Дальнейшее проникновение в глубины микромира связано с переходом от уровня атомов к уровню элементарных частиц. В качестве первой элементарной частицы в конце XIX в. был открыт электрон, а затем в первые десятилетия XX в. – фотон, протон, позитрон и нейтрон.
После второй мировой войны, благодаря использованию современной экспериментальной техники, и прежде всего мощным ускорителям, в которых создаются условия высоких энергий и громадных скоростей, было установлено существование большого числа элементарных частиц – свыше 300. Среди них имеются как экспериментально обнаруженные, так и теоретически вычисленные, включая резонансы, кварки и виртуальные частицы.
Термин элементарная частица первоначально означал простейшие, далее ни на что не разложимые частицы, лежащие в основе любых материальных образований. Позднее физики осознали всю условность термина “элементарный” применительно к микрообъектам. Сейчас уже не подлежит сомнению, что частицы имеют ту или иную структуру, но, тем не менее, исторически сложившееся название продолжает существовать.
Основными характеристиками элементарных частиц являются масса, заряд, среднее время жизни, спин и квантовые числа.
Массу покоя элементарных частицопределяют по отношению к массе покоя электрона.Существуют элементарные частицы, не имеющие массы покоя, –фотоны . Остальные частицы по этому признаку делятся налептоны – легкие частицы (электрон и нейтрино);мезоны – средние частицы с массой в пределах от одной до тысячи масс электрона;барионы – тяжелые частицы, чья масса превышает тысячу масс электрона и в состав которых входят протоны, нейтроны, гипероны и многие резонансы.
Электрический заряд является другой важнейшей характеристикой элементарных частиц. Все известные частицы обладают положительным, отрицательным либо нулевым зарядом. Каждой частице, кроме фотона и двух мезонов, соответствуют античастицы с противоположным зарядом. Приблизительно в 1963–1964 гг. была высказана гипотеза о существованиикварков – частиц с дробным электрическим зарядом. Экспериментального подтверждения эта гипотеза пока не нашла.
По времени жизни частицы делятся настабильные инестабильные . Стабильных частиц пять: фотон, две разновидности нейтрино, электрон и протон. Именно стабильныечастицы играют важнейшую роль в структуре макротел. Все остальные частицы нестабильны, они существуют около 10 –10 –10 -24 с, после чего распадаются. Элементарные частицы со средним временем жизни 10 –23 –10 –22 с называют резонансами . Вследствие краткого времени жизни они распадаются еще до того, как успеют покинуть атом или атомное ядро. Резонансные состояния вычислены теоретически, зафиксировать их в реальных экспериментах не удается.
Помимо заряда, массы и времени жизни, элементарные частицы описываются также понятиями, не имеющими аналогов в классической физике: понятием спина . Спиномназывается собственный момент импульса частицы, не связанный с ее перемещением. Спин характеризуетсяспиновым квантовым числом s , которое может принимать целые (±1) или полуцелые (±1/2) значения. Частицы с целым спином –бозоны , с полуцелым –фермионы . Электрон относится к фермионам. Согласно принципу Паули в атоме не может быть более одного электрона с одним и тем же набором квантовых чиселn ,m ,l ,s . Электроны, которым соответствует волновые функции с одинаковым числомn, очень близки по энергиям и образуют в атоме электронную оболочку. Различия в числеlопределяют “подоболочку”, остальные квантовые числа определяют ее заполнение, о чем было сказано выше.
В характеристике элементарных частиц существует еще одно важное представление взаимодействия . Как отмечалось ранее, известно четыре вида взаимодействий между элементарными частицами:гравитационное , слабое , электромагнитное и сильное (ядерное).
Все частицы, имеющие массу покоя (m 0), участвуют в гравитационном взаимодействии, заряженные – и в электромагнитном. Лептоны участвуют еще и слабом взаимодействии. Адроны участвуют во всех четырех фундаментальных взаимодействиях.
Согласно квантовой теории поля, все взаимодействия осуществляются благодаря обмену виртуальными частицами , то есть частицами, о существовании которых можно судить лишь опосредовано, по некоторым их проявлениям через какие-то вторичные эффекты (реальные частицы можно непосредственно зафиксировать с помощью приборов).
Оказывается, что все известные четыре типа взаимодействий – гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое – имеют калибровочную природу и описываются калибровочными симметриями. То есть все взаимодействия как бы сделаны “из одной болванки”. Это вселяет надежду, что можно будет найти “единственный ключ ко всем известным замкам” и описать эволюцию Вселенной из состояния, представленного единым суперсимметричным суперполем, из состояния, в котором различия между типами взаимодействий, между всевозможными частицами вещества и квантами полей еще не проявлены.
Существует огромное число способов классификации элементарных частиц. Так, например, частицы разделяют на фермионы (Ферми-частицы) – частицы вещества и бозоны (Бозе-частицы) – кванты полей.
Согласно другому подходу, частицы разделяют на 4 класса: фотоны, лептоны, мезоны, барионы.
Фотоны (кванты электромагнитного поля) участвуют в электромагнитных взаимодействиях, но не обладают сильным, слабым, гравитационным взаимодействиями.
Лептоны получили свое название от греческого слова l eptos – легкий. К их числу относятся частицы, не обладающие сильным взаимодействием мюоны (μ – , μ +), электроны (е – , е +),электронные нейтрино (v e – ,v e +) и мюонные нейтрино (v – m ,v + m). Все лептоны имеют спин, равный ½, и, следовательно, являются фермионами. Все лептоны обладают слабым взаимодействием. Те из них, которые имеют электрический заряд (то есть мюоны и электроны), обладают также электромагнитным взаимодействием.
Мезоны – сильно взаимодействующие нестабильные частицы, не несущие так называемого барионного заряда. К их числу принадлежитр -мезоны, или пионы (π + , π – , π 0),К -мезоны, или каоны (К + , К – , К 0), иэта -мезоны (η). МассаК -мезонов составляет ~970mе (494 МэВ для заряженных и 498 МэВ для нейтральныхК -мезонов). Время жизниК -мезонов имеет величину порядка 10 –8 с. Они распадаются с образованиемя -мезонов и лептонов или только лептонов. Массаэта -мезонов равна 549 МэВ (1074mе), время жизни – порядка 10 –19 с.Эта -мезоны распадаются с образованием π-мезонов и γ-фотонов. В отличие от лептонов, мезоны обладают не только слабым (и, если они заряжены, электромагнитным), но также и сильным взаимодействием, проявляющимся при взаимодействии их между собой, а также при взаимодействии между мезонами и барионами. Спин всех мезонов равен нулю, так что они являются бозонами.
Класс барионов объединяет в себе нуклоны (p,n) и нестабильные частицы с массой больше массы нуклонов, получившие название гиперонов. Все барионы обладают сильным взаимодействием и, следовательно, активно взаимодействуют с атомными ядрами. Спин всех барионов равен ½, так что барионы являются фермионами. За исключением протона, все барионы нестабильны. При распаде барионов, наряду с другими частицами, обязательно образуется барион. Эта закономерность является одним из проявленийзакона сохранения барионного заряда .
Кроме перечисленных выше частиц обнаружено большое число сильно взаимодействующих короткоживущих частиц, которые получили название резонансов . Эти частицы представляют собой резонансные состояния, образованные двумя или большим числом элементарных частиц. Время жизни резонансов составляет всего лишь ~ 10 –23 –10 –22 с.
Элементарные частицы, а также сложные микрочастицы удается наблюдать благодаря тем следам, которые они оставляют при своем прохождении через вещество. Характер следов позволяет судить о знаке заряда частицы, ее энергии, импульсе и т. п. Заряженные частицы вызывают ионизацию молекул на своем пути. Нейтральные частицы следов не оставляют, но они могут обнаружить себя в момент распада на заряженные частицы или в момент столкновения с каким-либо ядром. Следовательно, в конечном счете нейтральные частицы также обнаруживаются по ионизации, вызванной порожденными ими заряженными частицами.
Частицы и античастицы . В 1928 г. английскому физику П. Дираку удалось найти релятивистское квантово-механическое уравнение для электрона, из которого вытекает ряд замечательных следствий. Прежде всего, из этого уравнения естественным образом, без каких-либо дополнительных предположений, получаются спин и числовое значение собственного магнитного момента электрона. Таким образом, выяснилось, что спин представляет собой величину одновременно и квантовую, и релятивистскую. Но этим не исчерпывается значение уравнения Дирака. Оно позволило также предсказать существование античастицы электрона –позитрона . Из уравнения Дирака получаются для полной энергии свободного электрона не только положительные, но и отрицательные значения. Исследования уравнения показывают, что при заданном импульсе частицы существуют решения уравнения, соответствующие энергиям:.
Между наибольшей отрицательной энергией (–m е с 2) и наименьшей положительной энергией (+m e c 2) имеется интервал значений энергии, которые не могут реализоваться. Ширина этого интервала равна 2m е с 2 . Следовательно, получаются две области собственных значений энергии: одна начинается с + m e с 2 и простирается до +∞, другая начинается с –m е с 2 и простирается до –∞.
