От лат evaporo испаряю и греч grapho пи­шу), метод получения изображений объектов в их собственном (обычно ик) тепловом излучении. Предложен нем

Вид материала

Документы

Содержание Основные элементарные частицы и их характеристики Характеристики кварков S и С (см. табл. 1). В кач-ве иллюстрации в табл. 3 и 4 приведены вытекающие из описанных представлений кварковые составы ме­зон Кварковый состав 4. Кварковый состав барионов с Элементарный электричес­кий заряд А. В. Ефремов. Т. Н. Крылова.

Подобный материал:

• Реферат по русскому языку на тему: «Типы словарей», 284.65kb.
• Метод распознавания изображений гистологических препаратов в задачах медицинской диагностики, 31.25kb.
• Конспект лекций для 16-и часового курса начертальная геометрия издание 2-ое, 578.52kb.
• Обработка и передача изображений, 243.48kb.
• Социоло́гия (от лат socius общественный; др греч. λόγος мысль, причина) наука о закономерностях, 85.75kb.
• Isbn 5-7262-0634 нейроинформатика 2006, 165.42kb.
• М. В. Лычагин Зав кафедрой д э. н., профессор, 986.65kb.
• Предложен метод неразрушающего акустического контроля многофазных макрооднородных композитных, 14.58kb.
• От греч autos -сам, bios жизнь, grapho пишу, лит прозаический жанр; как правило, последовательное, 2051.5kb.
• М. В. Корытова научный руководитель Р. Т. Файзуллин, д т. н., профессор Омский государственный, 26.14kb.

Табл. 1. ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ



898


Продолжение табл. 1



Примечание. Слева звёздочкой помечены резонансы, для к-рых вместо времени жизни т приведена ширина Г=ћ/. Истинно нейтр. ч-цы помещены посередине между ч-цами и античастицами. Члены одного изотопич. мультиплета расположены на одной строке (в тех случаях, когда известны хар-ки каждого члена мультиплета, —с неболь­шим смещением по вертикали). Изменение знака внутр. чётности Р у антибарионов, так же как изменение знаков S и С у всех античастиц, не указано. Для лептонов, уча­ствующих в характерном для них слабом вз-ствии, Р не явл. хорошим (сохраняю­щимся) квант. числом и поэтому не приведена.

Табл. 2. ХАРАКТЕРИСТИКИ КВАРКОВ



Из тео­рии получаются квант. числа квар­ков, приведённые в табл. 2. Отличи­тельная их черта — дробные значения электрич. и барионного зарядов, не встречающиеся ни у одной из наблю­давшихся Э. ч. С индексом а у каж­дого типа («аромата») кварка q_i (i=l, 2, 3, 4, 5) связана особая хар-ка— «цвет», введение к-рой понадобилось

для того, чтобы не возникало про­тиворечия с принципом Паули при построении адронов, состоящих из трёх одинаковых кварков (⁺⁺(uuu), ^- (ddd), ^-(sss)]. Индекс  прини­мает значения 1, 2, 3, т. е. каждый тип кварка q_i представлен тремя разновидностями q^_i[Н. Н. Боголюбов с сотрудниками, 1965; Й. Намбу и М. Хан (США), 1965]. Введение трёх «цветов» позволяет в принципе по­строить систематику адронов и на ос­нове кварков с целыми электрич. и барионными зарядами, хотя экс­перимент скорее всего не свидетель­ствует в пользу такой возможно­сти. В наблюдаемых адронах кварки разных «цветов» скомбинированы т. о., что возникающие состояния не несут «цвета» — явл. «бесцветными».

В табл. 2 но приведены массы квар­ков. Это связано с тем, что кварки пока выступают лишь как составные части адронов,— в свободном состоя­нии они не наблюдались, и их массы непосредственно невозможно было из­мерить. На основании величин масс разл. связ. состояний кварков (обыч­ные, странные, «очарованные» адроны, -частицы) можно только заключить, что эфф. массы m кварков, входящих в адроны, подчиняются след. законо­мерности:

m_u m_d < m_s << m_c < m_b.

