Физика ядра и частиц Взаимодействие частиц с веществом
Электромагнитное взаимодействие Кварки Атомное ядро Магнитный дипольный момент ядра Законы радиоактивного распада ядер. Альфа-распад. Бета-распад Естественная радиоактивность

Курс лекций по ядерной физике, физика атомного ядра и частиц

Нейтральные каоны нарушают CP- симметрию

    Исследования свойств нейтральных K0 и анти K0-мезонов представляет особый интерес, т.к. они позволяют изучить ряд уникальных проявлений принципов квантовой механики.
  1. Линейные комбинации двух состояний также является состоянием системы. K0 и анти K0 можно представить как суперпозицию двух других состояний K1 и K2.
  2. Распады K0 и анти K0-мезонов показали, что CP-симметрия не является точной симметрией.
    Нейтральные мезоны K0 и анти K0 являются частицей и античастицей. Единственное квантовое число, которым различаются K0 и анти K0, - это странность (s(К0) = 1, S(анти K0) = -1). Поэтому обе частицы должны иметь одинаковые массы и одинаковые времена жизни. K0 имеет кварковую структуру daqs.gif (58 bytes), а анти K0 - saqd.gif (63 bytes). Они по-разному ведут себя в сильном взаимодействии. Так согласно закона сохранения странности в сильных взаимодействиях K0-мезоны могут образовываться в реакции Наличие у частицы волновых свойств приводит к тому, что в квантовой физике ей сопоставляется волновая функция (x,y,z,t)

pi1.gif (61 bytes)- + p ---->lamda+ K0, deltas = 0,

(1)
в то время как для анти K0-мезонов такая реакция запрещена
pi1.gif (61 bytes)- + p ---/-->lamda+ анти K0, deltas = -2.(2)
анти K0 в сильных взаимодействиях могут образовываться в реакции
pi1.gif (61 bytes)- + p ----> n + анти K0 + K0(3)
при более высоких энергиях. Распад К0 и анти K0-мезонов происходит в результате слабого взаимодействия. При этом наблюдается ситуация показанная схематически на рисунке.
Если пучком pi1.gif (61 bytes)--мезонов обстреливать мишень, то в результате реакции (1) из мишени будут вылетать lamda-гипероны и K0-мезоны. Так как время жизни lamda-гиперона 2.6·10-10 с, он распадается вблизи мишени на протон и pi1.gif (61 bytes)--мезон.

lamda---->pi1.gif (61 bytes)- + p.

(4)
Вблизи мишени наблюдаются и вилки pi1.gif (61 bytes)-pi1.gif (61 bytes)+ от распадов K0-мезонов

K0---->pi1.gif (61 bytes)- + pi1.gif (61 bytes)+.