Частица с отрицательной энергией должна
обладать очень странными свойствами.
Переходя в состояния со все меньшей
энергией (то есть с увеличивающейся по
модулю отрицательной энергией), она
могла бы выделять энергию, скажем, в
виде излучения, причем, поскольку |Е
|
ничем не ограничен, частица с отрицательной
энергией могла бы излучать бесконечно
большое количество энергии. К аналогичному
выводу можно прийти следующим путем:
из соотношенияЕ
=m
е с
2 вытекает, что у частицы с отрицательной
энергией масса будет также отрицательна.
Под действием тормозящей силы частица
с отрицательной массой должна не
замедляться, а ускоряться, совершая над
источником тормозящей силы бесконечно
большое количество работы. Ввиду этих
трудностей следовало, казалось бы,
признать, что состояние с отрицательной
энергией нужно исключить из рассмотрения
как приводящее к абсурдным результатам.
Это, однако, противоречило бы некоторым
общим принципам квантовой механики.
Поэтому Дирак выбрал другой путь. Он
предложил, что переходы электронов в
состояния с отрицательной энергией
обычно не наблюдаются по той причине,
что все имеющиеся уровни с отрицательной
энергией уже заняты электронами.
Согласно Дираку, вакуум есть такое состояние, в котором все уровни отрицательной энергии заселены электронами, а уровни с положительной энергией свободны. Поскольку заняты все без исключения уровни, лежащие ниже запрещенной полосы, электроны на этих уровнях никак себя не обнаруживают. Если одному из электронов, находящихся на отрицательных уровнях, сообщить энергию Е ≥ 2m е с 2 , то этот электрон перейдет в состояние с положительной энергией и будет вести себя обычным образом, как частица с положительной массой и отрицательным зарядом. Эта первая из предсказанных теоретически частиц была названа позитроном. При встрече позитрона с электроном они аннигилируют (исчезают) – электрон переходит с положительного уровня на вакантный отрицательный. Энергия, соответствующая разности этих уровней, выделяется в виде излучения. На рис. 4 стрелка 1 изображает процесс рождения пары электрон-позитрон, а стрелка 2 – их аннигиляцию Термин “аннигиляция” не следует понимать буквально. По существу, происходит не исчезновение, а превращение одних частиц (электрона и позитрона) в другие (γ-фотоны).
Существуют частицы, которые тождественны со своими античастицами (то есть не имеют античастиц). Такие частицы называются абсолютно нейтральными. К их числу принадлежат фотон, π 0 -мезон и η-мезон. Частицы, тождественные со своими античастицами, не способны к аннигиляции. Это, однако, не означает, что они вообще не могут превращаться в другие частицы.
Если барионам (то есть нуклонам и гиперонам) приписать барионный заряд (или барионное число) В = +1, антибарионам – барионный заряд В = –1, а всем остальным частицам – барионный зарядВ = 0, то для всех процессов, протекающих с участием барионов и антибарионов, будет характерно сохранение барионов заряда, подобно тому как для процессовхарактерно сохранение электрического заряда. Закон сохранения барионного заряда обусловливаетстабильность самого мягкого из барионов – протона. Преобразование всех величин, описывающих физическую систему, при котором все частицы заменяются античастицами (например, электроны протонами, а протоны электронами и т. д.), называется зарядом сопряжения.
Странные частицы. К -мезоны и гипероны были обнаружены в составе космических лучей в начале 50-х гг.XXв. Начиная с 1953 г. их получают на ускорителях. Поведение этих частиц оказалось столь необычным, что они были названы странными. Необычность поведения странных частиц заключалась в том, что рождались они явно за счет сильных взаимодействий с характерным временем порядка 10 –23 с, а времена жизни их оказались порядка 10 –8 –10 –10 с. Последнее обстоятельство указывало на то, что распад частиц осуществляется в результате слабых взаимодействий. Было совершенно непонятно, почему странные частицы живут так долго. Поскольку и в рождении, и в распаде λ-гиперона участвуют одни и те же частицы (π-мезоны и протон), представлялось удивительным, что скорость (то есть вероятность) обоих процессов столь различна. Дальнейшие исследования показали, что странные частицы рождаются парами. Это навело на мысль, что сильные взаимодействия не могут играть роли в распаде частиц вследствие того, что для их проявления необходимо присутствие двух странных частиц. По той же причине оказывается невозможным одиночное рождение странных частиц.
Чтобы объяснить запрет одиночного рождения странных частиц, М. Гелл-Манн и К. Нишиджима ввели в рассмотрение новое квантовое число, суммарное значение которого должно, по их предположению, сохраняться при сильных взаимодействиях. Это квантовое число S было названостранностью частицы . При слабых взаимодействиях странность может не сохраняться. Поэтому она приписывается только сильно взаимодействующим частицам – мезонам и барионам.
Нейтрино. Нейтрино – единственная частица, которая не участвует ни в сильных, ни в электромагнитных взаимодействиях. Исключая гравитационное взаимодействие, в которомучаствуют все частицы, нейтрино может принимать участие лишь в слабых взаимодействиях.
Долгое время оставалось неясным, чем отличается нейтрино от антинейтрино. Открытие закона сохранения комбинированной четности дало возможность ответить на этот вопрос: они отличаются спиральностью. Под спиральностью понимается определенное соотношение между направлениями импульсаР и спинаS частицы. Спиральность считается положительной, если спин и импульс имеют одинаковое направление. В этом случаенаправление движения частицы (Р ) и направление “вращения”, соответствующего спину, образуют правый винт. При противоположно направленных спине и импульсе спиральность будет отрицательной (поступательное движение и “вращение” образуют левый винт). Согласно развитой Янгом, Ли, Ландау и Саламом теории продольного нейтрино, все существующие в природе нейтрино, независимо от способа их возникновения, всегда бывают полностью продольно поляризованы (то есть спин их направлен параллельно или антипараллельно импульсу Р ). Нейтрино имеет отрицательную (левую) спиральность (ему соответствует соотношение направлений S и Р , изображенное на рис. 5 (б), антинейтрино – положительную (правую) спиральность (а). Таким образом, спиральность – это то, что отличает нейтрино от антинейтрино.
Рис. 5. Схема спиральности элементарных частиц
Систематика элементарных частиц. Закономерности, наблюдаемые в мире элементарных частиц, могут быть сформулированы в виде законов сохранения. Таких законов накопилось уже довольно много. Некоторые из них оказываются не точными, а лишь приближенными. Каждый закон сохранения выражает определенную симметрию системы. Законы сохранения импульсаР , момента импульсаL и энергииЕ отражают свойства симметрии пространства и времени: сохранениеЕ есть следствие однородности времени, сохранениеР обусловлено однородностью пространства, а сохранениеL – его изотропностью. Закон сохранения четности связан с симметрией между правым и левым (Р -инвариантность). Симметрия относительно зарядового сопряжения (симметрия частиц и античастиц) приводит к сохранению зарядовой четности (С -инвариантность). Законы сохранения электрического, барионного и лептонного зарядов выражают особую симметриюС -функции. Наконец, закон сохранения изотопического спина отражает изотропность изотопического пространства. Несоблюдение одного из законов сохранения означает нарушение в данном взаимодействии соответствующего вида симметрии.
В мире элементарных частиц действует правило: разрешено все, что не запрещают законы сохранения . Последние играют роль правил запрета, регулирующих взаимопревращения частиц. Прежде всего отметим 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. Значит, электрон мог бы распадаться только на нейтрино и фотоны. Но эти частицы электрически нейтральны. Вот и получается, что электрону просто некому передать свой электрический заряд, поэтому он стабилен.
Кварки. Частиц, называемых элементарными, стало так много, что возникли серьезные сомнения в их элементарности. Каждая из сильно взаимодействующих частиц характеризуется тремя независимыми аддитивными квантовыми числами: зарядомQ , гиперзарядомУ и барионным зарядомВ . В связи с этим появилась гипотеза о том, что все частицы построены из трех фундаментальных частиц – носителей этих зарядов. В 1964 г. Гелл-Манн и независимо от него швейцарский физик Цвейг выдвинули гипотезу, согласно которой все элементарные частицы построены из трех частиц, названных кварками. Этим частицам приписываются дробные квантовые числа, в частности, электрический заряд, равный +⅔; –⅓; +⅓ соответственно для каждого из трех кварков. Эти кварки обычно обозначаются буквамиU ,D ,S . Кроме кварков, рассматриваются антикварки (u ,d ,s). На сегодняшний день известно 12 кварков – 6 кварков и 6 антикварков. Мезоны образуются из пары кварк-антикварк, а барионы – из трех кварков. Так, например, протон и нейтрон состоят из трех кварков, что делает протон или нейтрон бесцветными. Соответственно различают три заряда сильных взаимодействий – красный (R ), желтый (Y ) и зеленый (G ).
Каждому кварку приписывается одинаковый магнитный момент (мкВ), величина которого из теории не определяется. Расчеты, произведенные на основании такого предположения, дают для протона значение магнитного момента μ p = μ кв, а для нейтрона μ n = – ⅔μ кв.
