Попробуй себя в диаграммах

Сегодня исполняется 100 лет со дня рождения Ричарда Фейнмана — одного из самых известных в популярной культуре физиков ХХ века. Кто-то знает его как эксцентричного нобелевского лауреата и любителя поиграть на бонго, кто-то — как автора великолепных лекций по физике. Но большинство, наверное, ценит Фейнмана за его выдающийся вклад в теоретическую физику и заразительную энергию, которую он привносил в свою работу. Одним из самых известных и наглядных произведений Фейнмана стали диаграммы, описывающие взаимодействие элементарных частиц и впоследствии названные его именем. С их помощью можно записать довольно сложные процессы и превращения в виде наглядных схем. Каждая фейнмановская диаграмма устроена так: 1. На рисунке предполагается наличие оси времени, обычно она идет или снизу вверх, или слева направо. Считается, что все частицы, участвующие в процессе, движутся вдоль этой оси: «обычные» частицы — в положительном направлении, античастицы — в отрицательном (поверьте, так нагляднее). 2. Частица или частицы, участвующие в процессе, обозначаются прямыми стрелками. Отдельное обозначение существует для бозонов — переносчиков самого взаимодействия. Они изображаются волнистыми линиями. 3. Точками (вершинами) на диаграмме обозначается непосредственно момент взаимодействия. Важное правило: в одну точку входит максимум одна частица и выходит из нее также одна частица. Вершины, как правило, связаны между собой тем самым переносчиком взаимодействия, бозоном, то есть волнистой линией. Давайте попробуем теперь разобраться во всем этом на простых примерах:

1. Какой процесс описывается этой фейнмановской диаграмой?

1. [] Ну, тут все просто: раз стоит греческая буква гамма, значит, это гамма-распад. Какой-нибудь иод-131.
2. [] Да это же халкинг (hulking)! Редкий процесс, им одна группа в ЦЕРНе занимается, недавно еще новость была.
3. [] Это отталкивание двух электронов, только и всего.

Правильно!

На этой диаграмме действительно изображено отталкивание двух электронов: оба они движутся в положительном направлении во времени, а переносчиком их взамодействия (электромагнитного) является фотон, который в физике элементарных частиц обычно обозначают греческой гаммой. На выходе из процесса мы видим все те же два электрона, так как никаких превращений в этом случае не происходит. А никаким халкингом, конечно, в ЦЕРНе не занимаются. К нашему большому сожалению.

Неправильно!

На этой диаграмме действительно изображено отталкивание двух электронов: оба они движутся в положительном направлении во времени, а переносчиком их взамодействия (электромагнитного) является фотон, который в физике элементарных частиц обычно обозначают греческой гаммой. На выходе из процесса мы видим все те же два электрона, так как никаких превращений в этом случае не происходит. А никаким халкингом, конечно, в ЦЕРНе не занимаются. К нашему большому сожалению.

2. Хорошо, давайте что-то посложнее. Вот вам сразу две диаграммы. Что происходит слева, а что — справа?

1. [] Слева — электрон взаимодействует с позитроном, просто притягиваются. А справа аннигиляция с последующим образованием пары.
2. [] Слева и справа одно и то же, только слева перепутаны буквы, а справа буквы в порядке, но ось неправильно нарисована. А процесс и там и там — аннигиляция электрона и позитрона.
3. [] Это хитрая попытка убедить читателей в существовании антиматерии. На самом деле «положительного электрона» не существует, это всего лишь теоретическая модель, которую опровергли, когда открыли бозон Хиггса. Yeah, science!

Правильно!

На обеих диаграммах показано взаимодействие электрона с его античастицей — позитроном (конечно же, антиматерия существует). Только слева — их притяжение до аннигиляции (почти такое же, как отталкивание двух электронов в прошлом вопросе), а справа — сама аннигиляция, в ходе которой образуются два фотона. А поскольку обратный процесс (рождение электрон-позитронной пары из фотонов) выглядит точно так же, он тоже изображен на диаграмме.

Неправильно!

На обеих диаграммах показано взаимодействие электрона с его античастицей — позитроном (конечно же, антиматерия существует). Только слева — их притяжение до аннигиляции (почти такое же, как отталкивание двух электронов в прошлом вопросе), а справа — сама аннигиляция, в ходе которой образуются два фотона. А поскольку обратный процесс (рождение электрон-позитронной пары из фотонов) выглядит точно так же, он тоже изображен на диаграмме.

3. Хватит с нас пока электронов, давайте что-то посложнее. Это что за безобразие?

