Cząstki elementarne

1. Podział cząstek elementarnych.

2. Zasady zachowania w oddziaływaniach cząstek elementarnych.

3. Antycząstki. Zjawisko anihilacji i kreacji par.

4. Wielkości charakteryzujące cząstki elementarne.

5. Struktura wewnętrzna cząstek elementarnych.

Podział cząstek elementarnych

1. Fotony γ

2. Leptony

1. Neutrina

1. neutrino elektronowe
   
   antyneutrino elektronowe
   

2. neutrino mionowe
   
   antyneutrino mionowe
   

2. Elektrony e^-, e⁺ (pozytony)

3. Miony μ^-, μ⁺

3. Mezony

1. Piony π^-, π⁺
   pion π⁰

2. Kaony k^-, k⁺
   kaon k⁰, antymezon
   

4. Bariony

1. Neukleony

1. proton p, antyproton
   

2. neutron n, antyneutron
   

2. Niperony

Zasady zachowania w oddziaływaniach cząstek elementarnych.

Każdy proces rozpadu cząstek elementarnych oraz oddziaływania cząstek i z nimi związanymi reakcjami następuje tylko wówczas, gdy nie zabrania tego któraś z następujących zasad zachowania:

Zasada zachowania energii

Zasada zachowania pędu

Zasada zachowania ładunku

Te trzy zasady są spełnione przy rozpadzie np. neutronu

i taki rozpad jest obserwowany (czas życia neutronu swobodnego jest rzędu 10³ s). Obserwowane są również rozpady:

		czas życia 2,2 * 10^-6s
		czas życia 3 * 10^-8 s

Niemożliwy natomiast jest rozpad:

ze względu na niespełnienie zasady zachowania ładunku i taki rozpad nie jest obserwowany.

Żadna z wymienionych zasad zachowania nie zabrania rozpadu:

Mimo tego proton (w świetle dotychczasowych wyników eksperymentalnych) jest cząstką trwałą. W celu wyjaśnienia tego faktu wprowadzono pojęcie liczby barionowej. Wszystkim cząstkom zaliczanym do grupy barionów przypisuje się liczbę barionową B = ±1 (antycząstkom -1). Lżejsze cząstki (μ, ν, π, γ) mają liczbę barionową równa 0.

W zapisanej wyżej reakcji rozpadu protonu zasada zachowania liczby barionowej nie jest spełniona.

Żadna z omawianych zasad zachowania (również zasada zachowania liczby barionowej) nie zabrania rozpadu neutronu.

		spełniona zasada zachowania ładunku
		spełniona zasada zachowania liczby barionowej

Zaobserwowano, że leptony powstają zawsze parami. Fakt ten wyjasnia zasada zachowania liczby leptonowej.

Elektron
i neutrino elektronowe
mają elektronową liczbę leptonowa +1, a ich antycząstki
i
mają liczbę leptonową -1. Liczba leptonowa (L_e) innych cząstek jest równa 0. W rekcjach cząstek elementarnych całkowita elektronowa liczba leptonowa musi być zachowana, np.

W reakcjach z mionami wprowadza się mionową liczbę leptonową L_μ. Zasada zachowania liczby leptonowej w rozpadzie mionu:

		zachowana mionowa liczba leptonowa
		zachowana elektronowa liczba leptonowa

	+1	0
	−1	0
	0	+1
	0	−1
	+1	0
	−1	0
	0	+1
	0	−1

Antycząstki. Zjawisko anihilacji i kreacji par.

Z niewielkimi wyjątkami każdej cząstce elementarnej odpowiada antycząstka.

Przykłady cząstek i antycząstek:

elektron	− proton
mion	− mion
pion	− pion
neutrino	− antyneutrino

Masa spoczynkowa, spiny i czas życia cząstek i antycząstek są jednakowe. Wartości ładunków elektrycznych, a także liczb barionowych i leptonowych dla cząstek i antycząstek są liczbowo równe sobie, lecz różne co do znaku. Także momenty magnetyczne cząstek i antycząstek różnią się znakiem. Obecność ładunku elektrycznego nie jest warunkiem istnienia pary cząstka-antycząstka.

Jeśli istnieje we Wszechświecie antymateria to w tym „antyświecie” np. antywodór składałby się z antyprotonu i pozytonu.

Kreacja antyprotonu

Przebieg reakcji, w której powstaje antyproton

W najkorzystniejszym przypadku:

ε₁ - energia protonu padającego na proton „tarczę”

Jaką, co najmniej, energię kinetyczną musi mieć proton, by powstał
?