Таким образом, для отношения магнитных моментов получается значение μ p / μ n = –⅔, превосходно согласующееся с экспериментальным значением.
В основном цвет кварка (подобно знаку электрического заряда) стал выражать различие в свойстве, определяющем взаимное притяжение и отталкивание кварков. По аналогии с квантами полей различных взаимодействий (фотонами в электромагнитных взаимодействиях,р -мезонами в сильных взаимодействиях и т. д.) были введены частицы-переносчики взаимодействия между кварками. Эти частицы были названыглюонами . Они переносят цвет от одного кварка к другому, в результате чего кварки удерживаются вместе. В физике кварков сформулирована гипотеза конфайнмента (от англ.confinements – пленение) кварков, согласно которой невозможно вычитание кварка из целого. Он может существовать лишь в качествеэлемента целого. Существование кварков как реальных частиц в физике надежно обосновано.
Идея кварков оказалась весьма плодотворной. Она позволила не только систематизировать уже известные частицы, но и предсказать целый ряд новых. Положение, сложившееся в физике элементарных частиц, напоминают положение, создавшееся в физике атома после открытия в 1869 г. Д. И. Менделевым периодического закона. Хотя сущность этого закона была выяснена только спустя примерно 60 лет после создания квантовой механики, он позволил систематизировать известные к тому времени химические элементы и, кроме того, привел к предсказанию существования новых элементов и их свойств. Точно так же физики научились систематизировать элементарные частицы, причем разработанная систематика вряде случаев позволила предсказать существование новых частиц и предвосхитить их свойства.
Итак, в настоящее время истинно элементарными можно считать кварки и лептоны; их 12, или вместе с античатицами – 24. Кроме того, существуют частицы, обеспечивающие четыре фундаментальные взаимодействия (кванты взаимодействия). Этих частиц 13: гравитон, фотон, W ± - иZ -частицы и 8 глюонов.
Существующие теории элементарных частиц не могут указать, что является началом ряда: атомы, ядра, адроны, кваркиВ этом ряду каждая более сложная материальная структура включает более простую как составную часть. По-видимому, так бесконечно продолжаться не может. Предположили, что описанная цепочка материальных структур базируется на объектах принципиально иной природы. Показано, что такими объектами могут быть не точечные, а протяженные, хотя и чрезвычайно малые (~10 ‑33 см) образования, названныесуперструнами. Описанная идея в нашем четырехмерном пространстве не реализуема. Данная область физики вообще чрезвычайно абстрактна, и очень трудно подобрать наглядные модели, помогающие упрощенному восприятию идей, заложенных в теориях элементарных частиц. Тем не менее, эти теории позволяют физикам выразить взаимопревращение и взаимообусловленность “наиболее элементарных” микрообъектов, их связь со свойствами четырехмерного пространства-времени. Наиболее перспективной считается так называемаяМ-теория (М – отmystery – загадка, тайна). Она оперируетдвенадцатимерным пространством . В конечном итоге при переходе к непосредственно воспринимаемому нами четырехмерному миру все “лишние” измерения “сворачиваются”. М-теория пока единственная теория, которая дает возможность свести четыре фундаментальные взаимодействия к одному – так называемойСуперсиле. Важно также, что М-теория допускает существование разных миров и устанавливает условия, обеспечивающие возникновение нашего мира. М-теория еще недостаточно разработана. Считается, что окончательная«теория всего» на основе М-теории будет построена вXXIв.
– материальные объекты, которые нельзя разделить на составные части.
В соответствии с этим определением к элементарным частицам не могут быть
отнесены молекулы, атомы и атомные ядра, которые поддаются делению на составные
части – атом делится на ядро и орбитальные электроны, ядро – на нуклоны.
В то же время нуклоны, состоящие из более мелких и фундаментальных частиц
– кварков, нельзя разделить на эти кварки. Поэтому нуклоны относят к элементарным
частицам. Учитывая то обстоятельство, что нуклон и другие адроны имеют сложную
внутреннюю структуру, состоящую из более фундаментальных частиц – кварков,
более целесообразно адроны называть не элементарными частицами, а просто
частицами.
Частицы имеют размеры меньшие, чем атомные ядра. Размеры ядер
10 -13 − 10 -12 см. Наиболее “крупные” частицы (к ним
относятся и нуклоны) состоят из кварков (двух или трёх) и называются адронами.
Их размеры ≈ 10 -13 см. Существуют также бесструктурные (на современном
уровне знаний) точечноподобные (< 10 -17 см) частицы, которые
называют фундаментальными. Это кварки, лептоны, фотон и некоторые другие.
Всего известно несколько сот частиц. Это в подавляющем большинстве адроны.
Таблица 1
|
Фундаментальные фермионы |
|||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
|
Взаимодействия |
Поколения | Заряд
Q/e |
|||||
| лептоны | ν е | ν μ | ν τ | ||||
| e | μ | τ | |||||
| кварки | c | t | +2/3 | ||||
| s | b | -1/3 | |||||
Фундаментальными частицами являются 6 кварков и 6 лептонов (табл. 1), имеющих спин 1/2 (это фундаментальные фермионы) и несколько частиц со спином 1 (глюон, фотон, бозоны W ± и Z), а также гравитон (спин 2), называемые фундаментальными бозонами (табл. 2). Фундаментальные фермионы делятся на три группы (поколения), в каждой из которых 2 кварка и 2 лептона. Из частиц первого поколения (кварки u, d, электрон е −) состоит вся наблюдаемая материя: из кварков u и d состоят нуклоны, из нуклонов состоят ядра. Ядра с электронами на орбитах образуют атомы и т.д.
Таблица 2
| Фундаментальные взаимодействия | ||||
|---|---|---|---|---|
| Взаимодействие | Квант поля | Радиус, см | Константа
взаимодействия (порядок величины) |
Пример проявления |
| сильное | глюон | 10 -13 | 1 | ядро, адроны |
| электромагнитное | γ-квант | 10 -2 | атом | |
| слабое | W ± , Z | 10 -16 | 10 -6 | γ-распад |
| гравитационное | гравитон | ∞ | 10 -38 | сила тяжести |
Роль фундаментальных бозонов в том, что они реализуют
взаимодействие между частицами, являясь “переносчиками” взаимодействий.
В процессе различных взаимодействий частицы обмениваются фундаментальными
бозонами. Частицы участвуют в четырёх фундаментальных взаимодействиях –
сильном (1), электромагнитном (10 -2), слабом (10 -6)
и гравитационном (10 -38). В скобках указаны цифры, характеризующие
относительную силу каждого взаимодействия в области энергий меньше 1 ГэВ.
Кварки (и адроны) участвуют во всех взаимодействиях. Лептоны не участвуют
в сильном взаимодействии. Переносчиком сильного взаимодействия является
глюон (8 типов), электромагнитного – фотон, слабого – бозоны W ±
и Z, гравитационного – гравитон.
Подавляющее число частиц в свободном состоянии нестабильно, т.е.
распадается. Характерные времена жизни частиц 10 -24 –10 -6
сек. Время жизни свободного нейтрона около 900 сек. Электрон, фотон, электронное
нейтрино и возможно протон (и их античастицы) – стабильны.
Основой теоретического описания частиц является квантовая теория
поля. Для описания электромагнитных взаимодействий используется квантовая
электродинамика (КЭД), слабое и электромагнитное взаимодействие совместно
описываются объединённой теорией – электрослабой моделью (ЭСМ), сильное
взаимодействие – квантовой хромодинамикой (КХД). КХД и ЭСМ, совместно описывающие
сильное, электромагнитное и слабое взаимодействия кварков и лептонов, образуют
теоретическую схему, называемую Стандартной Моделью.
Эти три частицы (как и другие описываемые ниже) взаимно притягиваются и отталкиваются соответственно своим зарядам , которых всего четыре вида по числу фундаментальных сил природы. Заряды можно расположить в порядке уменьшения соответствующих сил следующим образом: цветовой заряд (силы взаимодействия между кварками); электрический заряд (электрические и магнитные силы); слабый заряд (силы в некоторых радиоактивных процессах); наконец, масса (силы тяготения, или гравитационного взаимодействия). Слово «цвет» здесь не имеет ничего общего с цветом видимого света; это просто характеристика сильного заряда и самых больших сил.
Заряды сохраняются , т.е. заряд, входящий в систему, равен заряду, из нее выходящему. Если суммарный электрический заряд некоторого числа частиц до их взаимодействия равен, скажем, 342 единицам, то он и после взаимодействия независимо от его результата будет равен 342 единицам. Это относится и к другим зарядам: цветовому (заряду сильного взаимодействия), слабому и массовому (массе). Частицы различаются своими зарядами: в сущности, они и «есть» эти заряды. Заряды – это как бы «справка» о праве отвечать на соответствующую силу. Так, только на цветные частицы действуют цветовые силы, только на электрически заряженные частицы действуют электрические силы и т.д. Свойства частицы определяются наибольшей силой, действующей на нее. Только кварки являются носителями всех зарядов и, следовательно, подвержены действию всех сил, среди которых доминирующей является цветовая. Электроны имеют все заряды, кроме цветового, а доминирующей для них является электромагнитная сила.