(5)
Однако такие распады наблюдаются лишь для 50% образовавшихся K0-мезонов. В оставшихся 50% случаев K0 распадается гораздо дальше от мишени на 3 pi1.gif (61 bytes)-мезона.
Проанализируем выполнение закона сохранения комбинированной четности в распадах К0-мезонов на 2 и 3 pi1.gif (61 bytes)-мезона.
    Состояния К0 и анти K0 не имеют определенного значения СР-четности. Действие операторов СР на волновые функции К0 и анти K0 можно записать в виде:op_c.gif (76 bytes)0> = |анти K0>,  op_c.gif (76 bytes)|анти K0> = |К0>, 
op_p.gif (76 bytes)0> = -|К0>,    op_p.gif (76 bytes)|анти K0> = -|анти K0>,
op_c.gif (76 bytes)op_p.gif (76 bytes)0> = -|анти K0>,  op_c.gif (76 bytes)op_p.gif (76 bytes)|анти K0> = -|К0>,Однако из состояний К0 и анти K0 можно построить линейную комбинацию и , имеющую определенные значения СР-четности:,
.K1 и K2 не являются частицей и античастицей и поэтому могут иметь разные характеристики распада.
СР-четности состояний и op_c.gif (76 bytes)op_p.gif (76 bytes)|> =  -1|>,
op_c.gif (76 bytes)op_p.gif (76 bytes)|> =  +1|>.    Двухпионные pi1.gif (61 bytes)+pi1.gif (61 bytes)- и трехпионные pi1.gif (61 bytes)+pi1.gif (61 bytes)-pi1.gif (61 bytes)0 системы при нулевом орбитальном моменте l являются собственными состояниями op_c.gif (76 bytes)op_p.gif (76 bytes)-оператора. Для двухпионной системыpi1.gif (61 bytes)+pi1.gif (61 bytes)- система, l = 0.Операция P эквивалентна обмену pi1.gif (61 bytes)+pi1.gif (61 bytes)--мезонов местами. При таком обмене волновая функция приобретает множитель(-1)l.op_p.gif (76 bytes)|pi1.gif (61 bytes)+pi1.gif (61 bytes)-> = op_p.gif (76 bytes)|pi1.gif (61 bytes)+> op_p.gif (76 bytes)|pi1.gif (61 bytes)-> (-1)l = +1 |pi1.gif (61 bytes)+pi1.gif (61 bytes)->.Операция C превращает pi1.gif (61 bytes)+ в pi1.gif (61 bytes)- и pi1.gif (61 bytes)- в pi1.gif (61 bytes)+, т.е. она тоже эквивалентна обмену обмену pi1.gif (61 bytes)+pi1.gif (61 bytes)--мезонов местами.op_c.gif (76 bytes) |pi1.gif (61 bytes)+pi1.gif (61 bytes)-> =  (-1)l|pi1.gif (61 bytes)+pi1.gif (61 bytes)-> = +1|pi1.gif (61 bytes)+pi1.gif (61 bytes)->,
op_c.gif (76 bytes)op_p.gif (76 bytes)|pi1.gif (61 bytes)+pi1.gif (61 bytes)-> =  (-1)2l |pi1.gif (61 bytes)+pi1.gif (61 bytes)-> = |pi1.gif (61 bytes)+pi1.gif (61 bytes)-> .Собственное значение op_c.gif (76 bytes)op_p.gif (76 bytes)-оператора двухпионной системы (l = 0) равно +1.Для трехпионной системыpi1.gif (61 bytes)+pi1.gif (61 bytes)-pi1.gif (61 bytes)0 система, l = 0.
op_p.gif (76 bytes)|pi1.gif (61 bytes)+pi1.gif (61 bytes)-pi1.gif (61 bytes)0> = op_p.gif (76 bytes)|pi1.gif (61 bytes)+> op_p.gif (76 bytes)|pi1.gif (61 bytes)-> op_p.gif (76 bytes)|pi1.gif (61 bytes)0> (-1)l = -1 |pi1.gif (61 bytes)+pi1.gif (61 bytes)-pi1.gif (61 bytes)0>,
op_c.gif (76 bytes) |pi1.gif (61 bytes)+pi1.gif (61 bytes)-pi1.gif (61 bytes)0> = |pi1.gif (61 bytes)+pi1.gif (61 bytes)-pi1.gif (61 bytes)0> (-1)l = +1|pi1.gif (61 bytes)+pi1.gif (61 bytes)-pi1.gif (61 bytes)0>,
op_c.gif (76 bytes)op_p.gif (76 bytes)|pi1.gif (61 bytes)+pi1.gif (61 bytes)-pi1.gif (61 bytes)0> =  -1|pi1.gif (61 bytes)+pi1.gif (61 bytes)-pi1.gif (61 bytes)0>.Собственное значение op_c.gif (76 bytes)op_p.gif (76 bytes)-оператора трехпионной системы (l = 0) равно -1 .
Таким образом, состояния |> и |> имеют определенные значения CP-четности, но не имеют определенного значения странности s.
В свою очередь можно записать|К0> = (|> + |>)/sqr2,
|анти K0> = (|> - |>)/sqr2.Т.е. каждая из частиц K0 и анти K0 является суперпозицией состояний и . Т.к. CP() = +1, в соответствии с законом сохранения комбинированной четности, он распадается на 2 pi1.gif (61 bytes)-мезона. Среднее время жизни состояния tau1.gif (59 bytes)(~ 0.9·10-19 с. В свою очередь CP() = -1, поэтому распадается на 3 pi1.gif (61 bytes)-мезона, также без нарушения комбинированной четности. Время жизни должно быть больше времени жизни из-за меньшего фазового объема для продуктов распада (tau1.gif (59 bytes)(~ 5·10-8 с). Т.к. K0-мезон на 50% состоит из компоненты , то вблизи мишени наблюдаются распады этой компоненты на 2 pi1.gif (61 bytes)-мезона. На бОльшем растоянии от мишени наблюдается распад компоненты на 3 pi1.gif (61 bytes)-мезона.
    В природе существует две линейно независимые комбинации состояний и , которые отвечают частицам с различными массами и средним временем жизни:m(К0) = 497.67 МэВ
[m(К0) - m(анти K0)]/ m[(К0+анти K0)/2] < 9·10-19 с,
tau1.gif (59 bytes)() = 5.2·10-8 c,
tau1.gif (59 bytes)() = 0.9·10-10 c.Основные каналы распада

