицы и античастицы одинаковы, а прочие характеристики одинаковы по абсолютной величине, но противоположны по знаку. Так, электрон и протон отличаются от позитрона и антипротона прежде всего знаком электрического заряда. Нейтрон и антинейтрон различаются знаком магнитного момента. Лептонные заряды у лептонов и атилептонов, барионные у барионов и антибарионов различаются по знаку.

Понятия частицы и античастицы относительно. С тем же успехом учёные могли назвать позитрон – частицей, а электрон – античастицей. Но электроны преобладают в нашей Вселенной, а позитроны являются экзотическими объектами, поэтому и названы так, как названы. Что называть частицей, а что античастицей – лишь вопрос соглашения.

Также существует деление частиц на фотоны, лептоны и адроны. Адроны – большой класс элементарных частиц, участвуют во всех видах взаимодействий. В зависимости от значения спина, адроны, в свою очередь, делятся на мезоны и барионы. Мезоны – частицы с нулевым спином, барионы – со спином 1/2(у омега-гиперона - 3/2). Лептоны – частицы, участвующие в слабом и электромагнитном взаимодействиях. Спин лептонов равен 1/2.

В настоящее время известны четыре вида взаимодействий между элементарными частицами: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное ( в порядке убывания интенсивности).

Сильное взаимодействие. Этот вид взаимодействия называют иначе ядерным, так как оно обеспечивает связь нуклонов в ядре. Интенсивность взаимодействия принято характеризовать безразмерной константой взаимодействия G2. Эта же константа характеризует вероятность процессов, обусловленных данным взаимодействием. Наибольшее расстояние, на котором проявляется сильное взаимодействие (радиус действия r) составляет примерно 10 -13 см. Частица, пролетающая со скоростью, близкой к с, в непосредственной близости к другой частице, будет взаимодействовать с ней в течение времени t = 10-23 сек. В соответствии с этим говорят, что сильное взаимодействие характеризуется временем взаимодействия ts порядка 10-23 сек.

Электромагнитное взаимодействие. Радиус действия электромагнитного взаимодействия не ограничен. Константа взаимодействия равна 1\137. Следовательно, интенсивность электромагнитного взаимодействия примерно в 100 раз меньше, чем сильного. Время, необходимое для того, чтобы проявилось взаимодействие, обратно пропорционально его интенсивности (или вероятности). Поэтому, для электромагнитного взаимодействия t = 10-21 сек.

Слабое взаимодействие. Слабое или распадное взаимодействие ответственно за все виды β-распадов ядер, за многие распады элементарных частиц, а также за все процессы взаимодействия нейтрино с веществом. Слабое взаимодействие, как и сильное, является краткодействующим. Константа взаимодействия равна 10-14. Время взаимодействия t = 10-9.

Гравитационное взаимодействие. Радиус действия не ограничен. Константа взаимодействия мала: 10-39. Соответственно, время взаимодействия t = 109. Гравитационное взаимодействие является универсальным, ему подвержены все элементарные частицы. Но в процессах микромира гравитационное взаимодействие ощутимой роли не играет.

 

1.3 Состав атомных ядер

Атомное ядро состоит из протонов и нейтронов. Нейтрон может самопроизвольно превращаться в протон, а также в электрон и нейтрино. Во многих ядрах наблюдается и обратный процесс. Так как протон переходит в нейтрон, а нейтрон в протон, то это значит, что обе частицы одинаково простые. Способность частиц к взаимным превращениям указывает на сложность их внутреннего строения.

Нейтрон, как и протон, обладает свойствами магнетика. Это означает, что в нейтроне содержатся электрические заряды, так как в целом нейтрон не заряжен, то алгебраическая сумма положительного и отрицательного заряда равна нулю. Но если заряды двух знаков расположены на разных расстояниях от оси вращения, то магнитные поля, создаваемые их движением. Компенсироваться не будут, т. е. нейтрон будет намагничен.

На первый взгляд кажется, что, помимо нейтронов и протонной, ядра должны содержать также позитроны и электроны, т. к. многие ядра радиоактивных изотопов излучают эти частицы. Но детальный анализ показал, что в ядре отсутствуют и электроны, и позитроны. Но если позитроны и электроны в готовом виде в ядре не присутствуют, то в процессе распада ядра, сопровождающегося вылетом одной из этих частиц, они образуются заново за счёт превращений внутри ядра. При этом при вылете позитрона (положительного заряда) один из протонов превращается в нейтрон, а при вылете электрона (отрицательного заряда), наоборот, один из нейтронов делается протоном.