*		relatywistyczny związek między pędem i energią
		energia protonu „tarczy”
		energia każdego z produktów reakcji

Z zasady zachowania energii

Stąd możemy wyznaczyć wyrażenie
, a następnie podstawić do wzoru *

zaś

Zatem energia kinetyczna protonu padającego na proton „tarczę” powinna wynosić co najmniej
= 5628 MeV. Energię tego rzędu uzyskują protony w akceleratorach.

Pozytony
powstają w procesie tworzenia par: przemian kwantu γ w parę elektron
- pozyton

Energia kwantu, który znika w tym procesie zostaje przekazana w formie energii spoczynkowej cząstek i ich energii kinetycznej. W procesie tym konieczna jest obecność jądra, które przejmuje część pędu fotonu (zgodnie z zasadą zachowania pędu).

Energia kwantu γ:
Procesem odwrotnym do procesu kreacji jest proces anihilacji.

Anihilacja pary proton-antyproton:

piony
rozpadają się:

Mion
ulega dalszemu rozpadowi:

Na rysunku widoczne są jedynie ślady pionów dodatnich i ujemnych, dodatniego mionu i pozytonu. Tory pionu π⁰ oraz neutrin określa się określa się z zasady zachowania pędu.

Anihilacja pary: elektron - pozyton

Powstają 2 kwanty γ o pędach równych co do wartości i skierowanych w przeciwne strony (pęd wypadkowy układu pozyton - elektron był równy 0).

Wielkości charakteryzujące cząstki elementarne

1. Energia spoczynkowa wyrażona w MeV

2. Ładunek elektryczny wyrażany w jednostkach e: +1, 1, 0

3. Spin (liczby spinowe: 1,
   )

4. Liczba barionowa (+1, 1, 0)

5. Liczba leptonowa (+1, 1, 0)

Nazwa cząstki		Oznaczenie	Ładunek (e)	Energia spoczynkowa (MeV)	Spin ( )	Liczba barionowa B	Czas życia (s)	Główne sposoby rozpadu
foton		γ	0	0	1	0	stabilny
Leptony
neutrino elektronowe			0	0		0	stabilne
antyneutrino eletronowe			0	0		0	stabilne
neutrino mionowe			0	0		0	stabilne
antyneutrino mionowe			0	0		0	stabilne
elektron			1	0,5110		0	stabilne
pozyton			1	0,5110		0	stabilne
mion			1	105,569		0	2,2*10^-6
mion			1	105,569		0	2,2*10^-6
Hadrony
mezony	pion		1	139,60	0	0	2,55 * 10^-8
		pion		1	139,60	0	0	2,55 * 10^-8
		pion		0	135,05	0	0	1,8 * 10^-16
	bariony	proton	p	1	938,256		1	stabilny
		antyproton		1	938,256		1	stabilny
		neutron	n	0	939,55		1	1,01 * 10^3
		antyneutron		0	939,55		1	1,01 * 10^3

Struktura wewnętrzna cząstek elementarnych.

Bariony Mezony

Nośnikiem oddziaływań silnych jest pion π ( ). Zasięg oddziaływań ~ 10^-15 m

1970 r. Genewa

Badania wewnętrznej struktury nukleonów

Rozpędzano elektrony do energii ~ 20 GeV. Długość fali de Broglie'a elektronów o takiej energii jest mniejsza od rozmiarów nukleonów. Elektrony przez wnętrze nukleonów ulegały rozproszeniu, które wskazywało, że ładunek w protonie nie jest rozłożony równomiernie. Badanie rozkładu rozproszonych
elektronów wykazały, że proton składa się z cząstek, w których skrzyżowany jest ładunek
i
e. Cząstki te nazwano kwarkami. Oddziaływania między kwarkami przenoszone są przez tzw. gluony.

Oznaczenie cząstki		Ładunek	Liczba barionowa	Liczba spinowa	Symboliczne przedstawienie kwarka
kwarki	u	e
		d	e
		s	e
	antykwarki		e
			e
			e

Strzałki oznaczają zwrot spinu.

Nukleony można zbudować z układu 3 kwarków:

proton u, u, d	Ładunek: Liczba barionowa: Spin:
neutron , d, d	Ładunek: Liczba barionowa: Spin:
pion	Ładunek: Liczba barionowa: Spin:
pion	Ładunek: Liczba barionowa: Spin:

Odkrycie cząstek składających się z 3 jednakowych kwarków stworzyło konieczność wprowadzenia dodatkowej liczby kwantowej - tzw. koloru. Przyjęto trzy kolory: czerwony R, zielony G i niebieski B.

cząstka
cząstka
cząstka

Cząstki elementarne • Fizyka 2002 - 2003

1

---