---->

pi1.gif (61 bytes)+pi1.gif (61 bytes)-68.6%,
pi1.gif (61 bytes)0pi1.gif (61 bytes)031.4%
Основные каналы распада

---->

pi0pi0pi021.1%,
pi+pi-pi012.6%
pi+мю-, pi-мю+27.1%
pi1.gif (61 bytes)+е-aneutrino.gif (63 bytes)e, pi1.gif (61 bytes)-e+nu1.gif (59 bytes)e38.8%
Разность масс и m() - m() =(3.491 + 0.009)·10-12 МэВ.Если бы СР-инвариантность имеет место, можно считать:|>|=|>,  |> =|>.Однако, в 1964 г. было обнаружено, что существует малая, но конечная вероятность распада: ------>pi1.gif (61 bytes)+ + pi1.gif (61 bytes)-,в котором собственное значение op_c.gif (76 bytes)op_p.gif (76 bytes)-оператора в конечном состоянии, как мы уже показали, имеет СР = +1:Этот результат означает, что нельзя отождествлять состояние с и с
    Вместо этого можно следующим образом определить состояния и
где epsilon1 и epsilon2 - малые комплексные числа.
Хроника
Элементарные составляющие материи
Измерения
Сечение
Энергия реакции. Порог реакции
Ускорители
Взаимодействие частиц с веществом
Детекторы частиц
Новая физика начала ХХ века - теория относительности, квантовая физика
Основные соотношения релятивистской физики
Корпускулярные и волновые свойства частиц. Принцип неопределенности
Состояния в классической и квантовой физике
Резерфорд открывает атомное ядро
Pазмеры и структура ядер
Структура нуклона
Глубоконеупругое рассеяние электрона на протоне

Частицы

В твердых кристаллических телах носителями электрического заряда являются электроны и дырки. В изоляторах свободные электроны и дырки практически отсутствуют, и электрический ток в них невозможен вследствие того, что в зоне проводимости нет свободных электронов, а в валентной зоне нет свободных дырок, которые могли бы двигаться (т.е. изменять свою энергию) во внешнем электрическом поле. Однако такие свободные электроны и дырки появляются в результате прохождения через кристалл заряженной частицы. Процесс генерации заряженной частицей (квази)свободных электронов и дырок (т.е. свободных только внутри кристалла) во многом аналогичен процессу генерации свободных электронов и ионов в газах и жидкостях и описывается теми же формулами

Основные вопросы по курсу Физика ядра и частиц