Наиболее устойчивыми в природе оказываются, как правило, нейтральные комбинации частиц, в которых заряд частиц одного знака компенсируется суммарным зарядом частиц другого знака. Это отвечает минимуму энергии всей системы. (Точно так же два стержневых магнита располагаются в линию, причем северный полюс одного из них обращен к южному полюсу другого, что соответствует минимуму энергии магнитного поля.) Гравитация же является исключением из этого правила: отрицательной массы не существует. Нет тел, которые падали бы вверх.
ВИДЫ МАТЕРИИ
Обычная материя образуется из электронов и кварков, группирующихся в объекты, нейтральные по цветовому, а затем и по электрическому заряду. Цветовая сила нейтрализуется, о чем подробнее будет сказано ниже, когда частицы объединяются в триплеты. (Отсюда и сам термин «цвет», взятый из оптики: три основных цвета при смешении дают белый.) Таким образом, кварки, для которых цветовая сила является главной, образуют триплеты. Но кварки, а они подразделяются на u -кварки (от англ. up – верхний) и d -кварки (от англ. down – нижний), имеют еще и электрический заряд, равный для u -кварка и для d -кварка. Два u -кварка и один d -кварк дают электрический заряд +1 и образуют протон, а один u -кварк и два d -кварка дают нулевой электрический заряд и образуют нейтрон.
Стабильные протоны и нейтроны, притягиваемые друг к другу остаточными цветовыми силами взаимодействия между составляющими их кварками, образуют нейтральное по цвету ядро атома. Но ядра несут положительный электрический заряд и, притягивая отрицательные электроны, вращающиеся вокруг ядра наподобие планет, обращающихся вокруг Солнца, стремятся образовать нейтральный атом. Электроны на своих орбитах удалены от ядра на расстояния, в десятки тысяч раз превышающие радиус ядра, – свидетельство того, что удерживающие их электрические силы гораздо слабее ядерных. Благодаря силе цветового взаимодействия 99,945% массы атома заключено в его ядре. Масса u - и d -кварков примерно в 600 раз больше массы электрона. Поэтому электроны намного легче и подвижнее ядер. Их движением в веществе обусловлены электрические явления.
Существует несколько сот природных разновидностей атомов (включая изотопы), различающихся числом нейтронов и протонов в ядре и соответственно числом электронов на орбитах. Самый простой – атом водорода, состоящий из ядра в виде протона и обращающегося вокруг него единственного электрона. Вся «видимая» материя в природе состоит из атомов и частично «разобранных» атомов, которые называются ионами. Ионы – это атомы, которые, потеряв (или приобретя) несколько электронов, стали заряженными частицами. Материя, состоящая почти из одних ионов, называется плазмой. Звезды, горящие за счет идущих в центрах термоядерных реакций, состоят в основном из плазмы, а поскольку звезды – самая распространенная форма материи во Вселенной, можно сказать, что и вся Вселенная состоит в основном из плазмы. Точнее, звезды – это преимущественно полностью ионизованный газообразный водород, т.е. смесь отдельных протонов и электронов, а стало быть, из нее и состоит почти вся видимая Вселенная.
Это – видимая материя. Но во Вселенной есть еще невидимая материя. И есть частицы, выступающие в роли носителей сил. Существуют античастицы и возбужденные состояния некоторых частиц. Все это приводит к явно чрезмерному изобилию «элементарных» частиц. В этом изобилии можно найти указание на действительную, истинную природу элементарных частиц и сил, действующих между ними. Согласно самым последним теориям, частицы в своей основе могут представлять собой протяженные геометрические объекты – «струны» в десятимерном пространстве.
Невидимый мир.
Во Вселенной имеется не только видимая материя (а также черные дыры и «темная материя», например холодные планеты, которые станут видимыми, если их осветить). Существует и подлинно невидимая материя, пронизывающая всех нас и всю Вселенную ежесекундно. Она представляет собой быстро движущийся газ из частиц одного сорта – электронных нейтрино.
Электронное нейтрино является партнером электрона, но не имеет электрического заряда. Нейтрино несут лишь так называемый слабый заряд. Их масса покоя, по всей вероятности, равна нулю. Но с гравитационным полем они взаимодействуют, поскольку обладают кинетической энергией E , которой соответствует эффективная масса m , согласно формуле Эйнштейна E = mc 2 , где c – скорость света.
Ключевая роль нейтрино заключается в том, что оно способствует превращению и -кварков в d -кварки, в результате чего протон превращается в нейтрон. Нейтрино играет роль «иглы карбюратора» для звездных термоядерных реакций, в которых четыре протона (ядра водорода) объединяются, образуя ядро гелия. Но поскольку ядро гелия состоит не из четырех протонов, а из двух протонов и двух нейтронов, для такого ядерного синтеза нужно, чтобы два и -кварка превратились в два d -кварка. От интенсивности превращения зависит, насколько быстро будут гореть звезды. А процесс превращения определяется слабыми зарядами и силами слабого взаимодействия между частицами. При этом и -кварк (электрический заряд +2/3, слабый заряд +1/2), взаимодействуя с электроном (электрический заряд - 1, слабый заряд –1/2), образует d -кварк (электрический заряд –1/3, слабый заряд –1/2) и электронное нейтрино (электрический заряд 0, слабый заряд +1/2). Цветовые заряды (или просто цвета) двух кварков в этом процессе компенсируются без нейтрино. Роль нейтрино состоит в том, чтобы уносить нескомпенсированный слабый заряд. Поэтому скорость превращения зависит от того, насколько слабы слабые силы. Если бы они были слабее, чем они есть, то звезды вообще не горели бы. Если же они были бы более сильными, то звезды давно бы выгорели.
А что же нейтрино? Поскольку эти частицы крайне слабо взаимодействуют с другим веществом, они почти сразу уходят из звезд, в которых родились. Все звезды сияют, испуская нейтрино, а нейтрино днем и ночью просвечивают наши тела и всю Землю. Так они странствуют по Вселенной, пока не вступят, может быть, в новое взаимодействие ЗВЕЗДЫ) .
Переносчики взаимодействий.
За счет чего возникают силы, действующие между частицами на расстоянии? Современная физика отвечает: за счет обмена другими частицами. Представьте себе двух конькобежцев, перебрасывающихся мячом. Сообщая мячу импульс при броске и получая импульс с принятым мячом, оба получают толчок в направлении друг от друга. Так можно объяснить возникновение сил отталкивания. Но в квантовой механике, рассматривающей явления в области микромира, допускаются необычные растяжение и делокализация событий, что приводит, казалось бы, к невозможному: один из конькобежцев бросает мяч в направлении от другого, но тот тем не менее может этот мяч поймать. Нетрудно сообразить, что, будь такое возможно (а в мире элементарных частиц это возможно), между конькобежцами возникло бы притяжение.
Частицы, благодаря обмену которыми возникают силы взаимодействия между четырьмя рассмотренными выше «частицами материи», называются калибровочными частицами. Каждому из четырех взаимодействий – сильному, электромагнитному, слабому и гравитационному – соответствует свой набор калибровочных частиц. Частицами-переносчиками сильного взаимодействия являются глюоны (их всего восемь). Фотон – переносчик электромагнитного взаимодействия (он один, а фотоны мы воспринимаем как свет). Частицами-переносчиками слабого взаимодействия являются промежуточные векторные бозоны (в 1983 и 1984 были открыты W + -, W - -бозоны и нейтральный Z -бозон). Частицей-переносчиком гравитационного взаимодействия является пока еще гипотетический гравитон (он должен быть один). Все эти частицы, кроме фотона и гравитона, которые могут пробегать бесконечно большие расстояния, существуют лишь в процессе обмена между материальными частицами. Фотоны заполняют Вселенную светом, а гравитоны – гравитационными волнами (пока еще с достоверностью не обнаруженными).
О частице, способной испускать калибровочные частицы, говорят, что она окружена соответствующим полем сил. Так, электроны, способные испускать фотоны, окружены электрическими и магнитными полями, а также слабыми и гравитационными полями. Кварки тоже окружены всеми этими полями, но еще и полем сильного взаимодействия. На частицы с цветовым зарядом в поле цветовых сил действует цветовая сила. То же самое относится к другим силам природы. Поэтому можно сказать, что мир состоит из вещества (материальных частиц) и поля (калибровочных частиц). Об этом подробнее ниже.
Антивещество.
Каждой частице отвечает античастица, с которой частица может взаимно уничтожиться, т.е. «аннигилировать», в результате чего высвобождается энергия. «Чистой» энергии самой по себе, однако, не существует; в результате аннигиляции возникают новые частицы (например, фотоны), уносящие эту энергию.
