Элементарные частицы и их полезные. Элементарные частицы и их основные характеристики

К физике атомного ядра тесно прилегает физика элементарных частиц. Эта область современной науки базируется на квантовых представлениях и в своем развитии всё дальше проникает в глубину материи, открывая загадочный мир ее первооснов. В физике элементарных частиц чрезвычайно велика роль теории. В силу невозможности прямого наблюдения таких материальных объектов их образы ассоциируются с математическими уравнениями, с наложенными на них запрещающими и разрешающими правилами.

По определению элементарные частицы — это первичные, неразложимые образования, из которых, по предположению, состоит вся материя. На самом же деле этот термин употребляется в более широком смысле — для обозначения обширной группы микрочастиц материи, структурно не объединенных в ядра и атомы. Большинство объектов исследования физики элементарных частиц не отвечают строгому определению элементарности, поскольку представляют собой составные системы. Поэтому частицы, удовлетворяющие этому требованию, принято называть истинно элементарными.

Первой элементарной частицей, открытой в процессе изучения микромира еще в конце XIX в., был электрон. Следующим был открыт протон (1919), затем пришла очередь нейтрона, открытого в 1932 г. Существование позитрона теоретически было предсказано П. Дираком в 1931 г., и в 1932 г. этот положительно заряженный «двойник» электрона был обнаружен в космических лучах Карлом Андерсоном. Предположение о существовании в природе нейтрино было выдвинуто В. Паули в 1930 г., а экспериментально оно было обнаружено только в 1953 г. В составе космических лучей в 1936 г. были найдены мю-мезоны (мюоны) — частицы обоих знаков электрического заряда с массой около 200 масс электрона. Во всем остальном свойства мюонов очень близки к свойствам электрона и позитрона. Также в космических лучах в 1947 г. были открыты положительный и отрицательный пи-мезоны, существование которых было предсказано японским физиком Хидэки Юкавой в 1935 г. В дальнейшем выяснилось, что существует также нейтральный пи-мезон.

В начале 50-х гг. была открыта большая группа частиц с весьма необычными свойствами, что побудило назвать их «странными». Первые частицы этой группы были обнаружены в космических лучах, это К-мезо- ны обоих знаков и К-гиперон (лямбда-гиперон). Отметим, что мезоны получили свое название от греч. «средний, промежуточный» в силу того, что массы первых открытых частиц этого типа (пи-мезоны, мю-мезоны) имеют массу, промежуточную между массой нуклона и электрона. Гипероны же ведут свое название от греч. «сверх, выше», поскольку их массы превышают массу нуклона. Последующие открытия странных частиц делались уже на ускорителях заряженных частиц, которые стали основным инструментом изучения элементарных частиц.

Так были открыты антипротон, антинейтрон и ряд гиперонов. В 60-е гг. было обнаружено значительное число частиц с крайне малым временем жизни, которые получили названиерезонансов. Как выяснилось, к резонансам относится большинство известных элементарных частиц. В середине 70-х гг. было открыто новое семейство элементарных частиц, получивших романтическое название «очарованных», а в начале 80-х — семейства «красивых» частиц и так называемых промежуточных векторных бозонов. Открытие этих частиц явилось блестящим подтверждением теории, основанной на кварковой модели элементарных частиц, которая предсказала существование новых частиц задолго до их обнаружения.

Таким образом, за время после открытия первой элементарной частицы — электрона — в природе выявлено множество (около 400) микрочастиц материи, и процесс открытия новых частиц продолжается. Оказалось, что мир элементарных частиц устроен весьма и весьма сложно, а их свойства разнообразны и зачастую крайне неожиданны.

Все элементарные частицы являются материальными образованиями чрезвычайно малых масс и размеров. Большинство из них имеют массы порядка массы протона (~10 -24 г) и размеры порядка 10 -13 м. Это определяет сугубо квантовую специфику их поведения. Важное квантовое свойство всех элементарных частиц (включая и относящийся к ним фотон) состоит в том, что все процессы с ними происходят в виде последовательности актов их испускания и поглощения (способность рождаться и уничтожаться при взаимодействии с другими частицами). Процессы с участием элементарных частиц относятся ко всем четырем видам фундаментального взаимодействия, сильному, электромагнитному, слабому и гравитационному. Сильным взаимодействием обусловлена связь нуклонов в атомном ядре. Электромагнитное взаимодействие обеспечивает связь электронов с ядрами в атоме, а также связь атомов в молекулах. Слабое взаимодействие вызывает, в частности, распад квазистабильных (т. е. относительно долгоживущих) частиц, имеющих время жизни в пределах 10 -12 -г 10 -14 с. Гравитационное взаимодействие на характерных для элементарных частиц расстояниях ~10 -13 см, в силу малости их массы, имеет крайне малую интенсивность, однако может оказаться существенным на сверхмалых расстояниях. Интенсивности взаимодействий, сильного, электромагнитного, слабого и гравитационного — при умеренной энергии процессов относятся соответственно как 1 , 10 -2 , 10 -10 , 10 -38 . Вообще же с ростом энергии частиц это соотношение изменяется.

Элементарные частицы классифицируют по различным признакам, и надо сказать, что в целом принятая их классификация достаточно сложна.

В зависимости от участия в различных видах взаимодействия все известные частицы делят на две основные группы: адроны и лептоны.

Адроны участвуют во всех видах взаимодействия, включая сильное. Они получили свое название от греч. «большой, сильный».

Лептоны не участвуют в сильном взаимодействии. Их название происходит от греч. «легкий, тонкий», поскольку массы известных до середины 70-х гг. частиц этого класса были заметно меньше масс всех других частиц (кроме фотона).

К адронам относятся все барионы (группа частиц с массой не меньше массы протона, названных так от греч. «тяжелый») и мезоны. Самым легким барионом является протон.

Лептонами являются, в частности, электрон и позитрон, мюоны обоих знаков, нейтрино трех видов (легкие, электрически нейтральные частицы, участвующие только в слабом и гравитационном взаимодействиях). Предполагается, что нейтрино столь же распространены в природе, как и фотоны, к их образованию приводит множество различных процессов. Отличительной особенностью нейтрино является его огромная проникающая способность, особенно при низких энергиях. Завершая классификацию по видам взаимодействия, следует отметить, что фотон принимает участие только в электромагнитном и гравитационном взаимодействиях. Кроме того, в соответствии с теоретическими моделями, направленными на объединение всех четырех видов взаимодействия, существует гипотетическая частица, переносящая гравитационное поле, которая получила название гравитон. Особенность гравитона состоит в том, что он (согласно теории) участвует только в гравитационном взаимодействии. Заметим, что теория связывает с квантовыми процессами гравитационного взаимодействия еще две гипотетические частицы — гра- витино и гравифотон. Экспериментальное обнаружение гравитонов, т. е., по сути, гравитационного излучения, крайне затруднено из-за его чрезвычайно слабого взаимодействия с веществом.

В зависимости от времени жизни элементарные частицы разделяют на стабильные, квазистабильные и нестабильные (резонансы).

Стабильными частицами являются электрон (его время жизни t > 10 21 лет), протон (t > 10 31 лет), нейтрино и фотон. Квазистабильными считаются частицы, распадающиеся за счет электромагнитного и слабого взаимодействий, их время жизни t > 10 -20 c. Резонансы — частицы, распадающиеся в результате сильного взаимодействия, их время жизни находится в интервале 10 -22 ^10 -24 с.

Распространенным является еще один вид подразделения элементарных частиц. Системы частиц с нулевым и целым спином подчиняются статистике Бозе-Эйнштейна, поэтому такие частицы принято называть бозонами. Совокупность же частиц с полуцелым спином описывается статистикой Ферми-Дирака, отсюда и название таких частиц — фермионы.

Каждая элементарная частица характеризуется определенным набором дискретных физических величин — квантовых чисел. Общими для всех частиц характеристиками являются масса m, время жизни t, спин J и электрический заряд Q. Спин элементарных частиц принимает значения, равные целым или полуцелым кратным постоянной Планка. Электрические заряды частиц являются целыми кратными величине заряда электрона, считающегося элементарным электрическим зарядом.

Кроме того, элементарные частицы дополнительно характеризуются так называемыми внутренними квантовыми числами. Лептонам приписывается специфический лептонный заряд L = ±1, адроны с полуцелым спином несут барионный заряд В =±1 (адроны с В = 0 образуют подгруппу мезонов).

Важной квантовой характеристикой адронов является внутренняя четность Р, принимающая значение ±1 и отражающая свойство симметрии волновой функции частицы относительно пространственной инверсии (зеркального отображения). Несмотря на несохранение четности при слабом взаимодействии, частицы с хорошей точностью принимают значения внутренней четности, равные либо +1, либо -1.

Адроны, кроме того, подразделяются на обычные частицы (протон, нейтрон, пи-мезоны), странные частицы (^-мезоны, гипероны, некоторые резонансы), «очарованные» и «красивые» частицы. Им соответствуют особые квантовые числа: странность S, очарование С и красота b. Эти квантовые числа введены в соответствии с кварковой моделью для истолкования специфических процессов, характерных для этих частиц.

Среди адронов имеются группы (семейства) частиц с близкими массами, одинаковыми внутренними квантовыми числами, но различающиеся электрическим зарядом. Такие группы называются изотопическими мулътипле- тами и характеризуются общим квантовым числом — изотопическим спином, принимающим, как и обычный спин, целые и полуцелые значения.

В чем состоит уже неоднократно упоминавшаяся кварковая модель адронов?

Обнаружение закономерности группировки адронов в мультиплеты послужило основанием для предположения о существовании особых структурных образований, из которых построены адроны, — кварков. Допуская существование таких частиц, можно считать, что все адроны являются комбинациями кварков. Эта смелая и эвристически продуктивная гипотеза была выдвинута в 1964 г. американским физиком Марри Гелл-Маном. Суть ее состояла в предположении о наличии трех фундаментальных частиц с полуцелым спином, являющихся материалом для построения адронов, u-, d- и s-кварков. В дальнейшем на основе новых экспериментальных данных кварковая модель строения адронов пополнилась еще двумя кварками, «оча- рованным» (с) и «красивым» (b). Считается возможным существование и других типов кварков. Отличительная особенность кварков состоит в том, что они обладают дробными значениями электрического и барионного зарядов, не встречающимися ни у одной из известных частиц. С кварковой моделью согласуются все экспериментальные результаты по изучению элементарных частиц.

Согласно кварковой модели, барионы состоят из трех кварков, мезоны — из кварка и антикварка. Поскольку некоторые барионы являются комбинацией трех кварков в одном и том же состоянии, что запрещено принципом Паули (см. выше), каждому типу («аромату») кварка было приписано дополнительное внутреннее квантовое число «цвет». Кварк каждого типа («аромата» — u, d, s, c, b) может находиться в трех «цветовых» состояниях. В связи с использованием цветовых понятий теория сильного взаимодействия кварков получила название квантовой хромодинамики (от греч. «цвет»).

Можно считать, что кварки являются новыми элементарными частицами, причем они претендуют на роль истинно элементарных частиц для адронной формы материи. Однако остается неразрешенной проблема наблюдения свободных кварков и глюонов. Несмотря на систематические поиски в космических лучах, на ускорителях высокой энергии, обнаружить их в свободном состоянии пока так и не удалось. Имеются веские основания считать, что здесь физика столкнулась с особым явлением природы — так называемым удержанием кварков.

Дело в том, что существуют серьезные теоретические и экспери- ментальные доводы в пользу предположения о том, что силы взаимодействия кварков с расстоянием не ослабевают. Это означает, что для разделения кварков требуется бесконечно большая энергия, следовательно, появление кварков в свободном состоянии невозможно. Это обстоятельство придает кваркам статус совершенно особых структурных единиц вещества. Возможно, именно начиная с кварков принципиально невозможно опытное наблюдение ступеней дробления материи. Признание кварков в качестве реально существующих объектов материального мира не только олицетворяет собой яркий случай первичности идеи по отношению к существованию материальной сущности. Встает вопрос о пересмотре таблицы фундаментальных мировых постоянных, ибо заряд кварка втрое меньше заряда протона, а следовательно, и электрона.