Всё многообразие адронов возни­кает за счёт разл, сочетаний u-, d-, s-, с- и b-кварков, образующих связ. состояния. Обычным адронам (напр., нуклонам, -мезонам) соответствуют связ. состояния, построенные только из u- и d-кварков [для мезонов с воз­можным участием комбинаций (ss^~), (cc^~), (bb^~)]. Наличие в связ. состоянии, наряду с u- и d-кварками, одного s-, с- или b-кварка означает, что соот­ветствующий адрон странный (S=-1), «очарованный» (С = + 1) или «краси­вый» (b=+1). В состав бариона могут входить два и три s-кварка (соотв. с- или 6-кварка), возможны и их более сложные сочетания.

Поскольку спин кварков равен ¹/₂, из приведённой кварковой структуры адронов следует (в полном соответ­ствии с экспериментом) целый спин у мезонов и полуцелый у барионов. При этом в состояниях, отвечающих ор­бит. моменту l=0, в частности в осн. состояниях, значения спина мезонов должны равняться 0 или 1 (для ан­типараллельной  и параллельной  ориентации спинов кварков), а спина барионов — ¹/₂ или ³/₂ (для спино­вых конфигураций  и ). С учё­том того, что внутр. чётность системы кварк-антикварк отрицательна, зна­чения J^p при l=0 для мезонов равны 0^- и 1^-, для барионов -¹/₂⁺ и ³/₂⁺ . Именно эти значения J^p наблюдаются у адронов, имеющих наименьшую

899


массу при заданных значениях I, S и С (см. табл. 1).

В кач-ве иллюстрации в табл. 3 и 4 приведены вытекающие из описанных представлений кварковые составы ме­зонов с J^p=0^- и барионов с J^p=¹/₂⁺

Табл. 3. КВАРКОВЫЙ СОСТАВ

мезонов с j^p=0^-



и указаны их соответствия известным ч-цам (символы наблюдавшихся ч-ц подчёркнуты).

Кварковая модель объясняет нали­чие большого числа адронов и пре­обладание среди них резонансов. Мно­гочисленность адронов — отражение их сложного строения и возможности существования различных возбуждён­ных состояний кварковых систем. По­следние и образуют осн. часть резо­нансов.


Табл. 4. КВАРКОВЫЙ СОСТАВ БАРИОНОВ С J^P=^1/₂⁺



Примечание. Индекс А и [ ] оз­начают антисимметризацию, индекс S и { }—симметризацию; всюду предполагается суммирование по «цветам» кварков.

При первонач. формулировке кварковой модели кварки рассматривались как гипотетические структурные эле­менты, открывающие возможность удобной классификации адронов. В ре­зультате экспериментов, проведённых в кон. 60-х — нач. 70-х гг., выяснилось, что гипотеза кварков наиболее простым и естеств. образом объясняет мн. динамические закономер­ности вз-ствия с участием адронов. Именно это позволяет говорить о кварках как о реальных матер. обра­зованиях внутри адронов. Эти экс­перименты подтвердили наличие таких структурных единиц в адронах с приписываемыми им теорией квант. чис­лами, включая «цвет» и дробный электрич. заряд. Кварки фактически приобрели статус новых Э. ч. и вы­ступают в кач-ве претендентов на роль истинно Э. ч. для адронной формы материи. До длин ~10^-16 см кварки ведут себя как точечные, бесструк­турные образования. Число известных видов кварков пока невелико, хотя не исключён нек-рый рост их числа. Ненаблюдаемость кварков в свобод­ном состоянии даёт дополнит. осно­вания предполагать, что они явл. теми ч-цами, к-рые замыкают цепь структурных составляющих в-ва.