Устойчивые (нерадиоактивные) лёгкие ядра содержат примерно равные количества протонов и нейтронов. В тяжёлых ядрах имеется некоторый перевес в числе нейтронов; так, в ядре свинца нейтронов примерно в полтора раза больше, чем протонов. Соотношение чисел нейтронов и протонов, которое осуществляется в устойчивых ядрах, является наиболее выгодным, придающим ядру особую прочность. Отступления от этого соотношения делают ядро неустойчивым.

Ядерные силы – особые силы, действующие между частицами, образующими атомные ядра (нейтронами и протонами). Опыты привели к заключению, что ядерные силы взаимодействия между парами частиц протон-протон, нейтрон-протон, нейтрон-нейтрон одинаковы. В явлениях, зависящих только от ядерных сил, нейтрон и протон ведут себя подобно. Эти две частицы объединяют общим термином нуклон.

Наиболее характерной особенностью ядерных сил является короткодействие – они достигают очень большой величины при сближении нуклонов на расстояние порядка 10-13 см, но при увеличении этого расстояния всего в несколько раз так сильно спадают, что ими можно пренебречь.

На малых расстояниях ядерное взаимодействие приблизительно на два порядка сильнее электрического. При больших расстояниях положение обратное: ядерное взаимодействие протонов ничтожно слабо по сравнению с электрическим.

Нуклон создаёт в окружающем пространстве поле ядерных сил, и это поле действует на другие нуклоны, попадающие в сферу его влияния. В 1935 г. японский физик Х. Юкава предположил, что подобно электромагнитному полю ядерное поле бывает не только связанным, но и свободным, т. е. существуют кванты ядерного поля. Он показал, что малый радиус действия ядерного поля связан с тем, что кванты этого поля обладают отличной от нуля массой покоя. Чем больше масса покоя, тем меньше сфера действия сил. Позже, при исследовании космических лучей были открыты частицы, названные пи-мезонами, которые и являются квантами ядерного поля.

Основные характеристики элементарных частиц: масса, электронный и барионный заряд, время жизни и их античастицы, а также систематика частиц представлены в таблице.

Класс частиц	Частицы	Символ	Барионный заряд	Эл. заряд	Масса	Время жизни	Анти-частица	Символ
Фотон	фотон	γ	0	0	0	Стабилен	-	-
Лептоны	электрон	e-	0	-1	1	Стабилен	позитрон	e+
	мюон	μ-	0	-1	207	2,2*10-6	мю-плюс-мезон	μ+
	электронный нейтрино	νe	0	0	0	Стабилен	электронный антинейтрино	Νe
	мюонный нейтрино	νμ	0	0	0	Стабилен	мю-антинейтрино	Νμ
Адроны (мезоны)	пи-нуль	π0	0	0	264	10-16	-	-
	пи-плюс	π+	0	1	273	2,6*10-8	пи-минус	π-
	эта-мезон	η	0	0	1070	2,5*10-19	-	-
	ка-плюс	К+	0	1	966	1,2*10-8	ка-минус	K-
	кА-нуль короткоживущий	K0s	0	0	974	0,9*10-10
	кА-нуль долгоживущий	K0L	0	0	974	5,7*10-8
Адроны (барионы)	протон	p	1	1	1836	Стабилен	Антипротон	P
	нейтрон	n	1	0	1838,6	103	Антинейтрон	N
	лямбда	Λ	1	0	2183	2,5*10-10	Антилямбда	Λ
	сигма-плюс	Σ+	1	1	2328	0,8*10-10	антисигма-минус	Σ-
	сигма-нуль	Σ0	1	0	2334	10-14	антисигма-нуль	Σ0
	сигма-минус	Σ-	1	-1	2343	1,6*10-10	антисигма-плюс	Σ+
	кси-нуль	Ξ0	1	0	2573	3*10-10	антикси-нуль	Ξ0
	кси-минус	Ξ-	1	-1	2586	1,7*10-10	кси-плюс	Ξ+
	омега-минус	Ω-	1	-1	3277	1,5*10-10	омега-плюс	Ω+