Начиная с открытия позитрона наука встретилась с частицами антивещества. Сегодня очевидным является то, что для всех элементарных частиц с ненулевыми значениями хотя бы одного из квантовых чисел, таких как электрический заряд Q, лептонный заряд L, барионный заряд В, странность S, очарование С и красота b, существуют античастицы с теми же значениями массы, времени жизни, спина, но с противоположными знаками вышеуказанных квантовых чисел. Известны частицы, тождественные своим античастицам, они называются истинно нейтральными. Примерами истинно нейтральных частиц служат фотон и один из трех пи-мезонов (два других являются по отношению друг к другу частицей и античастицей).

Характерной особенностью взаимодействия частиц и античастиц является их аннигиляция при столкновении, т. е. взаимоуничтожение с образованием других частиц и выполнением законов сохранения энергии, импульса, заряда и т. п. Типичным примером аннигиляции пары является процесс превращения электрона и его античастицы — позитрона — в электромагнитное излучение (в фотоны или гамма-кванты). Аннигиляция пар происходит не только при электромагнитном взаимодействии, но и при сильном взаимодействии. При высоких энергиях легкие частицы могут аннигилировать с образованием более тяжелых частиц — при условии, что полная энергия аннигилирующих частиц превышает порог рождения тяжелых частиц (равный сумме их энергий покоя).

При сильном и электромагнитном взаимодействиях имеет место полная симметрия между частицами и их античастицами, т. е. все процессы, происходящие между первыми, возможны и для вторых. Поэтому антипротоны и антинейтроны могут образовывать ядра атомов антивещества, т. е. из античастиц в принципе вполне может быть построено антивещество. Возникает очевидный вопрос: если каждая частица имеет античастицу, то почему же в изученной области Вселенной отсутствуют скопления антивещества? Действительно, о наличии их во Вселенной, даже где-то «вблизи» Вселенной, можно было бы судить по мощному аннигиляционно- му излучению, приходящему к Земле из области соприкосновения вещества и антивещества. Однако современная астрофизика не располагает данными, которые позволили бы хотя бы предположить наличие во Вселенной областей, заполненных антивеществом.

Как же произошел во Вселенной выбор в пользу вещества и в ущерб антивеществу, хотя законы симметрии в основном выполняются? Причиной этого феномена, скорее всего, стало именно нарушение симметрии, т. е. флуктуация на уровне основ материи.

Ясно одно: если бы такой флуктуации не возникло, участь Вселенной была бы печальной — вся ее материя существовала бы в виде бесконечного облака фотонов, появившихся в результате аннигиляции частиц вещества и антивещества.

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, кваркиВ 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.

Министерство Российской Федерации

Саратовский Юридический институт

Самарский филиал

кафедра ПИ и ПКТРП

Реферат

На тему: ” Элементарные частицы ”

Выполнил: курсант 421 уч.группы

рядовой милиции

Сизоненко А.А.

Проверил: преподаватель кафедры

Кузнецов С.И.

Самара 2002

План

1) Введение.

3) Основные свойства элементарных частиц. Классы взаимодействий.

а) Унитарная симметрия.

б) Кварковая модель адронов

7) Заключение. Некоторые общие проблемы теории элементарных частиц.

Введение .

Э. ч. в точном значении этого термина - первичные, далее неразложимые частицы, из которых, по предположению, состоит вся материя. В понятии "Э. ч." в современной физике находит выражение идея о первообразных сущностях, определяющих все известные свойства материального мира, идея, зародившаяся на ранних этапах становления естествознания и всегда игравшая важную роль в его развитии.

Понятие "Э. ч." сформировалось в тесной связи с установлением дискретного характера строения вещества на микроскопическом уровне. Обнаружение на рубеже 19-20 вв. мельчайших носителей свойств вещества - молекул и атомов - и установление того факта, что молекулы построены из атомов, впервые позволило описать все известные вещества как комбинации конечного, хотя и большого, числа структурных составляющих - атомов. Выявление в дальнейшем наличия составных слагающих атомов - электронов и ядер, установление сложной природы ядер, оказавшихся построенными всего из двух типов частиц (протонов и нейтронов), существенно уменьшило количество дискретных элементов, формирующих свойства вещества, и дало основание предполагать, что цепочка составных частей материи завершается дискретными бесструктурными образованиями - Э. ч. Такое предположение, вообще говоря, является экстраполяцией известных фактов и сколько-нибудь строго обосновано быть не может. Нельзя с уверенностью утверждать, что частицы, элементарные в смысле приведённого определения, существуют. Протоны и нейтроны, например, длительное время считавшиеся Э. ч., как выяснилось, имеют сложное строение. Не исключена возможность того, что последовательность структурных составляющих материи принципиально бесконечна. Может оказаться также, что утверждение "состоит из..." на какой-то ступени изучения материи окажется лишённым содержания. От данного выше определения "элементарности" в этом случае придется отказаться. Существование Э. ч. - это своего рода постулат, и проверка его справедливости - одна из важнейших задач физики.

Термин "Э. ч." часто употребляется в современной физике не в своём точном значении, а менее строго - для наименования большой группы мельчайших частиц материи, подчинённых условию, что они не являются атомами или атомными ядрами (исключение составляет простейшее ядро атома водорода - протон). Как показали исследования, эта группа частиц необычайно обширна. Помимо упоминавшихся протона (р), нейтрона (n) и электрона (e -) к ней относятся: фотон (g), пи-мезоны (p), мюоны (m), нейтрино трёх типов (электронное v e , мюонное v m и связанное с т. н. тяжёлым лептоном v t), т. н. странные частицы (К-мезоны и гипероны), разнообразные резонансы, открытые в 1974-77 y-частицы, "очарованные" частицы, ипсилон-частицы (¡) и тяжёлые лептоны (t + , t -) - всего более 350 частиц, в основном нестабильных. Число частиц, включаемых в эту группу, продолжает расти и, скорее всего, неограниченно велико; при этом большинство перечисленных частиц не удовлетворяет строгому определению элементарности, поскольку, по современным представлениям, они являются составными системами (см. ниже). Использование названия "Э. ч." ко всем этим частицам имеет исторические причины и связано с тем периодом исследований (начало 30-х гг. 20 в.), когда единственно известными представителями данной группы были протон, нейтрон, электрон и частица электромагнитного поля - фотон. Эти четыре частицы тогда естественно было считать элементарными, т. к. они служили основой для построения окружающего нас вещества и взаимодействующего с ним электромагнитного поля, а сложная структура протона и нейтрона не была известна.

Открытие новых микроскопических частиц материи постепенно разрушило эту простую картину. Вновь обнаруженные частицы, однако, во многих отношениях были близки к первым четырём известным частицам. Объединяющее их свойство заключается в том, что все они являются специфическими формами существования материи, не ассоциированной в ядра и атомы (иногда по этой причине их называют "субъядерными частицами"). Пока количество таких частиц было не очень велико, сохранялось убеждение, что они играют фундаментальную роль в строении материи, и их относили к категории Э. ч. Нарастание числа субъядерных частиц, выявление у многих из них сложного строения показало, что они, как правило, не обладают свойствами элементарности, но традиционное название "Э. ч." за ними сохранилось.

В соответствии со сложившейся практикой термин "Э. ч." будет употребляться ниже в качестве общего назв. субъядерных частиц. В тех случаях, когда речь будет идти о частицах, претендующих на роль первичных элементов материи, при необходимости будет использоваться термин "истинно Э. ч.".

Краткие исторические сведения.

Открытие Э. ч. явилось закономерным результатом общих успехов в изучении строения вещества, достигнутых физикой в конце 19 в. Оно было подготовлено всесторонними исследованиями оптических спектров атомов, изучением электрических явлений в жидкостях и газах, открытием фотоэлектричества, рентгеновских лучей, естественной радиоактивности, свидетельствовавших о существовании сложной структуры материи.

Исторически первой открытой Э. ч. был электрон - носитель отрицательного элементарного электрического заряда в атомах. В 1897 Дж. Дж. Томсон установил, что т. н. катодные лучи образованы потоком мельчайших частиц, которые были названы электронами. В 1911 Э. Резерфорд, пропуская альфа-частицы от естественного радиоактивного источника через тонкие фольги различных веществ, выяснил, что положительный заряд в атомах сосредоточен в компактных образованиях - ядрах, а в 1919 обнаружил среди частиц, выбитых из атомных ядер, протоны - частицы с единичным положительным зарядом и массой, в 1840 раз превышающей массу электрона. Другая частица, входящая в состав ядра, - нейтрон - была открыта в 1932 Дж. Чедвиком при исследованиях взаимодействия a-частиц с бериллием. Нейтрон имеет массу, близкую к массе протона, но не обладает электрическим зарядом. Открытием нейтрона завершилось выявление частиц - структурных элементов атомов и их ядер.

Вывод о существовании частицы электромагнитного поля - фотона - берёт своё начало с работы М. Планка (1900). Предположив, что энергия электромагнитного излучения абсолютно чёрного тела квантованна, Планк получил правильную формулу для спектра излучения. Развивая идею Планка, А. Эйнштейн (1905) постулировал, что электромагнитное излучение (свет) в действительности является потоком отдельных квантов (фотонов), и на этой основе объяснил закономерности фотоэффекта. Прямые экспериментальные доказательства существования фотона были даны Р. Милликеном (1912- 1915) и А. Комптоном (1922; см. Комптона эффект).

Открытие нейтрино - частицы, почти не взаимодействующей с веществом, ведёт своё начало от теоретической догадки В. Паули (1930), позволившей за счёт предположения о рождении такой частицы устранить трудности с законом сохранения энергии в процессах бета-распада радиоактивных ядер. Экспериментально существование нейтрино было подтверждено лишь в 1953 (Ф. Райнес и К Коуэн, США).

С 30-х и до начала 50-х гг. изучение Э. ч. было тесно связано с исследованием космических лучей. В 1932 в составе космических лучей К. Андерсоном был обнаружен позитрон (е +) - частица с массой электрона, но с положительным электрическим зарядом. Позитрон был первой открытой античастицей (см. ниже). Существование е + непосредственно вытекало из релятивистской теории электрона, развитой П. Дираком (1928-31) незадолго до обнаружения позитрона. В 1936 американские физики К. Андерсон и С. Неддермейер обнаружили при исследовании осмических лучей мюоны (обоих знаков электрического заряда) - частицы с массой примерно в 200 масс электрона, а в остальном удивительно близкие по свойствам к е - , е + .

В 1947 также в космических лучах группой С. Пауэлла были открыты p + и p - -мезоны с массой в 274 электронные массы, играющие важную роль во взаимодействии протонов с нейтронами в ядрах. Существование подобных частиц было предположено Х. Юкавой в 1935.

Конец 40-х - начало 50-х гг. ознаменовались открытием большой группы частиц с необычными свойствами, получивших название "странных". Первые частицы этой группы К + - и К - -мезоны, L-, S + -, S - -, X - -гипероны были открыты в космических лучах, последующие открытия странных частиц были сделаны на ускорителях - установках, создающих интенсивные потоки быстрых протонов и электронов. При столкновении с веществом ускоренные протоны и электроны рождают новые Э. ч., которые и становятся предметом изучения.

С начала 50-х гг. ускорители превратились в основной инструмент для исследования Э. ч. В 70-х гг. энергии частиц, разогнанных на ускорителях, составили десятки и сотни млрд. электронвольт (Гэв ). Стремление к увеличению энергий частиц обусловлено тем, что высокие энергии открывают возможность изучения строения материи на тем меньших расстояниях, чем выше энергия сталкивающихся частиц. Ускорители существенно увеличили темп получения новых данных и в короткий срок расширили и обогатили наше знание свойств микромира. Применение ускорителей для изучения странных частиц позволило более детально изучить их свойства, в частности особенности их распада, и вскоре привело к важному открытию: выяснению возможности изменения характеристик некоторых микропроцессов при операции зеркального отражения (см. Пространственная инверсия) - т. н. нарушению пространств. чётности (1956). Ввод в строй протонных ускорителей с энергиями в миллиарды эв позволил открыть тяжёлые античастицы: антипротон (1955), антинейтрон (1956), антисигма-гипероны (1960). В 1964 был открыт самый тяжёлый гиперон W - (с массой около двух масс протона). В 1960-х гг. на ускорителях было открыто большое число крайне неустойчивых (по сравнению с др. нестабильными Э. ч.) частиц, получивших название "резонансов". Массы большинства резонансов превышают массу протона. Первый из них D 1 (1232) был известен с 1953. Оказалось, что резонансы составляют основная часть Э. ч.

