A. Элементарные частицы
Элементарные частицы
Элементарными называются частицы, которым (на данном этапе развития физики) нельзя приписать никакой внутренней структуры.
Основные частицы, входящие в состав атома, — электроны, протоны и нейтроны — вначале считались неспособными к превращениям и каким-либо изменениям. Поэтому их и назвали элементарными. Однако в дальнейшем было показано, что термин "элементарная частица" весьма условен. Так, например, у свободного нейтрона время жизни около 15 минут, а затем он распадается на протон, электрон и антинейтрино:
Из всех открытых в настоящее время элементарных частиц лишь фотон, электрон, протон и нейтрино сохраняли бы свою неизменность, если бы каждая из них была одна в окружающем пространстве.
Элементарные частицы подчиняются законам квантовой физики.
В основу современной классификации элементарных частиц положены их основные свойства: масса, электрический заряд, спин и время жизни, а также лептонный и барионный заряды.
В таблице 23.1 приведены некоторые сведения о свойствах элементарных частиц со временем жизни более 10-20 с. Частицы в таблице расположены по возрастанию их массы.
В таблицу элементарных частиц не включены все короткоживущие частицы-резонансы, в частности, "очарованные" частицы. Не включены также переносчики слабых взаимодействий — векторные бозоны. В результате получается 39 частиц.
Таблица открывается фотоном. Фотон, оставаясь в одиночестве, образует первую группу. Фотоны представляют собой кванты электромагнитного поля (света, \(~\gamma\)-излучения и т.д.), не имеют соответствующих античастиц, т.е. являются своими собственными античастицами.
Следующую группу образуют легкие частицы — лептоны. В нее входит двенадцать частиц (включая античастицы). Это электрон \(~e^-\), мюон \(~\mu^-\) (открыт в космических лучах в 1937 г. — это тяжелый аналог электрона, имеющий массу примерно в 200 раз большую массы электрона) и \(~\tau\)-лептон (таон \(~\tau^-\) имеет массу, примерно в 3500 раз превышающую массу электрона). Каждая из этих трех частиц имеет свое нейтрино, которое сопровождает свою собственную заряженную частицу в разнообразных взаимопревращениях: электронное нейтрино рождается вместе с электронами, мюонное нейтрино — вместе с мюонами, \(~\tau\)-лептонное — вместе с \(~\tau\)-лептонами. Хотя \(~\tau\)-лептон имеет очень большую массу, он включен в группу лептонов, поскольку по всем другим свойствам он близок к ним. Главное свойство, которое его роднит с остальными лептонами, состоит в том, что эта частица, как и другие лептоны, не участвует в сильных взаимодействиях. Лептоны характеризуются лептонным зарядом.
Лептонный заряд — это лептонное квантовое число, значение которого для лептонов +1, для антилептонов —1, для нелептонов 0. Для лептонного заряда справедлив закон сохранения: в реакциях с частицами суммарный лептонный заряд не изменяется. Именно поэтому при \(~\beta^-\)-распаде появляется нейтрино. Однако при \(~\beta^+\)-распаде возможна и реакция, описанная выше (по превращению нейтрона в протон с испусканием антинейтрино).
Далее следуют мезоны. Эта группа состоит из восьми частиц. Наиболее легкие из них \(~\pi\)-мезоны: положительные, отрицательные и нейтральные. Их массы составляют 264,1 \(~(\pi^0)\) и 273,1 \(~(\pi^+, \pi^-)\) электронных масс. Пионы являются квантами ядерного поля, подобно тому как фотоны — кванты электромагнитного поля. Еще имеются четыре \(~K\)-мезона и один \(~\eta^\cdot\)-мезон.
Последняя группа — барионы — самая обширная. В нее входит 18 частиц из 39. Самыми легкими из барионов являются нуклоны — протоны и нейтроны. За ними следуют так называемые гипероны. Вся таблица замыкается \(~\Omega^-\) (омега-минус)-частицей, открытой в 1964 г. Ее масса в 3273 раза больше массы электрона. Барионы характеризуются барионным зарядом.
Барионный заряд — это барионное квантовое число, равное для барионов +1, для небарионов 0, для антибарионов -1. Для барионного заряда справедлив закон сохранения: в реакциях с частицами суммарный барионный заряд не изменяется. Поэтому при возникновении, например, антипротона возникает и протон. Так, при столкновении протона с энергией более 6 ГэВ с неподвижным протоном возникает протон-антипротонная пара:
Мезоны и барионы представляют собой класс адронов — частиц, участвующих в сильных взаимодействиях. Адроны разделяются на "стабильные" частицы со временем жизни \(~\gg 10^{-23}\) с и на резонансы, время жизни которых \(~\approx 10^{-23}\) с, т.е. соответствуют времени сильного взаимодействия. Длина их пробега с момента рождения до момента распада составляет около 10-15 м. и в детекторах эти частицы не оставляют никаких треков. Они проявляются в виде пиков на графиках зависимости так называемых сечений рассеяния от энергии. Резонансы распадаются за счет сильного взаимодействия, стабильные частицы — за счет электромагнитного и слабого взаимодействий.
Разделение элементарных частиц на группы определяется не только различием в массах, но и другими важными свойствами, например, спином.
