WSTĘP

 

W poszukiwaniu podstawowych cegiełek materii.

 

1) Idea atomu - Demokryt (585 pne) - atomos - (atomos) niepodzielny.

 

2) W 1808 r. J. Dalton wprowadza pojęcia pierwiastków i związków chemicznych oraz rozrożnienie atomów oraz molekuł.

 

3) Odkrycie promieniotwórczości (Becquerel, Rutherford ok. 1900r.) wskazało na złożoność atomu. Ok. 1911 r. (Rutherford) pojawia się pojęcie jądra atomowego i chmury elektronowej. Później N. Bohr formułuje swój “planetarny” model atomu.

 

4) Lata 20-te i 30-te - ugruntowują się pojęcia protonu i neutronu jako składników jądra atomowego. Badania nad rozpadem b (np. Pauli) wskazują na konieczność istnienia jeszcze jednej cząstki - neutrina. Pojawia się też pojęcie antymaterii (Dirac).

 

Tak więc pod koniec lat 30-tych elementarne składniki materii obejmowały cztery cząstki elementarne: dwa ciężkie nukleony - proton i neutron, i dwie lekkie - elektron i neutrino (oraz odpowiadające im wszystkim antycząstki). Ten prosty zestaw wystarczał do opisania wszystkich cech znanej wówczas materii na poziomie mikroświata.

 

Oddziaływania.

 

Znamy (obecnie) cztery rodzaje oddziaływań pomiędzy składnikami materii:

1) Grawitacja - niby znana i odczuwana od zawsze, lecz na jej powszechny i uniwersalny charakter wskazał dopiero I. Newton (prawo powszechnego ciążenia.

 

2) Elektromagnetyzm - od starożytności znano wprawdzie pewne magnetyczne i elektryczne własności ciał lecz w jednolitą ilościową teorię ujmuje je dopiero elektrodynamika Maxwella.

 

3) Oddziaływania silne (jądrowe) - ich istnienie i rolę poznano dopiero na początku XX w. pracując nad budową i rozpadem jądra atomowego (rola prac Yukawy).

 

4) Oddziaływania słabe - ich istnienie i rolę poznano pracując nad niektórymi rodzajami rozpadów cząstek (np. analiza rozpadu b ).

 

 

 

 

 

 

ODKRYCIE PIERWSZYCH PRAWIDŁOWOŚCI I PRAW ZACHOWANIA.

 

Lata 40-te i 50-te przynoszą odkrycia kolejnych cząstek, głównie cięższych od nukleonów oraz nietrwałych. Coraz bogatszy materiał doświadczalny pozwala zauważyć, ze rożne rozpady cząstek rządzone są przez różne typy oddziaływań. Pojawia się pierwszy podział cząstek na leptony i hadrony. Kryterium tego podziału jest udział danych cząstek w oddziaływaniach silnych. Hadrony podlegają tym oddziaływaniom leptony zaś nie uczestniczą w nich. Z kolei hadrony podzielono na dwie grupy: bariony (o spinie ułamkowym) oraz mezony (o spinie całkowitym). W początkach lat 60-tych zbiór leptonów liczył 4 cząstki zaś hadronów ponad dwadzieścia i stale się powiększał (dziś znanych jest ich już grubo ponad sto).

 

Tabl. Podział cząstek elementarnych (znanych w latach 60-tych).

Klasa

Cząstka

Ładunek

elektryczny

Spin

Masa

[MeV]

Lep-
to-
ny

ne

0

1/2

~0

e-

-1

1/2

0.51

nm

0

1/2

~0

m-

-1

1/2

105.6

H
A
D
R
O
N
Y
**
H
A
D
R
O
N
Y

M
E
Z
O
N
Y

p+, p-

+1, -1

0

139.5

p0

0

0

135.0

K+, K-

+1, -1

0

493.7

K0

0

0

497.7

h0

0

0

549.0


B
A
R
I
O
N
Y

p+

+1

1/2

938.2

n0

0

1/2

939.5

L0

0

1/2

1115.6

S+

+1

1/2

1189

S0

0

1/2

1192

S-

-1

1/2

1197

X0

0

1/2

1315

X-

-1

1/2

1321

W-

-1

3/2

1672

 

