Баллистическая


Состав элементарных частиц и их масса



жүктеу 8.2 Mb.
бет50/99
Дата04.03.2018
өлшемі8.2 Mb.
1   ...   46   47   48   49   50   51   52   53   ...   99

Состав элементарных частиц и их масса

Последовательная теория элементарных частиц, которая предсказывала бы возможные значения масс элементарных частиц и другие их внутренние характеристики, ещё не создана.



Советский Энциклопедический Словарь
В настоящее время известно более сотни элементарных частиц [85, 86]. Это изобилие давно привело к мысли, что частицы отнюдь не элементарны, а состоят из ещё более простых элементов. Полагали, что этими элементами должны быть кварки – гипотетические частицы с невероятными свойствами. Так, любой из кварков много тяжелей частицы, которую они образуют: часть больше целого! Поэтому многие считают, что гипотеза кварков и так называемая квантовая хромодинамика – это чисто формальный способ систематизации частиц. Ну а такая фундаментальная характеристика частиц как масса, почему-то игнорируется учёными. А ведь именно массы позволили Д.И. Менделееву навести порядок в мире химических элементов, среди многих десятков которых царил некогда такой же хаос. На основе известных масс элементов не только была построена их система (таблица Менделеева), но и понято строение атома. Далее покажем, что и для понимания строения элементарных частиц их масса и закон её сохранения, вводимый БТР, может иметь ключевое значение.

Прежде всего, естественно допустить, что наиболее просты и элементарны частицы, обладающие наименьшей массой (так и среди атомов самый простой – водородный). К ним можно отнести электрон, масса М которого взята за единицу измерения масс других частиц (М=1), и мельчайшие из мезонов. А именно, мюон (μ-мезон) – заряженная частица, которая тяжелей электрона в 207 раз (M=207), нейтральный пион (π0-мезон, M=264) и заряженный пион (π+- или π-мезон с M=273). Думается, именно из этих частиц, как из деталей конструктора, и построены все прочие элементарные частицы, имеющие много большие массы.

И точно, беря эти три вида мезонов в разных сочетаниях, можно получить массу любой другой частицы. Например, два заряженных и два нейтральных пиона дают в сумме массу 1074,4. Это с точностью до 0,04 % совпадает с массой η0-мезона (M=1074). Так что эта частица состоит, вероятно, из четырёх пионов: π+, π, π0, π0. Недаром эта-ноль-мезон распадается всегда именно на пионы. Другой пример: 8 заряженных пионов дают в сумме массу 273×8= 2184 – это масса Λ0-гиперона, отличная от истинной всего на 0,03 %. Значит, лямбда-гиперон состоит из четырёх положительных и четырёх отрицательных пионов: Λ0=4π+ + 4π.

Судя по точности и частоте таких совпадений, они не случайны и должны открыть тайну строения частиц. Для этого достаточно составить несложную компьютерную программу, по-разному комбинирующую массы трёх мезонов (M=207; 264; 273) и находящую совпадения их сумм с известными массами элементарных частиц. Результаты поиска программы сведены в систему (Таблица 2). В первой колонке стоит обозначение частицы, в следующих трёх – её состав (по числу мезонов), в пятой – расчётная масса, в шестой – измеренная, в седьмой – их разница в процентах, не превосходящая 0,2 %.



частица







Mрасч

Mизмер

M

206,7

264,1

273,1

в массах электрона

%






2

2

1074,4

1074

0,04



2

1

3

1496,8

1497,1

0,02



1

4

1

1535,7

1534,2

0,1

p

1

1

5

1836,3

1836,1

0,01

X0




4

3

1875,7

1874,8

0,05



7




2

1993,1

1994,1

0,05









8

2184,8

2184,1

0,03

4

1

4

2183,3

0,04



1

7

1

2328,5

2327,6

0,04



6




4

2332,6

2333,6

0,04



10




1

2340

2343,1

0,12






4

5

2421,4

2418,8

0,11

4

5

1

2420,3

0,06



1

9




2583,6

2585,6

0,08






3

7

2704

2706,5

0,1



8

3

2

2992,1

2992,2

0

4

2

6

2993,6

0,05



12

3




3272,7

3273

0,01

8

2

4

3274,2

0,04







12

3277,2

0,13



5




9

3491,4

3491,2

0,01

9

1

5

3489,9

0,04

D0

1

12

1

3649

3649,7

0,02

10

6




3651,6

0,05

D+

1

11

2

3658

3657,5

0,01

F

2

1

12

3954,7

3955

0,01

5

9

2

3956,6

0,04

Таблица 2

Из таблицы видно, что некоторые частицы (Λ0, Δ*, Ξ*, Ω, τ) можно представить несколькими комбинациями – разными наборами мезонов. Как легко заметить, причина этого в том, что сумма масс 4-х мюонов и π0-мезона почти равна массе 4-х заряженных пионов (M=1092). Это означает, что и сами мезоны – это не элементарные, а составные частицы. Так, нейтральный пион должен, видимо, состоять из четырёх нейтральных частиц, имеющих массу 264/4=66 масс электрона. И каждая такая частица в сочетании с мюоном образует заряженный пион с массой M=207+66 =273 (Рис. 116).