Античастица в большинстве случаев обладает противоположными по отношению к соответствующей частице свойствами: если частица под действием сильного, слабого или электромагнитного полей движется влево, то ее античастица будет двигаться вправо. Короче говоря, античастица имеет противоположные знаки всех зарядов (кроме массового заряда). Если частица составная, как, например, нейтрон, то ее античастица состоит из компонент с противоположными знаками зарядов. Так, антиэлектрон имеет электрический заряд +1, слабый заряд +1/2 и называется позитроном. Антинейтрон состоит из и -антикварков с электрическим зарядом –2/3 и d -антикварков с электрическим зарядом +1/3. Истинно нейтральные частицы являются своими собственными античастицами: античастица фотона – фотон.
Согласно современным теоретическим представлениям, своя античастица должна быть для каждой существующей в природе частицы. И многие античастицы, в том числе позитроны и антинейтроны, действительно были получены в лаборатории. Следствия этого исключительно важны и лежат в основе всей экспериментальной физики элементарных частиц. Согласно теории относительности, масса и энергия эквивалентны, и в определенных условиях энергия может быть превращена в массу. Поскольку заряд сохраняется, а заряд вакуума (пустого пространства) равен нулю, из вакуума, как кролики из шляпы фокусника, могут возникать любые пары частиц и античастиц (с нулевым суммарным зарядом), лишь бы энергия была достаточной для создания их массы.
Поколения частиц.
Эксперименты на ускорителях показали, что четверка (квартет) материальных частиц по крайней мере дважды повторяется при более высоких значениях массы. Во втором поколении место электрона занимает мюон (с массой, примерно в 200 раз большей массы электрона, но с прежними значениями всех остальных зарядов), место электронного нейтрино – мюонное (которое сопутствует в слабых взаимодействиях мюону так же, как электрону сопутствует электронное нейтрино), место и -кварка занимает с -кварк (очарованный ), а d -кварка – s -кварк (странный ). В третьем поколении квартет состоит из тау-лептона, тау-нейтрино, t -кварка и b -кварка.
Масса t -кварка примерно в 500 раз больше массы самого легкого – d -кварка. Экспериментально установлено, что существуют только три типа легких нейтрино. Таким образом, четвертое поколение частиц или не существует вовсе, или соответствующие нейтрино являются очень тяжелыми. Это согласуется с космологическими данными, в соответствии с которыми могут существовать не более четырех типов легких нейтрино.
В экспериментах с частицами высоких энергий электрон, мюон, тау-лептон и соответствующие нейтрино выступают как обособленные частицы. Они не несут цветового заряда и вступают только в слабые и электромагнитные взаимодействия. В совокупности они называются лептонами .
| Таблица 2. ПОКОЛЕНИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ ЧАСТИЦ | ||||
| Частица | Масса покоя, МэВ/с 2 | Электрический заряд | Цветовой заряд | Слабый заряд |
| ВТОРОЕ ПОКОЛЕНИЕ | ||||
| с -кварк | 1500 | +2/3 | Красный, зеленый или синий | +1/2 |
| s -кварк | 500 | –1/3 | То же | –1/2 |
| Мюонное нейтрино | 0 | 0 | +1/2 | |
| Мюон | 106 | 0 | 0 | –1/2 |
| ТРЕТЬЕ ПОКОЛЕНИЕ | ||||
| t -кварк | 30000–174000 | +2/3 | Красный, зеленый или синий | +1/2 |
| b -кварк | 4700 | –1/3 | То же | –1/2 |
| Тау-нейтрино | 0 | 0 | +1/2 | |
| Тау | 1777 | –1 | 0 | –1/2 |
Кварки же под действием цветовых сил объединяются в сильно взаимодействующие частицы, преобладающие в большинстве экспериментов физики высоких энергий. Такие частицы называются адронами . В них входят два подкласса: барионы (например, протон и нейтрон), которые состоят из трех кварков, и мезоны , состоящие из кварка и антикварка. В 1947 в космических лучах был открыт первый мезон, названный пионом (или пи-мезоном), и некоторое время считалось, что обмен этими частицами – главная причина ядерных сил. Особой известностью в физике элементарных частиц пользовались также адроны омега-минус, открытые в 1964 в Брукхейвенской национальной лаборатории (США), и джей-пси-частица (J /y -мезон), открытая одновременно в Брукхейвене и в Стэнфордском центре линейных ускорителей (тоже в США) в 1974. Существование омега-минус-частицы было предсказано М.Гелл-Манном в его так называемой «SU 3 -теории» (другое название – «восьмеричный путь»), в которой впервые было высказано предположение о возможности существования кварков (и было дано им это название). Десятилетие спустя открытие частицы J /y подтвердило существование с -кварка и заставило, наконец, всех поверить и в кварковую модель, и в теорию, объединившую электромагнитные и слабые силы (см. ниже) .
Частицы второго и третьего поколения не менее реальны, чем первого. Правда, возникнув, они за миллионные или миллиардные доли секунды распадаются на обычные частицы первого поколения: электрон, электронное нейтрино, а также и - и d -кварки. Вопрос о том, почему в природе существуют несколько поколений частиц, до сих пор остается загадкой.
О разных поколениях кварков и лептонов часто говорят (что, конечно, несколько эксцентрично) как о разных «ароматах» частиц. Необходимость их объяснения называется проблемой «аромата».
БОЗОНЫ И ФЕРМИОНЫ, ПОЛЕ И ВЕЩЕСТВО
Одним из принципиальных различий между частицами является различие между бозонами и фермионами. Все частицы делятся на эти два основных класса. Одинаковые бозоны могут налагаться друг на друга или перекрываться, а одинаковые фермионы – нет. Наложение происходит (или не происходит) в дискретных энергетических состояниях, на которые квантовая механика делит природу. Эти состояния представляют собой как бы отдельные ячейки, в которые можно помещать частицы. Так вот, в одну ячейку можно поместить сколько угодно одинаковых бозонов, но только один фермион .
В качестве примера рассмотрим такие ячейки, или «состояния», для электрона, вращающегося вокруг ядра атома. В отличие от планет Солнечной системы, электрон по законам квантовой механики не может обращаться по любой эллиптической орбите, для него существует только дискретный ряд разрешенных «состояний движения». Наборы таких состояний, группируемые в соответствии с расстоянием от электрона до ядра, называются орбиталями . В первой орбитали имеются два состояния с разными моментами импульса и, следовательно, две разрешенные ячейки, а в более высоких орбиталях – восемь и более ячеек.
Поскольку электрон относится к фермионам, в каждой ячейке может находиться только один электрон. Отсюда вытекают очень важные следствия – вся химия, поскольку химические свойства веществ определяются взаимодействиями между соответствующими атомами. Если идти по периодической системе элементов от одного атома к другому в порядке увеличения на единицу числа протонов в ядре (число электронов тоже будет соответственно увеличиваться), то первые два электрона займут первую орбиталь, следующие восемь расположатся на второй и т.д. Этим последовательным изменением электронной структуры атомов от элемента к элементу и обусловлены закономерности в их химических свойствах .
Если бы электроны были бозонами, то все электроны атома могли бы занимать одну и ту же орбиталь, соответствующую минимальной энергии. При этом свойства всего вещества во Вселенной были бы совершенно другими, и в том виде, в котором мы ее знаем, Вселенная была бы невозможна.
Все лептоны – электрон, мюон, тау-лептон и соответствующие им нейтрино – являются фермионами. То же можно сказать о кварках. Таким образом, все частицы, которые образуют «вещество», основной наполнитель Вселенной, а также невидимые нейтрино, являются фермионами. Это весьма существенно: фермионы не могут совмещаться, так что то же самое относится к предметам материального мира.
В то же время все «калибровочные частицы», которыми обмениваются взаимодействующие материальные частицы и которые создают поле сил (см. выше ), являются бозонами, что тоже очень важно. Так, например, много фотонов могут находиться в одном состоянии, образуя магнитное поле вокруг магнита или электрическое поле вокруг электрического заряда. Благодаря этому же возможен лазер .
Спин.
Различие между бозонами и фермионами связано с еще одной характеристикой элементарных частиц – спином . Как это ни удивительно, но все фундаментальные частицы имеют собственный момент импульса или, проще говоря, вращаются вокруг своей оси. Момент импульса – характеристика вращательного движения, так же как суммарный импульс – поступательного. В любых взаимодействиях момент импульса и импульс сохраняются.
В микромире момент импульса квантуется, т.е. принимает дискретные значения. В подходящих единицах измерения лептоны и кварки имеют спин, равный 1/2, а калибровочные частицы – спин, равный 1 (кроме гравитона, который экспериментально пока не наблюдался, а теоретически должен иметь спин, равный 2). Поскольку лептоны и кварки – фермионы, а калибровочные частицы – бозоны, можно предположить, что «фермионность» связана со спином 1/2, а «бозонность» – со спином 1 (или 2). Действительно, и эксперимент, и теория подтверждают, что если у частицы полуцелый спин, то она – фермион, а если целый – то бозон.
КАЛИБРОВОЧНЫЕ ТЕОРИИ И ГЕОМЕТРИЯ
Во всех случаях силы возникают вследствие обмена бозонами между фермионами. Так, цветовая сила взаимодействия между двумя кварками (кварки – фермионы) возникает за счет обмена глюонами. Подобный обмен постоянно происходит в протонах, нейтронах и атомных ядрах. Точно так же фотоны, которыми обмениваются электроны и кварки, создают электрические силы притяжения, удерживающие электроны в атоме, а промежуточные векторные бозоны, которыми обмениваются лептоны и кварки, создают силы слабого взаимодействия, ответственные за превращение протонов в нейтроны при термоядерных реакциях в звездах.
