Сейчас известно примерно 400 элементарных частиц. Некоторые из них «живут» очень короткое время, быстро превращаясь в другие частицы, успевая за время своего существования пролетать расстояния, равные радиусу атомного ядра (10 -12 - 10 -13 см). Минимальное время, доступное экспериментальному измерению, характеризуется величиной примерно 10 -26 с. Некоторые элементарные частицы оказались неожиданно тяжелыми - даже тяжелее отдельных атомов.
Современные физики уделяют много внимания систематизации элементарных частиц, раскрытию внутреннего единства как между ними, так и между соответствующими им фундаментальными видами взаимодействия - сильным, слабым, электромагнитным и гравитационным.
Интенсивность слабого взаимодействия на 10-11 порядков (в 10 10 -10 11 раз) меньше интенсивности ядерных сил. Поэтому его и назвали слабым, радиус его действия менее 10 -15 см. Электромагнитное же взаимодействие на расстояниях, соизмеримых с радиусом действия ядерных сил, слабее их лишь в 10 2 -10 3 раз. Самым же слабым на этих расстояниях оказывается гравитационное взаимодействие, интенсивность которого на много порядков ниже слабого взаимодействия.
Даже слабое взаимодействие на много порядков превышает гравитационное взаимодействие. А сила кулоновского, электрического отталкивания двух электронов в 10 42 раз больше величины их гравитационного притяжения. Если представить, что электромагнитные силы, «притягивающие» электроны к атомному ядру, ослабеют до уровня гравитационных, то атом водорода стал бы больше видимой нами части Вселенной. Гравитационные силы при уменьшении расстояний возрастают очень медленно. Преобладающими они становятся лишь в фантастически малых интервалах меньше 10 -32 см, которые остаются пока еще недоступными для экспериментального исследования. С помощью эксперимента сейчас удается «просматривать» расстояния, близкие к 10 -16 см.
Указанные четыре вида фундаментальных (лежащих в самом фундаменте материи) взаимодействий осуществляются путем обмена соответствующими частицами, служащими своеобразными переносчиками этих взаимодействий. От массы частиц зависит радиус действия сил. Электромагнитное взаимодействие переносят фотоны (масса покоя равна нулю), гравитационное - гравитоны (пока гипотетические, экспериментально не установленные частицы, масса которых тоже должна быть нулевой). Эти два взаимодействия, переносимые безмассовыми частицами, имеют большой, возможно бесконечный радиус действия. Причем только гравитационное взаимодействие порождает притяжение между одинаковыми частицами, остальные три вида взаимодействий обусловливают отталкивание одноименных частиц. Переносчиками сильного взаимодействия, связывающего протоны и нейтроны в атомных ядрах, являются глюоны. Это взаимодействие свойственно тяжелым частицам, получившим название адронов. Слабое взаимодействие переносят векторные бозоны. Это взаимодействие свойственно легким частицам - лептонам (электронам, позитронам и т.п.).
Многообразие микромира предполагает его единство через взаимопревращаемость частиц и полей. Особенно важно превращение «пары» - частицы и античастицы - в частицы другого «сорта». Первым было открыто превращение электрона и позитрона в кванты электромагнитного поля - фотоны и обратный процесс «порождения» пар из фотонов, обладающих достаточно большой энергией.
В настоящее время разработка проблемы систематизации элементарных частиц связана с идеей существования кварков - частиц с дробным электрическим зарядом. Сейчас их считают «самыми элементарными» в том смысле, что из них могут быть «построены» все сильно взаимодействующие частицы - адроны. С позиции теории кварков уровень элементарных частиц - это область объектов, состоящих из кварков и антикварков. При этом хотя последние и считаются на данном уровне познания простейшими, самыми элементарными из известных частиц, сами они обладают сложными свойствами - зарядом, «очарованием» («шармом»), «цветом» и другими необычными квантово-физическими свойствами. Как в химии не обойтись без понятий «атом» и «молекула», так и физика элементарных частиц не может обойтись без понятия «кварк».
Таким образом, список адронов - тяжелых частиц, характеризующихся сильным взаимодействием - состоит из трех частицам: кварка, антикварка и связывающего их глюона. Наряду с ними существуют около десяти легких частиц - лептонов (электроны, позитроны, нейтрино и т.п.), - которым соответствует слабое взаимодействие. Известен также фотон - носитель электромагнитного взаимодействия. И по-прежнему гипотетическим, лишь теоретически предсказываемым, остается гравитон, с которым связывается гравитационное взаимодействие. О внутренней структуре лептонов, фотона и гравитона пока ничего не известно. Сейчас уже существует более или менее конкретная идея синтеза, взаимосвязи слабого, сильного и электромагнитного видов взаимодействия. Обнаруживается возможность объяснения их взаимосвязи и с гравитационным взаимодействием. Все это свидетельствует о постепенной реализации в действительность принципиально ничем не ограниченной возможности теоретического мышления в познании единства мира, остающегося в рамках единства бесконечно многообразным в своих проявлениях.
Литература к главе 10
Барашенков В. С. Существуют ли границы науки: количественная и качественная неисчерпаемость материального мира. - М., 1982.
Гейзенберг В. Физика и философия: Часть и целое. - М., 1989.
Зельдович Я.Б., Хлопов М.Ю. Драма идей в познании природы: Частицы, поля, заряды. - М., 1988.
Марков М.А. О природе материи. - М., 1976.
Пахомов Б.Я. Становление современной физической картины мира. -М., 1985.
Сачков Ю.В. Введение в вероятностный мир. - М., 1971.
ГЛАВА 11
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.
2)
3) Основные свойства элементарных частиц. Классы взаимодействий.
4)
5)
а) Унитарная симметрия.
б) Кварковая модель адронов
6)
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 .
Федеральное государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Экономический факультет
Элементарные частицы.
Их классификация и основные свойства.
Выполнила
студентка 1 курса 11 группы
Бубликова Екатерина
Ростов– на–Дону – 2009
Введение. Мир элементарных частиц.
Гравитация.
Электромагнитное взаимодействие.
Слабое взаимодействие.
Сильное взаимодействие.
Фундаментальные физические взаимодействия.
Характеристики субатомных частиц.
История открытия элементарных частиц.
Классификация элементарных частиц.
2.5. Теория кварков.
2.6. Частицы – переносчики взаимодействий.
3. Теории элементарных частиц.
3.1. Квантовая электродинамика.
3.2. Теория электрослабого взаимодействия.
3.3. Квантовая хромодинамика.
3.4. На пути к… Великому объединению.
Список использованной литературы.
Мир элементарных частиц.
В середине и второй половине ХХ века в тех разделах физики, которые заняты изучением фундаментальной структуры материи, были получены поистине удивительные результаты. Прежде всего это проявилось в открытии целого множества новых субатомных частиц. Их обычно называют элементарными частицами, но далеко не все из них действительно элементарны. Элементарные частицы в точном значении этого термина - первичные, далее неразложимые частицы, из которых, по предположению, состоит вся материя, но многие из них в свою очередь состоят из еще более элементарных частичек.
Мир субатомных частиц поистине многообразен. В настоящее время известно более 350 элементарных частиц. К ним относятся протоны и нейтроны, составляющие атомные ядра, а также обращающиеся вокруг ядер электроны. Но есть и такие частицы, которые в окружающем нас веществе практически не встречаются. Если среднее время жизни нейтрона, находящегося вне атомного ядра, составляет 15 минут, то время жизни таких короткоживущих частиц чрезвычайно мало, оно составляет мельчайшие доли секунды. По истечении этого чрезвычайно короткого времени они распадаются на обычные частицы. Таких нестабильных короткоживущих частиц поразительно много: их известно уже несколько сотен. Однако нельзя считать, что нестабильные элементарные частицы «состоят» из стабильных хотя бы потому, что одна и та же частица может распадаться несколькими способами на различные элементарные частицы.
Каждая элементарная частица (за исключением абсолютно нейтральных частиц) имеет свою античастицу.
Cуществование элементарных частиц физики обнаружили при изучении ядерных процессов, поэтому вплоть до середины XX века физика элементарных частиц была разделом ядерной физики. В настоящее время физика элементарных частиц и ядерная физика являются близкими, но самостоятельными разделами физики, объединенными общностью многих рассматриваемых проблем и применяемыми методами исследования. Главная задача физики элементарных частиц - это исследование природы, свойств и взаимных превращений элементарных частиц.