 

 

 

Zaobserwowano i przeanalizowano tysiące procesów rozpadów i oddziaływań cząstek. Zauważono, że nie wszystkie procesy są dozwolone. Zachodzić mogą tylko takie, które spełniają pewne prawa zachowania. Znane już było od dość dawna prawo zachowania ładunku elektrycznego, Q, i ono musiało być spełnione we wszystkich procesach. Okazało się jednak, że zachowaniu podlegają także liczby barionów oraz liczby leptonów (przed i po reakcji). Przypisano więc barionom liczbę barionową B=1 (zaś antybarionom B=-1), mezonom i leptonom zaś B=0 (bo to nie-bariony). Analogicznie przypisano leptonom liczbę leptonową L=1 (antyleptonom L=-1) zaś wszystkim hadronom L=0. I tak np. w znanym rozpadzie b mamy zachowanie wszystkich trzech liczb - Q, B, i L:

                                         

B = 1 = 1 + 0 + 0

L = 0 = 0 + 1 + -1

Q = 0 = 1 + -1 + 0

 

Natomiast rozpad typu:

                                          

B = 1 = 0 + 0 !!!

L = 0 = -1 + 0 !!!

Q = 1 = 1 + 0

jest wzbroniony mimo zachowania ładunku, nie są bowiem zachowane liczby B i L.

 

Liczba kwantowa - "DZIWNOŚĆ”.

 

Badając silne zderzenia mezonów p z nukleonami (proton, neutron) znaleziono cięższe hadrony (tzn. S, K, L, X i in.), których własności (np. czas życia rzędu 10^-10 s. - zaskakująco długi jak na oddziaływania silne pomiędzy hadronami) oraz powstawanie parami wydawały się bardzo dziwne. Przy okazji okazało się też, że niektóre reakcje, teoretycznie dopuszczalne za względu na znane dotąd prawa zachowania, nigdy nie zachodzą. Przykładowo reakcja:

                                               

B 0 + 1 = 0 + 1

L 0 + 0 = 0 + 0

Q -1 + 1 = -1 + 1

 

spełnia zasady zachowania liczb B, L i Q a jednak nigdy nie zachodzi. Podobnych przykładów znaleziono wiele. W 1953 r. Gell-Mann i in. wysunęli przypuszczenie, że musi istnieć jeszcze jakaś wielkość podlegająca prawu zachowania, która wyklucza pewne reakcje. Tę nową dziwną wielkość nazwano dziwnością i oznaczono S (od ang. strange). I tak lub mezony p mają dziwność S=0 (tzn. nie są dziwne). Natomiast cięższym hadronom trzeba było przypisać rożne od zera wartości S, np.: dla trójki mezonów K mamy :dla jest S = , dla jest S = 1 zaś dla jest S=-1.

Dla barionów zaś trzeba było przypisać następująco:

S+ ,S0, S- ----------> S = -1

L0 ----------> S = -1

X0, X- ----------> S = -2

W- ----------> S = -3

Ich antycząstkom przypisywało się dziwność S odpowiednio z przeciwnymi znakami.

Okazało się, że prawo zachowania dziwności obowiązuje w oddziaływaniach silnych (w oddziaływaniach słabych może ono być łamane). Np. rozpady:

 

L0 ---> p+ + e- + lub K- ---> m- +

S = -1 ---> 0 0 0 S = -1 ---> 0 0

 

łamią zasadę zachowania dziwności, lecz są one rezultatem oddziaływań słabych (tak jak rozpad b) i dlatego obserwuje się je.

Stopniowo poznawano coraz więcej ciężkich “egzotycznych” hadronów. Przykładem może być poniższy zestaw dziesięciu barionów o spinie s = 3/2 i dziwnościach S od 0 do -3:

D++ D+ D0 D- S = 0

S*+ S*0 S*- S = -1

X*0 X*- S = -2

W- S = -3

 

Mamy więc obowiązujące prawa zachowania liczb Q, B i L we wszystkich oddziaływaniach istotnych dla świata cząstek elementarnych (czyli oddział. silnych, elektromagnetycznych i słabych) oraz prawo zachowania dziwności w oddziaływaniach silnych (w oddziaływaniach słabych bywa DS = 0, +1 lub -1).