1. [] Вовсе даже не безобразие, а бета-распад. Протон (а точнее, один из его u-кварков) превращается в нейтрон (в d-кварк, ну, вы поняли).
2. [] Это «белый распад»: протон взаимодействует с анти-нейтроном с образованием белого карлика (W+). А дальше, как на предыдущей картинке, возможен следующий переход с образованием нейтрино и позитрона.
3. [] Вообще, похоже на бета-распад, только вы зачем-то перепутали знак у бета-частицы — это же электрон, а не позитрон, должен быть знак «минус».

Правильно!

Это бета-распад, просто не β^-, а β⁺. Он происходит в результате слабого взаимодействия, поэтому переносчиком является W⁺ бозон — тяжеленный и короткоживущий. А в результате образуется позитрон (положительная бета-частица) и нейтрино. Без последнего никуда — иначе не сохраняется лептонное число: 0 (протон) = 0 (нейтрон) + (-1) (позитрон) + 1 (нейтрино). (Кстати, белый карлик — это немножко не элементарная частица, а звезда.)

Неправильно!

Это бета-распад, просто не β^-, а β⁺. Он происходит в результате слабого взаимодействия, поэтому переносчиком является W⁺ бозон — тяжеленный и короткоживущий. А в результате образуется позитрон (положительная бета-частица) и нейтрино. Без последнего никуда — иначе не сохраняется лептонное число: 0 (протон) = 0 (нейтрон) + (-1) (позитрон) + 1 (нейтрино). (Кстати, белый карлик — это немножко не элементарная частица, а звезда.)

4. Раз уж мы о бета-распаде, а вот такое бывает?

1. [] Ну вы лептонные числа-то посчитайте, алё. Конечно, не бывает, должно быть еще два антинейтрино!
2. [] Безусловно, бывает. Это двойной безнейтринный бета-распад, отдушина всех критиков Стандартной модели. Свободу лептонам!
3. [] Понятия не имею, честно говоря. Куча народу это исследует, кто-то говорит, что бывает, кто-то — что нет. Пока непонятно.

Правильно!

Несмотря на то, что уже лет двадцать как начали поступать сообщения об экспериментальном наблюдении двойного безнейтринного бета-распада (он и правда так называется), они все подвергались критике, поэтому на сегодняшний день мы не можем точно сказать, возможен ли подобный процесс. Если возможен (например, если окажется, что нейтрино является античастицей по отношению к самой себе), то это открывает массу перспектив. Так что ждем.

Неправильно!

Несмотря на то, что уже лет двадцать как начали поступать сообщения об экспериментальном наблюдении двойного безнейтринного бета-распада (он и правда так называется), они все подвергались критике, поэтому на сегодняшний день мы не можем точно сказать, возможен ли подобный процесс. Если возможен (например, если окажется, что нейтрино является античастицей по отношению к самой себе), то это открывает массу перспектив. Так что ждем.

5. И напоследок: правда ли, что существует термин «пингвинья диаграмма» (penguin diagram), потому что физик, изучавший подобные циклические процессы, накурился и разглядел в диаграмме силуэт пингвина?

1. [] Это уже перебор, знаете ли. Конечно нет. Хотя такие диаграммы действительно встречаются, к пингвинам они отношения не имеют.
2. [] Это и вправду называется пингвиньей диаграммой, но вещества тут ни при чем, просто автор проиграл спор и был вынужден использовать в своей следующей статье по физике частиц слово «пингвин».
3. [] На самом деле, автор и проиграл спор, и оказался «под воздействием». Чего только не бывает в мире теоретической физики!

Правильно!

Эту историю рассказал сам автор термина, Джон Эллис (например, вот тут), а произошла она в 1977 году. Подробнее об этих циклических диаграммах очень интересно пишет в своем блоге Флип Танедо, сотрудник Калифорнийского университета в Риверсайде.

Неправильно!

Эту историю рассказал сам автор термина, Джон Эллис (например, вот тут), а произошла она в 1977 году. Подробнее об этих циклических диаграммах очень интересно пишет в своем блоге Флип Танедо, сотрудник Калифорнийского университета в Риверсайде.

Поздравляем, ваш результат: из

Антитеоретик

Физика частиц — не ваша стезя, попробуйте игру на бонго!

Поделиться результатами

Поздравляем, ваш результат: из

Теоретик-любитель

Вы явно провели не один час за фейнмановскими лекциями, но вам еще есть куда стремиться!

Поделиться результатами

Поздравляем, ваш результат: из

Физик-ядерщик

Поздравляем, ваше тотемное животное — Большой адронный коллайдер. Знаний об элементарных частицах вам явно не занимать.

Поделиться результатами