В 1962 было выяснено, что существуют два разных нейтрино: электронное и мюонное. В 1964 в распадах нейтральных К-мезонов. было обнаружено несохранение т, н. комбинированной чётности (введённой Ли Цзун-дао и Ян Чжэнь-нином и независимо Л. Д. Ландау в 1956; см. Комбинированная инверсия), означающее необходимость пересмотра привычных взглядов на поведение физических процессов при операции отражения времени (см. Теорема СРТ).

В 1974 были обнаружены массивные (в 3-4 протонные массы) и в то же время относительно устойчивые y-частицы, с временем жизни, необычно большим для резонансов. Они оказались тесно связанными с новым семейством Э. ч. - "очарованных", первые представители которого (D 0 , D + , L с) были открыты в 1976. В 1975 были получены первые сведения о существовании тяжёлого аналога электрона и мюона (тяжёлого лептона t). В 1977 были открыты ¡-частицы с массой порядка десятка протонных масс.

Таким образом, за годы, прошедшие после открытия электрона, было выявлено огромное число разнообразных микрочастиц материи. Мир Э. ч. оказался достаточно сложно устроенным. Неожиданными во многих отношениях оказались свойства обнаруженных Э. ч. Для их описания, помимо характеристик, заимствованных из классической физики, таких, как электрический заряд, масса, момент количества движения, потребовалось ввести много новых специальных характеристик, в частности для описания странных Э. ч. - странность (К. Нишиджима, М. Гелл-Ман, 1953), "очарованных" Э. ч. - "очарование" (американские физики Дж. Бьёркен, Ш. Глэшоу, 1964); уже названия приведённых характеристик отражают необычность описываемых ими свойств Э. ч.

Изучение внутреннего строения материи и свойств Э. ч. с первых своих шагов сопровождалось радикальным пересмотром многих устоявшихся понятий и представлений. Закономерности, управляющие поведением материи в малом, оказались настолько отличными от закономерностей классической механики и электродинамики, что потребовали для своего описания совершенно новых теоретических построений. Такими новыми фундаментальными построениями в теории явились частная (специальная) и общая теория относительности (А. Эйнштейн, 1905 и 1916; см. Относительности теория, Тяготение) и квантовая механика (1924-27; Н. Бор, Л. де Бройль, В. Гейзенберг, Э. Шрёдингер, М. Борн). Теория относительности и квантовая механика знаменовали собой подлинную революцию в науке о природе и заложили основы для описания явлений микромира. Однако для описания процессов, происходящих с Э. ч., квантовой механики оказалось недостаточно. Понадобился следующий шаг - квантование классических полей (т. н. квантование вторичное) и разработка квантовой теории поля. Важнейшими этапами на пути её развития были: формулировка квантовой электродинамики (П. Дирак, 1929), квантовой теории b-распада (Э. Ферми, 1934), положившей начало современной теории слабых взаимодействий, квантовой мезодинамики (Юкава, 1935). Непосредственной предшественницей последней была т. н. b-теория ядерных сил (И. Е. Тамм, Д. Д. Иваненко, 1934; см. Сильные взаимодействия). Этот период завершился созданием последовательного вычислительного аппарата квантовой электродинамики (С. Томонага, Р. Фейнман, Ю. Швингер; 1944-49), основанного на использовании техники перенормировки (см. Квантовая теория поля). Эта техника была обобщена впоследствии применительно к другим вариантам квантовой теории поля.

Квантовая теория поля продолжает развиваться и совершенствоваться и является основой для описания взаимодействий Э. ч. У этой теории имеется ряд существенных успехов, и всё же она ещё очень далека от завершённости и не может претендовать на роль всеобъемлющей теории Э. ч. Происхождение многих свойств Э. ч. и природа присущих им взаимодействий в значительной мере остаются неясными. Возможно, понадобится ещё не одна перестройка всех представлений и гораздо более глубокое понимание взаимосвязи свойств микрочастиц и геометрических свойств пространства-времени, прежде чем теория Э. ч. будет построена.

Основные свойства элементарных частиц. Классы взаимодействий.

Все Э. ч. являются объектами исключительно малых масс и размеров. У большинства из них массы имеют порядок величины массы протона, равной 1,6×10 -24 г (заметно меньше лишь масса электрона: 9×10 -28 г). Определённые из опыта размеры протона, нейтрона, p-мезона по порядку величины равны 10 -13 см. Размеры электрона и мюона определить не удалось, известно лишь, что они меньше 10 -15 см. Микроскопические массы и размеры Э. ч. лежат в основе квантовой специфики их поведения. Характерные длины волн, которые следует приписать Э. ч. в квантовой теории (, где - постоянная Планка, m - масса частицы, с - скорость света) по порядку величин близки к типичным размерам, на которых осуществляется их взаимодействие (например, для p-мезона 1,4×10 -13 см). Это и приводит к тому, что квантовые закономерности являются определяющими для Э. ч.

Наиболее важное квантовое свойство всех Э. ч. - их способность рождаться и уничтожаться (испускаться и поглощаться) при взаимодействии с др. частицами. В этом отношении они полностью аналогичны фотонам. Э. ч. - это специфические кванты материи, более точно - кванты соответствующих физических полей (см. ниже). Все процессы с Э. ч. протекают через последовательность актов их поглощения и испускания. Только на этой основе можно понять, например, процесс рождения p + -мезона при столкновении двух протонов (р + р ® р + n+ p +) или процесс аннигиляции электрона и позитрона, когда взамен исчезнувших частиц возникают, например, два g-кванта (е + +е - ® g + g). Но и процессы упругого рассеяния частиц, например е - +p ® е - + р, также связаны с поглощением начальных частиц и рождением конечных частиц. Распад нестабильных Э. ч. на более лёгкие частицы, сопровождаемый выделением энергии, отвечает той же закономерности и является процессом, в котором продукты распада рождаются в момент самого распада и до этого момента не существуют. В этом отношении распад Э. ч. подобен распаду возбуждённого атома на атом в основном состоянии и фотон. Примерами распадов Э. ч. могут служить: ; p + ® m + + v m ; К + ® p + + p 0 (знаком "тильда" над символом частицы здесь и в дальнейшем помечены соответствующие античастицы).

Различные процессы с Э. ч. заметно отличаются по интенсивности протекания. В соответствии с этим взаимодействия Э. ч. можно феноменологически разделить на несколько классов: сильные, электромагнитные и слабые взаимодействия. Все Э. ч. обладают, кроме того, гравитационным взаимодействием.

Сильные взаимодействия выделяются как взаимодействия, которые порождают процессы, протекающие с наибольшей интенсивностью среди всех остальных процессов. Они приводят и к самой сильной связи Э. ч. Именно сильные взаимодействия обусловливают связь протонов и нейтронов в ядрах атомов и обеспечивают исключительную прочность этих образований, лежащую в основе стабильности вещества в земных условиях.

Электромагнитные взаимодействия характеризуются как взаимодействия, в основе которых лежит связь с электромагнитным полем. Процессы, обусловленные ими, менее интенсивны, чем процессы сильных взаимодействий, а порождаемая ими связь Э. ч. заметно слабее. Электромагнитные взаимодействия, в частности, ответственны за связь атомных электронов с ядрами и связь атомов в молекулах.

Слабые взаимодействия, как показывает само название, вызывают очень медленно протекающие процессы с Э. ч. Иллюстрацией их малой интенсивности может служить тот факт, что нейтрино, обладающие только слабыми взаимодействиями, беспрепятственно пронизывают, например, толщу Земли и Солнца. Слабые взаимодействия обусловливают также медленные распады т. н. квазистабильных Э. ч. Времена жизни этих частиц лежат в диапазоне 10 -8 -10 -10 сек, тогда как типичные времена для сильных взаимодействий Э. ч. составляют 10 -23 -10 -24 сек.

Гравитационные взаимодействия, хорошо известные по своим макроскопическим проявлениям, в случае Э. ч. на характерных расстояниях ~10 -13 см дают чрезвычайно малые эффекты из-за малости масс Э. ч.

Силу различных классов взаимодействий можно приближённо охарактеризовать безразмерными параметрами, связанными с квадратами констант соответствующих взаимодействий. Для сильных, электромагнитных, слабых и гравитационных взаимодействий протонов при средней энергии процесса ~1 Гэв эти параметры соотносятся как 1:10 -2: l0 -10:10 -38 . Необходимость указания средней энергии процесса связана с тем, что для слабых взаимодействий безразмерный параметр зависит от энергии. Кроме того, сами интенсивности различных процессов по-разному зависят от энергии. Это приводит к тому, что относительная роль различных взаимодействий, вообще говоря, меняется с ростом энергии взаимодействующих частиц, так что разделение взаимодействий на классы, основанное на сравнении интенсивностей процессов, надёжно осуществляется при не слишком высоких энергиях. Разные классы взаимодействий имеют, однако, и другую специфику, связанную с различными свойствами их симметрии (см. Симметрия в физике), которая способствует их разделению и при более высоких энергиях. Сохранится ли такое деление взаимодействий на классы в пределе самых больших энергий, пока остаётся неясным.

В зависимости от участия в тех или иных видах взаимодействий все изученные Э. ч., за исключением фотона, разбиваются на две основные группы: адроны (от греческого hadros - большой, сильный) и лептоны (от греческого leptos - мелкий, тонкий, лёгкий). Адроны характеризуются прежде всего тем, что они обладают сильными взаимодействиями, наряду с электромагнитными и слабыми, тогда как лептоны участвуют только в электромагнитных и слабых взаимодействиях. (Наличие общих для той и другой группы гравитационных взаимодействий подразумевается.) Массы адронов по порядку величины близки к массе протона (т р); минимальную массу среди адронов имеет p-мезон: т p "м 1/7×т р. Массы лептонов, известных до 1975-76, были невелики (0,1 m p), однако новейшие данные, видимо, указывают на возможность существования тяжёлых лептонов с такими же массами, как у адронов. Первыми исследованными представителями адронов были протон и нейтрон, лептонов - электрон. Фотон, обладающий только электромагнитными взаимодействиями, не может быть отнесён ни к адронам, ни к лептонам и должен быть выделен в отд. группу. По развиваемым в 70-х гг. представлениям фотон (частица с нулевой массой покоя) входит в одну группу с очень массивными частицами - т. н. промежуточными векторными бозонами, ответственными за слабые взаимодействия и пока на опыте не наблюдавшимися (см. раздел Элементарные частицы и квантовая теория поля).

Характеристики элементарных частиц.

Каждая Э. ч., наряду со спецификой присущих ей взаимодействий, описывается набором дискретных значений определённых физических величин, или своими характеристиками. В ряде случаев эти дискретные значения выражаются через целые или дробные числа и некоторый общий множитель - единицу измерения; об этих числах говорят как о квантовых числах Э. ч. и задают только их, опуская единицы измерения.

Общими характеристиками всех Э. ч. являются масса (m), время жизни (t), спин (J) и электрический заряд (Q). Пока нет достаточного понимания того, по какому закону распределены массы Э. ч. и существует ли для них какая-то единица измерения.

В зависимости от времени жизни Э. ч. делятся на стабильные, квазистабильные и нестабильные (резонансы). Стабильными, в пределах точности современных измерений, являются электрон (t > 5×10 21 лет), протон (t > 2×10 30 лет), фотон и нейтрино. К квазистабильным относят частицы, распадающиеся за счёт электромагнитных и слабых взаимодействий. Их времена жизни > 10 -20 сек (для свободного нейтрона даже ~ 1000 сек). Резонансами называются Э. ч., распадающиеся за счёт сильных взаимодействий. Их характерные времена жизни 10 -23 -10 -24 сек. В некоторых случаях распад тяжёлых резонансов (с массой ³ 3 Гэв) за счёт сильных взаимодействий оказывается подавленным и время жизни увеличивается до значений - ~10 -20 сек.

