Точка взаимодействия

Слой 1 - Трекер

Слой 2 - Электромагнитный калориметр

Слой 3 - Адронный калориметр

Слой 4 - Магнит

Слой 5 - Мюонные детекторы и ярмо возврата

Роль законов сохранения. Законы сохранения играют особо важную роль в физике элементарных частиц. Это обусловлено следующими двумя обстоятельствами.

1. Они не только ограничивают последствия различных взаимодействий, но определяют также все возможности этих последствий, и поэтому отличаются высокой степенью предсказательности.

2. В этой области открытие законов сохранения опережает создание последовательной теории. Многие законы сохранения для элементарных частиц уже установлены из опыта, а соответствующие фундаментальные законы их поведения еще неизвестны. Поэтому законы сохранения играют здесь главенствующую роль и позволяют анализировать процессы, механизм которых еще не раскрыт.

В процессе взаимодействий и превращений частиц выполняется ряд законов сохранения. Они двух типов - аддитивные и мультипликативные (разъяснение ниже в этом разделе). Ряд законов сохранения универсален, т.е. выполняется всегда (при всех взаимодействиях). Другие в некоторых взаимодействиях не выполняются (нарушаются).

К универсальным законам сохранения относятся те, которые обусловлены инвариантностью уравнений движения относительно трансляций (сдвигов) в пространстве и во времени. С этими типами симметрий – однородностью пространства и времени – связано существование законов сохранения импульса и энергии изолированных систем частиц. Изотропность 3-мерного пространства, т.е. инвариантность уравнений движения относительно поворотов (вращений), приводит к закону сохранения момента количества движения.

Если преобразование волновой функции, отвечающее закону сохранения, имеет непрерывный характер (т.е. может быть как угодно малым), то соответствующий закон сохранения аддитивен, т.е. в реакции

a + b c + d +… (8.1)

сохраняется сумма соответствующих характеристик (или квантовых чисел):

Na + Nb = Nc + Nd + … = const. (8.2)

Трансляции и повороты – непрерывные преобразования и соответствующие законы сохранения (энергии, импульса и момента количества движения) – аддитивны. Аддитивными сохраняющимися величинами являются также электрический заряд Q, барионное квантовое число (барионный заряд) В, лептонное квантовое число (лептонный заряд) L, изоспин I, а также ряд других квантовых чисел, имеющих кварковую природу – странность (strangeness) S, очарование (charm) C, Bottom (Beauty- красота) В, Top (Truth-истина) Т.

С какими типами симметрий связаны законы сохранения всех этих аддитивных квантовых чисел (Q, B, L, I, S, C, B, T)? В настоящее время известен ответ лишь для электрического заряда Q и изоспина I. Так, сохранение изоспина в сильных взаимодействиях - следствие инвариантности этого взаимодействия относительно поворотов в специальном изоспиновом (зарядовом) пространстве. Сохранение же электрического заряда, как можно показать, есть следствие того, что не существует способа измерить абсолютное значение электрического потенциала и во всех соотношениях он является относительной величиной. Не возникает никаких новых физических явлений, если этот потенциал изменить (сдвинуть) на одно и то же значение во всех точках пространства. Такой одинаковый сдвиг (одинаковую калибровку) шкалы потенциала во всем пространстве называют глобальным, а неизменность физических уравнений к такого рода преобразованиям – глобальной калибровочной симметрией (инвариантностью).

В квантовой физике существует калибровочная инвариантность и другого типа - инвариантность к изменению фазы волновой функции. Нет способа определить абсолютное значение фазы волновой функции. Последняя относительна и любое взаимодействие должно быть инвариантно к изменению этой фазы, причем фаза может меняться различным образом в различных точках пространства – времени. Такая локальная калибровочная симметрия должна быть присуща всем квантовым теориям поля. Из нее следует существование калибровочных сил, действие которых осуществляется обменом калибровочными бозонами, и сохранение источника поля – соответствующего заряда.

Барионное квантовое число (или барионный заряд) В имеют лишь барионы - адроны с полуцелым спином. Для них В = +1, для антибарионов В = -1. Барионный заряд сохраняется в сильных, электромагнитных и слабых взаимодействиях.

Лептонное квантовое число L (лептонный заряд) присущ только лептонам. Существует три типа лептонного заряда Le, L и L ,каждый из которых сохраняется в отдельности. Лептонным зарядом Le = +1 обладают лептоны 1-го поколения ( e, e-); Lμ = +1 для лептонов 2-го поколения ( μ, -) и L =+1 для лептонов 3-го поколения ( , - ). У антилептонов соответствующий лептонный заряд -1 (Le= -1 для e и e+; Lμ= -1 для μ и +; L =-1 для и τ+).

Протон – самый легкий барион, и если закон сохранения барионного заряда абсолютен, то протон должен быть стабильной частицей. Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что время жизни протона p > 10 32 лет.

Если преобразование волновой функции, отвечающее закону сохранения, дискретно, то соответствующий закон сохранения мультипликативен, т.е. в реакции (8.1) сохраняется произведение соответствующих характеристик (квантовых чисел):

Na ∙ Nb = Nc ∙ Nd … = const. (8.3)

Пример дискретных преобразований – операция зеркального отражения (пространственной инверсии). Инвариантность к такому преобразованию приводит к квантовому числу – четности P. Все взаимодействия, кроме слабого, инвариантны к пространственной инверсии и для них справедлив закон сохранения P-четности в мультипликативной форме.

Приведем перечень законов сохранения, действующих в мире частиц, с указанием их статуса. Эти законы можно разделить на два класса – универсальные (действующие во всех взаимодействиях) и те, которые в некоторых взаимодействиях не выполняются .