Теория такого обмена изящна, проста и, вероятно, правильна. Она называется калибровочной теорией . Но в настоящее время существуют лишь независимые калибровочные теории сильного, слабого и электромагнитного взаимодействий и сходная с ними, хотя кое в чем и отличающаяся, калибровочная теория гравитации. Одной из важнейших физических проблем является сведение этих отдельных теорий в единую и вместе с тем простую теорию, в которой все они стали бы разными аспектами единой реальности – как грани кристалла.
| Таблица 3. НЕКОТОРЫЕ АДРОНЫ | ||||
| Частица | Символ | Кварковый состав * | Масса покоя, МэВ/с 2 | Электрический заряд |
| БАРИОНЫ | ||||
| Протон | p | uud | 938 | +1 |
| Нейтрон | n | udd | 940 | 0 |
| Омега-минус | W – | sss | 1672 | –1 |
| МЕЗОНЫ | ||||
| Пи-плюс | p + | u | 140 | +1 |
| Пи-минус | p – | du | 140 | –1 |
| Фи | f | sє | 1020 | 0 |
| Джей-пси | J /y | cў | 3100 | 0 |
| Ипсилон | Ў | b | 9460 | 0 |
| * Кварковый состав: u – верхний; d – нижний; s – странный; c – очарованный; b – красивый. Чертой над буквой обозначены антикварки. | ||||
Простейшей и самой старой из калибровочных теорий является калибровочная теория электромагнитного взаимодействия. В ней заряд электрона сравнивается (калибруется) с зарядом другого электрона, удаленного от него. Как можно сравнивать заряды? Можно, например, приблизить второй электрон к первому и сравнивать их силы взаимодействия. Но не меняется ли заряд электрона при его перемещении в другую точку пространства? Единственный способ проверки – послать от ближнего электрона к дальнему сигнал и посмотреть, как он среагирует. Сигналом является калибровочная частица – фотон. Чтобы можно было проверить заряд на удаленных частицах, необходим фотон.
В математическом отношении эта теория отличается чрезвычайной точностью и красотой. Из описанного выше «калибровочного принципа» вытекает вся квантовая электродинамика (квантовая теория электромагнетизма), а также теория электромагнитного поля Максвелла – одно из величайших научных достижений 19 в.
Почему же столь простой принцип оказывается столь плодотворным? Видимо, он выражает некую соотнесенность разных частей Вселенной, позволяя проводить измерения во Вселенной. В математическом плане поле интерпретируется геометрически как кривизна некоторого мыслимого «внутреннего» пространства. Измерение же заряда – это измерение полной «внутренней кривизны» вокруг частицы. Калибровочные теории сильного и слабого взаимодействий отличаются от электромагнитной калибровочной теории только внутренней геометрической «структурой» соответствующего заряда. На вопрос о том, где именно находится это внутреннее пространство, пытаются ответить многомерные единые теории поля, которые здесь не рассматриваются.
| Таблица 4. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ | |||||
| Взаимо-действие | Относительная интенсивность на расстоянии 10 –13 см | Радиус действия | Переносчик взаимодействия | Масса покоя переносчика, МэВ/с 2 | Спин переносчика |
| Сильное | 1 | Глюон | 0 | 1 | |
| Электро- магнитное |
0,01 | Ґ | Фотон | 0 | 1 |
| Слабое | 10 –13 | W + | 80400 | 1 | |
| W – | 80400 | 1 | |||
| Z 0 | 91190 | 1 | |||
| Гравита- ционное |
10 –38 | Ґ | Гравитон | 0 | 2 |
Физика элементарных частиц пока не завершена. Еще далеко не ясно, достаточно ли имеющихся данных для полного понимания природы частиц и сил, а также истинной природы и размерности пространства и времени. Нужны ли нам для этого эксперименты с энергиями 10 15 ГэВ или же будет достаточно усилий мысли? Ответа пока нет. Но можно сказать с уверенностью, что окончательная картина будет проста, изящна и красива. Возможно, что принципиальных идей окажется не так много: калибровочный принцип, пространства высших размерностей, коллапс и расширение, а прежде всего – геометрия.
На современном уровне знаний у электронов и др. (см. ниже), а также у кварков внутр. структура не обнаружена, хотя и существуют теоретич. модели, согласно к-рым и лептоны, и кварки построены из более фундаментальных кирпичиков мироздания - преонов (этот термин, впрочем, пока не является общепринятым).
Исторически первыми экспериментально обнаруженными Э.ч. были электрон, протон, а затем нейтрон. Казалось, что совокупности этих частиц и кванта эл.-магн. поля фотона достаточно для построения известных форм вещества (атомов и молекул). Вещество при таком подходе строилось из протонов, нейтронов и электронов, а эл.-магн. поле (фотоны) осуществляло взаимодействие между ними. Однако вскоре выяснилось, что мир устроен значительно сложнее. Было установлено, что для каждой частицы имеется своя , отличиющаяся от нее лишь знаком зарядов (см. ниже); для частиц с нулевыми значениями всех зарядов античастица совпадает с частицей (пример - фотон). Далее, с развитием экспериментальной ядерной физики, к перечисленным выше четырем (или с учетом античастиц - семи) частицам прибавилось еще свыше 300 частиц. Можно считать установленным, что большинство этих частиц построено из кварков, число к-рых равно 6 (или 12 с учетом антикварков).
Еще одним важнейшим достижением физики микромира стало открытие, что Э.ч. присуще не только эл.-магн. взаимодействие. С изучением строения атомных ядер выяснилось, что силы, удерживающие протоны и нейтроны в ядре, не являются электромагнитными.
Характерное для нуклонов (протонов и нейтронов в ядре) взаимодействие получило название сильного. Оно оказалось короткодействующим - на расстояниях r , превышающих 10 -13 см, сильное взаимодействие пренебрежимо мало. Однако при r Ядерные силы ). Открытие нестабильности нейтрона и нек-рых атомных ядер указало на существование еще одного типа взаимодействия, названного слабым. Тремя перечисленными выше типами взаимодействий, а также гравитационным взаимодействием (см. ) исчерпываются известные типы фундаментальных физ. взаимодействий. Существует точка зрения, что все 4 (или хотя бы 3) типа взаимодействий представляют собой явления одной природы и должны описываться единым образом.
Единая теория слабых и эл.-магн. взаимодействий уже построена и подтверждена опытом; имеются теоретические модели, единообразно описывающие все типы взаимодействий (см. ).
2. Классификация элементарных частиц
Табл. 1. Элементарные частицы (Q - Электрич. заряд, L - Лептонный заряд, B - Барионный заряд, S - Странность, C - Очарование).
| Тип частицы | Символ | Масса m , МэВ | Спин, в ед. |
Время жизни, с |
Q | L | B | S | C |
| Лептоны | e - | 0,511 | 1/2 | align="absmiddle" width="65" height="15"> | -1 | 1 | 0 | 0 | 0 |
| стабильно 3) | 0 | ||||||||
| 105 | -1 | ||||||||
| стабильно 3) | 0 | ||||||||
| 1784 | -1 | ||||||||
| стабильно 3) | 0 | ||||||||
| Мезоны- переносчики взаимодействия |
0 | 1 | стабилен | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | |
| W | |||||||||
| Z 0 | 0 | ||||||||
| глюон 5) | 0 6) | стабилен 6) | 0 | ||||||
| Мезоны (адроны) |
135 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | ||
| 140 | +1 | 0 | 0 | ||||||
| K 0 | 498 | 0 | +1 | 0 | |||||
| K + | 494 | +1 | +1 | 0 | |||||
| D 0 | 1864 | 0 | 0 | +1 | |||||
| D + | 1869 | ~ 10 -12 | +1 | 0 | +1 | ||||
| F + | 2020 | +1 | -1 | +1 | |||||
| Барионы 8) (адроны) | p | 938,3 | 1/2 | >10 38 | +1 | 0 | 1 | 0 | 0 |
| n | 939,6 | 900 | 0 | 0 | 0 | ||||
| 1115 | 0 | -1 | 0 | ||||||
| 1189 | +1 | -1 | 0 | ||||||
| 1192 | 0 | -1 | 0 | ||||||
| 1197 | -1 | -1 | 0 | ||||||
| 1315 | 0 | -2 | 0 | ||||||
| 1321 | -1 | -2 | 0 | ||||||
| 1672 | -1 | -3 | 0 | ||||||
| 2280 | ~ 10 -13 | +1 | 0 | 1 |
1) Кроме частиц, приведенных в таблице, имеется большое число короткоживущих частиц, т.н. резонансов, обладающих временем жизни ~ 10 -20 -10 -24 с. Для приведенных частиц в таблице частиц не указаны их античастицы, имеющие те же значения массы, времени жизни, но противоположные знаки квантовых чисел Q, L, B, S, C .