В 60-70-е годы физики были совершенно сбиты с толку многочисленностью, разнообразием и необычностью вновь открытых субатомных частиц. Казалось, им не будет конца. Совершенно непонятно, для чего столько частиц. Являются ли эти элементарные частицы хаотическими и случайными осколками материи? Или, возможно, они таят в себе ключ к познанию структуры Вселенной? Развитие физики в последующие десятилетия показало, что в существовании такой структуры нет никаких сомнений. В конце ХХ века физика начинает понимать, каково значение каждой из элементарных частиц.
Миру субатомных частиц присущ глубокий и рациональный порядок. В основе этого порядка - фундаментальные физические взаимодействия.
1.Фундаментальные физические взаимодействия.
В свой повседневной жизни человек сталкивается с множеством сил, действующих на тела. Здесь и сила ветра или набегающего потока воды, давление воздуха, мощный выброс взрывающихся химических веществ, мускульная сила человека, вес тяжелых объектов, давление квантов света, притяжение и отталкивание электрических зарядов, сейсмические волны, вызывающие подчас катастрофические разрушения, и вулканические извержения, приводившие к гибели цивилизации, и т. д. Одни силы действуют непосредственно при контакте с телом, другие, например, гравитация, действуют на расстоянии, через пространство. Но, как выяснилось в результате развития теоретического естествознания, несмотря на столь большое разнообразие, все действующие в природе силы можно свести всего лишь к четырем фундаментальным взаимодействиям: гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное. Именно эти взаимодействия в конечном счете отвечают за все изменения в мире, именно они являются источником всех преобразований тел и процессов. Элементарные частицы разделяются на группы по способностям к различным видам фундаментальных взаимодействий. Изучение свойств фундаментальных взаимодействий составляет главную задачу современной физики.
1.1. Гравитация.
В истории физики гравитация (тяготение) стала первым из четырех фундаментальных взаимодействий предметом научного исследования. После появления в ХVII в. ньютоновской теории гравитации - закона всемирного тяготения - удалось впервые осознать истинную роль гравитации как силы природы. Гравитация обладает рядом особенностей, отличающих ее от других фундаментальных взаимодействий.
Наиболее удивительной особенностью гравитации является ее малая интенсивность. Величина гравитационного взаимодействия между компонентами атома водорода составляет 10n, где n = -39, от силы взаимодействия электрических зарядов. Может показаться удивительным, что мы вообще ощущаем гравитацию, коль скоро она так слаба. Как она может оказаться господствующей силой во Вселенной?
Все дело во второй удивительной черте гравитации - ее универсальности. Ничто во Вселенной не избавлено от гравитации. Каждая частица испытывает на себе действие гравитации и сама является источником гравитации. Поскольку каждая частица вещества вызывает гравитационное притяжение, гравитация возрастает по мере образования все больших скоплений вещества. Мы ощущаем гравитацию в повседневной жизни потому, что все атомы Земли сообща притягивают нас. И хотя действие гравитационного притяжения одного атома пренебрежимо мало, но результирующая сила притяжения со стороны всех атомов может быть значительной.
Гравитация - дальнодействующая сила природы. Это означает, что, хотя интенсивность гравитационного взаимодействия убывает с расстоянием, оно распространяется в пространстве и может сказываться на весьма удаленных от источника телах. В астрономическом масштабе гравитационное взаимодействие, как правило, играет главную роль. Благодаря дальнодействию гравитация не позволяет Вселенной развалиться на части: она удерживает планеты на орбитах, звезды в галактиках, галактики в скоплениях, скопления в Метагалактике.
Сила гравитации, действующая между частицами, всегда представляет собой силу притяжения: она стремится сблизить частицы. Гравитационное отталкивание никогда еще не наблюдалось (хотя в традициях квазинаучной мифологии есть целая область, которая называется левитация - поиск "фактов" антигравитации). Поскольку энергия, запасенная в любой частице, всегда положительна и наделяет ее положительной массой, частицы под действием гравитации всегда стремятся сблизиться.
Чем является гравитация, неким полем или проявлением искривления пространства-времени, - на этот вопрос пока еще однозначного ответа нет. Существуют разные мнения и концепции физиков на сей счет.
1.2. Электромагнитное взаимодействие.
По величине электрические силы намного превосходят гравитационные. В отличие от слабого гравитационного взаимодействия, электрические силы, действующие между телами обычных размеров, можно легко наблюдать. Электромагнетизм известен людям с незапамятных времен (полярные сияния, вспышки молнии и др.).
В течение долгого времени электрические и магнитные процессы изучались независимо друг от друга. Решающий шаг в познании электромагнетизма сделал в середине XIX века Дж. К. Максвелл, объединивший электричество и магнетизм в единой теории электромагнетизма - первой единой теории поля.
Существование электрона было твердо установлено в 90-e годы прошлого столетия. Ныне известно, что электрический заряд любой частицы вещества всегда кратен фундаментальной единице заряда - своего рода "атому" заряда. Почему это так - чрезвычайно интересный вопрос. Однако не все материальные частицы являются носителями электрического заряда. Например, фотон и нейтрино электрически нейтральны. В этом отношении электричество отличается от гравитации. Все материальные частицы создают гравитационное поле, тогда как с электромагнитным полем связаны только заряженные частицы. Переносчиком электромагнитного взаимодействия между заряженными частицами является электромагнитное поле, или кванты поля - фотоны.
Как и электрические заряды, одноименные магнитные полюса отталкиваются, а разноименные - притягиваются. Однако в отличие от электрических зарядов магнитные полюса встречаются не по отдельности, а только парами - северный полюс и южный полюс. Еще с древнейших времен известны попытки получить посредством разделения магнита лишь один изолированный магнитный полюс - монополь. Но все они заканчивались неудачей. Может быть, существование изолированных магнитных полюсов в природе исключено? Определенного ответа на этот вопрос пока не существует. Некоторые теоретические концепции допускают возможность существования монополя.
Как электрическое и гравитационное взаимодействия, взаимодействие магнитных полюсов подчиняется закону обратных квадратов. Следовательно, электрическая и магнитная силы "дальнодействующие", и их действие ощутимо на больших расстояниях от источника. Так, магнитное поле Земли простирается далеко в космическое пространство. Мощное магнитное поле Солнца заполняет всю Солнечную систему. Существуют и галактические магнитные поля.
Электромагнитное взаимодействие определяет структуру атомов и отвечает за подавляющее большинство физических и химических явлений и процессов. Электромагнитное взаимодействие приводит также к излучению электромагнитных волн.
1.3. Слабое взаимодействие.
К выявлению существования слабого взаимодействия физика продвигалась медленно. Слабое взаимодействие ответственно за распады частиц, и поэтому с его проявлением столкнулись с открытием радиоактивности и исследованием бета-распада.
У бета-распада обнаружилась в высшей степени странная особенность. Исследования приводили к выводу, что в этом распаде нарушается один из фундаментальных законов физики - закон сохранения энергии. Казалось, что в этом распаде часть энергии куда-то исчезала. Чтобы "спасти" закон сохранения энергии, В. Паули предположил, что вместе с электроном при бета - распаде вылетает еще одна частица. Она - нейтральная и обладающая необычайно высокой проникающей способностью, вследствие чего ее не удавалось наблюдать. Э. Ферми назвал частицу-невидимку "нейтрино".
Нейтрино (итал. neutrino, уменьшительное от neutrone - нейтрон), стабильная незаряженная элементарная частица со спином 1/2 и, возможно, нулевой массой. Нейтрино относится к лептонам. Они участвуют только в слабом и гравитационном взаимодействиях и поэтому чрезвычайно слабо взаимодействуют с веществом. Различают электронное нейтрино, всегда выступающее в паре с электроном или позитроном, мюонное нейтрино, выступающее в паре с мюоном, и тау-нейтрино, связанное с тяжелым лептоном. Каждый тип нейтрино имеет свою античастицу, отличающуюся от нейтрино знаком соответствующего лептонного заряда и спиральностью: нейтрино имеют левую спиральность (спин направлен против движения частицы), а антинейтрино - правую (спин - по направлению движения).
Но предсказание и обнаружение нейтрино - это только начало проблемы, ее постановка. Нужно было объяснить природу нейтрино, но здесь оставалось много загадочного. Дело в том, что и электроны и нейтрино испускались нестабильными ядрами. Но было неопровержимо доказано, что внутри ядер таких частиц нет. Как же они возникали? Было высказано предположение, что электроны и нейтрино не существуют в ядре в "готовом виде", а каким-то образом образуются из энергии радиоактивного ядра. Дальнейшие исследования показали, что входящие в состав ядра нейтроны, предоставленные самим себе, через несколько минут распадаются на протон, электрон и нейтрино, т.е. вместо одной частицы появляются три новые. Анализ приводил к выводу, что известные силы не могут вызвать такой распад. Он, видимо, порождался какой-то иной, неизвестной силой. Исследования показали, что этой силе соответствует некоторое слабое взаимодействие.