Спин Э. ч. является целым или полуцелым кратным от величины. В этих единицах спин p- и К-мезонов равен 0, у протона, нейтрона и электрона J= 1/2, у фотона J = 1. Существуют частицы и с более высоким спином. Величина спина Э. ч. определяет поведение ансамбля одинаковых (тождественных) частиц, или их статистику (В. Паули, 1940). Частицы полуцелого спина подчиняются Ферми - Дирака статистике (отсюда название фермионы), которая требует антисимметрии волновой функции системы относительно перестановки пары частиц (или нечётного числа пар) и, следовательно, "запрещает" двум частицам полуцелого спина находиться в одинаковом состоянии (Паули принцип). Частицы целого спина подчиняются Бозе - Эйнштейна статистике (отсюда название бозоны), которая требует симметрии волновой функции относительно перестановок частиц и допускает нахождение любого числа частиц в одном и том же состоянии. Статистические свойства Э. ч. оказываются существенными в тех случаях, когда при рождении или распаде образуется несколько одинаковых частиц. Статистика Ферми - Дирака играет также исключительно важную роль в структуре ядер и определяет закономерности заполнения электронами атомных оболочек, лежащие в основе периодической системы элементов Д. И. Менделеева.

Электрические заряды изученных Э. ч. являются целыми кратными от величины е "1,6×10 -19 к, называются элементарным электрическим зарядом. У известных Э. ч. Q = 0, ±1, ±2.

Помимо указанных величин Э. ч. дополнительно характеризуются ещё рядом квантовых чисел, называются внутренними. Лептоны несут специфический лептонный заряд L двух типов: электронный (L e) и мюонный (L m); L e = +1 для электрона и электронного нейтрино, L m = +1 для отрицательного мюона и мюонного нейтрино. Тяжёлый лептон t; и связанное с ним нейтрино, по-видимому, являются носителями нового типа лептонного заряда L t .

Для адронов L = 0, и это ещё одно проявление их отличия от лептонов. В свою очередь, значительные части адронов следует приписать особый барионный заряд В (|Е| = 1). Адроны с В = +1 образуют подгруппу барионов (сюда входят протон, нейтрон, гипероны, барионные резонансы), а адроны с В = 0 - подгруппу мезонов (p- и К-мезоны, бозонные резонансы). Название подгрупп адронов происходит от греческих слов barýs - тяжёлый и mésos - средний, что на начальном этапе исследований Э. ч. отражало сравнительные величины масс известных тогда барионов и мезонов. Более поздние данные показали, что массы барионов и мезонов сопоставимы. Для лептонов В = 0. Для фотона В = 0 и L = 0.

Барионы и мезоны подразделяются на уже упоминавшиеся совокупности: обычных (нестранных) частиц (протон, нейтрон, p-мезоны), странных частиц (гипероны, К-мезоны) и очарованных частиц. Этому разделению отвечает наличие у адронов особых квантовых чисел: странности S и очарования (английское charm) Ch с допустимыми значениями: 151 = 0, 1, 2, 3 и |Ch| = 0, 1, 2, 3. Для обычных частиц S = 0 и Ch = 0, для странных частиц |S| ¹ 0, Ch = 0, для очарованных частиц |Ch| ¹ 0, а |S| = 0, 1, 2. Вместо странности часто используется квантовое число гиперзаряд Y = S + В, имеющее, по-видимому, более фундаментальное значение.

Уже первые исследования с обычными адронами выявили наличие среди них семейств частиц, близких по массе, с очень сходными свойствами по отношению к сильным взаимодействиям, но с различными значениями электрического заряда. Протон и нейтрон (нуклоны) были первым примером такого семейства. Позднее аналогичные семейства были обнаружены среди странных и (в 1976) среди очарованных адронов. Общность свойств частиц, входящих в такие семейства, является отражением существования у них одинакового значения специального квантового числа - изотопического спина I, принимающего, как и обычный спин, целые и полуцелые значения. Сами семейства обычно называются изотопическими мультиплетами. Число частиц в мультиплете (п)связано с I соотношением: n = 2I + 1. Частицы одного изотопического мультиплета отличаются друг от друга значением "проекции" изотопического спина I 3 , и

Важной характеристикой адронов является также внутренняя чётность Р, связанная с операцией пространств, инверсии: Р принимает значения ±1.

Для всех Э. ч. с ненулевыми значениями хотя бы одного из зарядов О, L, В, Y (S) и очарования Ch существуют античастицы с теми же значениями массы т, времени жизни t, спина J и для адронов изотопического спина 1, но с противоположными знаками всех зарядов и для барионов с противоположным знаком внутренней чётности Р. Частицы, не имеющие античастиц, называются абсолютно (истинно) нейтральными. Абсолютно нейтральные адроны обладают специальным квантовым числом - зарядовой чётностью (т. е. чётностью по отношению к операции зарядового сопряжения) С со значениями ±1; примерами таких частиц могут служить фотон и p 0 .

Квантовые числа Э. ч. разделяются на точные (т. е. такие, которые связаны с физическими величинами, сохраняющимися во всех процессах) и неточные (для которых соответствующие физические величины в части процессов не сохраняются). Спин J связан со строгим законом сохранения момента количества движения и потому является точным квантовым числом. Другие точные квантовые числа: Q, L, В; по современным данным, они сохраняются при всех превращениях Э. ч. Стабильность протона есть непосредственное выражение сохранения В (нет, например, распада р ® е + + g). Однако большинство квантовых чисел адронов неточные. Изотопический спин, сохраняясь в сильных взаимодействиях, не сохраняется в электромагнитных и слабых взаимодействиях. Странность и очарование сохраняются в сильных и электромагнитных взаимодействиях, но не сохраняются в слабых взаимодействиях. Слабые взаимодействия изменяют также внутреннюю и зарядовую чётности. С гораздо большей степенью точности сохраняется комбинированная чётность СР, однако и она нарушается в некоторых процессах, обусловленных слабыми взаимодействиями. Причины, вызывающие несохранение многих квантовых чисел адронов, неясны и, по-видимому, связаны как с природой этих квантовых чисел, так и с глубинной структурой электромагнитных и слабых взаимодействий. Сохранение или несохранение тех или иных квантовых чисел - одно из существенных проявлений различий классов взаимодействий Э. ч.

Классификация элементарных частиц.

Унитарная симметрия. Классификация лептонов пока не представляет проблем, большое же число адронов, известных уже в начале 50-х гг., явилось основанием для поиска закономерностей в распределении масс и квантовых чисел барионов и мезонов, которые могли бы составить основу их классификации. Выделение изотопических мультиплетов адронов было первым шагом на этом пути. С математической точки зрения группировка адронов в изотопические мультиплеты отражает наличие у них симметрии, связанной с группой вращения (см. Группа), более формально, с группой SU (2) - группой унитарных преобразований в комплексном двумерном пространстве. Предполагается, что эти преобразования действуют в некотором специфическом внутреннем пространстве - "изотопическом пространстве", отличном от обычного. Существование изотопического пространства проявляется только в наблюдаемых свойствах симметрии. На математическом языке изотопические мультиплеты суть неприводимые представления группы симметрии SU (2).

Концепция симметрии как фактора, определяющего существование различных групп и семейств Э. ч., в современной теории является доминирующей при классификации адронов и других Э. ч. Предполагается, что внутренние квантовые числа Э. ч., позволяющие выделять те или иные группы частиц, связаны со специальными типами симметрий, возникающими за счёт свободы преобразований в особых "внутренних" пространствах. Отсюда и происходит название "внутренние квантовые числа".

Внимательное рассмотрение показывает, что странные и обычные адроны в совокупности образуют более широкие объединения частиц с близкими свойствами, чем изотопические мультиплеты. Они называются супермультиплетами. Число частиц, входящих в наблюдаемые супермультиплеты, равно 8 и 10. С точки зрения симметрий возникновение супермультиплетов истолковывается как проявление существования у адронов группы симметрии более широкой, чем группа SU (2), а именно: SU (3) - группы унитарных преобразований в трёхмерном комплексном пространстве (М. Гелл-Ман и независимо Ю. Нееман, 1961). Соответствующая симметрия получила назв. унитарной симметрии. Группа SU (3)имеет, в частности, неприводимые представления с числом компонент 8 и 10, отвечающие наблюдаемым супермультиплетам: октету и декуплету. Примерами могут служить следующие группы частиц с одинаковыми значениями J P:

Общими для всех частиц в супермультиплете являются значения двух величин, которые по математической природе близки к изотопическому спину и поэтому часто называются унитарным спином. Для октета значения связанных с этими величинами квантовых чисел равны (1, 1), для декуплета - (3, 0).

Унитарная симметрия менее точная, чем изотопическая симметрия. В соответствии с этим различие в массах частиц, входящих в октеты и декуплеты, довольно значительно. По этой же причине разбиение адронов на супермультиплеты сравнительно просто осуществляется для Э. ч. не очень высоких масс. При больших массах, когда имеется много различных частиц с близкими массами, это разбиение осуществляется менее надёжно. Однако в свойствах Э. ч. имеется много разнообразных проявлений унитарной симметрии.

Включение в систематику Э. ч. очарованных адронов позволяет говорить о сверхсупермультиплетах и о существовании ещё более широкой симметрии, связанной с унитарной группой SU (4). Примеры до конца заполненных сверхсупермультиплетов пока отсутствуют. SU (4)-симметрия нарушена ещё сильнее, чем SU (3)-симметрия, и её проявления выражены слабее.

Обнаружение у адронов свойств симметрии, связанных с унитарными группами, и закономерностей разбиения на мультиплеты, отвечающих строго определённым представлениям указанных групп, явилось основой для вывода о существовании у адронов особых структурных элементов - кварков.

Кварковая модель адронов. Развитие работ по классификации адронов с первых своих шагов сопровождалось попытками выделить среди них частицы более фундаментальные, чем остальные, которые могли бы стать основой для построения всех адронов. Начало этой линии исследования было положено Э. Ферми и Ян Чжэнь-нином (1949), которые предположили, что такими фундаментальными частицами являются нуклон (N) и антинуклон (), a p-мезоны есть их связанные состояния (). При дальнейшем развитии этой идеи в число фундаментальных частиц были включены также странные барионы (М. А. Марков, 1955; японский физик С. Саката, 1956; Л. Б. Окунь, 1957). Модели, построенные на этой основе, хорошо описывали мезонные мультиплеты, но не давали правильного описания мультиплетов барионов. Важнейший элемент данных моделей - использование для "построения" адронов небольшого числа фермионов - органически вошёл в модель, которая наиболее успешно решает задачу описания всех адронов, - кварковую модель (австрийский физик Г. Цвейг и независимо М. Гелл-Ман, 1964).

В первоначальном варианте в основу модели было положено предположение, что все известные адроны построены из трёх типов частиц спина 1 / 2 , названных р-, n-, l-кварками, не принадлежащих к числу наблюдавшихся адронов и обладающих весьма необычными свойствами. Название "кварки" заимствовано из романа Дж. Джойса (см. Кварки). Современный вариант модели предполагает существование как минимум четырёх типов кварков. Четвёртый кварк необходим для описания очарованных адронов.

Идея кварков подсказана унитарной симметрией. Математическая структура унитарных групп открывает возможность описания всех представлений группы SU (n ) (и, следовательно, всех мультиплетов адронов) на основе самого простого представления группы, содержащего n компонент. В случае группы SU (3)таких компонент три. Необходимо только допустить наличие частиц, связанных с этим простейшим представлением. Эти частицы и есть кварки. Кварковый состав мезонов и барионов был выведен из того факта, что супермультиплеты мезонов содержат, как правило, 8 частиц, а барионов - 8 и 10 частиц. Эта закономерность легко воспроизводится, если предположить, что мезоны составлены из кварка q и антикварка - символически: , а барионы из трёх кварков - символически: В = (qqq ). В силу свойств группы SU (3) 9 мезонов разбиваются на супермультиплеты из 1 и 8 частиц, а 27 барионов - на супермультиплеты, содержащие 1, 10 и дважды по 8 частиц, что и объясняет наблюдаемую выделенность октетов и декуплетов.