Ненаблюдаемость свободных квар­ков, по-видимому, носит принципиаль­ный хар-р. Существуют теор. и эксперим. доводы в пользу того, что силы, действующие между кварками, не ослабевают с расстоянием, т. е. для отделения кварков друг от друга тре­буется бесконечно большая энергия, или, иначе, возникновение кварков в свободном состоянии невозможно. Это делает их совершенно новым типом структурных единиц в-ва. Возможно, что кварки выступают как последняя ступень дробления адронной материи. Элементарные частицы и квантовая теория поля. Для описания св-в и вз-ствий Э. ч. в совр. теории существ. значение имеет понятие физ. поля, к-рое ставится в соответствие каждой ч-це. Поле есть специфич. форма рас­пределённой в пр-ве материи; оно описывается ф-цией, задаваемой во всех точках пространства-времени (х) и обладающей определ. трансформац. св-вами по отношению к преобразо­ваниям группы Лоренца (скаляр, спи­нор, вектор и т. д.) и групп «внутр.» симметрии (изотопич. скаляр, изото­пич. спинор и т. д.). Эл.-магн. поле— исторически первый пример физ. поля. Поля, сопоставляемые с Э. ч., имеют квант. природу. Каждый квант поля и есть Э. ч. с общими для всех квантов данного поля массой и спином. Кван­тами эл.-магн. поля явл. фотоны, кванты др. полей соответствуют всем остальным известным Э. ч. Матем. аппарат квант. теории поля (КТП) позволяет описать рождение и унич­тожение ч-цы в каждой пространст­венно-временной точке х.

Трансформац. св-ва поля опреде­ляют все квант. числа Э. ч. Транс­формац. св-ва по отношению к пре­образованиям группы Лоренца за­дают спин ч-ц: скаляру соответствует спин J=0, спинору -J=¹/₂, век­тору -J=1 и т. д. Трансформац. св-ва полей по отношению к преобра­зованиям «внутр. пр-в» задают такие

квант. числа Э. ч., как L, В, I, S С, b, а для кварков и глюонов (см. ниже) — «цвет». Масса Э. ч. не свя­зана с трансформац. св-вами полей, это их дополнит. хар-ка.

Для описания процессов, происхо­дящих с Э. ч., в КТП используется т. н. лагранжев формализм. В лаг­ранжиане (точнее, плотности лагран­жиана) ℓ, выражающемся через поля, заключены все сведения о динамике полей. Знание X позволяет в прин­ципе, используя аппарат матрицы рассеяния (S-матрицы), рассчитывать вероятности переходов от одной со­вокупности ч-ц к другой под влиянием разл. вз-ствий. Лагранжиан X вклю­чает в себя лагранжиан ℓ₀, описы­вающий поведение свободных полей, и лагранжиан вз-ствия ℓ_вз, постро­енный из полей разных ч-ц и отра­жающий возможность взаимопревра­щений ч-ц. Знание ℓ_вз явл. опреде­ляющим для описания процессов с Э. ч. Выбор возможного вида ℓ₀ существ. образом определяется тре­бованием релятивистской инвариант­ности. Критерии для нахождения вида ℓ_вз (исключая давно известный вид ℓ_вз для эл.-магн. процессов) были сформулированы в 50—70-х гг. при выяснении важной роли сим­метрии в определении динамики взаи­модействующих полей. Существование той или иной симметрии вз-ствия уста­навливается по наличию сохранения в процессах определ. физ. величин и соответствующих им квант. чисел. При этом точным квант. числам от­вечает точная симметрия (т. е. сим­метрия всех классов вз-ствий), не­точным квант. числам — симметрия лишь части вз-ствий (напр., сильного и эл.-магн.). Симметрия в сочетании с важным физ. требованием её соблю­дения при произвольной зависимости преобразований группы симметрии от точки пространства-времени [локаль­ная калибровочная инвариантность; Янг Чжэньнин, Р. Миллс, США, 1954 (см. Калибровочная симметрия)], как оказалось, полностью задаёт вид =ℓ_вз. Требование локальной кали­бровочной инвариантности, физически связанное с тем, что вз-ствие не может мгновенно передаваться от точки к точке, удовлетворяется лишь в том случае, когда среди полей, входящих в лагранжиан, присутствуют вектор­ные поля (аналоги эл.-магн. поля), взаимодействующие с полями Э. ч. вполне определ. образом, а именно:

ℓ_вз=ⁿ_=1³_j^_(x)V^_(x) (1) (n — число калибровочных полей), где j^_(x) — токи, составленные из полей ч-ц и определяемые видом ℓ₀, V^_(х) — векторные поля, наз. калибро­вочными полями. Векторные поля в этом подходе выделяются как универс. переносчики вз-ствий. Св-ва векторных полей и их число опреде­ляются св-вами группы «внутр.» сим­метрии. Если симметрия точная, то

900


масса кванта поля V^_ равна нулю. Для приближённой симметрии масса кванта векторного поля отлична от нуля.

