§4 Взаимное превращение частиц и поля

На уровне элементарных частиц нет непереходимой границы между полем и веществом. Происходят взаимопревращения поля и вещества. Так, фотоны могут превращаться в электронно-позитронные пары, а эти пары в процессе аннигиляции превращаются в фотоны.

Характерной особенностью мира элементарных частиц является взаимопревращаемость. Оказалось, что стабильность частиц- это исключение, особый случай, а правилом является нестабильность; почти все частицы нестабильны.

Частицы самопроизвольно распадаются. Взаимопревращения происходят как при спонтанных распадах, так и при столкновении частиц и возможны при определенных условиях, определяемых правилом: разрешено все то, что не запрещают законы сохранения. Эти законы играют роль правил запрета, регулирующих взаимопревращения частиц.

Среди законов сохранения следует выделить законы сохранения энергии, импульса и электрического заряда. Эти три закона объясняют стабильность электрона. Из сохранения энергии и импульса следует, что суммарная масса покоя продуктов распада должна быть меньше массы покоя распадающейся частицы. Электрон мог бы распадаться только на нейтрино и фотоны. Но эти частицы электрически нейтральны. Поэтому электрон стабилен.

Существует много специфических “зарядов“, сохранение которых регулирует взаимопревращения частиц: барионный заряд, лептонный заряд, четность (пространственная, временная, зарядовая), странность, очарование и др.. Некоторые из них не сохраняются в процессах, обусловленных слабым взаимодействием (четность, странность, очарование). Стабильность протона объясняется на основе закона сохранения барионного заряда.

Когда фотон сталкивается с протоном, нельзя однозначно предсказать, какое из следующих превращений произойдет:

γ + p → p +π⁰;

γ + p → n +π⁺;

γ + p → p + π⁺+ π^-;

γ + p → p + p+.

Можно говорить лишь о вероятности того или иного превращения. Нельзя точно предсказать момент распада той или иной частицы, можно говорить лишь о вероятности распада. Приводимое в таблицах время жизни частиц имеет вероятностную природу, оно усреднено по большому числу частиц. Если имеется несколько схем распада частицы, то нельзя точно предвидеть, по какой именно схеме произойдет распад данной частицы. Имеет смысл лишь вероятность реализации той или иной схемы распада.

Фундаментальные бозоны рассматриваются как возбуждения силовых полей. Если поля находятся в невозбужденном (основном) состоянии, то горят о физическом вакууме, заполненном виртуальными частицами.

Виртуальная частица принципиально отличается от частицы, которую можно наблюдать в эксперименте. Она существует малое время Δt – настолько малое, чтобы определяемая соотношением неопределенностей ΔЕ≈h/Δt оказалось достаточной для появления массы, равной массе виртуальной частицы. Возникновение виртуальной частицы не требует специальных затрат энергии. Эти частицы рождаются как бы сами по себе, с тем чтобы вскоре исчезнуть.

Физический вакуум часто рассматривают как пространство, в котором рождаются и уничтожаются миллиарды виртуальных частиц. Он обладает

определенной энергией, соответствующей основному энергетическому состоянию полей, которая все время перераспределяется между виртуальными частицами. Однако воспользоваться энергией вакуума невозможно- ведь это есть наинизшее энергетическое состояние полей. При наличии внешнего источника энергии можно реализовать возбужденное состояние полей- тогда будут наблюдаться обычные частицы.

Вопросы для самоконтроля:

1.Какой характерной особенностью обладают элементарные частицы?

2.Какие законы сохранения применяются для описания взаимопревращения частиц?

3.В чем состоит вероятностный характер превращения частиц?

4.Какие элементарные частицы называют виртуальными?