2) Полагают, что , хотя спец. оснований для этого нет; возможно, .
3) Если , то естественно ожидать, что нейтрино нестабильны, хотя их время жизни может быть очень велико.
4) Приведена теоретич. оценка.
5) Глюон как свободная частица не существует.
6) Теоретич. оценка.
7) K 0 - и -мезоны не обладают определенным временем жизни.
8) Должны существовать барионы с большими значениями C (до 3), а также с ненулевыми значениями C и S одновременно; обнаружен мезон ( ГэВ), у к-рого не равно нулю квантовое число ("красота"), приписываемое b -кварку.
В зависимости от характера взаимодействия Э.ч. подразделяются на неск. больших групп (табл. 1). Э.ч., к-рым присуще сильное взаимодействие, наз. . К адронам относятся протоны, нейтроны и более тяжелые частицы гипероны (все они объединены общим названием ), а также большое семество . Частицы, не участвующие в сильном взаимодействии, наз. . Сюда относятся помимо электрона два других заряженных лептона: мюон и тау-лептон ("тяжелый лептон"), к-рые соответственно в 210 и 3600 раз массивней электрона. Каждому заряженному лептону отвечает нейтральная частица - (электронное, мюонное или тау). Масса нейтрино равна нулю или весьма мала. Известно 6 (с античастицами 12) типов лептонов. Нйетральные лептоны участвуют только в слабом взаимодействии; зареженные - с слабом и электромагнитном. У нейтральных лептонов, впрочем, могут быть очень малые магн. моменты. Адроны участвуют в сильном, слабом и эл.-магн. взаимодействиях. И, разумеется, все частицы взаимодействуют гравитационно. Кроме перечисленных, имеются частицы - переносчики взаимодействий: фотон (переносчик эл.-магн. взаимодействия), W- и Z 0 -бозоны (переносчики слабого взаимодействия). Считается, что существует переносчик гравитац. взаимодействия - гравитон.
Э.ч. характеризуются своей массой, электрическим зарядом, собственным моментом количества движения - .
Массы легчайших частиц (таких, как фотоны) равны нулю, а массы наиболее тяжелых из известных частиц в 100 раз превышают массу протона. Электрич. заряд Э.ч. представляет собой целое кратное заряда электрона. Срин частиц бывает лтбо целым (0, 1, 2, ...) - в этом случае они называются бозонами, либо полуцелым (1/2, 3/2, ...) - в этом случае их называют фермионами.
Лептонам приписывают т.н. лептонный заряд L , принимаемый равным +1 для частиц и -1 для их античастиц. Введение этого заряда обосновано тем, что во всех процессах, происходящих в замкнутой системе, полное число лептонов минут число антилептонов сохраняется. Кроме того, каждая пара лептонов обладает своим специальным лнптонным зарядом, соответственно . Введение этих зарядов отражает то обстоятельство, что, напр., электронное нейтрино, налетая на нейтрон, может родить электрон, но не мюон или -лептон. Значения равны +1 для указанных пар лептонов и -1 для их античастиц. Сейчас, однако, широко обсуждается возможность того, что свободное нейтрино со временем может изменять свой лептонный заряд, превращаясь в нейтрино другого типа (нейтринные осцилляции). В результате на разных расстояниях от места своего рождения нейтрино способно рождать заряженные лептоны различного типа.
Барионам, подобно лептонам, приписывается свой сохраняющийся барионный заряд B . Природа сохранения лептонного и барионного зарядов до конца не ясна. Более того, модели великого объединения предсказывают, что это сохранение явл. лищь приближенным, хотя обнаружение возможного нарушения сохранения находится, по-видимому, на грани или за пределами совр. экспериментальных возможностей. Все известные лептоны и барионы явл. фермионами. Мезоны не имеют ни барионного, ни лептонного заряда и явл. бозонами. Кроме того, адронамприписывают специфические квантовые числа (заряды), называемые странностью (S ), очарованием (C ) и т.п., к-рые, в отличие от B и L , не сохраняются в слабых взаимодействиях, сохраняясь в сильных и электромагнитных. В силу этого легчайшие частицы с (или ), являясь нестабильными, имеют довольно большое время жизни в масштабах мира Э.ч. (см. табл. 1), т.к. к их распаду может привести только слабое взаимодействие.
3. Кварковая модель строения адронов
Все адроны, согласно совр. представлениям, построены из более фундаментальных частиц - кварков (q ). Как и лептоны, кварки явл. фермионами, их спин равен 1/2, электрич. заряд +2/3 и -1/3 (в ед. заряда электрона), заряд антикварков -2/3 и +1/3, у всех кварков барионный заряд B =1/3, лептонный заряд L =0. Аналогично лептону кварки также группируются в пары. Причем, по-видимому, имеет место кварк-лептонная симметрия: каждой паре лептонов отвечает пара кварков (см. табл. 2). Паре (e,) отвечают кварки, обозначаемые (u,d). Это самые легкие кварки, их масса составляет 5-10 МэВ, их странность, очарование и др. подобные квантовые числа равны нулю. Из трех таких кварков можно построить нуклоны, т.е. протон и нейтрон: p=(uud ), n=(udd ). Др. возможные тройки этих кварков также реализуются в природе, образуя более тяжелые частицы, напр. частицу со спином 3/2 и массой 1240 МэВ. Из пары кварк-антикварк строятся мезоны, в частности легчайший из известных мезонов -мезон: ), ) и , представляющие собой смесь и .
Четверка частиц (u,d ,,e) образуют т.н. первое кварк-лептонное поколение. Известно еще два поколения (c,s , ) и (t,b ,) (см. табл. 2), сожержащие более массивные частицы.
Табл. 2. Кварки и лептоны.
| I поколение | II поколение | III поколение | ||||||||||
| Обозначения | u | d | e | c | s | t | b | |||||
| Электический заряд в ед. заряда электрона | +2/3 | -1/3 | 0 | -1 | +2/3 | -1/3 | 0 | -1 | +2/3 | -1/3 | 0 | -1 |
| Масса, МэВ | 0,5 | 1200 | 150 | 105 | 1784 | |||||||
По-видимому, данные космологии говорият об отсутствии последующих кварк-лептонных поколений (см. ниже). С др. стороны, трех поколений частиц оказывается достаточно для теоретич. объяснения различия св-в частиц и античастиц. Каждый из тяжелых кварков (c,s и t,b ) обладает соответственно своим квазисохраняющимся квантовым числом C, S или T, B . Поскольку S наз. странностью, и s-кварк наз. странным; C наз. очарованием, B - красотой, для T термин пока не истановился. Частицы, в состав к-рых входит s -кварк, наз. странными. Заменяя теоретически один, два или три кварка в нуклоне, моно объяснить существование всех открытых странных барионов - гиперонов (см. табл. 1). Аналогично при замене u - или d -кварка в -мезоне на s -кварк модно получить обнаруженный в природе странный К-мезоны. Точно также наблюдаемые очарованные частицы (с ) имеют в своем составе с -кварк и т.д. В принципе возможны связанные состояния всех шести типов кварков между собой, но на опыте пока наблюдается лишь часть из них. Однако все открытые адроны можно описать как связанные состояния этих шести кварков.
Каждый кварк имеет квантовое число, называемое цветом. Цвет явл. аналогом электрич. заряда, хотя и более сложным. Наличие цвета объясняет сильное взаимодействие кварков, отсутствующее у не имеющих цвета лептонов.
Аналогично тому, как электрические заряды взаимодействуют посредством фотонов, так взаимодействие цветовых зарядов осуществляют переносчики сильного взаимодействия - глюоны. Однако в отличие от единственного фотона, имеется восемь различных типов глюонов. Др. существенное отличие состоит в том, что фотон не имеет электрич. заряда и поэтому сам с собой не взаимодействует, а глюоны, обладая цветовым зарядом, взаимодействуют друг с другом. По-видимому, в этом лежит причина принципиально нового явления, называемого конфайнментом или невылетанием кварков. Дело в том, что, несмотря на достаточно большие энергии частиц, ускоренных в совр. ускорителях, кварки наблюдать в свободном состоянии не удается. Они, по-видимому, существуют в природе только в виде пар кварк-антикварк (), троек (qqq ) или более сложных образований, но обязательно таких, чтобы электрич. заряд этих объектов оказывался целочисленным. Все подобные объекты обладают нулевым цветовым зарядом. Если говорить очень упрощенно, то явление конфайнмента состояит в следующем. При попытке получить кварк в свободном состоянии (т.е. "вытащить" его из адрона на достаточно большое расстояние, сообщив ему высокую энергию) напряженность поля нескомпенсированного цветового заряда кварка оказывается столь сильной, что за счет сообщенной энергии из вакуума рождается пара и антикварк движется вместе с кварком, к-рый пытаются оторвать. В результате вылетает не кварк, а составная частица, не имеющая цвета. По этой же причине глюоны также не удается наблюдать в свободном состоянии. Явление конфайнмента обусловливает малый радиус действия сильного взаимодействия.