Оно гораздо слабее электромагнитного, хотя и сильнее гравитационного. Оно распространяется на очень незначительных расстояниях. Радиус слабого взаимодействия очень мал и составляет около 2*10^(-16)см. Слабое взаимодействие прекращается на минимальном расстоянии от источника и потому не может влиять на макроскопические объекты, а ограничивается отдельными субатомными частицами. В слабом взаимодействии участвуют все элементарные частицы, кроме фотона. Оно обусловливает большинство распадов элементарных частиц, взаимодействия нейтрино с веществом и др. Для слабого взаимодействия характерно нарушение четности, странности, «очарования». Единая теория слабого и электромагнитного взаимодействия была создана в конце б0-х годов С. Вайнбергом, Ш. Глэшоу и А. Саламом. Она описывает взаимодействия кварков и лептонов, осуществляемых посредством обмена четырьмя частицами: безмассовыми фотонами (электромагнитное взаимодействие) и тяжелыми промежуточными векторными бозонами - частицами W+, W- и Z°, которые являются переносчиками слабого взаимодействия (экспериментально открыты в 1983 году). Это единое взаимодействие стало называться электрослабым. С момента построения Максвеллом теории электромагнитного поля создание этой теории явилось самым крупным шагом на пути к единству физики.
1.4. Сильное взаимодействие.
Последнее в ряду фундаментальных взаимодействий - сильное взаимодействие, которое является источником огромной энергии. Наиболее характерный пример энергии, высвобождаемой сильным взаимодействием, - это наше Солнце. В недрах Солнца и звезд, начиная с определенного времени, непрерывно протекают термоядерные реакции, вызываемые сильным взаимодействием. Но и человек научился высвобождать сильное взаимодействие: создана водородная бомба, сконструированы и совершенствуются технологии управляемой термоядерной реакции.
К представлению о существовании сильного взаимодействия физика шла в ходе изучения структуры атомного ядра. Какая-то сила должна удерживать протоны в ядре, не позволяя им разлетаться под действием электростатического отталкивания. Гравитация для этого слишком слаба; очевидно, необходимо какое-то новое взаимодействие, причем, более сильное, чем электромагнитное. Впоследствии оно было обнаружено. Выяснилось, что хотя по своей величине сильное взаимодействие существенно превосходит все остальные фундаментальные взаимодействия, но за пределами ядра оно не ощущается. Радиус действия новой силы оказался очень малым. Сильное взаимодействие резко падает на расстоянии от протона или нейтрона, превышающем примерно 10^(-15) м.
Кроме того, выяснилось, что сильное взаимодействие испытывают не все частицы. Его испытывают протоны и нейтроны, но электроны, нейтрино и фотоны не подвластны ему. Это значит, что в сильном взаимодействии участвуют только адроны.
Сильное взаимодействие превосходит электромагнитное примерно в 100 раз. Теоретическое объяснение природы сильного взаимодействия развивалось трудно. Прорыв наметился в начале 60-х годов, когда была предложена кварковая модель. В этой теории нейтроны и протоны рассматриваются не как элементарные частицы, а как составные системы, построенные из кварков. Современной теорией сильного взаимодействия является квантовая хромодинамика.
Таким образом, в фундаментальных физических взаимодействиях четко прослеживается различие сил дальнодействующих и близкодействующих. С одной стороны, имеют место взаимодействия неограниченного радиуса действия (гравитация, электромагнетизм), а с другой - взаимодействия малого радиуса действия (сильное и слабое). Мир физических элементов в целом развертывается в единстве этих двух полярностей и является воплощением единства предельно малого и предельно большого - близкодействия в микромире и дальнодействия во всей Вселенной.
1.5. Проблема единства физики.
Познание есть обобщение действительности, и поэтому цель науки - поиск единства в природе, связывание разрозненных фрагментов знания в единую картину. Для того чтобы создать единую систему, нужно открыть связующее звено между различными отраслями знания, некоторое фундаментальное отношение. Поиск таких связей и отношений - одна из главных задач научного исследования. Всякий раз, когда удается установить такие новые связи, значительно углубляется понимание окружающего мира, формируются новые способы познания, которые указывают путь к не известным ранее явлениям.
Установление глубинных связей между различными областями природы - это одновременно и синтез знания, и метод, направляющий научные исследования по новым, непроторенным дорогам. Выявление Ньютоном связи между притяжением тел в земных условиях и движением планет ознаменовало собой рождение классической механики, на основе которой построена технологическая база современной цивилизации. Установление связи термодинамических свойств газа с хаотическим движением молекул поставило на прочную основу атомно-молекулярную теорию вещества. В середине прошлого столетия Максвелл создал единую электромагнитную теорию, охватившую как электрические, так и магнитные явления. Затем в 20-х годах ХХ века Эйнштейн предпринимал попытки объединить в единой теории электромагнетизм и гравитацию.
Но к середине ХХ века положение в физике радикально изменилось: были открыты два новых фундаментальных взаимодействия - сильное и слабое, т.е. при создании единой физики приходится считаться уже не с двумя, а с четырьмя фундаментальными взаимодействиями. Это несколько охладило пыл тех, кто надеялся на быстрое решение данной проблемы. Но сам замысел под сомнение всерьез не ставился, и увлеченность идеей единого описания не прошла.
Существует точка зрения, что все четыре (или хотя бы три) взаимодействия представляют собой явления одной природы и должно быть найдено их единое теоретическое описание. Перспектива создания единой теории мира физических элементов на основе одного-единственного фундаментального взаимодействия остается весьма привлекательной. Это главная мечта физиков ХХ века. Но долгое время она оставалась лишь мечтой, и очень неопределенной.
Однако во второй половине ХХ века появились предпосылки осуществления этой мечты и уверенность, что это дело отнюдь не отдаленного будущего. Похоже, что вскоре она вполне может стать реальностью. Решающий шаг на пути к единой теории был сделан в 60-70-х годах с созданием сначала теории кварков, а затем и теории электрослабого взаимодействия. Есть основания для мнения, что мы стоим на пороге более могущественного и глубокого объединения, чем когда-либо ранее. Среди физиков усиливается убеждение, что начинают вырисовываться контуры единой теории всех фундаментальных взаимодействий - Великого объединения.
2. Классификация элементарных частиц.
2.1. Характеристики субатомных частиц.
Обнаружение на рубеже ХIХ-ХХ веков 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. Нельзя с уверенностью утверждать, что частицы, элементарные в смысле приведённого определения, существуют. Протоны и нейтроны, например, длительное время считавшиеся элементарными, 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 элементарных (субатомных) частиц - это своего рода постулат, и проверка его справедливости - одна из важнейших задач физики.
Характеристиками субатомных частиц являются масса, электрический заряд, спин (собственный момент количества движения), время жизни частицы, магнитный момент, пространственная четность, зарядовая четность, лептонный заряд, барионный заряд, странность, «очарование» и др.
Когда говорят о массе частицы, имеют в виду ее массу покоя, поскольку эта масса не зависит от состояния движения. Частица, имеющая нулевую массу покоя, движется со скоростью света (фотон). Нет двух частиц с одинаковыми массами. Электрон - самая легкая частица с ненулевой массой покоя. Протон и нейтрон тяжелее электрона почти в 2000 раз. А самая тяжелая из известных элементарных частиц (Z - частица) обладает массой в 200 000 раз больше массы электрона.
Электрический заряд меняется в довольно узком диапазоне и всегда кратен фундаментальной единице заряда - заряду электрона (-1). Некоторые частицы, такие как фотон и нейтрино, вовсе не имеют заряда.
Важная характеристика частицы - спин. Он не имеет классического аналога и, безусловно, указывает на “внутреннюю сложность” микрообъекта. Правда, иногда с понятием спина пытаются сопоставить модель объекта, вращающегося вокруг своей оси (само слово “спин” переводится как “веретено”). Такая модель наглядна, но неверна. Во всяком случае ее нельзя принимать буквально. Встречающийся в литературе термин “вращающийся микрообъект” означает отнюдь не вращение микрообъекта, а лишь наличие у него специфического внутреннего момента импульса. Для того, чтобы этот момент “превратился” в классический момент импульса (и тем самым объект действительно начал бы вращаться), необходимо потребовать выполнение условия s >> 1 (много больше единицы). Однако такое условие никогда не выполняется. Спин также всегда кратен некоторой фундаментальной единице, которая выбрана равной Ѕ. Спин у всех частиц одного вида одинаков. Обычно спины частиц измеряют в единицах постоянной Планка ћ. Он может быть целым (0, 1, 2,...) или полуцелым (1/2, 3/2,...). Так, протон, нейтрон и электрон имеют спин Ѕ, а спин фотона равен 1. Известны частицы со спином 0, 3/2, 2. Частица со спином 0 при любом угле поворота выглядит одинаково. Частицы со спином 1 принимают тот же вид после полного оборота на 360°. Частица со спином 1/2 приобретает прежний вид после оборота на 720° и т.д. Частица со спином 2 принимает прежнее положение через пол-оборота (180°). Частиц со спином более 2 не обнаружено, и возможно их вообще не существует. Знание спина микрообъекта позволяет судить о характере его поведения в коллективе себе подобных (иначе говоря, позволяет судить о статистических свойствах микрообъекта). Оказывается, что по своим статистическим свойствам все микрообъекты в природе разделяются на две группы: группа микрообъектов с целочисленным спином и группа микрообъектов с полуцелым спином.