На основании излож. принципов была определена форма _кз для кварков, лежащая в основе совр. теории сильного вз-ствия — кванто­вой хромодинамики. Исходным здесь явилось предположение, что симмет­рия, отвечающая появлению квант. числа «цвет» у кварков [т. н. «цветная» SU(3)-симметрия], явл. точной. Из требования локальности этой симмет­рии вытекало существование восьми калибровочных полей G^_ (отвечающих безмассовым квантам этих полей — глюонам), переносящих вз-ствие меж­ду кварками и связанными с ними выражением типа (1) (Й. Намбу, США, 1966). Имеющиеся эксперим. данные хорошо согласуются с видом лагран­жиана для сильного вз-ствия, выве­денным таким способом.

Использование принципа определя­ющей роли симметрии (в т. ч. прибли­жённой) в формировании структуры вз-ствия позволило также найти форму лагранжиана слабого вз-ствия. Од­новременно была вскрыта глубокая внутр. связь слабого и эл.-магн. вз-ствий. Существование пар лепто­нов с одинаковыми лептонными заря­дами: е^-, v_e; ^-, v_ и т. д., но с разл. массами и электрич. зарядами было истолковано как отражение сущест­вования нарушенной симметрии типа изотопической [группа SU_сл(2)], а факт сохранения спиральности в сла­бых процессах был связан с суще­ствованием особого «слабого гипер­заряда» Y^сл, различающего лептоны левой и правой спиральности [группа U(1)]. При этом для «левых» лептонов Y_L^сл =-1, для «правых» — Y_R^сл=-2. Такое введение слабого гипер­заряда и предположение, что изотопич. спин «левых» лептонов I=1/₂, а «пра­вых» -I=0, позволяют использовать для лептонов ту же ф-лу для элект­рич. заряда, что и для адронов: Q=I₃^сл+Y^сл/2, где I₃^сл — третья проек­ция «слабого изотопич. спина» «левых»

лептонов (I₃=-¹/₂ для e^-_L и + ¹/₂ для v_еL). Применение принципа локаль­ности к симметрии, связанной с груп­пой SU_сл(2)XU(1), привело к харак­терному лагранжиану (1), в к-ром одновременно возникли члены, ответ­ственные за эл.-магн. и слабое вз-ствия лептонов (амер. физики С. Вайнберг, Ш. Глэшоу, пакист. физик А. Садам; кон. 60-х гг.):



Здесь j^эл.-м._ — эл.-магн. ток, j^сл.з._, j^сл.н._ — заряженные токи и нейтраль­ные токи слабого вз-ствия, построенные из полей лептонов, А_ — поле фотона, W⁺_, W^-_ и Z°_— поля массивных (из-за нарушенности симметрии) векторных ч-ц — переносчиков слабого вз-ствия (промежуточных векторных бозонов).

Излож. подход легко обобщается на эл.-магн. и слабое вз-ствия квар­ков (амер. физики Ш. Глэшоу, Дж. Илиопулос, итал. физик Л. Майани, 1970). Эксперимент показывает, что при не слишком высоких энергиях лагранжиан слабого вз-ствия [ф-ла (2)] с учётом обобщения на кварки правильно описывает эл.-магн. и сла­бое вз-ствия. В указанном подходе массы W^± и Z° оцениваются соотв. в 84 ГэВ и 95 ГэВ. В 1983 эти бозоны с приведёнными значениями масс были экспериментально обнаруже­ны в столкновениях пучков р и р^~.

Единое описание эл.-магн. и сла­бого вз-ствий означает, что в теории исчезает как независимый параметр константа слабого вз-ствия. Единств. константой остаётся электрич. заряд е. Подавленность слабых процессов при небольших энергиях объясняется боль­шой массой промежуточных бозо­нов.