Добавление к схеме четвёртого кварка (и, если окажется необходимым, новых дополнительных кварков) осуществляется при сохранении основного предположения кварковой модели о строении адронов:

В = (qqq ).

Все экспериментальные данные хорошо соответствуют приведённому кварковому составу адронов. Имеются, видимо, лишь небольшие отклонения от этой структуры, которые не влияют существенным образом на свойства адронов.

Указанная структура адронов и математические свойства кварков, как объектов, связанных с определённым (простейшим) представлением группы SU (4), приводят к след. квантовым числам кварков (табл. 2). Обращают внимание необычные - дробные - значения электрического заряда Q , а также В, S и Y , не встречающиеся ни у одной из наблюдавшихся Э. ч. С индексом a у каждого типа кварка q i (i = 1, 2, 3, 4) связана особая характеристика кварков - "цвет", которой нет у изученных адронов. Индекс a принимает значения 1, 2, 3, т, е. каждый тип кварка q i представлен тремя разновидностями q i a (Н. Н. Боголюбов с сотрудниками, 1965; американские физики И. Намбу и М. Хан, 1965; японский физик И. Миямото, 1965). Квантовые числа каждого типа кварка не меняются при изменении "цвета" и поэтому табл. 2 относится к кваркам любого "цвета".

Всё многообразие адронов возникает за счёт различных сочетаний р -, п-, g- и с -кварков, образующих связанные состояния. Обычным адронам соответствуют связанные состояния, построенные только из р- и n -кварков [для мезонов с возможным участием комбинаций и ]. Наличие в связанном состоянии наряду с р - и n -кварками одного g- или с -кварка означает, что соответствующий адрон странный (S = -1) или очарованный (Ch = + 1). В состав бариона может входить два и три g -кварка (соответственно с -кварка), т. е. возможны дважды и трижды странные (очарованные) барионы. Допустимы также сочетания различного числа g- и с- кварков (особенно в барионах), которые соответствуют "гибридным" формам адронов ("странно-очарованным"). Очевидно, что чем больше g- или с -кварков содержит адрон, тем он тяжелее. Если сравнивать основные (не возбуждённые) состояния адронов, именно такая картина и наблюдается (см. табл. 1, а также табл. 3 и 5).

Поскольку спин кварков равен 1 / 2 , приведённая выше кварковая структура адронов имеет своим следствием целочисленный спин у мезонов и полуцелый - у барионов, в полном соответствии с экспериментом. При этом в состояниях, отвечающих орбитальному моменту l = 0, в частности в основных состояниях, значения спина мезонов должны равняться 0 или 1 (для антипараллельной ґ¯ и параллельной ґґ ориентации спинов кварков), а спина барионов - 1 / 2 или 3 / 2 (для спиновых конфигураций ¯ґґ и ґґґ). С учётом того, что внутренняя чётность системы кварк-антикварк отрицательна, значения J P для мезонов при l = 0 равны 0 - и 1 - , для барионов - 1 / 2 + и 3 / 2 + . Именно эти значения J P наблюдаются у адронов, имеющих наименьшую массу при заданных значениях I и Y (см. табл. 1).

Поскольку индексы i, k, l в структурных формулах пробегают значения 1, 2, 3, 4, число мезонов M ik с заданным спином должно быть равно 16. Для барионов B ikl максимально возможное число состояний при заданном спине (64) не реализуется, т. к. в силу принципа Паули при данном полном спине разрешены только такие трёхкварковые состояния, которые обладают вполне определённой симметрией относительно перестановок индексов i, k, 1, а именно: полностью симметричные для спина 3 / 2 и смешанной симметрии для спина 1 / 2 . Это условие при l = 0 отбирает 20 барионных состояний для спина 3 / 2 и 20 - для спина 1 / 2 .

Более подробное рассмотрение показывает, что значение кваркового состава и свойств симметрии кварковой системы даёт возможность определить все основные квантовые числа адрона (J, Р, В, Q, I, Y, Ch ), за исключением массы; определение массы требует знания динамики взаимодействия кварков и массы кварков, которое пока отсутствует.

Правильно передавая специфику адронов с наименьшими массами и спинами при заданных значениях Y и Ch, кварковая модель естественным образом объясняет также общее большое число адронов и преобладание среди них резонансов. Многочисленность адронов - отражение их сложного строения и возможности существования различных возбуждённых состояний кварковых систем. Не исключено, что число таких возбуждённых состояний неограниченно велико. Все возбуждённые состояния кварковых систем неустойчивы относительно быстрых переходов за счёт сильных взаимодействий в нижележащие состояния. Они и образуют основную часть резонансов. Небольшую долю резонансов составляют также кварковые системы с параллельной ориентацией спинов (за исключением W -). Кварковые конфигурации с антипараллельной ориентацией спинов, относящиеся к осн. состояниям, образуют квазистабильные адроны и стабильный протон.

Возбуждения кварковых систем происходят как за счёт изменения вращательного движения кварков (орбитальные возбуждения), так и за счёт изменения их пространств. расположения (радиальные возбуждения). В первом случае рост массы системы сопровождается изменением суммарного спина J и чётности Р системы, во втором случае увеличение массы происходит без изменения J P . Например, мезоны с J P = 2 + являются первым орбитальным возбуждением (l = 1) мезонов с J P = 1 - . Соответствие 2 + мезонов и 1 - мезонов одинаковых кварковых структур хорошо прослеживается на примере многих пар частиц:

Мезоны r" и y" - примеры радиальных возбуждений r- и y-мезонов соответственно (см.

Орбитальные и радиальные возбуждения порождают последовательности резонансов, отвечающие одной и той же исходной кварковой структуре. Отсутствие надёжных сведений о взаимодействии кварков не позволяет пока производить количественные расчеты спектров возбуждений и делать какие-либо заключения о возможном числе таких возбуждённых состояний.При формулировке кварковой модели кварки рассматривались как гипотетические структурные элементы, открывающие возможность очень удобного описания адронов. В дальнейшем были проведены эксперименты, которые позволяют говорить о кварках как о реальных материальных образованиях внутри адронов. Первыми были эксперименты по рассеянию электронов нуклонами на очень большие углы. Эти эксперименты (1968), напоминающие классические опыты Резерфорда по рассеянию a-частиц на атомах, выявили наличие внутри нуклона точечных заряженных образований. Сравнение данных этих экспериментов с аналогичными данными по рассеянию нейтрино на нуклонах (1973-75) позволило сделать заключение о средней величине квадрата электрического заряда этих точечных образований. Результат оказался удивительно близким к величине 1 / 2 [(2 / 3 e ) 2 +(1 / 3 e ) 2 ]. Изучение процесса рождения адронов при аннигиляции электрона и позитрона, который предположительно идёт через последовательность процессов: ® адроны, указало на наличие двух групп адронов, генетически связанных с каждым из образующихся кварков, и позволило определить спин кварков. Он оказался равным 1/2. Общее число рожденных в этом процессе адронов свидетельствует также о том, что в промежуточном состоянии возникают кварки трёх разновидностей, т. е. кварки трёхцветны.

Т. о., квантовые числа кварков, введённые на основании теоретических соображений, получили подтверждение в ряде экспериментов. Кварки постепенно приобретают статус новых Э. ч. Если дальнейшие исследования подтвердят это заключение, то кварки являются серьёзными претендентами на роль истинно Э. ч. для адронной формы материи. До длин ~ 10 -15 см кварки выступают как точечные бесструктурные образования. Число известных видов кварков невелико. В дальнейшем оно может, конечно, измениться: нельзя поручиться за то, что при более высоких энергиях не будут обнаружены адроны с новыми квантовыми числами, обязанные своим существованием новым типам кварков. Обнаружение Y -мезонов подтверждает эту точку зрения. Но вполне возможно, что увеличение числа кварков будет небольшим, что общие принципы накладывают ограничения на полное число кварков, хотя эти ограничения пока неизвестны. Бесструктурность кварков также, возможно, отражает лишь достигнутый уровень исследования этих материальных образований. Однако ряд специфических особенностей кварков даёт некоторые основания предполагать, что кварки являются частицами, замыкающими цепь структурных составляющих материи.

От всех других Э. ч. кварки отличаются тем, что в свободном состоянии они пока не наблюдались, хотя имеются свидетельства их существования в связанном состоянии. Одной из причин ненаблюдения кварков может быть их очень большая масса, что препятствует их рождению при энергиях современных ускорителей. Не исключено, однако, что кварки принципиально, в силу специфики их взаимодействия, не могут находиться в свободном состоянии. Существуют доводы теоретического и экспериментального характера в пользу того, что силы, действующие между кварками, не ослабляются с расстоянием. Это означает, что для отделения кварков друг от друга требуется бесконечно большая энергия, или, иначе, возникновение кварков в свободном состоянии невозможно. Невозможность выделить кварки в свободном состоянии делает их совершенно новым типом структурных единиц вещества. Неясно, например, можно ли ставить вопрос о составных частях кварков, если сами кварки нельзя наблюдать в свободном состоянии. Возможно, что в этих условиях части кварков физически вообще не проявляются и поэтому кварки выступают как последняя ступень дробления адронной материи.

Элементарные частицы и квантовая теория поля.

Для описания свойств и взаимодействий Э. ч. в современной теории существенное значение имеет понятие физ. поля, которое ставится в соответствие каждой частице. Поле есть специфическая форма материи; оно описывается функцией, задаваемой во всех точках (х )пространства-времени и обладающей определёнными трансформационными свойствами по отношению к преобразованиям группы Лоренца (скаляр, спинор, вектор и т. д.) и групп "внутренних" симметрий (изотопический скаляр, изотопический спинор и т. д.). Электромагнитное поле, обладающее свойствами четырёхмерного вектора А m (х) (m = 1, 2, 3, 4), - исторически первый пример физического поля. Поля, сопоставляемые с Э. ч., имеют квантовую природу, т. е. их энергия и импульс слагаются из множества отд. порций - квантов, причём энергия E k и импульс p k кванта связаны соотношением специальной теории относительности: E k 2 = p k 2 c 2 + m 2 c 2 . Каждый такой квант и есть Э. ч. с заданной энергией E k , импульсом p k и массой т. Квантами электромагнитного поля являются фотоны, кванты других полей соответствуют всем остальным известным Э. ч. Поле, т. о., есть физическое отражение существования бесконечной совокупности частиц - квантов. Специальный математический аппарат квантовой теории поля позволяет описать рождение и уничтожение частицы в каждой точке х.

Трансформационные свойства поля определяют все квантовые числа Э. ч. Трансформационные свойства по отношению к преобразованиям пространства-времени (группе Лоренца) задают спин частиц. Так, скаляру соответствует спин 0, спинору - спин 1 / 2 , вектору - спин 1 и т. д. Существование таких квантовых чисел, как L, В, 1, Y, Ch и для кварков и глюонов "цвет", следует из трансформационных свойств полей по отношению к преобразованиям "внутренних пространств" ("зарядового пространства", "изотопического пространства", "унитарного пространства" и т. д.). Существование "цвета" у кварков, в частности, связывается с особым "цветным" унитарным пространством. Введение "внутренних пространств" в аппарате теории - пока чисто формальный приём, который, однако, может служить указанием на то, что размерность физического пространства-времени, отражающаяся в свойствах Э. ч., реально больше четырёх - размерности пространства-времени, характерной для всех макроскопических физических процессов. Масса Э. ч. не связана непосредственно с трансформационными свойствами полей; это дополнительная их характеристика.

Для описания процессов, происходящих с Э. ч., необходимо знать, как различные физические поля связаны друг с другом, т. е. знать динамику полей. В современном аппарате квантовой теории поля сведения о динамике полей заключены в особой величине, выражающейся через поля - лагранжиане (точнее, плотности лагранжиана) L. Знание L позволяет в принципе рассчитывать вероятности переходов от одной совокупности частиц к другой под влиянием различных взаимодействий. Эти вероятности даются т. н. матрицей рассеяния (В. Гейзенберг, 1943), выражающейся через L. Лагранжиан L состоит из лагранжиана L вз, описывающего поведение свободных полей, и лагранжиана взаимодействия L вз, построенного из полей разных частиц и отражающего возможность их взаимопревращений. Знание L вз является определяющим для описания процессов с Э. ч.