Микрообъекты первой группы способны “заселять” одно и тоже состояние в неограниченном числе, причем тем выше, чем сильнее это состояние “заселено”. О таких микрообъектах говорят, что они подчиняются статистике Бозе - Эйнштейна. Для краткости их называют просто бозонами. Микрообъекты второй группы могут “заселять” состояния только поодиночке. И если рассматриваемое состояние занято, то никакой микрообъект данного типа не может попасть в него. О таких микрообъектах говорят, что подчиняются статистике Ферми - Дирака, а для краткости их называют фермионами. Из элементарных частиц к бозонам относятся фотоны и мезоны, а к фермионам - лептоны (в частности электроны), нуклоны, гипероны.
Частицы характеризуются и временем их жизни. По этому признаку частицы делятся на стабильные и нестабильные. Стабильные частицы - это электрон, протон, фотон и нейтрино. Нейтрон стабилен, когда находится в ядре атома, но свободный нейтрон распадается примерно за 15 минут. Все остальные известные частицы – нестабильны, время их жизни колеблется от нескольких микросекунд до 10n сек (где n = -23). Это означает, что они, когда это время истекает, самопроизвольно, без каких-либо внешних воздействий распадаются, превращаясь в другие частицы. Например, нейтрон самопроизвольно распадается на протон, электрон и электронное антинейтрино. Невозможно предсказать, когда именно произойдет указанный распад того или иного конкретного нейтрона, ведь каждый конкретный акт распада случаен. Каждая нестабильная элементарная частица характеризуется своим временем жизни. Чем меньше время жизни, тем больше вероятность распада частицы. Нестабильность присуща не только элементарным частицам, но и другим микрообъектам. Явление радиоактивности (самопроизвольное превращение изотопов одного химического элемента в изотопы другого, сопровождающееся испусканием частиц) показывает, что нестабильными могут быть атомные ядра. Атомы и молекулы в возбужденных состояниях также оказываются нестабильными: они самопроизвольно переходят в основное или менее возбужденное состояние.
Определяемая вероятностными законами нестабильность есть, наряду с наличием спина, второе сугубо специфическое свойство, присущее микрообъектам. Его также можно рассматривать как указание на некую “внутреннюю сложность” микрообъекта.
Однако нестабильность - это специфическое, но отнюдь не обязательное свойство микрообъекта. Наряду с нестабильными существует много стабильных микрообъектов: фотон, электрон, протон, нейтрино, стабильные атомные ядра, а также атомы и молекулы в основном состоянии.
Лептонный заряд (лептонное число) - внутренняя характеристика лептонов. Он обозначается буквой L. Для лептонов он равен +1, а для антилептонов -1. Различают: электронный лептонный заряд, которым обладают только электроны, позитроны, электронные нейтрино и антинейтрино; мюонный лептонный заряд, которым обладают только мюоны и мюонные нейтрино и антинейтрино; лептонный заряд тяжелых лептонов и их нейтрино. Алгебраическая сумма лептонного заряда каждого типа с очень высокой точностью сохраняется при всех взаимодействиях.
Барионный заряд (барионное число) - одна из внутренних характеристик барионов. Обозначается буквой B. У всех барионов B = +1, а у их античастиц B = -1 (у остальных элементарных частиц B = 0). Алгебраическая сумма барионных зарядов, входящих в систему частиц, сохраняется при всех взаимодействиях.
Странность - целое (нулевое, положительное или отрицательное) квантовое число, характеризующее адроны. Странность частиц и античастиц противоположны по знаку. Адроны с Ѕ, равным 0, называются странными. Странность сохраняется в сильном и электромагнитном взаимодействиях, но нарушается в слабом взаимодействии.
«Очарование» (шарм) - квантовое число, характеризующее адроны (или кварки). Оно сохраняется в сильном и электромагнитном взаимодействиях, но нарушается слабым взаимодействием. Частицы с ненулевым значением «очарование» называются «очарованными» частицами.
Магнетон - единица измерения магнитного момента в физике атома, атомного ядра и элементарных частиц. Магнитный момент, обусловленный орбитальным движением электронов в атоме и их спином, измеряется в магнетонах Бора. Магнитный момент нуклонов и ядер измеряется в ядерных магнетонах.
Четность - еще одна характеристика субатомных частиц. Четность - это квантовое число, характеризующее симметрию волновой функции физической системы или элементарной частицы при некоторых дискретных преобразованиях: если при таком преобразовании функция не меняет знака, то четность положительна, если меняет, то четность отрицательна. Для абсолютно нейтральных частиц (или систем), которые тождественны своим античастицам, кроме четности пространственной, можно ввести понятия зарядовой четности и комбинированной четности (для остальных частиц замена их античастицами меняет саму волновую функцию).
Пространственная четность - квантовомеханическая характеристика, отражающая свойства симметрии элементарных частиц или их систем при зеркальном отражении (пространственной инверсии). Эта четность обозначается буквой Р и сохраняется во всех взаимодействиях, кроме слабого.
Зарядовая четность - четность абсолютной нейтральной элементарной частицы или системы, соответствующая операции зарядового сопряжения. Зарядовая четность также сохраняется во всех взаимодействиях, кроме слабого.
Комбинированная четность - четность абсолютно нейтральной частицы (или системы) относительно комбинированной инверсии. Комбинированная четность сохраняется во всех взаимодействиях, за исключением распадов долгоживущего нейтрального К - мезона, вызванных слабым взаимодействием (причина этого нарушения комбинированной четности пока не выяснена).
2.2. История открытия элементарных частиц.
Представление о том, что мир состоит из фундаментальных частиц, имеет долгую историю. Впервые мысль о существовании мельчайших невидимых частиц, из которых состоят все окружающие предметы, была высказана за 400 лет до нашей эры греческим философом Демокритом. Он назвал эти частицы атомами, т. е. неделимыми частицами. Наука начала использовать представление об атомах только в начале XIX века, когда на этой основе удалось объяснить целый ряд химических явлений. В 30-е годы XIX века в теории электролиза, развитой М. Фарадеем, появилось понятие иона и было выполнено измерение элементарного заряда. Но примерно с середины XIX века стали появляться экспериментальные факты, которые ставили под сомнение представления о неделимости атомов. Результаты этих экспериментов наводили на мысль о том, что атомы имеют сложную структуру и что в их состав входят электрически заряженные частицы. Это подтвердил французский физик Анри Беккерель, который в 1896 году открыл явление радиоактивности.
Затем последовало открытие первой элементарной частицы английским физиком Томсоном в 1897 году. Это был электрон, который окончательно обрел статус реального физического объекта и стал первой известной элементарной частицей в истории человечества. Его масса примерно в 2000 раз меньше массы атома водорода и равна:
m = 9.11*10^(-31) кг.
Отрицательный электрический заряд электрона называется элементарным и равен:
e = 0.60*10^(-19) Кл.
Анализ атомных спектров показывает, что спин электрона равен 1/2, а его магнитный момент равен одному магнетону Бора. Электроны подчиняются статистике Ферми, так как они обладают полуцелым спином. Это согласуется с экспериментальными данными о структуре атомов и о поведении электронов в металлах. Электроны участвуют в электромагнитных, слабых и гравитационных взаимодействиях.
Второй открытой элементарной частицей был протон (от греч. protos - первый). Эту элементарную частицу открыл в 1919 году Резерфорд, исследуя продукты расщепления ядер атомов различных химических элементов. В буквальном смысле протон – ядро атома самого легкого изотопа водорода - протия. Спин протона равен 1/2. Протон обладает положительным элементарным зарядом +e. Его масса равна:
m = 1.67*10^(-27) кг.
или примерно 1836 масс электрона. Протоны входят в состав ядер всех атомов химических элементов. После этого в 1911 году Резерфордом была предложена планетарная модель атома, которая помогла ученым в дальнейших исследованиях состава атомов.