Имеются попытки рассмотреть на общей основе не только эл.-магн. и слабое, но также и сильное вз-ствие. Исходным явл. предположение о еди­ной природе всех видов вз-ствий Э. ч. (кроме гравитационного) с характер­ной одной малой константой. Наблю­даемые большие различия между вз-ствиями считаются обусловленными значит. нарушением симметрии при изуч. энергиях. Единая природа и высокая степень симметрии вз-ствия могут проявиться только при энер­гиях ~10¹⁴ ГэВ в с. ц. и. Кварки и лептоны при таком рассмотрении ока­зываются однотипными объектами, и становятся возможными их взаимные превращения. Практически неизбеж­ным следствием таких рассмотрений явл. предсказание нестабильности про­тона со временем жизни ~10³⁰— 10³² лет.

Развитие метода, позволяющего оп­ределить вид лагранжиана вз-ствия на основе использования св-в симмет­рии, явилось важным шагом на пути, ведущем к созданию динамич. теории Э. ч. Есть все основания полагать, что калибровочные теории поля явят­ся непременным составным элементом дальнейших теор. построений.

Некоторые общие проблемы тео­рии элементарных частиц. Новейшее развитие физики Э. ч. явно выделило из всех Э. ч. группу ч-ц, к-рые су­ществ. образом определяют специфику процессов микромира. Эти ч-цы — возможные кандидаты на роль истинно Э. ч. К их числу относятся ч-цы со спином ¹/₂ — лептоны и кварки, а также ч-цы со спином 1 — глюоны, фотон, массивные промежуточные бо­зоны, осуществляющие разные виды вз-ствий ч-ц со спином ¹/₂. В эту группу скорее всего следует также включить ч-цу со спином 2 — грави­тон, квант гравитац. поля, связывающий все Э. ч. В этой схеме мн. вопросы, однако, требуют дальней­шего исследования. Неизвестно, ка­ково полное число лентонов, кварков и разл. векторных ч-ц и существуют ли физ. принципы, определяющие это число. Не вполне ясны причины деления ч-ц со спином ¹/₂ на две груп­пы: лептоны и кварки. Неясно проис­хождение «внутр.» квант. чисел лепто­нов и кварков (L, В, I, S, С, b) и такой хар-ки кварков и глюонов, как «цвет», и с какими степенями свободы они связаны. Неизвестны механизм, оп­ределяющий массы истинно У. ч., и причины появления (при наруше­нии исходной симметрии) у Э. ч. разл. классов вз-ствий с разл. св-вами симметрии. Эти и др. проблемы пред­стоит решить будущей теории Э. ч. Описание вз-ствий Э. ч., как отме­чалось, связано с калибровочными теориями поля. Эти теории, позво­ляющие рассчитывать вероятности пе­реходов с Э. ч., в настоящем своём виде обладают одним серьёзным недо­статком, общим с квант. электроди­намикой,— у них в процессе вычис­лений получаются не имеющие физ. смысла бесконечно большие значения для нек-рых физ. величин (расходи­мости). С помощью спец. приёма пе­реопределения наблюдаемых величин (массы, заряда) — перенормировки (ренормировки) удаётся устранить бес­конечности из окончат. результатов вычислений. Однако процедура пере­нормировки — чисто формальный об­ход трудности, существующей в ап­парате теории, к-рая на каком-то уровне точности должна сказаться на степени согласия расчётов с измере­ниями.

Появление бесконечностей в вычис­лениях связано с тем, что в лагранжиа­нах вз-ствий поля разных ч-ц отне­сены к одной пространственно-вре­менной точке, т. е. предполагается, что ч-цы точечные. Кроме того, пред­полагается, что четырёхмерное про­странство-время остаётся непрерывным и плоским (не искривлённым) вплоть до самых малых расстояний. В дей­ствительности указанные предполо­жения, по-видимому, неверны по неск. причинам: а) истинно Э. ч., очевидно, должны быть матер. объектами ко­нечной протяжённости; б) св-ва про­странства-времени в малом (в масшта­бах, определяемых фундаментальной длиной) должны | радикально отли­чаться от его макроскопич. св-в; в) на самых малых расстояниях (~10^-33 см) сказывается изменение геом. св-в про­странства-времени за счёт гравитации. Возможно, эти причины тесно свя­заны между собой [так, фундам. длина l₀ может быть связана с гра­витац. постоянной (G): l₀=(ћG/c³)10^-33 см]. Любая из них должна привести к модификации теории и

901


устранению бесконечностей, хотя прак­тич. выполнение этой модификации может быть весьма сложным.