Вид L вз однозначно определяется трансформационными свойствами полей относительной группы Лоренца и требованием инвариантности относительно этой группы (релятивистская инвариантность). В течение длительного времени не были, однако, известны критерии для нахождения L вз (за исключением электромагнитных взаимодействий), а сведения о взаимодействиях Э. ч., полученные из эксперимента, в большинстве случаев не позволяли осуществить надёжный выбор между различными возможностями. В этих условиях широкое распространение получил феноменологический подход к описанию взаимодействий, основанный либо на выборе простейших форм L вз, ведущих к наблюдаемым процессам, либо на прямом изучении характерных свойств элементов матрицы рассеяния. На этом пути был достигнут значительный успех в описании процессов с Э. ч. для различных выделенных областей энергий. Однако многие параметры теории заимствовались из эксперимента, а сам подход не мог претендовать на универсальность.

В период 50-70-х гг. был достигнут значительный прогресс в понимании структуры L вз, который позволил существенно уточнить его форму для сильных и слабых взаимодействий. Решающую роль в этом продвижении сыграло выяснение тесной связи между свойствами симметрии взаимодействий Э. ч. и формой L вз.

Симметрия взаимодействий Э. ч. находит своё отражение в существовании законов сохранения определённых физических величин и, следовательно, в сохранении связанных с ними квантовых чисел Э. ч. (см. Сохранения законы). Точная симметрия, имеющая место для всех классов взаимодействий, отвечает наличию у Э. ч. точных квантовых чисел; приближённая симметрия, характерная лишь для некоторых классов взаимодействий (сильных, электромагнитных), приводит к неточным квантовым числам. Отмечавшееся выше различие классов взаимодействий в отношении сохранения квантовых чисел Э. ч. отражает различия в свойствах их симметрии.

Известная форма L вз эл. м. для электромагнитных взаимодействий есть следствие существования очевидной симметрии лагранжиана L относительно умножения комплексных полей j заряженных частиц, входящих в него в комбинациях типа j*j (здесь * означает комплексное сопряжение), на множитель e ia , где a - произвольное действительное число. Эта симметрия, с одной стороны, порождает закон сохранения электрического заряда, с другой стороны, если требовать выполнения симметрии при условии, что a произвольно зависит от точки х пространства-времени, однозначно приводит к лагранжиану взаимодействия:

L вз эл. м. = j m эл. м. (x) A m (x) (1)

где j m эл. м. - четырёхмерный электромагнитный ток (см. Электромагнитные взаимодействия). Как выяснилось, этот результат имеет общее значение. Во всех случаях, когда взаимодействия проявляют "внутреннюю" симметрию, т. е. лагранжиан инвариантен относительно преобразований "внутреннего пространства", а у Э. ч. возникают соответствующие квантовые числа, следует требовать, чтобы инвариантность имела место при любой зависимости параметров преобразования от точки х (т. н. локальная калибровочная инвариантность; Ян Чжэнь-нин, американский физик Р. Миллс, 1954). Физически это требование связано с тем, что взаимодействие не может мгновенно передаваться от точки к точке. Указанное условие удовлетворяется, когда среди полей, входящих в лагранжиан, присутствуют векторные поля (аналоги A m (x)), изменяющиеся при преобразованиях "внутренней" симметрии и взаимодействующие с полями частиц вполне определённым образом, а именно:

L вз = å r=1 n j m r (x) V m r (x), (2)

где j m r (x) - токи, составленные из полей частиц, V m r (x) - векторные поля, называются часто калибровочными полями. Т. о., требование локальности "внутренней" симметрии фиксирует форму L вз и выделяет векторные поля как универсальные переносчики взаимодействий. Свойства векторных полей и их число "n" определяются свойствами группы "внутренней" симметрии. Если симметрия точная, то масса кванта поля V m r равна 0. Для приближенной симметрии масса кванта векторного поля отлична от нуля. Вид тока j m r определяется полями частиц с ненулевыми квантовыми числами, связанными с группой "внутренней" симметрии.

На основании изложенных принципов оказалось возможным подойти к вопросу о взаимодействии кварков в нуклоне. Эксперименты по рассеянию нейтрино и антинейтрино на нуклоне показали, что импульс нуклона лишь частично (примерно на 50%) переносится кварками, а остальная его часть переносится другим видом материи, которая не взаимодействует с нейтрино. Предположительно эта часть материи состоит из частиц, которыми обмениваются кварки и за счёт которых они удерживаются в нуклоне. Эти частицы получили название "глюонов" (от английского glue - клей). С изложенной выше точки зрения на взаимодействия эти частицы естественно считать векторными. В современной теории их существование связывается с симметрией, обусловливающей появление "цвета" у кварков. Если эта симметрия точная (цветная SU (3)-симметрия), то глюоны - безмассовые частицы и их число равно восьми (американский физик И. Намбу, 1966). Взаимодействие кварков с глюонами даётся L вз со структурой (2), где ток j m r составлен из полей кварков. Имеется и основание предполагать, что взаимодействие кварков, обусловленное обменом безмассовыми глюонами, приводит к силам между кварками, не убывающим с расстоянием, но строго это не доказано.

Принципиально знание взаимодействия между кварками могло бы явиться основой для описания взаимодействия всех адронов между собой, т. е. всех сильных взаимодействий. Это направление в физике адронов быстро развивается.

Использование принципа определяющей роли симметрии (в т. ч. приближённой) в формировании структуры взаимодействия позволило также продвинуться в понимании природы лагранжиана слабых взаимодействий. Одновременно была вскрыта глубокая внутренняя связь слабых и электромагнитных взаимодействий. В указанном подходе наличие пар лептонов с одинаковым лептонным зарядом: е - , v e и m - , v m , но различными массами и электрическими зарядами расценивается не как случайное, а как отражающее существование нарушенной симметрии типа изотонической (группа SU (2)). Применение принципа локальности к этой "внутренней" симметрии приводит к характерному лагранжиану (2), в котором одновременно возникают члены, ответственные за электромагнитное и слабое взаимодействия (американский физик С. Вайнберг, 1967; А. Салам, 1968):

L вз = j m эл. м. + A m + j m сл. з. W m + + j m сл. з. W m - + j m сл. н. Z m 0 (3)

Здесь j m сл. з. , j m сл. н. - заряженный и нейтральный токи слабых взаимодействий, построенные из полей лептонов, W m + , W m - , Z m 0 - поля массивных (из-за нарушенности симметрии) векторных частиц, которые в этой схеме являются переносчиками слабых взаимодействий (т. н. промежуточные бозоны), A m - поле фотона. Идея существования заряженного промежуточного бозона была выдвинута давно (Х. Юкава, 1935). Важно, однако, что в данной модели единой теории электрон магнитного и слабого взаимодействий заряженный промежуточный бозон появляется на равной основе с фотоном и нейтральным промежуточным бозоном. Процессы слабых взаимодействий, обусловленные нейтральными токами, были обнаружены в 1973, что подтверждает правильность только что изложенного подхода к формулировке динамики слабых взаимодействий. Возможны и другие варианты написания лагранжиана L вз сл с большим числом нейтральных и заряженных промежуточных бозонов; для окончательного выбора лагранжиана экспериментальных данных ещё недостаточно.

Экспериментально промежуточные бозоны пока не обнаружены. Из имеющихся данных массы W ± и Z 0 для модели Вайнберга - Салама оцениваются примерно в 60 и 80 Гэв.

Электромагнитное и слабое взаимодействия кварков можно описать в рамках модели, аналогичной модели Вайнберга - Салама. Рассмотрение на этой основе электромагнитных и слабых взаимодействий адронов даёт хорошее соответствие наблюдаемым данным. Общей проблемой при построении таких моделей является неизвестное пока полное число кварков и лептонов, что не позволяет определить тип исходной симметрии и характер её нарушения. Поэтому очень важны дальнейшие экспериментальные исследования.

Единое происхождение электромагнитных и слабых взаимодействий означает, что в теории исчезает как независимый параметр константа слабых взаимодействий. Единственной константой остаётся электрический заряд е. Подавленность слабых процессов при небольших энергиях объясняется большой массой промежуточных бозонов. При энергиях в системе центра масс, сравнимых с массами промежуточных бозонов, эффекты электромагнитных и слабых взаимодействий должны быть одного порядка. Последние, однако, будут отличаться несохранением ряда квантовых чисел (P, Y, Ch и т. д.).

Имеются попытки рассмотреть на единой основе не только электромагнитные и слабые, но также и сильные взаимодействия. Исходным для таких попыток является предположение об единой природе всех видов взаимодействий Э. ч. (без гравитационного). Наблюдаемые сильные различия между взаимодействиями считаются обусловленными значительным нарушением симметрии. Эти попытки ещё недостаточно разработаны и сталкиваются с серьёзными трудностями, в частности в объяснении различий свойств кварков и лептонов.

Развитие метода получения лагранжиана взаимодействия, основанного на использовании свойств симметрии, явилось важным шагом на пути, ведущем к динамической теории Э. ч. Есть все основания думать, что калибровочные теории поля явятся существенным составным элементом дальнейших теоретических построений.

Заключение

Некоторые общие проблемы теории элементарных частиц. Новейшее развитие физики Э. ч. явно выделяет из всех Э. ч. группу частиц, которые существенным образом определяют специфику процессов микромира. Эти частицы - возможные кандидаты на роль истинно Э. ч. К их числу принадлежат: частицы со спином 1 / 2 - лептоны и кварки, а также частицы со спином 1 - глюоны, фотон, массивные промежуточные бозоны, осуществляющие разные виды взаимодействий частиц со спином 1 / 2 . В эту группу скорее всего следует также включить частицу со спином 2 - гравитон; квант гравитационного поля, связывающий все Э. ч. В этой схеме многие вопросы, однако, требуют дальнейшего исследования. Неизвестно, каково полное число лептонов, кварков и различных векторных (с J = 1) частиц и существуют ли физические принципы, определяющие это число. Неясны причины деления частиц со спином 1 / 2 на 2 различные группы: лептоны и кварки. Неясно происхождение внутренних квантовых чисел лептонов и кварков (L, В, 1, Y, Ch) и такой характеристики кварков и глюонов, как "цвет". С какими степенями свободы связаны внутренние квантовые числа? С обычным четырёхмерным пространством-временем связаны только такие характеристики Э. ч., как J и Р. Какой механизм определяет массы истинно Э. ч.? Чем обусловлено наличие у Э. ч. различных классов взаимодействий с различными свойствами симметрии? Эти и другие вопросы предстоит решить будущей теории Э. ч.

Описание взаимодействий Э. ч., как отмечалось, связано с калибровочными теориями поля. Эти теории имеют развитый математический аппарат, который позволяет производить расчёты процессов с Э. ч. (по крайней мере принципиально) на том же уровне строгости, как и в квантовой электродинамике. Но в настоящем своём виде калибровочные теории поля обладают одним серьёзным недостатком, общим с квантовой электродинамикой, - в них в процессе вычислений появляются бессмысленные бесконечно большие выражения. С помощью специального приёма переопределения наблюдаемых величин (массы и заряда) - перенормировки - удаётся устранить бесконечности из окончательных результатов вычислений. В наиболее хорошо изученной электродинамике это пока не сказывается на согласии предсказаний теории с экспериментом. Однако процедура перенормировки- чисто формальный обход трудности, существующей в аппарате теории, которая на каком-то уровне точности должна сказаться на степени согласия расчётов с измерениями.

Появление бесконечностей в вычислениях связано с тем, что в лагранжианах взаимодействий поля разных частиц отнесены к одной точке х, т. е. предполагается, что частицы точечные, а четырёхмерное пространство-время остаётся плоским вплоть до самых малых расстояний. В действительности указанные предположения, по-видимому, неверны по нескольким причинам: а) истинно Э. ч., вероятнее всего, - материальные объекты конечной протяжённости; б) свойства пространства-времени в малом (в масштабах, определяемых т. н. фундаментальной длиной) скорее всего радикально отличны от его макроскопических свойств; в) на самых малых расстояниях (~10 -33 см) сказывается изменение геометрических свойств пространства-времени за счёт гравитации. Возможно, эти причины тесно связаны между собой. Так, именно учёт гравитации наиболее естественно приводит к размерам истинно Э. ч. порядка 10 -33 см, а фундамент, длина l 0 может быть связана с гравитационной постоянной f: " 10 -33 см. Любая из этих причин должна привести к модификации теории и устранению бесконечностей, хотя практическое выполнение этой модификации может быть весьма сложным.