В 1932 году Дж. Чедвик открыл третью элементарную частицу нейтрон (от лат. neuter - ни тот, ни другой), который не имеет электрического заряда и обладает массой примерно 1839 масс электрона. Спин нейтрона также равен 1/2.
Вывод о существовании частицы электромагнитного поля - фотона - берёт своё начало с работы М. Планка (1900 год). Предположив, что энергия электромагнитного излучения абсолютно чёрного тела квантованна (т.е. состоит из квантов), Планк получил правильную формулу для спектра излучения. Развивая идею Планка, А. Эйнштейн (1905 год) 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 в 1912 - 1915 годах и А. Комптоном в 1922 году.
Открытие нейтрино - частицы, почти не взаимодействующей с веществом, ведёт своё начало от теоретической догадки В. Паули в 1930 году, 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 году Ф. Райнесем и К. Коуэном.
Но в веществе состоят не только частицы. Также существуют античастицы - элементарные частицы, имеющие те же массу, спин, время жизни и некоторые другие внутренние характеристики, что и их «двойники»-частицы, но отличающиеся от частиц знаками электрического заряда и магнитного момента, барионного заряда, лептонного заряда, странности и др. Все элементарные частицы, кроме абсолютно нейтральных, имеют свои античастицы.
Первой открытой античастицей стал позитрон (от лат. positivus - положительный) - частица с массой электрона, но положительным электрическим зарядом. Эта античастица была обнаружена в составе космических лучей американским физиком Карлом Дейвидом Андерсоном в 1932 году. Интересно то, что существование позитрона было теоретически предсказано английским физиком Полем Дираком почти за год до экспериментального открытия. Более того, Дирак предсказал так называемые процессы аннигиляции (исчезновения) и рождения электронно-позитронной пары. Сама по себе аннигиляция пары - один из видов превращений элементарных частиц, происходящий при столкновении частицы с античастицей. При аннигиляции частица и античастица исчезают, превращаясь в другие частицы, число и сорт которых лимитируются законами сохранения. Процесс, обратный аннигиляции, - рождение пары. Сам по себе позитрон стабилен, но в веществе из-за аннигиляции с электронами существует очень короткое время. Аннигиляция электрона и позитрона заключается в том, что они при встрече исчезают, превращаясь в γ- кванты (фотоны). А при столкновении γ- кванта с каким-либо массивным ядром происходит рождение электронно-позитронной пары.
В 1955 году была обнаружена еще одна античастица - антипротон, а несколько позже - антинейтрон. Антинейтрон, так же как и нейтрон, не имеет электрического заряда, но он, бесспорно, относится к античастицам, поскольку участвует в процессе аннигиляции и рождения пары нейтрон - антинейтрон.
Возможность получения античастиц привела ученых к идее о создании антивещества. Атомы антивещества должны быть построены таким образом: в центре атома - отрицательно заряженное ядро, состоящее из антипротонов и антинейтронов, а вокруг ядра обращаются позитроны, имеющие положительный заряд. В целом атом также получается нейтрален. Эта идея получила блестящее экспериментальное подтверждение. В 1969 году на ускорителе протонов в городе Серпухове советские физики получили ядра атомов антигелия. Также в 2002 году на ускорителе ЦЕРНа в Женеве было получено 50000 атомов антиводорода. Но, несмотря на это, скопления антивещества во Вселенной пока не обнаружены. Также становится ясно, что при малейшем взаимодействии антивещества с любым веществом произойдет их аннигиляция, которая будет сопровождаться огромным выбросом энергии, в несколько раз превосходящей энергию атомных ядер, что крайне небезопасно для людей и окружающей среды.
В настоящее время экспериментально обнаружены античастицы почти всех известных элементарных частиц.
Большую роль в физике элементарных частиц играют законы сохранения, устанавливающие равенство между определенными комбинациями величин, характеризующих начальное и конечное состояние системы. Арсенал законов сохранения в квантовой физике больше, чем в классической. Он пополнился законами сохранения различных четностей (пространственной, зарядовой), зарядов (лептонного, барионного и др.), внутренних симметрий, свойственных тому или иному типу взаимодействия.
Выделение характеристик отдельных субатомных частиц - важный, но только начальный этап познания их мира. На следующем этапе нужно еще понять, какова роль каждой отдельной частицы, каковы ее функции в и структуре материи.
Физики выяснили, что прежде всего свойства частицы определяются ее способностью (или неспособностью) участвовать в сильном взаимодействии. Частицы, участвующие в сильном взаимодействии, образуют особый класс и называются адронами. Частицы, участвующие в слабом взаимодействии и не участвующие в сильном, называются лептонами. Кроме того, существуют частицы-переносчики взаимодействий.
2.3. Лептоны.
Лептоны считаются истинно элементарными частицами. Хотя лептоны могут иметь электрический заряд, а могут и не иметь, спин у всех у них равен 1/2. Среди лептонов наиболее известен электрон. Электрон - это первая из открытых элементарных частиц. Как и все остальные лептоны, электрон, по-видимому, является элементарным (в собственном смысле этого слова) объектом. Насколько известно, электрон не состоит из каких-то других частиц.
Другой хорошо известный лептон - нейтрино. Нейтрино являются наиболее распространенными частицами по Вселенной. Вселенную можно представить безбрежным нейтринным морем, в котором изредка встречаются острова в виде атомов. Но несмотря на такую распространенность нейтрино, изучать их очень сложно. Как мы уже отмечали, нейтрино почти неуловимы. Не участвуя ни в сильном, ни в электромагнитном взаимодействиях, они проникают через вещество, как будто его вообще нет. Нейтрино - это некие "призраки физического мира".
Достаточно широко распространены в природе мюоны, на долю которых приходится значительная часть космического излучения. Во многих отношениях мюон напоминает электрон: имеет тот же заряд и спин, участвует в тех те взаимодействиях, но имеет большую массу (около 207 масс электрона) и нестабилен. Примерно за две миллионные доли секунды мюон распадается на электрон и два нейтрино. В конце 70-х годов был обнаружен третий заряженный лептон, получивший название "тау-лептон". Это очень тяжелая частица. Ее масса около 3500 масс электрона. Но во всем остальном он ведет себя подобно электрону и мюону.
В 60-х годах список лептонов значительно расширился. Было установлено, что существует несколько типов нейтрино: электронное нейтрино, мюонное нейтрино и тау-нейтрино. Таким образом, общее число разновидностей нейтрино равно трем, а общее число лептонов - шести. Разумеется, у каждого лептона есть своя античастица; таким образом, общее число различных лептонов равно двенадцати. Нейтральные лептоны участвуют только в слабом взаимодействии; заряженные - в слабом и электромагнитном. Все лептоны участвуют в гравитационном взаимодействии, но не способны к сильным.
2.4. Адроны.
Если лептонов существует чуть свыше десятка, то адронов сотни. Такое множество адронов наводит на мысль, что адроны не элементарные частицы, а построены из более мелких частиц. Все адроны встречаются в двух разновидностях - электрически заряженные и нейтральные. Среди адронов наиболее известны и широко распространены нейтрон и протон, которые в свою очередь относятся к классу нуклонов. Остальные адроны короткоживущие и быстро распадаются. Адроны участвуют во всех фундаментальных взаимодействиях. Они делятся на барионы и мезоны. К барионам относятся нуклоны и гипероны.
Для объяснения существования ядерных сил взаимодействия между нуклонами квантовая теория требовала существования особых элементарных частиц с массой больше массы электрона, но меньше массы протона. Эти предсказанные квантовой теорией частицы позже были названы мезонами. Мезоны были обнаружены экспериментально. Их оказалось целое семейство. Все они оказались короткоживущими нестабильными частицами, живущими в сободном состоянии миллиардные доли секунды. Например, заряженный пи-мезон или пион, имеет массу покоя 273 электронных массы и время жизни:
t = 2.6*10^(-8) с.
Далее при исследованиях на ускорителях заряженных частиц были обнаружены частицы с массами, превосходящими массу протона. Эти частицы были названы гиперонами. Их обнаружилось даже больше, чем мезонов. К семейству гиперонов относятся: лямбда-, сигма-, кси- и омега-минус-гипероны.
Существование и свойства большинства известных адронов были установлены в опытах на ускорителях. Открытие множества разнообразных адронов в 50-60-x годах крайне озадачило физиков. Но со временем адроны удалось классифицировать по массе, заряду и спину. Постепенно стала выстраиваться более или менее четкая картина. Появились конкретные идеи о том, как систематизировать хаос эмпирических данных, раскрыть тайну адронов в научной теории. Решающий шаг здесь был сделан в 1963 году, когда была предложена теория кварков.