Лептоны и барионы имеют спин, равный \(~\frac{1}{2},\) спины мезонов равны 0, а спин фотона равен 1.
Между элементарными частицами существует четыре типа взаимодействий — гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое.
Сильное взаимодействие свойственно тяжелым частицам, начиная с пиона. Наиболее известное его проявление — ядерные силы, обеспечивающие существование атомных ядер.
В электромагнитном взаимодействии непосредственно участвуют только электрически заряженные частицы и фотоны. Наиболее известное его проявление — кулоновские силы, обусловливающие существование атомов. Именно электромагнитное взаимодействие ответственно за подавляющее большинство макроскопических свойств вещества. Оно же вызывает аннигиляцию электронно-позитронной пары и многие другие микроскопические процессы.
Слабое взаимодействие характерно для всех частиц, кроме фотонов. Наиболее известное его проявление — \(~\beta\)-распад нейтрона и целого ряда атомных ядер.
Гравитационное взаимодействие присуще всем телам Вселенной, проявляясь в виде сил всемирного тяготения. Эти силы обеспечивают существование звезд, планетных систем и т.п. Гравитационное взаимодействие является предельно слабым и не играет существенной роли в мире элементарных частиц при обычных энергиях. В мире элементарных частиц гравитация становится существенной при колоссальных энергиях порядка 1022 МэВ, которые соответствуют сверхмалым расстояниям порядка 10-35 м.
Элементарных частиц в настоящее время насчитывается очень много (более 350). Поэтому встает вопрос: есть ли что-то общее в структуре этих частиц? Можно ли их считать элементарными?
В 1963 г. М. Гелл-Манн и Дж. Цвейг выдвинули гипотезу о существовании в природе нескольких частиц, названных кварками. Согласно этой гипотезе, все мезоны, барионы и резонансы — т.е. адроны, состоят из кварков и антикварков, комбинации которых различны.
Первоначально была введена гипотеза о существовании трех кварков (и соответственно трех антикварков). Кварки обозначаются буквами u, d, s. Они должны иметь дробные электрические заряды. Первый из них — u-кварк — имеет заряд \(+\frac{2}{3}e\) — e, а d- и s-кварки имеют одинаковые заряды, равные \(-\frac{1}{3}e,\) где e — модуль заряда электрона. Протон состоит из двух u-кварков и одного d-кварка; пионы состоят из комбинации кварк — антикварк и т. д. "Странные" частицы (каоны и гипероны) содержат более тяжелый s-кварк, называемый "странным".
Было предсказано существование четвертого кварка, c-кварка, названного "очарованным". Затем экспериментально были обнаружены частицы, содержащие этот кварк. Масса с-кварка превышает массу s-кварка. Впоследствии были предсказаны, а затем и открыты еще более тяжелые b- и t-кварки.
Кварки наряду с лептонами считаются истинно элементарными частицами. В свободном состоянии кварки пока не найдены, и сейчас высказаны предположения о невозможности разделения частиц на кварки. В основе этих предположений лежит утверждение о том, что силы взаимодействия между кварками не убывают с расстоянием, поэтому извлечь кварки из частиц нельзя. Так, например, на ионизацию атома затрачивается энергия порядка 10 эВ. На расщепление ядра требуется энергия несколько МэВ. Удаление же одного кварка на расстояние 3 см от протона требует 1013 МэВ. Однако задолго до этого начнет действовать особый механизм рождения частиц: когда при удалении кварка из нуклона потенциальная энергия станет достаточно высокой, начнет образовываться за счет этой энергии пара кварк — антикварк. Кварк остается в нуклоне и восстанавливает эту частицу, а антикварк объединяется с удаляемым кварком и образует мезон. Вместо удаления кварка из нуклона происходит рождение мезона.
При столкновениях частиц высокой энергии, например электрона с позитроном, образуется пара кварк — антикварк. Кварк и антикварк разлетаются в противоположные стороны, и каждый из них рождает множество адронов (преимущественно пионов). Пучки адронов называются струями.
Наблюдение струй служит еще одним доказательством реальности кварков
Взаимодействие кварков осуществляется посредством обмена особыми частицами — глюонами (от англ. glue — клей). Глюоны склеивают кварки воедино. Подобно фотонам, глюоны не имеют массы и электрического заряда.
Открытие структуры адронов по своим масштабам не уступает открытию ядра и сложного строения атома. Построена единая теория электромагнитных и слабых взаимодействий (теория электрослабых взаимодействий). Выдвинута и находится в стадии построения новая теоретическая модель, получившая название "Великого объединения". Эта теория объединяет электромагнитные, слабые и сильные взаимодействия В основе ее лежат кварк-лептонная симметрия (она выражается в том, что в природе встречается шесть лептонов, а все сильно взаимодействующие частицы состоят из шести кварков) и теория электрослабого взаимодействия. Новая теория предсказывает существование множества новых частиц и нестабильность протона. Среднее время жизни протона оказывается равным 1030— 1032 лет. Пока эти предсказания не получили экспериментального подтверждения.
В еще более грандиозном обобщении, названном "суперсимметрией", делается попытка объединить все четыре фундаментальных взаимодействия, включить гравитацию в рамки единой теории сил и построить обобщение теории тяготения — супергравитацию. Пока предложенные варианты теории далеки от реальной действительности.
Литература
Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. — Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. — С. 633-637.
