операции - отражения в зеркале: здесь, наоборот, направление вектора D
осталось прежним, а направление вращения изменилось на противоположное.
Аналогично и при изменении знака времени вектор D не меняется, тогда как
вектор S знак меняет, поскольку направление "вращения" частицы меняется на
противоположное. Другими словами, инвариантность относительно любого из
этих преобразований означала бы равновероятные в противоположных
направлениях ориентации вектора D, среднее значение которого из-за этого
обращалось бы в нуль. Поскольку Р- инвариантность нарушается слабыми
взаимодействиями и в то же время последние не нарушают Т-инвариантность
(рис 6 справа), наличие ЭДМ может, с одной стороны, свидетельствовать о
нарушении Т-симметрии, а с другой - о существовании какого-то, до сих пор
неизвестного, взаимодействия.
В 1964 г. произошло важное событие: было непосредственно обнаружено
нарушение CP-инвариантности в распаде нейтрального K-мезона на два
заряженных [pic]-мезона. Природа этого нарушения остается загадкой до сих
пор. Пока это единственный известный случай СР-нарушения. Косвенное
свидетельство такого нарушения - барионная асимметрия Вселенной, т. е. тот
факт, что наша Вселенная преимущественно состоит из частиц.
Хотя у нейтрона и отсутствует электрический заряд, тем не менее движущийся
нейтрон взаимодействует с электрическим полем, поскольку имеет магнитный
момент. Взаимодействие представляет собой релятивистский эффект,
теоретическое описание которого в рамках квантовой электродинамики дал Ю.
Швингер в 1948 г. Прежде всего, магнитный момент [pic] напрямую
взаимодействует с магнитным полем напряженности H, давая основной вклад в
энергию взаимодействия: [pic], где [pic]- единичный вектор вдоль
направления спина.
Если есть электростатическое поле и незаряженная, но имеющая магнитный
момент частица движется со скоростью v, то в связанной с частицей системе
отсчета появляется магнитное поле [pic]. В результате энергия
взаимодействия приобретает релятивистскую поправку, которая равна:
[pic]
Наконец, если у нейтрона есть ЭДМ, то должно появиться непосредственное
взаимодействие с электрическим полем. Энергия этого взаимодействия равна
[pic]
Прямое магнитодипольное взаимодействие нейтрона с магнитным полем вызывает
прецессию вектора спина частицы вокруг вектора H., направляя электрическое
поле, например, по магнитному полю или против него, мы уменьшим или
увеличим угловую скорость прецессии
[pic],
Изменение угла [pic] при переключении знака электрического поля
непосредственно содержит информацию об ЭДМ и подлежит экспериментальному
определению в методе УХН - магниторезонансном методе с использованием
ультрахолодных нейтронов. Последние обладают столь низкой кинетической
энергией, что полностью отражаются от стенок ловушки, не имея возможности
преодолеть потенциальный барьер и проникнуть внутрь вещества. В результате
их можно накапливать и хранить в полости. Идея о возможности хранения
ультрахолодных нейтронов в замкнутой полости за счет полного внешнего
отражения принадлежит Я.Б. Зельдовичу.
Очевидно, что эффекты, которые обусловлены наличием у нейтрона ЭДМ, должны
расти с возрастанием электрического поля, приложенного к нейтрону, а также
с увеличением времени пребывания нейтрона в этом поле. Абсолютная
погрешность при измерениях ЭДМ указанным способом, характеризующая
чувствительность метода, оценивается как
[pic]
Величина [pic] обусловливает экспериментально наблюдаемый эффект, например
изменение скорости счета нейтронов в детекторе при изменении направления
электрического поля или спина нейтрона. N - полное число зарегистрированных
детектором событий за все время измерения. Таким образом, чтобы улучшить
чувствительность метода, нужно увеличивать электрическое поле, действующее
на нейтрон, время пребывания нейтрона в этом поле, а также стараться
собрать в области действия поля как можно больше самих нейтронов.
Существование в веществе сильных межатомных электрических полей [pic]В/см
следует из простых соображений: энергия выхода электронов из вещества лежит
в интервале 1-10 эВ, значит, разность потенциалов на атомах и между ними 1-
10 В; межатомные же расстояния около [pic]см. Эти поля быстро осциллируют в
веществе и поэтому при движении частиц обычно усредняются, обращаясь в
нуль.
Однако бывают ситуации, например при дифракции нейтронов в монокристаллах,
когда, в силу регулярности потенциала кристалла и соответствующей
регулярности волновой функции нейтрона в нем, нейтрон может оказаться в
сильном электрическом поле на протяжении всего времени прохождения
кристалла. Именно это обстоятельство, т.е. эффективное взаимодействие с
внутрикристаллическим полем нейтронов при их динамической дифракции по Лауэ
в прозрачном нецентросимметричном кристалле, и было использовано при
постановке нового - дифракционного - опыта по уточнению верхнего предела на
величину ЭДМ нейтрона.