2.5. Теория кварков.
Теория кварков - это теория строения адронов. Основная идея этой теории очень проста. Все адроны построены из более мелких частиц, называемых кварками. Значит, кварки - это более элементарные частицы, чем адроны. Кварки являются гипотетическими частицами, т.к. не наблюдались в свободном состоянии. Барионный заряд кварков равен 1/3. Они несут дробный электрический заряд: они обладают зарядом, величина которого составляет либо -1/3 или +2/3 фундаментальной единицы - заряда электрона. Комбинация из двух и трех кварков может иметь суммарный заряд, равный нулю или единице. Все кварки имеют спин Ѕ, поэтому они относятся к фермионам. Основоположники теории кварков Гелл-Манн и Цвейг, чтобы учесть все известные в 60-е годы адроны ввели три сорта (цвета) кварков: u (от up - верхний), d (от down - нижний) и s (от strange - странный).
Кварки могут соединяться друг с другом одним из двух возможных способов: либо тройками, либо парами кварк - антикварк. Из трех кварков состоят сравнительно тяжелые частицы - барионы. Наиболее известны из барионов нейтрон и протон. Более легкие пары кварк - антикварк образуют частицы, получившие название мезоны - "промежуточные частицы". Например, протон состоит из двух u-кварков и одного d-кварков (uud), а нейтрон - из двух d-кварков и одного u-кварка (udd). Чтобы это "трио" кварков не распадалось, необходима удерживающая их сила, некий "клей".
Оказалось, что результирующее взаимодействие между нейтронами и протонами в ядре представляет собой просто остаточный эффект более мощного взаимодействия между самими кварками. Это объяснило, почему сильное взаимодействие кажется столь сложным. Когда протон "прилипает" к нейтрону или другому протону, во взаимодействии участвуют шесть кварков, каждый из которых взаимодействует со всеми остальными. Значительная часть сил тратится на прочное склеивание трио кварков, а небольшая - на скрепление двух трио кварков друг с другом. Но позднее выяснилось, что кварки участвуют и в слабом взаимодействии. Слабое взаимодействие может изменять цвет кварка. Именно так происходит распад нейтрона. Один из d-кварков в нейтроне превращается в u-кварк, а избыток заряда уносит рождающийся одновременно электрон. Аналогичным образом, изменяя аромат, слабое взаимодействие приводит к распаду и других адронов.
То обстоятельство, что из различных комбинаций трех основных частиц можно получить все известные адроны, стало триумфом теории кварков. Но в 70-е годы были открыты новые адроны (пси-частицы, ипсилон-мезон и др.). Этим был нанесен удар первому варианту теории кварков, поскольку в ней уже не было места ни для одной новой частицы. Все возможные комбинации из кварков и их антикварков были уже исчерпаны.
Проблему удалось решить за счет введения трех новых цветов. Они получили название - с - кварк (charm - очарование), b - кварк (от bottom - дно, а чаще beauty - красота, или прелесть), и впоследствии был введен еще один цвет - t (от top - верхний).
До настоящего времени кварки и антикварки в свободном виде не наблюдались. Однако сомнений в реальности их существования практически не осталось. Более того, ведутся поиски следующих за кварками «настоящих» элементарных частиц - глюонов, которые являются носителями взаимодействий между кварками, т.к. кварки скрепляются между собой сильным взаимодействием, а глюоны (цветовые заряды) являются переносчиками сильного взаимодействия. Область физики элементарных частиц, изучающая взаимодействие кварков и глюонов, носит название квантовой хромодинамики. Как квантовая электродинамика - теория электромагнитного взаимодействия, так квантовая хромодинамика - теория сильного взаимодействия. Квантовая хромодинамика - квантовополевая теория сильного взаимодействия кварков и глюонов, которое осуществляется путем обмена между ними - глюонами (аналогами фотонов в квантовой электродинамике). В отличие от фотонов, глюоны взаимодействуют друг с другом, что приводит, в частности, к росту силы взаимодействия между кварками и глюонами при удалении их друг от друга. Предполагается, что именно это свойство определяет короткодействие ядерных сил и отсутствие в природе свободных кварков и глюонов.
По современным представлениям, адроны имеют сложную внутреннюю структуру: барионы состоят из 3 кварков, мезоны - из кварка и антикварка.
Хотя и существует некоторая неудовлетворенность кварковой схемой, большинство физиков считает кварки подлинно элементарными частицами - точечными, неделимыми и не обладающими внутренней структурой. В этом отношении они напоминают лептоны, и уже давно предполагается, что между этими двумя различными, но сходными по своей структуре семействами должна существовать глубокая взаимосвязь.
Таким образом, наиболее вероятное число истинно элементарных частиц (не считая переносчиков фундаментальных взаимодействий) на конец ХХ века равно 48. Из них: лептонов (6х2) = 12 и кварков (6х3)х2 =36.
2.6. Частицы - переносчики взаимодействий.
Перечень известных частиц не исчерпывается перечисленными частицами - лептонами и адронами, которые образуют строительный материал вещества. В этот перечень не включен, например, фотон. Есть также еще один тип частиц, которые не являются непосредственно строительным материалом материи, а обеспечивают все четыре фундаментальных взаимодействия, т.е. образуют своего рода "клей", не позволяющий миру распадаться на части. Такие частицы называются переносчиками взаимодействий, причем отдельный вид частиц переносит свои взаимодействия.
Переносчиком электромагнитного взаимодействия между заряженными частицами выступает фотон. Фотон - квант электромагнитного излучения, нейтральная частица с нулевой массой. Спин фотона равен 1.
Теория электромагнитного взаимодействия была представлена квантовой электродинамикой.
Переносчики сильного взаимодействия - глюоны. Это гипотетические электрически нейтральные частицы с нулевой массой и спином 1. Подобно кваркам, глюоны обладают квантовой характеристикой «цвет». Глюоны - переносчики взаимодействия между кварками, т.к. связывают их попарно или тройками.
Переносчики слабого взаимодействия три частицы - W+, W- и Z° бозоны. Они были открыты лишь в 1983 г. Радиус слабого взаимодействия чрезвычайно мал, поэтому его переносчиками должны быть частицы с большими массами покоя. В соответствии с принципом неопределенности время жизни частиц с такой большой массой покоя должно быть чрезвычайно коротким - всего лишь около 10n сек (где n = -26). Радиус переносимого этими частицами взаимодействия очень мал потому, что столь короткоживущие частицы не успевают отойти особенно далеко.
Высказывается мнение, что возможно существование и переносчика гравитационного поля - гравитона (в тех теориях гравитации, которые рассматривают ее не (только) как следствие искривления пространства-времени, а как поле). Теоретически, гравитон - квант гравитационного поля, имеющий нулевую массу покоя, нулевой электрический заряд и спин 2. В принципе гравитоны можно зафиксировать в эксперименте. Но поскольку гравитационное взаимодействие очень слабое и в квантовых процессах практически не проявляется, то непосредственно зафиксировать гравитоны очень сложно, и пока это не удалось ни одному ученому.
Классификация частиц на лептоны, адроны и переносчики взаимодействий исчерпывает мир известных нам субатомных частиц. Каждый вид частиц играет свою роль в формировании структуры материи и Вселенной.
3. Теории элементарных частиц.
3.1. Квантовая электродинамика (КЭД).
Квантовая теория объединяет квантовую механику, квантовую статистику и квантовую теорию поля.
Квантовая механика (волновая механика) - теория, устанавливающая способ описания и законы движения микрочастиц в заданных внешних полях. Она позволяет описывать движение элементарных частиц, но не их порождение или уничтожение, т. е. применяется лишь для описания систем с неизменным числом частиц. Квантовая механика - один из основных разделов квантовой теории. Квантовая механика впервые позволила описать структуру атомов и понять их спектры, установить природу химической связи, объяснить периодическую систему элементов и т. д. Так как свойства макроскопических тел определяются движением и взаимодействием образующих их частиц, законы квантовой механики лежат в основе понимания большинства макроскопических явлений. Так, квантовая механика позволила понять многие свойства твердых тел, объяснить явления сверхпроводимости, ферромагнетизма, сверхтекучести и многое др. Квантовомеханические законы лежат в основе ядерной энергетики, квантовой электроники и т. д. В отличие от классической теории, все частицы выступают в квантовой механике как носители и корпускулярных, и волновых свойств, которые не исключают, а дополняют друг друга. Волновая природа электронов, протонов и других частиц подтверждена опытами по дифракции частиц. Состояние квантовой системы описывается волновой функцией, квадрат модуля которой определяет вероятность данного состояния и, следовательно, вероятности для значений физических величин, его характеризующих. Из квантовой механики вытекает, что не все физические величины могут одновременно иметь точные значения. Волновая функция подчиняется принципу суперпозиции, что и объясняет, в частности, дифракцию частиц. Отличительная черта квантовой теории - дискретность возможных значений для ряда физических величин: энергии электронов в атомах, момента количества движения и его проекции на произвольное направление и т. д.; в классической теории все эти величины могут изменяться лишь непрерывно. Фундаментальную роль в квантовой механике играет постоянная Планка ћ - один из основных масштабов природы, разграничивающий области явлений, которые можно описывать классической физикой, от областей, для правильного истолкования которых необходима квантовая теория. Постоянная Планка названа по имени М. Планка. Она равна:
Ћ = h/2π ≈ 1,0546 . 10 ^(-34) Дж. с
Обобщением квантовой механики является квантовая теория поля - это квантовая теория систем с бесконечным числом степеней свободы (физических полей). Квантовая теория поля является основным аппаратом физики элементарных частиц, их взаимодействий и взаимопревращений. Потребность в такой теории порождается квантово-волновым дуализмом, существованием волновых свойств у всех частиц. В квантовой теории поля взаимодействие представляют как результат обмена квантами поля. Эта теория включает теорию электромагнитного (квантовую электродинамику) и слабого взаимодействий, выступающих в современной теории как единое целое (электрослабое взаимодействие), и теорию сильного (ядерного) взаимодействия (квантовую хромодинамику).
Квантовая статистика - статистическая физика квантовых систем, состоящих из большого числа частиц. Для частиц с целым спином - это статистика Бозе Эйнштейна, с полуцелым - статистика Ферми Дирака.
В середине ХХ века была создана теория электромагнитного взаимодействия - квантовая электродинамика КЭД - это продуманная до мельчайших деталей и оснащенная совершенным математическим аппаратом теория взаимодействия фотонов и электронов. В основе КЭД - описание электромагнитного взаимодействия с использованием понятия виртуальных фотонов - его переносчиков. Эта теория удовлетворяет основным принципам как квантовой теории, так и теории относительности.
В центре теории анализ актов испускания или поглощения одного фотона одной заряженной частицей, а также аннигиляции электронно-позитронной пары в фотон или порождение фотонами такой пары.
Если в классическом описании электроны представляются в виде твердого точечного шарика, то в КЭД окружающее электрона электромагнитное поле рассматривается как облако виртуальных фотонов, которое неотступно следует за электроном, окружая его квантами энергии. После того, как электрон испускает фотон, тот порождает (виртуальную) электронно-позитронную пару, которая может аннигилировать с образованием нового фотона. Последний может поглотиться исходным фотоном, но может породить новую пару и т.д. Таким образом электрон покрывается облаком виртуальных фотонов, электронов и позитронов, находящихся в состоянии динамического равновесия. Фотоны возникают и исчезают очень быстро, а электроны движутся в пространстве не по вполне определенным траекториям. Еще можно тем или иным способом определить начальную и конечную точки пути - до и после рассеяния, но сам путь в промежутке между началом и концом движения остается неопределенным.
Описание взаимодействия с помощью частицы-переносчика привело к расширению понятия фотона. Вводятся понятия реального (кванта видимого нами света) и виртуального (скоротечного, призрачного) фотона, который "видят" только заряженные частицы, претерпевающие рассеяние.
Чтобы проверить, согласуется ли теория с реальностью, физики сосредоточили внимание на двух эффектах, представлявших особый интерес. Первый касался энергетических уровней атома водорода - простейшего атома. Согласно КЭД, уровни должны быть слегка смещены относительно положения, которое они занимали бы в отсутствие виртуальных фотонов. Вторая решающая проверка КЭД касалась чрезвычайно малой поправки к собственному магнитному моменту электрона. Теоретические и экспериментальные результаты проверки КЭД совпадают с высочайшей точностью - более девяти знаков после запятой. Столь поразительное соответствие дает право считать КЭД наиболее совершенной из существующих естественно-научных теорий.
После подобного триумфа КЭД была принята как модель для квантового описания трех других фундаментальных взаимодействий. Разумеется, полям, связанным с другими взаимодействиями, должны соответствовать иные частицы-переносчики.
3.2. Теория электрослабого взаимодействия.
В 70-е годы ХХ века в естествознании произошло выдающееся событие: два фундаментальных взаимодействия из четырех физики объединили в одно. Картина фундаментальных оснований природы несколько упростилась. Электромагнитное и слабое взаимодействия, казалось бы весьма разные по своей природе, в действительности оказались двумя разновидностями единого электрослабого взаимодействия. Теория электрослабого взаимодействия решающим образом повлияла на дальнейшее развитие физики элементарных частиц в конце ХХ века.
Главная идея в построении этой теории состояла в описании слабого взаимодействия на языке концепции калибровочного поля, в соответствии с которой ключом к пониманию природы взаимодействий служит симметрия. Одна из фундаментальных идей в физике второй половины ХХ века - это убеждение, что все взаимодействия существуют лишь для того, чтобы поддерживать в природе некий набор абстрактных симметрий. Какое отношение имеет симметрия к фундаментальным взаимодействиям? На первый взгляд, само предположение о существовании подобной связи кажется парадоксальным и непонятным.
Прежде всего о том, что понимается под симметрией. Принято считать, что предмет обладает симметрией, если предмет остается неизменным в результате проведения той или иной операции по его преобразованию. Так, сфера симметрична, потому что выглядит одинаково при повороте на любой угол относительно ее центра. Законы электричества симметричны относительно замены положительных зарядов отрицательными и наоборот. Таким образом, под симметрией мы понимаем инвариантность относительно некой операции.
Существуют разные типы симметрий: геометрические, зеркальные, негеометрические. Среди негеометрических есть так называемые калибровочные симметрии. Калибровочные симметрии носят абстрактный характер и непосредственно не фиксируются. Они связаны с изменением отсчета уровня, масштаба или значения некоторой физической величины. Система обладает калибровочной симметрией, если ее природа остается неизменной при такого рода преобразовании. Так, например, в физике работа зависит от разности высот, а не от абсолютной высоты; напряжение - от разности потенциалов, а не от их абсолютных величин и др. Симметрии, на которых основан пересмотр понимания четырех фундаментальных взаимодействий, именно такого рода. Калибровочные преобразования могут быть глобальными и локальными. Калибровочные преобразования, изменяющиеся от точки к точке, известны под названием "локальных" калибровочных преобразований. В природе существует целый ряд локальных калибровочных симметрий и необходимо соответствующее число полей для компенсации этих калибровочных преобразований. Силовые поля можно рассматривать как средство, с помощью которого в природе создаются присущие ей локальные калибровочные симметрии. Значение концепции калибровочной симметрии заключается в том, что благодаря ей теоретически моделируются все четыре фундаментальных взаимодействия, встречающиеся в природе. Все их можно рассматривать как калибровочные поля.
Представляя слабое взаимодействие в виде калибровочного поля, физики исходят из того, что все частицы, участвующие в слабом взаимодействии, служат источниками поля нового типа - поля слабых сил. Слабо взаимодействующие частицы, такие, как электроны и нейтрино, являются носителями "слабого заряда", который аналогичен электрическому заряду и связывает эти частицы со слабым полем.
Для представления поля слабого взаимодействия как калибровочного прежде всего необходимо установить точную форму соответствующей калибровочной симметрии. Дело в том, что симметрия слабого взаимодействия гораздо сложнее электромагнитного. Ведь и сам механизм этого взаимодействия оказывается более сложным. Во-первых, при распаде нейтрона, например, в слабом взаимодействии участвуют частицы по крайней мере четырех различных типов (нейтрон, протон, электрон и нейтрино). Во-вторых, действие слабых сил приводит к изменению их природы (превращению одних частиц в другие за счет слабого взаимодействия). Напротив, электромагнитное взаимодействие не изменяет природы участвующих в нем частиц.
Это определяет то обстоятельство, что слабому взаимодействию соответствует более сложная калибровочная симметрия, связанная с изменением природы частиц. Выяснилось, что для поддержания симметрии здесь необходимы три новых силовых поля, в отличие от единственного электромагнитного поля. Было получено и квантовое описание этих трех полей: должны существовать три новых типа частиц - переносчиков взаимодействия, по одному для каждого поля. Все вместе они называются тяжелыми векторными бозонами со спином 1 и являются переносчиками слабого взаимодействия.
Частицы W+ и W- являются переносчиками двух из трех связанных со слабым взаимодействием полей. Третье поле соответствует электрически нейтральной частице-переносчику, получившей название Z - частицы. Существование Z - частицы означает, что слабое взаимодействие может не сопровождаться переносом электрического заряда.