Очень интересным представляется учёт влияния гравитации на малых расстояниях. Гравитационное взаимодействие может не только устранять расходимости в квантовой теории поля, но и обусловливать само существование первообразующих материи (М. А. Марков, 1966). Если плотность вещества истинно Э. ч. достаточно велика, гравитационное притяжение может явиться тем фактором, который определяет устойчивое существование этих материальных образований. Размеры таких образований должны быть ~10 -33 см. В большинстве экспериментов они будут вести себя как точечные объекты, их гравитационное взаимодействие будет ничтожно мало и проявится лишь на самых малых расстояниях, в области, где существенно изменяется геометрия пространства.

Т. о., наметившаяся тенденция к одновременному рассмотрению различных классов взаимодействий Э. ч. скорее всего должна быть логически завершена включением в общую схему гравитационного взаимодействия. Именно на базе одновременного учёта всех видов взаимодействий наиболее вероятно ожидать создания будущей теории Э. ч.

Список используемой литературы

1) Марков М.А. О природе материи. М., 1976

2) Газиорович С. Физика элементарных частиц, пер. с английского, М. 1969

3) Коккедэ Я., Теория кварков, пер. с англ., М., 1971

4) И., Иоффе Б. Л., Окунь Л. Б., Новые элементарные частицы, "Успехи физических наук", 1975, т. 117, в. 2, с. 227

5) Боголюбов Н. Н., Ширков Д. В., Введение в теорию квантованных полей, 3 изд., М., 1976;

6) Новости фундаментальной физики, пер. с англ., М., 1977, с 120-240 .

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ , в узком смысле - частицы, к-рые нельзя считать Состоящими из других частиц. В совр. физике термин "элементарные частицы" используют в более широком смысле: так наз. мельчайшие частицы материи, подчиненные условию, что они не являются и (исключение составляет ); иногда по этой причине элементарные частицы называют субъядерными частицами. Большая часть таких частиц (а их известно более 350) являются составными системами.
Э лементарные частицы участвуют в электромагнитном, слабом, сильном и гравитационном взаимодействиях. Из-за малых масс элементарных частиц их гравитационное взаимод. обычно не учитывается. Все элементарные частицы разделяют на три осн. группы. Первую составляют т. наз. бозоны- переносчики электрослабого взаимодействия. Сюда относится фотон, или квант электромагнитного излучения. Масса покоя фотона равна нулю, поэтому скорость распространения электромагнитных волн в (в т. ч. световых волн) представляет собой предельную скорость распространения физ. воздействия и является одной из фундам. физ. постоянных; принято, что с = (299792458 1,2) м/с.
Вторая группа элементарных частиц - лептоны, участвующие в электромагнитных и слабых взаимодействиях. Известно 6 лептонов: , электронное , мюонное , тяжелый-лептон и соответствующее . (символ е) считается материальным наименьшей массы в природе m с, равной 9,1 x 10 -28 г (в энергетич. единицах 0,511 МэВ) и наименьшего отрицат. электрич. заряда е = 1,6 x 10 -19 Кл. (символ) - частицы с массой ок. 207 масс (105,7 МэВ) и электрич. зарядом, равным заряду ; тяжелый-лептон имеет массу ок. 1,8 ГэВ. Соответствующие этим частицам три типа - электронное (символ v c), мюонное (символ) и-нейтрино (символ) - легкие (возможно, безмассовые) электрически нейтральные частицы.
Все лептоны имеют ( - ), т. е. по статистич. св-вам являются фермионами (см. ).
Каждому из лептонов соответствует , имеющая те же значения массы, и др. характеристик, но отличающаяся знаком электрич. заряда. Существуют (символ е +) - по отношению к , положительно заряженный (символ) и три типа антинейтрино (символ), к-рым приписывают противоположный знак особого квантового числа, наз. лептонным зарядом (см. ниже).
Третья группа элементарных частиц,- адроны, они участвуют в сильном, слабом и электромагнитном взаимодействиях. Адроны представляют собой "тяжелые" частицы с массой, значительно превышающей массу . Это наиб. многочисленная группа элементарных частиц. Адроны делятся на барионы - частицы со мезоны - частицы с целочисленным (О или 1); а также т. наз. резонансы - короткоживущие адронов. К барионам относят (символ р) - ядро с массой, в ~ 1836 раз превышающей m с и равной 1,672648 x 10 -24 г (938,3 МэВ), и положит. электрич. зарядом, равным заряду , а также (символ n) - электрически нейтральная частица, масса к-рой немного превышает массу . Из и построены все , именно сильное взаимод. обусловливает связь этих частиц между собой. В сильном взаимодействии и имеют одинаковые св-ва и рассматриваются как два одной частицы - нуклона с изотопич. (см. ниже). Барионы включают и гипероны - элементарные частицы с массой больше нуклонной:-гиперон имеет массу 1116 МэВ,-гиперон- 1190 МэВ,-гиперон -1320 МэВ,-гиперон- 1670 МэВ. Мезоны имеют массы, промежуточные между массами и (-мезон, K-мезон). Существуют мезоны нейтральные и заряженные (с положит. и отрицат. элементарным электрич. зарядом). Все мезоны по своим сгатистич. св-вам относятся к бозонам.

Основные свойства элементарных частиц. Каждая элементарная частица описывается набором дискретных значений физ. величин (квантовых чисел). Общие характеристики всех элементарных частиц - масса, время жизни, электрич. заряд.
В зависимости от времени жизни элементарные частицы делятся на стабильные, квазистабильные и нестабильные (резонансы). Стабильными (в пределах точности совр. измерений) являются: (время жизни более 5 -10 21 лет), (более 10 31 лет), фотон и . К квазистабильным относятся частицы, распадающиеся вследствие электромагнитного и слабого взаимод., их времена жизни более 10 -20 с. Резонансы распадаются за счет сильного взаимод., их характерные времена жизни 10 -22 -10 -24 с.
Внутренними характеристиками (квантовыми числами) элементарных частиц являются лептонный (символ L) и барионный (символ В)заряды; эти числа считаются строго сохраняющимися величинами для всех типов фундам. взаимод. Для лептонных и их L имеют противоположные знаки; для барионов В = 1, для соответствующих В = -1.
Для адронов характерно наличие особых квантовых чисел: "странности", "очарования", "красоты". Обычные (нестранные) адроны - ,-мезоны. Внутри разных групп адронов имеются семейства частиц, близких по массе и со сходными св-вами по отношению к сильному взаимод., но с разл. значениями электрич. заряда; простейший пример -протон и . Общее квантовое число для таких элементарных частиц - т. наз. изотопич. , принимающий, как и обычный , целые и полуцелые значения. К особым характеристикам адронов относится и внутренняя четность, принимающая значения1.
Важное св-во элементарных частиц - их способность к взаимопревращениям в результате электромагнитных или др. взаимодействий. Один из видов взаимопревращений - т. наз. рождение , или образование одновременно частицы и (в общем случае - образование элементарных частиц с противоположными лептонными или барионными зарядами). Возможны процессы рождения электрон-позитронных е - е + , мюонных новых тяжелых частиц при столкновениях лептонов, образование из кварков cc- и bb-состояний (см. ниже). Другой вид взаимопревращений элементарных частиц - аннигиляция при столкновениях частиц с образованием конечного числа фотонов (квантов). Обычно образуются 2 фотона при нулевом суммарном сталкивающихся частиц и 3 фотона - при суммарном , равном 1 (проявление закона сохранения зарядовой четности).
При определенных условиях, в частности при невысокой скорости сталкивающихся частиц, возможно образование связанной системы - е - е + и Эти нестабильные системы, часто наз. , их время жизни в в-ве в большой степени зависит от св-в в-ва, что позволяет использовать для изучения структуры конденсир. в-ва и кинетики быстрых хим. р-ций (см. , ).

Кварковая модель адронов. Детальное рассмотрение квантовых чисел адронов с целью их позволило сделать вывод о том, что странные адроны и обычные адроны в совокупности образуют объединения частиц с близкими св-вами, названные унитарными мультиплетами. Числа входящих в них частиц равны 8 (октет) и 10 (декуплет). Частицы, входящие в состав унитарного мультиплета, имеют одинаковые и внутр. четность, но различаются значениями электрич. заряда (частицы изотопич. мультиплета) и странности. С унитарными группами связаны св-ва , их обнаружение явилось основой для вывода о существовании особых структурных единиц, из к-рых построены адроны,-кварков. Считают, что адроны представляют собой комбинации 3 фундам. частиц со 1 / 2: и-кварков, d-кварков и s-кварков. Так, мезоны составлены из кварка и антикварка, барионы - из 3 кварков.
Допущение, что адроны составлены из 3 кварков, было сделано в 1964 (Дж. Цвейг и независимо от него М. Гелл-Ман). В дальнейшем в модель строения адронов (в частности, для того чтобы не возникало противоречия с ) были включены еще 2 кварка - "очарованный" (с) и "красивый" (b), а также введены особые характеристики кварков - "аромат" и "цвет". Кварки, выступающие как составные части адронов, в свободном состоянии не наблюдались. Все многообразие адронов обусловлено разл. сочетаниями и-, d-, s-, с- и b-кварков, образующих связные состояния. Обычным адронам ( ,-мезонам) соответствуют связные состояния, построенные из и- и d-кварков. Наличие в адроне наряду с и- и d-кварками одного s-, с- или b-кварка означает, что соответствующий адрон - "странный", "очарованный" или "красивый".
Кварковая модель строения адронов подтвердилась в результате экспериментов, проведенных в кон. 60-х - нач.
70-х гг. 20 в. Кварки фактически стали рассматриваться как новые элементарные частицы- истинно элементарные частицы для адронной формы материи. Ненаблюдаемость свободных кварков, по-видимому, носит принципиальный характер и дает предполагать, что они являются теми элементарными частицами, к-рые замыкают цепь структурных составляющих в-ва. Существуют теоретич. и эксперим. доводы в пользу того, что силы, действующие между кварками, не ослабевают с расстоянием, т. е. для отделения кварков друг от друга требуется бесконечно большая энергия или, иначе говоря, возникновение кварков в свободном состоянии невозможно. Это делает их совершенно новым типом структурных единиц в-ва. Возможно, что кварки выступают как последняя ступень материи.

Краткие исторические сведения. Первой открытой элементарной частицей был - отрицат. электрич. заряда в обоих знаков электрич. заряда (К. Андерсон и С. Неддермейер, 1936), и К-мезоны (группа С. Пауэлла, 1947; существование подобных частиц было предположено X. Юкавой в 1935). В кон. 40-х - нач. 50-х гг. были обнаружены "странные" частицы. Первые частицы этой группы - К + - и К - -мезоны, Л-гипероны - были зафиксированы также в космич. лучах.
С нач. 50-х гг. ускорители превратились в осн. инструмент исследования элементарных частиц. Были открыты антипротон (1955), антинейтрон (1956), анти--гиперон (1960), а в 1964 - самый тяжелый W -гиперон. В 1960-х гг. на ускорителях обнаружили большое число крайне неустойчивых резонансов. В 1962 выяснилось, что существуют два разных : электронное и мюонное. В 1974 обнаружены массивные (в 3-4 протонные массы) и в то же время относительно устойчивые (по сравнению с обычными резонансами) частицы, к-рые оказались тесно связанными с новым семейством элементарных частиц - "очарованных", их первые представители открыты в 1976. В 1975 обнаружен тяжелый аналог и --лептон, в 1977 - частицы с массой порядка десяти протонных масс, в 1981 - "красивые" частицы. В 1983 открыты самые тяжелые из известных элементарных частиц - бозоны (масса80 ГэВ) и Z° (91 ГэВ).
Т. обр., за годы, прошедшие после открытия , выявлено огромное число разнообразных микрочастиц. Мир элементарных частиц оказался сложно устроенным, а их св-ва во многих отношениях неожиданными.