Рис. 116. Состав и схемы распада пионов, следующие из соотношения их масс.

Эти частицы с М=66 пока никем не найдены, поэтому считают, что при распаде нейтрального пиона его масса просто исчезает, полностью переходя в гамма-излучение. Согласно БТР, это невозможно (§ 1.16.), и потому при распаде пион должен делиться на те самые 4 частицы с М=66, которые лишь потому не открыты, что нейтральны и не оставляют следов в детекторах частиц, если только не считать их следами гамма-излучение. В дальнейшем будем для удобства называть эти частицы гамма-мезонами (или гаммонами), обозначая греческой Γ, ввиду того, что эти продукты распада пионов долгое время принимали за гамма-кванты. В физике такое случалось и прежде: рождённые распадом нейтроны из-за их нейтральности и трудноуловимости тоже поначалу приняли за гамма-кванты. Наличие гаммона и мюона в составе заряженного пиона подтверждается тем, что последний при распаде образует мюон. Оставшаяся масса 273–207=66, как считают, переходит в энергию. Но с позиций классической физики, в которой масса сохраняется, следует считать, что эту массу незаметно уносит гаммон.

В таком случае разные варианты устройства одной и той же частицы окажутся эквивалентны. К примеру, уже рассмотренный Λ0-гиперон состоит просто из 8-ми мюонов и 8-ми гаммонов, а лишние варианты отпадут. У иных же частиц, напротив, не нашлось даже одного точного способа представления комбинацией мезонов. Таковы нейтрон n, K-мезоны, Ξ0-гиперон и некоторые из частиц-резонансов. Есть, правда, сочетания мезонов, дающие массу почти как у этих частиц (с погрешностью около 1 %). Однако неидеальность таких совпадений говорит об их случайности, и программа отсеивает эти варианты как маловероятные.



Но мы не учли другой возможности. Ведь в мире помимо частиц существуют античастицы, такие как позитрон, имеющие, возможно, отрицательную массу (§ 1.6.). Раз масса – это количество материи, то у антиматерии масса минусовая (§ 1.17.). Этим же с позиций классической физики и закона сохранения массы можно объяснить бесследное исчезновение масс при аннигиляции частиц и античастиц, или, напротив, их рождение. Если в состав частицы наряду с мезонами иногда входят антимезоны, имеющие минусовую массу, то числу мезонов в частице можно придавать и отрицательные значения, что породит новые варианты. К примеру, 6 мюонов и один нейтральный антипион дают в сумме массу 206,7×6–264=976,1, что с погрешностью в 0,2 % совпадает с массой K0-мезона (M=974,1). А 6 мюонов в сумме с заряженным антипионом дают массу 206,7×6–273,1=967,1 одного заряженного K+-мезона (M=966,4) с погрешностью в 0,07 %. Поэтому Таблица 2 дополнится новой (Таблица 3), где знаки минус соответствуют античастицам с антимассой.

частица







Mрасч

Mизмр

M

206,7

264,1

273,1

в массах электрона

%



6




–1

967,1

966,4

0,072



6

–1




976,4

974,1

0,2



–2




7

1498,3

1497,1

0,08

K*

11

–2




1745,5

1745,6

0,006

n




8

–1

1839,7

1838,6

0,06



2

–2

9

2343,1

2343,1

0



–2

2

9

2572,7

2572,8

0,004

15

–2




2572,3

0,02

Таблица 3

Как видим, допустив существование отрицательной массы, можно и оставшиеся частицы представить в виде наборов из 3-х типов мезонов. Причём античастиц в любом наборе не больше двух. Если же все пионы разбить на гаммоны и мюоны (π0=4Γ; π+=μ+Γ), и представлять каждую частицу в виде набора из двух типов мезонов (μ и Γ), то во многих комбинациях отрицательные массы исчезнут. Так, ρ+=7Γ+5μ; Σ=Γ+11μ; Ξ0=17Γ+7μ. А в оставшихся случаях от минусовых масс можно избавиться, допустив, что гаммоны есть и в составе мюонов. Действительно, как увидим в дальнейшем, вполне можно обойтись без минусовых масс, которые до сих пор служили нам лишь удобным приёмом, и в дальнейшем будут совершенно упразднены (§ 3.20.). И позитрон, и другие античастицы имеют положительную инертную и гравитационную массу (§ 1.17.). Поэтому масса частицы всегда складывается из положительных масс образующих её частиц, в том числе электронов и позитронов.

Так или иначе, массу любой частицы всегда можно представить в виде M=66x+207y, где x – число Γ-мезонов, а y – μ-мезонов. Придавая x и y различные целые значения – составляя разные сочетания Γ- и μ-мезонов, по-разному комбинируя их, – можно предсказать новые частицы, по крайней мере узнать их массы. Впрочем, не всякая комбинация мезонов реализуется в природе, поскольку не все такие комбинации устойчивы. Точно так же теоретически возможны ядра, состоящие из любого числа протонов и нейтронов. Однако лишь редкие их сочетания оказываются стабильными, устойчивыми. Другие сочетания-изотопы хоть и менее стабильны, но тоже живут некоторое время. Все же прочие сочетания протонов и нейтронов крайне неустойчивы и распадаются почти мгновенно. То же и у сочетаний мезонов: одни из образованных ими элементарных частиц живут сравнительно долго, другие малоустойчивы и сразу распадаются. Таковы частицы-резонансы (ρ, ω, φ-частицы и все помеченные звёздочкой).