 

MULTIPLETY, IZOSPIN I HIPERŁADUNEK

 

Oddziaływania silne (jądrowe) są ponad 100 razy silniejsze od elektromagnetycznych lecz krótkozasięgowe. Dlatego też w oddziaływaniach silnych na odległościach poniżej 10-13 cm ładunek elektryczny cząstek nie ma znaczenia. Zauważono, że jeśli zignorować ładunek elektryczny cząstek, można hadrony pogrupować w małe zbiorki - tzw. multiplety - liczące 1, 2, 3 lub więcej cząstek. Kryteria zaszeregowania do wspólnego multipletu są następujące:

 

a) ten sam spin i parzystość,

b) ta sama dziwność,

c) zbliżone masy,

 

natomiast ładunek elektryczny nie gra roli. Patrząc na tabelę 1 łatwo wyodrębnić następujące zbiorki multipletowe:

 

(p+, n0) dublet nukleonu

tryplet p

tryplet S

singlet L

dublet K

 

Wprowadzono także wielkość związaną z liczebnością multipletu - tzw. IZOSPIN, zdefiniowany:

 

I = (N - 1)/2 N - liczebność multipletu

czyli : N = 2 I + 1

 

I tak: tryplet ma I = (3 - 1)/2 = 1

dublet ma I = (2 - 1)/2 = 1/2

singlet ma I = (1 - 1)/2 = 0

 

Ciągnąc tu analogie ze spinem wiemy, że dla spinu s=1/2 mamy 2s+1 = 2 możliwe rzuty na wyróżniony kierunek (s3 = +1/2 lub s3 = -1/2); dla s=1 mamy trzy możliwości: s=1, s=0, s=-1.

Podobnie IZOSPIN traktujemy jak pewien abstrakcyjny wektor o długości I zaś jego rzuty na "wyróżniony kierunek" , I3 , utożsamiamy ze składnikami multipletu. Np.:

dublet nukleonu, I=1/2 I3 = +1/2 ----> proton (p)

I3 = - 1/2 ----> neutron (n)

 

tryplet p I=1 I3 = +1 --------> p+

I3 = 0 --------> p0

I3 = -1 --------> p-

 

singlet L I=0 I3 = 0 ---------> L0

 

Ponieważ cząstki w multiplecie mogą nieco różnić się masami (jak izotopy pierwiastka) wiec na IZOSPIN czasem mówi się "Spin Izotopowy"

Gell-Mann zauważył, że dla hadronów zachodzi :

(*) Q = I3 + (B+S)/2 = I3 + Y/2

gdzie Q - ładunek elektr. cząstki, S - dziwność,

B - liczba barionowa

 

Wielkość : Y = B+S - nazwano HIPERŁADUNKIEM.

 

W oddziaływaniach silnych wielkości Y oraz I3 zachowują się.

Można również sprawdzić, że zachodzi jeszcze jedna prawidłowość:

 

Y := B +S = 2 lub I3 = Q -

 

gdzie - średni ładunek elektryczny w multiplecie. Przykładowo dublet nukleonów (p+,n0) ma = (+1 + 0)/2 = 1/2 czyli 2 = 1. możemy więc wyliczyć I3 odpowiednio dla

protonu - Q = +1, więc I3 = +1/2

neutronu - Q = 0 , więc I3 = -1/2

Podobnie dla trypletu S mamy = (+1 + 0 + (-1))/3 = 0 a więc dla:

S+ - Q = +1 czyli I3 = +1 - 0 = +1

S0 - Q = 0 czyli I3 = 0 - 0 = 0

S- - Q = -1 czyli I3 = -1 - 0 = -1

Ponieważ w oddziaływaniach silnych wielkości Q, B i S podlegają prawom zachowania więc na mocy wzoru Gell-Manna (*) również wielkości Y oraz I3 także zachowują się w reakcjach rządzonych tymi oddziaływaniami.

 

 


Powrot do strony HADRONY, LEPTONY KWARKI