Лит.: Коккедэ Я., Теория кварков, [пер. с англ.], М., 1971; Марков М. А., О природе материи, М., 1976; Окунь Л.Б., Лептоны и кварки, 2 изд., М., 1990.

Элементарные частицы – мельчайшие известные частицы физической материи, которые в известной мере можно считать некими «кирпичиками» мироздания на современном уровне познания материи. В узком смысле слова элементарными можно назвать частицы, у которых внутренняя структура никогда не наблюдалась. К ним относятся, например, электрон и фотон. Подавляющее большинство элементарных частиц (мезоны, барионы) обладают внутренней структурой.

История открытия элементарных частиц занимает одно столетие. В 20-е гг. XX в. теория элементарных частиц была предельно проста. Были известны две частицы – электрон и протон, а также два типа взаимодействий – гравитационное и электоромагнитное. На их основе объяснялись все явления природы.

Можно выделить два основных потока открытий новых элементарных частиц. Первый приходится на 30 – 50-е гг. ХХ в., когда, прежде всего, были найдены нейтрон и позитрон. Позитрон – античастица по отношению к электрону; он подобен электрону во всем, но обладает положительным, а не отрицательным зарядом. При соударении электрона с позитроном, как и при соударении любой частицы с соответствующей ей античастицей, может произойти их аннигиляция, т.е. взаимное уничтожение частиц, сопровождающееся рождением новых микрочастиц и выделением энергии. Так, электрон при взаимодействии с позитроном дают два фотона.

Далее было обнаружено нейтрино. Сейчас известно несколько разновидностей нейтрино. В 1937 г. был открыт первый мезон. Он имеет отношение к ядерным взаимодействиям. К 1960 г. теория охватывала 32 элементарные частицы, причем каждая новая частица была связана с открытием принципиально нового круга физических явлений. Второй поток открытий элементарных частиц пришелся на 1960 – 1965 гг. К концу этого периода число частиц превысило 200. К концу 1990-х гг. число открытых частиц и античастиц приблизилось к 400.

Характеристиками субатомных частиц являются масса, электрический заряд, спин, время жизни, магнитный момент, пространственная четность и др. Само понятие элементарности потеряло смысл, поскольку не существует критерия элементарности. Стабильных (не самораспадающихся) элементарных частиц всего четыре*: электрон, протон, фотон и все виды нейтрино. На основе этих частиц невозможно построить все остальные, обладающие способностью самопроизвольно распадаться. Среди таких частиц дольше всех живет свободный нейтрон (17 мин), меньше всех – нейтральный π-мезон (10 -16 с). Однако принципа классификации, основанного на различиях частиц во времени их жизни, установить не удалось.

Важным классифицирующим признаком объектов микромира является их способность участвовать в сильном взаимодействии. Частицы участвующие в сильном взаимодействии называются адронами , частиц, участвующие в слабом взаимодействии и не участвующие в сильном, называются лептонами . Кроме этого, существуют частицы – переносчики взаимодействий .

К лептонам относят электрон, мюон, тау-лептон, три вида нейтрино и соответствующие им античастицы. Таким образом, общее число лептонов равно двенадцати. Нейтрино, открытые в 60-х гг. ХХ в., являются наиболее распространенными частицами во Вселенной. Вселенную можно представить безбрежным нейтринным морем, в котором изредка встречаются острова в виде атомов. Не участвуя ни в сильном, ни в электромагнитном взаимодействиях, они проникают через вещество, как будто его нет вообще. Поэтому изучить их очень сложно. Мюон – одна из первых известных нестабильных субатомных частиц, открытая в 1936 г. Во всех отношениях напоминает электрон: имеет тот же заряд и спин, участвует в тех же взаимодействиях, но имеет большую массу и нестабилен (примерно за две миллионные доли секунды распадается на электрон и два нейтрино). Тау-лептон – также является заряженной частицей. Он был открыт в 70-х гг. ХХ в. и отличается очень большой массой – 3500 масс электрона.

Число адронов насчитывает несколько сотен, все они, за исключением нейтрона и протона, являются короткоживущими и быстро распадаются. Нестабильность адронов и их большое разнообразие указывают на то, что они не являются элементарными объектами, а построены из более мелких частиц – кварков . Большинство адронов открыто в 50 – 60-х гг. ХХ в. Адроны участвуют в сильном, слабом и электромагнитном взаимодействиях.

Если лептоны и адроны представляют собой строительный материал вещества, то существуют еще частицы, обеспечивающие четыре взаимодействия, которые являются своего рода «клеем», не позволяющим миру распадаться на части. Переносчиками электромагнитного взаимодействия является фотон, сильного взаимодействия – глюоны (связывающие кварки внутри протона), слабого взаимодейтсвия – W + , W - , Z º -бозоны (характеризуются большой массой покоя и короткой продолжительностью жизни – всего 10 -26 с). Высказывается мнение о существовании и переносчика гравитационного поля – гравитонов. По расчетам ученых они должны, подобно фотонам, иметь нулевую массу покоя и двигаться со скоростью света. Однако если у фотона спин равен 1 и при электромагнитном взаимодействии одноименно заряженные частицы отталкиваются, то спин гравитона равен 2. Это позволяет всем частицам притягиваться друг к другу. Поскольку гравитационное взаимодействие очень слабое, непосредственно зафиксировать гравитоны в эксперименте до сих пор не удалось.

В настоящее время обнаружены, так называемые, античастицы, имеющие заряд противоположный частицам (позитрон, антипротон и др.). Так, в 1932 г. позитроны были обнаружены в космических лучах*. Антипротоны, рожденные в столкновениях с ядрами медной мишени, были обнаружены в 1955 г. на новом ускорителе в Беркли. В 1956 г. был открыт антинейтрон. Если электрон от позитрона и протон от антипротона отличаются, прежде всего, знаком зарядов, то чем различаются нейтрон и антинейтрон? Нейтрон не имеет электрического заряда, но имеет связанное с ним магнитное поле. Причина этого не совсем ясна, хотя установлено, что магнитное поле нейтрона ориентировано в одном направлении, а магнитное поле антинейтрона – в противоположном.

Кроме различий в заряде античастицы имеют и другие фундаментальные свойства по сравнению с частицами. Так, при переходе от мира к антимиру меняются местами «право» и «лево», время в антимире течет от будущего к прошлому, а не от прошлого к будущему, как в мире. В отличие от частиц, являющихся кирпичиками нашего мира, античастицы – лишь гости, появляющиеся на мгновение в этом мире. При встрече античастиц с частицами происходит взрыв, в результате которого они взаимно уничтожаются, выделяя при этом огромное количество энергии. На основании многочисленных наблюдений за античастицами и изучения их поведения в нашем мире некоторые ученые пришли к мысли о существовании целого антимира, который подобен нашему миру и сосуществует с ним, но отличается противоположным по отношению к нему знаком.

Одним из ведущих разработчиков этой теории явился эстонский академик Г. Наан. Главным моментом ее является положение о том, что обе половинки Вселенной – мир и антимир – возникают, в конечном счете, из абсолютного вакуума. Он писал: «Утверждение о возможности возникновения из ничего (пустоты, вакуума) при строгом соблюдении законов сохранения должно казаться предельно парадоксальным. Ведь смысл законов сохранения в том-то и состоит, что из ничего ничего не возникает, ничто не может породить нечто. Развиваемая здесь гипотеза ни в коей мере не оспаривает этого положения. Ничто действительно не может породить (одно лишь) нечто, но оно порождает что-то большее – нечто и антинечто одновременно! В основе предлагаемой здесь гипотезы лежит, в конечном счете, тот элементарный факт, что равенство (-1)+(+1)=0 может быть прочитано и наоборот, справа налево: 0=(-1)+(+1). Последнее равенство выражает уже не только космологию, но и космогонию. Исходным «строительным материалом Вселенной» является пустота, вакуум. В среднем, суммарно, симметричная Вселенная состоит из одной лишь пустоты. Поэтому она может возникать из пустоты при строгом соблюдении всех законов сохранения». «Тождественно равны нулю все пространственно-временные интервалы и координаты. Симметричная Вселенная такова, что она в среднем ничего не содержит, даже пространства и времени». На примере теории Г. Наана хорошо прослеживается универсальность принципа симметрии, котором будет говориться в следующем параграфе.

Откуда же берутся в нашей Вселенной элементарные частицы и античастицы. Ученые предполагают, что из физического вакуума. Физический вакуум – это вовсе не «абсолютное ничто», а реальная физическая система, например, электромагнитное поле в одном из своих состояний. Более того, согласно квантовой теории поля, из вакуумного состояния можно получить все другие состояния поля и элементарные частицы. Физика имеет дело с определенными видами и состояниями материи, а не с материей как таковой. Аналогично и в физических исследованиях имеют дело не с «абсолютной пустотой» как полным отсутствием материи и материального, а с «относительной пустотой», под которой следует понимать отсутствие некоторых классов материальных объектов и их характеристик.

Вакуум можно определить как поле с минимальной энергией. Но это не означает, что в нем вообще ничего нет. В физическом вакууме постоянно протекают сложнейшие физические процессы, например, рождение и гибель виртуальных частиц, особого рода вакуумные колебания электромагнитного поля, не вырывающиеся из него и не распространяющиеся. Однако, в определенные промежутки виртуальные частицы могут превращаться в реальные частицы.

Симметрия и принципы инвариантности в физике

Слово «симметрия» («symmetria») имеет греческое происхождение и означает «соразмерность». В повседневном языке под симметрией понимают чаще всего упорядоченность, гармонию, соразмерность. Гармоничная согласованность частей и целого является главным источником эстетической ценности симметрии. Кристаллы издавна восхищали нас своим совершенством, строгой симметричностью форм. Симметричные мозаики, фрески, архитектурные ансамбли будят в людях чувство прекрасного, музыкальные и поэтические произведения вызывают восхищение именно своей гармоничностью. Таким образом, можно говорить о принадлежности симметрии к категории прекрасного.

Научное определение симметрии принадлежит крупному немецкому математику Герману Вейлю (1885 – 1955), который в своей замечательной книге «Симметрия» проанализировал переход от простого чувственного восприятия симметрии к ее научному пониманию. Согласно Г. Вейлю, под симметрией следует понимать инвариантность (неизменность) свойств какого-либо объекта при определенного рода преобразованиях. Можно сказать, что симметрия есть совокупность инвариантных свойств объекта. Например, кристалл может совмещаться с самим собой при определенных поворотах, отражениях, смещениях. Многие животные обладают приближенной зеркальной симметрией при отражении левой половины тела в правую и наоборот. Однако подчиняться законам симметрии может не только материальный, но и, к примеру, математический объект. Можно говорить об инвариантности функции, уравнения при тех или иных преобразованиях системы координат. Это в свою очередь позволяет применять категорию симметрии к законам физики. Так симметрия входит в математику и физику, где она также служит источником красоты и изящества.

Постепенно физика открывает все новые виды симметрии законов природы: если вначале рассматривались лишь пространственно-временные (геометрические) виды симметрии, то в дальнейшем были открыты ее негеометрические виды (перестановочная, калибровочная, унитарная и др.). Последние относятся к законам взаимодействий, и их объединяют общим названием «динамическая симметрия».

Принципы инвариантности играют очень важную роль в современной физике: с их помощью обоснованы старые и предсказаны новые законы сохранения, облегчено решение многих фундаментальных и прикладных задач и, что особенно важно, удалось добиться первых успехов на пути объединения фундаментальных взаимодействий (теории электрослабого взаимодействия и Великого объединения). Эти принципы обладают большой общностью. Выдающийся американский физик-теоретик Ю. Вигнер отметил, что эти принципы относятся к законам природы так же, как законы природы относятся к явлениям, т.е. симметрия «управляет» законами, а законы «управляют» явлениями. Если бы не было, например, инвариантности законов природы относительно смещений в пространстве и времени, то вряд ли наука вообще смогла бы устанавливать эти законы.