Особенно интересным представля­ется учёт влияния гравитации на малых расстояниях. Гравитац. вз-ствие может не только устранить расходи­мости в КТП, но и обусловливать само существование первообразующих материи (М. А. Марков, 1966). Если плотность в-ва истинно Э. ч. доста­точно велика, гравитац. притяжение может явиться тем фактором, к-рый определяет устойчивое существование этих матер. образований. Их размеры должны быть ~10^-33 см. В большин­стве экспериментов они будут вести себя как точечные объекты, их гра­витац. вз-ствие будет ничтожно мало и проявится лишь на самых малых расстояниях, в области, где сущест­венно изменяется геометрия прост­ранства-времени.

Т. о., наметившаяся тенденция к одноврем. рассмотрению разл. клас­сов вз-ствий Э. ч. скорее всего должна быть логически завершена включе­нием в общую схему гравитац. вз-ствия (см. Суперсимметрия). Именно на базе одноврем. учёта всех видов вз-ствий наиб. вероятно ожидать создания бу­дущей теории Э. ч.

•Марков М. А., О природе материи, М., 1976; Коккедэ Я., Теория квар­ков, пер. с англ., М., 1971; Окунь Л. Б., Лептоны и кварки, М., 1981; Боголю­бов Н. Н., Ш и р к о в Д. В., Квантовые поля, М., 1980; Элементарные частицы и компенсирующие поля, пер. с англ., М., 4964; Бернстейн Дж., Спонтанное нарушение симметрии, калибровочные тео­рии, механизм Хиггса..., в кн.: Квантовая теория калибровочных полей. Сб. ст., пер. с англ., М., 1977. А. А. Комар.

ЭЛЕМЕНТАРНЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕС­КИЙ ЗАРЯД (е), наименьший элект­рич. заряд, положительный или от­рицательный, равный величине заря­да эл-на: е=4,803250(21) •10^-10 ед. СГСЭ=1,6021892(46) •10^-19 К. Почти все элем. ч-цы обладают электрич. за­рядом +е или -е или явл. незаря­женными (исключение — нек-рые резонансы с зарядом, кратным е, напр.  ⁺⁺ с зарядом 2е). Природа такого «квантования» электрич. заряда не выяснена (об одном из возможных объяснений см. в ст. Магнитный монополь). Ч-цы с дробным электрич. за­рядом не наблюдались, однако в тео­рии элем. ч-ц предполагается, что роль фундам. составляющих адронов играют ч-цы с зарядами, кратными ¹/₃e (т. н. рварки).

А. В. Ефремов.

ЭЛЛИПСОМЕТРИЯ, совокупность ме­тодов изучения поверхностей жидких и тв. тел по состоянию поляризации светового пучка, отражённого этой поверхностью и преломлённого на ней. Падающий на поверхность пло­ско поляризованный свет приобретает при отражении и преломлении эллип­тич. поляризацию вследствие наличия тонкого переходного слоя на границе раздела сред. Зависимость между оптич, постоянными слоя и параметрами эллиптически поляризованного света устанавливается на основании Френеля формул. На принципах Э. построены методы чувствительных бескон­тактных исследований поверхно­сти жидкости или тв. в-в, процессов адсорбции, коррозии и др. В кач-ве источника света в Э. используется монохроматическое излучение зелёной линии ртути, а в последнее время -луч лазера, что даёт возможность исследовать микронеоднородности на поверхности изучаемого объекта. По­лучило развитие также новое направ­ление спектральной Э. в ши­роком интервале длин волн, сущест­венное при исследованиях ат. состава неоднородных и анизотропных по­верхностей и плёнок.

• Горшков М. М., Эллипсометрия, М., 1974; Основы эллипсометрии, Новосиб., 1979. Т. Н. Крылова.