Может удивить, что в распадах помимо мезонов возникают и более крупные частицы. Но это естественно, если фрагменты, на которые делится частица, состоят из нескольких мезонов. Ведь и тяжёлые атомные ядра при распаде делятся не на десятки отдельных протонов и нейтронов, а на образованные ими сравнительно крупные осколки. Потому и продукты деления тяжёлых частиц – это в основном другие тяжёлые, составные частицы (Рис. 117). А возникающие в распадах пионы и мюоны – это лишь дополнительные мелкие осколки (вроде нейтронов, вылетающих при делении тяжёлых ядер). Образуются и совсем незаметные осколки деления, к примеру гаммоны, чем вызвано кажущееся уменьшение массы в распадах.

Рис. 117. Распад ядра или элементарной частицы на осколки разной величины, идущий двояким путём.

Кроме соответствия массы в комбинации надо обеспечить соответствие заряда. Поэтому в комбинации мезонов, представляющей нейтральную частицу, должно быть поровну положительных и отрицательных зарядов. Например: η0=2π0+; Λ0=4π++4π. Если же число зарядов нечётное, то комбинацию можно сделать нейтральной, дополнив её одним электроном или позитроном. Зато в составе заряженной частицы зарядов одного знака должно быть на один больше, чем другого. А комбинации с чётным числом зарядов надо дополнить электроном или позитроном. Добавление этих частиц с M=±1 мало влияет на полную массу комбинации, поэтому до сих пор мы их не привлекали: их назначение – обеспечить в первую очередь соответствие заряда, а не массы. Так, частицы-резонансы (ρ, Κ*, Δ*, Σ*, Ξ*), имея заданную массу, могут обладать зарядом 0, ±1, ±2 – всё зависит от числа электронов и позитронов в комбинации. Тем, что помимо мезонов в каждую частицу могут дополнительно входить ещё несколько электронов или позитронов, можно объяснить и небольшие (порядка единицы) расхождения между расчётными и измеренными массами. Вообще массы некоторых частиц, особенно резонансов, известны с заметной погрешностью.

При делении частицы образующие её мезоны могут разбиться на разные сочетания. Такая частица распадается несколькими путями: в одних случаях давая одни продукты, в других – другие (Рис. 117). Физики считают это доказательством превращения частиц – совсем как алхимики, видевшие в химических реакциях превращения веществ, хотя реально шла лишь перегруппировка атомов. Аналогично "превращения" частиц вызваны перегруппировкой мезонов: мезонный состав частицы можно разбить на две-три группы разными способами, эти группы образуют разные частицы. В конце концов, ведь и тяжёлые ядра распадаются несколькими путями. Какие из частиц возникают в распаде чаще, зависит от устойчивости данных сочетаний мезонов, от энергии их связи в частице, а значит, и от энергии распада.

Мы выяснили, что почти все частицы построены из мезонов. Даже опытно мезоны были найдены, скажем в нейтронах, в форме окружающей их мезонной оболочки и отдельных точечных зарядов (партонов), на которых происходило рассеяние при зондировании [165]. Сами мезоны тоже не элементарны, и могут быть в свою очередь образованы электронами и позитронами.

Видим теперь, насколько эффективны классические представления и БТР в микромире. Именно они позволили понять структуру элементарных частиц, чего не позволяла сделать квантовая механика. Ещё Дж. Фокс [3] указал на огромный потенциал теории Ритца в объяснении явлений микромира. По мнению Фокса большой объём эмпирических данных – масс, времён жизни, структур элементарных частиц – может найти истолкование именно в теории Ритца. Но из-за слепой веры учёных в теорию относительности, отказа от закона сохранения массы, открытого Ломоносовым (§ 3.13.), современная наука не в силах объяснить точных соотношений между массами частиц и показать, почему масса данной частицы такая, а не иная. А для БТР это не проблема, так же как и кинематика высоких скоростей, и дефект масс, и прочие законы микромира, возможные якобы лишь по СТО. И хотя некоторые ядерные эксперименты приводят в качестве опровергающих БТР [153], они противоречат теории Ритца не больше, чем космические наблюдения (Часть 2.). Дж. Фокс показал, что несоответствие чаще возникает не по вине БТР, а от неразвитости наших представлений о микромире и космосе. Применять явления для проверки теории Ритца можно, лишь пересмотрев их на её базе. А если БТР раскроет строение частиц, к примеру, нейтрона, то сразу откроются и новые источники энергии.





    1. Достарыңызбен бөлісу:
1   ...   46   47   48   49   50   51   52   53   ...   99


©kzref.org 2019
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет