Элементарные частицы барионы (стр. 2 из 3)
Барионы участвуют во всех известных элементарных взаимодействиях: сильном, электромагнитном, слабом и гравитационном (см. Элементарные частицы. Тяготение). Наличие у Барионов сильного взаимодействия приводит к тому, что они активно взаимодействуют с атомными ядрами.
В любых ядерных реакциях, при любых взаимодействиях Барионы (при энергиях ниже порога рождения антибарионов) их общее число остаётся неизменным. Так, в процессах бета-распада нейтроны и протоны в ядрах могут превращаться друг в друга (с испусканием электронов и нейтрино или их античастиц), но их суммарное число всегда сохраняется. В результате распада Бариона обязательно образуется Барион. Никогда не наблюдались процессы, в которых они переходили бы в более лёгкие частицы без испускания Барионов. Например, не наблюдается процесс распада протона на позитрон и фотон, или захват атомного электрона протоном ядра с испусканием двух фотонов, или превращение нейтрона в электрон и положительно заряженный пи-мезон, хотя все эти процессы допустимы с точки зрения законов сохранения электрического заряда, энергии, импульса и момента количества движения (существование таких процессов приводило бы к нестабильности вещества).
Подмеченные закономерности были сформулированы в виде закона сохранения числа Барионов. Этому закону можно придать форму, напоминающую закон сохранения электрического заряда, если приписать Барионам специфический заряд — так называемый барионный заряд (В), считая, что у лёгких частиц (фотонов, нейтрино, электронов, мезонов) он отсутствует (В = 0). Тогда закон сохранения числа Барионов принимает вид закона сохранения барионного заряда.
При взаимодействии Барионов очень высоких энергий возможно рождение антибарионов.
Закон сохранения числа Барионов, или барионного заряда, обобщается на процессы с участием антибарионов, если принять, что барионные заряды антибариона и Бариона противоположны по знаку (как это и следует из общих принципов квантовой теории поля). Если барионный заряд Бариона положить равным единице (B = 1), то у антибарионов В = -1, а барионный заряд системы частиц просто равен разности числа Барионов и антибарионов в этой системе. Одним из проявлений закона сохранения барионного заряда является то, что рождение антибариона обязательно сопровождается рождением дополнительного Б. (см. Аннигиляция и рождение пар).Высказывается гипотеза о существовании глубокой аналогии между электрическим и барионным зарядами. Подобно тому, как электрический заряд является источником электромагнитного поля, барионный заряд можно рассматривать как источник поля сильного взаимодействия. Электромагнитное взаимодействие заряженных частиц осуществляется благодаря их обмену незаряженными частицами — фотонами; аналогично сильное взаимодействие Барионов, например протонов и нейтронов, обусловлено их обменом мезонами — частицами, лишёнными барионного заряда.
Странность
В физике элементарных частиц странность S — квантовое число, необходимое для описания определенных короткоживущих частиц. Странность частицы определяется как:
где
— количество странных антикварков и 
— количество странных кварков.Причина для такого непонятного с первого взгляда определения в том, что концепция странности была определена до открытия существования кварков, и для сохранения смысла изначального определения странный кварк должен иметь странность −1, а странный антикварк должен иметь странность +1.
Для всех ароматов кварков (странность, очарование, прелесть и истинность) правило следующее: значение аромата и электрический заряд кварка имеют одинаковый знак. По этому правилу любой аромат, переносимый заряженным мезоном, имеет тот же знак, что и его заряд.
Сохранение странности
Изначально странность была введена для объяснения такого факта, что некоторые частицы, такие, как каоны или некоторые гипероны, всегда рождаются парами. Предполагалось, что в ходе таких реакций сохраняется некая величина — странность.
Странность сохраняется при сильном и электромагнитном взаимодействии, но не при слабых взаимодействиях. Следовательно, самые легкие частицы, содержащие странный кварк, не могут распадаться под действием сильного взаимодействия, и их аномально долгие в этом случае, странные времена жизни привели к их названию. В большинстве случаев странность меняется в ходе реакции на 1. Однако это необязательно выполняется в случае слабого взаимодействия второго порядка, где существует смесь из K0 и
мезонов.Например : η0-мезон состоит из одного s-кварка и одного s-антикварка, поэтому странность этой частицы равна 0.
3. Протон и Нейтрон
Протон — стабильная частица из класса адронов, ядро атома водорода.
Трудно сказать, какое событие следует считать открытием протона: ведь как ион водорода он был известен уже давно. В открытии протона сыграли роль и создание Э. Резерфордом планетарной модели атома (1911), и открытие изотопов (Ф. Содди, Дж. Томсон, Ф. Астон, 1906—1919), и наблюдение ядер водорода, выбитых альфа-частицами из ядер азота (Э. Резерфорд, 1919). В 1925 г. П. Блэкетт получил в камере Вильсона (см. Детекторы ядерных излучений) первые фотографии следов протона, подтвердив открытие искусственного превращения элементов. В этих опытах ?-частица захватывалась ядром азота, которое испускало протон и превращалось в изотоп кислорода.
Вместе с нейтронами протоны образуют атомные ядра всех химических элементов, причем число протонов в ядре определяет атомный номер данного элемента. Протон имеет положительный электрический заряд, равный элементарному заряду, т. е. абсолютной величине заряда электрона. Это проверено на эксперименте с точностью до 10-21. Масса протона mp = (938,2796 ± 0,0027)МэВ или ~ 1,6-10-24 г, т. е. протон в 1836 раз тяжелее электрона! С современной точки зрения протон не является истинно элементарной частицей: он состоит из двух u-кварков с электрическими зарядами +2/3 (в единицах элементарного заряда) и одного d-кварка с электрическим зарядом -1/3. Кварки связаны между собой обменом другими гипотетическими частицами — глюонами, квантами поля, переносящего сильные взаимодействия. Данные экспериментов, в которых рассматривались процессы рассеяния электронов на протонах, действительно свидетельствуют о наличии внутри протонов точечных рассеивающих центров. Эти опыты в определенном смысле очень похожи на опыты Резерфорда, приведшие к открытию атомного ядра. Будучи составной частицей, протон имеет конечные размеры ~ 10-13 см, хотя, разумеется, его нельзя представлять как твердый шарик. Скорее, протон напоминает облако с размытой границей, состоящее из рождающихся и аннигилирующих виртуальных частиц.Протон, как и все адроны, участвует в каждом из фундаментальных взаимодействий. Так. сильные взаимодействия связывают протоны и нейтроны в ядрах, электромагнитные взаимодействия — протоны и электроны в атомах. Примерами слабых взаимодействий могут служить бета-распад нейтрона или внутриядерное превращение протона в нейтрон с испусканием позитрона и нейтрино (для свободного протона такой процесс невозможен в силу закона сохранения и превращения энергии, так как нейтрон имеет несколько большую массу). Спин протона равен 1/2. Адроны с полуцелым спином называются барионами ( от греческого слова, означающего «тяжелый»). К барионам относятся протон, нейтрон, различные гипероны (?, ?, ?, ?) и ряд частиц с новыми квантовыми числами, большинство из которых еще не открыто. Для характеристики барионов введено особое число — барионный заряд, равный 1 для барионов, - 1 — для антибарионов и О — для всех прочих частиц. Барионный заряд не является источником барионного поля, он введен лишь для описания закономерностей, наблюдавшихся в реакциях с частицами. Эти закономерности выражаются в виде закона сохранения барионного заряда: разность между числом барионов и антибарионов в системе сохраняется в любых реакциях. Сохранение барионного заряда делает невозможным распад протона, ибо он легчайший из барионов. Этот закон носит эмпирический характер и, безусловно, должен быть проверен на эксперименте. Точность закона сохранения барионного заряда характеризуется стабильностью протона, экспериментальная оценка для времени жизни которого дает значение не меньше 1032 лет.
В то же время в теориях, объединяющих все виды фундаментальных взаимодействий, предсказываются процессы, приводящие к нарушению барионного заряда и к распаду протона. Время жизни протона в таких теориях указывается не очень точно: примерно 1032±2 лет. Это время огромно, оно во много раз больше времени существования Вселенной (~ 2*1010 лет). Поэтому протон практически стабилен, что сделало возможным образование химических элементов и в конечном итоге появление разумной жизни. Однако поиски распада протона представляют сейчас одну из важнейших задач экспериментальной физики. При времени жизни протона ~ 1032 лет в объеме воды в 100 м3 (1 м3 содержит ~ 1030 протонов) следует ожидать распада одного протона в год. Остается всего лишь зарегистрировать этот распад. Открытие распада протона станет важным шагом к правильному пониманию единства сил природы.