Физика явлений, лежащих в основе метода, следующая. Из динамической теории
дифракции следует, что движение нейтрона в кристалле в направлениях,
близких к брэгговским, можно описать волнами двух типов [pic]и [pic]. Это
две волны, сформированные в результате многократного отражения нейтрона от
кристаллографических плоскостей, причем стоячие в перпендикулярном к
плоскостям направлении. Дифрагирующие нейтроны в этих состояниях,
распространяясь в среднем вдоль плоскостей, оказываются сконцентрированными
на "ядерных" плоскостях и между ними соответственно.
В нецентральносимметричных кристаллах для некоторых систем
кристаллографических плоскостей положения максимумов электрического
потенциала смещены относительно максимумов ядерного потенциала:
[pic],
[pic].
Здесь [pic]- ядерный потенциал, ответственный за дифракцию нейтронов, [pic]-
электрический, g - вектор обратной решетки, характеризующий выбранную
систему плоскостей; [pic], [pic]- амплитуды ядерного и электрического
потенциалов соответственно. Величина [pic]характеризует смещение максимумов
ядерного потенциала относительно максимумов электрического. В результате
нейтроны в состояниях [pic]и [pic]оказываются в сильных ([pic] В/см)
межплоскостных электрических полях противоположного знака:
[pic].
Наличия таких внутрикристаллических полей еще недостаточно для повышения
точности измерения ЭДМ. Важное свойство приведенное на схеме дифракции по
Лауэ - возможность увеличить время пребывания нейтрона в электрическом
поле кристалла путем перехода к углам Брэгга [pic], близким к [pic].
Причина в том, что при дифракции по Лауэ нейтрон, имея полную скорость v,
вдоль кристаллографических плоскостей в среднем движется со скоростью
[pic], которая может быть существенно уменьшена по сравнению с v при выборе
угла дифракции [pic]вблизи [pic]. Поскольку при этом [pic], время
[pic]растет по мере приближения [pic]к [pic]. Максимально близкий к
[pic]угол Брэгга определит максимальную чувствительность метода. Дальнейшее
его увеличение, в принципе может оказаться невозможным.
|[pic] |
|Рис 7 |
|Движение нейтронов вдоль кристаллографических плоскостей при дифракции. |
|Кружками изображены области максимальной концентрации нейтронов в |
|состояниях [pic]и [pic], здесь частицы двигаются в электрических полях |
|разного знака. k - волновые векторы нейтрона, связанные с его скоростью |
|k=mv/h; так как нейтроны в состояниях [pic]и [pic]оказываются в разных |
|потенциалах, их кинетические энергии, а значит, и k, отличаются. На |
|выходе из кристалла показаны волновые векторы двух продифрагировавших |
|пучков, прямого и отраженного. Их геометрическое расположение определяет |
|условие наблюдения брэгговских пиков дифракции, задающее угол Брэгга. |
3. Кварковая модель элементарных частиц
3.1 Существование кварков
Главная идея, высказанная впервые М. Гелл-Манном и Дж. Цвейгом, состоит в
том, что все частицы, участвующие в сильных взаимодействиях, построены из
более фундаментальных частиц – кварков. Кроме лептонов, фотонов и
промежуточных бозонов, все уже открытые частицы являются составными.
Первоначально была введена гипотеза о существованиях трех кварков. Кварки
обозначаются буквами u, d, s. Они должны иметь дробные электрические
заряды. Первый из них – u-кварк имеет заряд +[pic]е, а d- и s-кварки имеют
одинаковые заряды, равные -[pic]е (где е – модуль заряда электрона). Было
предсказано существование четвертого – c-кварка, названного «очарованным».
Затем экспериментально были обнаружены частицы, содержащие этот кварк.
Впоследствии были предсказаны, а затем и открыты еще более тяжелые b- и t-
кварки.
Подобно тому как в опытах Резерфорда по рассеянию (-частиц было обнаружено
малое образование внутри атома – атомное ядро, в опытах по рассеянию
электронов на протонах и нейтронах сначала было обнаружено пространственное
распределение электрического заряда в этих частицах. Затем с увеличением
энергии рассеиваемых частиц до 50МэВ удалось установить существование
точечных образований в протонах и нейтронах. Так подтвердилась кварковая
структура нуклонов.
Все барионы построены из трех кварков. В состав протона входят два u-кварка
и один d-кварк. Нейтрон составлен из двух d-кварков и одного u-кварка. В
результате заряд протона равен е, а нейтрона – нулю. Античастицы состоят из
антикварков. Мезоны построены иначе. Каждый мезон состоит из одного кварка
и одного антикварка. Так, (+-мезон содержит u-кварк и d-антикварк, (--мезон
составлен из d-кварка и u-антикварка. Все адроны состоят из кварков, но
расщепить их на кварки не удалось. Кварки искали и ищут среди материковых
пород, отложений на дне океана, в лунном грунте. Но свободные кварки
обнаружены не были. Не удалось их получить и с помощью ускорителей
элементарных частиц. Конечно, может быть, масса кварков очень велика, а
энергия связи в нуклонах огромна. Мощности современных ускорителей не
хватает для расщепления протонов и нейтронов на отдельные кварки. А в
природе свободных кварков очень мало. Однако сейчас более правдоподобной и
привлекательной кажется иная точка зрения. Свободных кварков в природе не
существует и не может существовать. Кварки не могут вылетать из адронов.
Развивается несколько теорий, объясняющих невозможность разделения адронов
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10