Область физики элементарных частиц, изучающая взаимодействие кварков и глюонов, носит название квантовой хромодинамики. Квантовая хромодинамика явл. теорией сильного взаимодействия Э.ч.
Т.о., на совр. уровне понимания элементарности фундаментальными составляющими материи явл. 6 лептонов (с античастицами 12), 6х3=18 кварков (с античастицами 36), а также переносчики взаимодействия: сильного - 8 глюонов, электромагнитного - фотон, слабого - W- и Z 0 -бозоны. Лептоны и кварки имеют спин 1/2, а переносчики взаимодействия - спин, равный 1, их называют векторными бозонами. Существование всех перечисленных частиц подтверждается экспериментом. Помимо этого теория требует существования постоянного во всем пространстве скалярного поля, с к-рым различные лептоны и кварки взаимодействуют по-разному, что определяет различие их масс. Кванты скалярного поля представляют собой новые, предсказываемые теорией Э.ч. снулевым спином. Их называют хиггсовскими бозонами (по имени англ. физика П. Хиггса, 1964 г., предложившего их существование). Число хиггсовских бозонов может достигать неск. десятков. Взаимодействие W- и Z 0 -бозонов со скалярным полем обусловливает значит. массу этих частиц и малый радиус слабого взаимодействия. Хиггсовские бозоны пока е обнаружены на опыте. Более того, ряд физиков считает их существование необязательным, однако полноценной теоретической схемы без хиггсовских бозонов пока не найдено.
Модели великого объединения требуют введения дополнительных векторных частиц - переносчиков взаимодействия адронов с лептонами. В простейшем варианте таких частиц должно быть 12 с массой m ~ 10 14 -10 15 ГэВ. Получить и изучить экспериментально такие частицы пока невозможно, т.к. масса находится далеко за пределами энергий, достижимых на ускорителях как существующих конструкций, так и вообще мыслимых. При взаимодействиях с этими векторными бозонами не сохраняется ни барионный, ни лептонный заряд. Снова число частиц на новом уровне элементарности приближается или даже превосходит сотню. Впрочем, большое количество новых частиц требуется лишь теорией, но не опытом, и, возможно, иные, пока неизвестные теоретич. схемы позволят обойтись без особого множества уже известных частиц.
Рост количества фундаментальных Э.ч. заставил теоретиков искать модели, в к-рых все семейства кварков и лептонов, а также частицы - переносчики взаимодействия и хиггсовские бозоны рассматривались бы как составные из каких-то более фундаментальных объектов; одно из названий, предлагаемых для последних, - преоны.
Осн. трудность, стоящая перед теорией преонов, состояит в том, что масса объектов m , составленных из преонов, должна быть мала по сравнению с обратным размером этих объектов r -1 . В др. стороны, согласно квантовой механике, вообще говоря, должно выполнятся условие . Удовлетворительного решения этой проблемы пока нет. В то же время, совершенно необязательно структура материи должна напоминать игрушку "матрешку", нельзя исключить, что лептоны и кварки есть и навсегда останутся последним этапом в дроблении вещества. Решающее слово здесь должно принадлежать эксперименту. К сожалению, эксперименты на существующих ускорителях не могут дать ответа на постановленные вопросы.
4. Элементарные частицы и космология
В первичной плазме находились все Э.ч., рождение к-рых могло происходить при данной
темп-ре плазмы. С расширением Вселенной темп-ра T
плазмы падала, наиболее
массивные
частицы переставали рождаться, а их
приводила к тому, что число массивных стабильных Э.ч. и античастиц в элементе т.н.
сопутствующего
объема (т.е. расширяющегося в темпе расширения Вселенной) убывало пропорционально
exp(mc
2 kT
). Если бы такой закон уменьшения
концентрации
Э.ч. продолжался до настоящего времени (до К), то практически
никаких следов Э.ч., рожденных на ранних стадиях эволюции вселенной, сейчас не осталось
бы. Однако когда концентрация таких частиц становится достаточно малой, их взаимная
аннигиляция прекращается и в дальнейшем концентрация Э.ч. падает только за счет расширения
Метагалактики (т.е. остается постоянной в сопутствующем объеме). Это явление наз.
закалкой (иногда замораживанием) концентрации. Для слабовзаимодействующих частиц
их теперяшняя
концентрация должна быть порядка совр. концентрации реликтовых фотонов 
. Именно такая ситуация имеет место для нейтрино.
Расчет
показывает, что количество реликтовых нейтрино должно быть весьма велико: (для каждого типа нейтрино). Последнее
обстоятельство позволяет получить очень сильное ограничение на массу нейтрино: эВ. Если бы масса всех типов нейтрино превосходила
указанный предел, то нейтрино оказывали бы существенное влияние на темп расширения
Вселенной и ее возраст, вычисляемый по совр. значению постоянной Хаббла и плотности
массы
реликтовых нейтрино, оказался бы меньше, чем дают астрофизич. оценки и методы . Доказательство
того,
что ограничение снизу на возраст Вселенной приводит к ограничению сверху на массы
нейтрино, было дано С.С. Герштейном и Я.Б. Зельдовичем (1966 г.) и инициировало применение
космологич. методов к физике Э.ч.
Данные космологии позволяют заключить также, что количество различных нейтрино не может быть произвольно велико (В.Ф. Шварцман, 1969 г.). легких элементов (таких, как 4 He и дейтерий) во Вселенной таково, что , т.е. все нейтрино уже открыты. Правда, ряд физиков, не доверяя надежности существующих данных придерживаются иной оценки: . Возможно, скоро количество типов нейтрино станет известно точно, т.к. открытый в 1983 г. Z 0 -бозон слабых взаимодействий должен, согласно теоретич. предсказаниям, распадаться на все типы нейтрино и поэтому измерение его полной вероятности распада позволит определить . Поясним, как по обилию 4 He и 2 H можно определить . Образовались эти элементы на очень ранней стадии развития Вселенной, когда темп-ра первичной плазмы составляла 1 МэВ-100 кэВ (в энергетич. единицах или 10 10 -10 9 К. При такой темп-ре плазма содержала примерно в равном количестве фотоны, все типы нейтрино, электрон-позитронные пары и небольшое количество нуклонов (~ 10 -10 от количества легких частиц). Относительное содержание нейтронов и протонов вначале определяется термодинамическим равновесием и составляет , где =1,3 МэВ - разность масс нейтрона и протона. Переходы np происходят за счет процессов, обусловленных слабым взаимодействием, напр., n+p+e - . По мере раширения Вселенной концентрации частиц падают и скорость реакций np-переходов становится меньше скорости расширения, происходит закалка отношения концентраций n и p, т.е. величина N n /N p становится постоянной, если пренебречь медленным распадом енйтронов. Эта величина определяет относительное содержание (обилие) 4 He, т.к. за счет водородной цепочки практически все нейтроны связываются в ядра 4 He. Очевидно, что чем выше темп расширения и охлаждения, темвыше темп-ра закалки и соответственно выше отношение N n /N p . Можно показать, что чем больше число различных типов частиц в первичной плазме, тем выше темп расширения при данной темп-ре, поэтому добавление новых типов нейтрино в первичную плазму влечет за собой увеличение темп-ры закалки и соответственно увеличение концентрации первичного 4 He. Совр. данные указывают, что доля 4 He (по массе) в веществе Метагалактики составляет 22-25%, что находится в хорошем согласии с теорией при =3. Если бы число типов нейтрино составляло 10-20, количество 4 He достигло бы 40-50%, что совершенно не соответствует данным наблюдений. Расчет, однако, содержит нек-рую неопределенность, связанную с тем, что относительная концентрация нуклонов известна с плохой точностью. По данным о количестве 2 H во Вселенной можно получить такое ограничение на величину f , при к-ром исключается >3. К сожалени, соотношение между современным количеством дейтерия и первичным определено довольно плохо и это оставляет нек-рую лазейку для увеличения числа .
Космология позволяет также делать выводы о частицах и процессах, к-рые находятся далеко за энергетич. пределами, доступными совр. и будущим ускорителям. Ярким примером явл. оценка концентрации магнитнчх монополей - частиц, имеющих элементарный магн. заряд. Существование этих частиц предсказывается моделями великого объединения. Их масса должна быть ~ 10 16 ГэВ, так что ни сейчас, ни в обозримом будущем нет никакой надежды получить эти частицы в лаборатории, подобно тому, как получают, напр., антипротоны, W- и Z 0 -бозоны.
Единственная возможность обнаружить эти частицы состоит в поисках их среди реликтовых частиц. Теоретич. ожидания для концентрации реликтовых монополей, полученные в рамках простейшей модели, противоречат существующим данным наблюдений. Это противоречие послужило одной из предпосылок для создания формулировки модели инфляционной модели Вселенной.
Взаимосвязь физики Э.ч. и космологии особенно укрепилась в последнее время. Сейчас ни одна теоретич. модель взаимодействий Э.ч. не может быть признанной, если она не согласуется с данными космологии. С др. стороны, методы физики Э.ч. позволили решить ряд известных космологических проблем, таких, как проблемы , однородности и изотропии, горизонта Вселенной, близости плотности вещества к критич. значению.