В создании теории электрослабого взаимодействия ключевую роль сыграло понятие спонтанного нарушения симметрии: не всякое решение задачи обязано обладать всеми свойствами его исходного уровня. Так, частицы, совершенно разные при низких энергиях, при высоких энергиях могут оказаться на самом деле одной и той же частицей, но находящейся в разных состояниях. Опираясь на идею спонтанного нарушения симметрии, авторы теории электрослабого взаимодействия Вайнберг и Салам сумели решить великую теоретическую проблему - они совместили казалось бы несовместимые вещи: значительную массу переносчиков слабого взаимодействия, с одной стороны, и идею калибровочной инвариантности, которая предполагает дальнодействующий характер калибровочного поля, а значит нулевую массу покоя частиц-переносчиков, с другой. Таким образом соединили электромагнетизм и слабое взаимодействие в единой теории калибровочного поля.
В этой теории представлено всего четыре поля: электромагнитное поле и три поля, соответствующие слабым взаимодействиям. Кроме того, введено постоянное на всем пространстве скалярное поле (разновидность поля Хиггса), с которым частицы взаимодействуют по разному, что и определяет различие их масс. Кванты скалярного поля представляют собой новые элементарные частицы с нулевым спином. Их называют хиггсовскими (по имени физика П. Хиггса, предположившего их существование). Число таких хиггсовских бозонов может достигать нескольких десятков. На опыте такие бозоны пока не обнаружены. Более того, ряд физиков считает их существование необязательным, но совершенной теоретической модели без хиггсовскмих бозонов пока не найдено. Первоначально W и Z - кванты не имеют массы, но нарушение симметрии приводит к тому, что некоторые частицы Хиггса сливаются с W и Z - частицами, наделяя их массой.
Различия свойств электромагнитного и слабого взаимодействий теория объясняется нарушением симметрии. Если бы симметрия не нарушалась, то оба взаимодействия были бы сравнимы по величине. Нарушение симметрии влечет за собой резкое уменьшение слабого взаимодействия. Можно сказать, что слабое взаимодействие имеет столь малую величину потому, что W и Z - частицы очень массивны. Лептоны редко сближаются на столь малые расстояния (r 10n см., где n = -16). Но при больших энергиях (> 100 Гэв), когда частицы W и Z могут свободно рождаться, обмен W и Z - бозонами осуществляется столь же легко, как и обмен фотонами (безмассовыми частицами). Разница между фотонами и бозонами стирается.В этих условиях должно существовать полная симметрия между электромагнитным и слабым взаимодействием - электрослабое взаимодействие.
Проверка новой теории заключалась в подтверждении существования гипотетических W и Z - частиц. Их открытие стало возможным только с созданием очень больших ускорителей новейшего типа. Открытие в 1983 году W и Z - частиц означало торжество теории электрослабого взаимодействия. Не было больше нужды говорить о четырех фундаментальных взаимодействиях. Их осталось три.
3.3. Квантовая хромодинамика.
Следующий шаг на пути Великого объединения фундаментальных взаимодействий - слияние сильного взаимодействия с электрослабым. Для этого необходимо придать черты калибровочного поля сильному взаимодействию и ввести обобщенное представление об изотопической симметрии. Сильное взаимодействие можно представлять как результат обмена глюонами, которые обеспечивают связь кварков (попарно или тройками) в адроны.
Замысел здесь состоит в следующем. Каждый кварк обладает аналогом электрического заряда, служащим источником глюонного поля. Его назвали цветом (разумеется, это название не имеет никакого отношения к обычному цвету). Если электромагнитное поле порождается зарядом только одного сорта, то для создания более сложного глюонного поля потребовалось три различных цветовых заряда. Каждый кварк "окрашен" в один из трех возможных цветов, которые совершенно произвольно были названы красным, зеленым и синим. И соответственно антикварки бывают антикрасные, антизеленые и антисиние.
На следующем этапе теория сильного взаимодействия развивается по той же схеме, что и теория слабого взаимодействия. Требование локальной калибровочной симметрии (т.е. инвариантности относительно изменений цвета в каждой точке пространства) приводит к необходимости введения компенсирующих силовых полей. Всего требуется восемь новых компенсирующих силовых полей. Частицами-переносчиками этих полей являются глюоны, и, таким образом, из теории следует, что должно быть целых восемь различных типов глюонов, в то время как переносчик электромагнитного взаимодействия - всего лишь один (фотон), а переносчиков слабого взаимодействия - три. Глюоны имеют нулевую массу покоя и спин 1. Глюоны также имеют различные цвета, но не чистые, а смешанные (например, сине-антизеленый). Поэтому, испускание или поглощение глюона сопровождается изменением цвета кварка ("игра цветов"). Так, например, красный кварк, теряя красно-антисиний глюон, превращается в синий кварк, а зеленый кварк, поглощая сине-антизеленый глюон, превращается в синий кварк. В протоне, например, три кварка постоянно обмениваются глюонами, изменяя свой цвет. Однако такие изменения носят не произвольный характер, а подчиняются жесткому правилу: в любой момент времени "суммарный" цвет трех кварков должен представлять собой белый свет, т.е. сумму "красный + зеленый + синий". Это распространяется и на мезоны, состоящие из пары кварк - антикварк. Поскольку антикварк характеризуется антицветом, такая комбинация заведомо бесцветна ("белая"), например красный кварк в комбинации с антикрасным кварком образует бесцветный мезон.
С точки зрения квантовой хромодинамики (квантовой теории цвета) сильное взаимодействие есть не что иное, как стремление поддерживать определенную абстрактную симметрию природы: сохранение белого цвета всех адронов при изменении цвета их составных частей. Квантовая хромодинамика великолепно объясняет правила, которым подчиняются все комбинации кварков, взаимодействие глюонов между собой, сложную структуру адрона, состоящего из "одетых" в облака кварков и др.
Возможно, пока преждевременно оценивать квантовую хромодинамику как окончательную и завершенную теорию сильного взаимодействия, но тем не менее ее достижения многообещающи.
3.4. На пути к... Великому объединению.
С созданием квантовой хромодинамики появилась надежда на создание единой теории всех (или хотя бы трех из четырех) фундаментальных взаимодействий. Модели, единым образом описывающие хотя бы три из четырех фундаментальных взаимодействий, называются моделями Великого объединения. Теоретические схемы, в рамках которых объединяются все известные типы взаимодействий (сильное, слабое, электромагнитное и гравитационное) называются моделями супергравитации.
Опыт успешного объединения слабого и электромагнитного взаимодействий на основе идеи калибровочных полей подсказал возможные пути дальнейшего развития принципа единства физики, объединения фундаментальных физических взаимодействий. Один из них основан на том удивительном факте, что константы взаимодействия электромагнитного, слабого и сильного взаимодействий становятся равными друг другу при одной и той же энергии. Эту энергию называли энергией объединения. При энергии более 10n ГэВ, где n = 14 или на расстояниях r 10n см, где n = -29 , сильные и слабые взаимодействия описываются единой константой, т. е. имеют общую природу. Кварки и лептоны здесь практически не различимы.
В 70-90-е годы было разработано несколько конкурирующих между собой теорий Великого объединения. Все они основаны на одной и той же идее. Если электрослабое и сильное взаимодействия в действительности представляют собой лишь две стороны великого единого взаимодействия, то последнему также должно соответствовать калибровочное поле с некоторой сложной симметрией. Она (симметрия) должна быть достаточно общей, способной охватить все калибровочные симметрии, содержащиеся и в квантовой хромодинамике и в теории электрослабого взаимодействия. Отыскание такой симметрии - главная задача на пути создания единой теории сильного и электрослабого взаимодействия. Существуют разные подходы, порождающие конкурирующих варианты теорий Великого объединения.
Тем не менее все эти гипотетические варианты Великого объединения имеют ряд общих особенностей:
Во-первых, во всех гипотезах кварки и лептоны - носители сильного и электрослабого взаимодействий - включаются в единую теоретическую схему. До сих пор они рассматривались как совершенно различные объекты.
Во-вторых, привлечение абстрактных калибровочных симметрий приводит к открытию новых типов полей, обладающих новыми свойствами, например, способностью превращать кварки в лептоны. В простейшем варианте теории Великого объединения для превращения кварков в лептоны требуется двадцать четыре поля. Двенадцать из квантов этих полей уже известны: фотон, две W - частицы, Z - частица и восемь глюонов. Остальные двенадцать квантов - новые сверхтяжелые промежуточные бозоны, объединенные общим названием Х и У - частицы (с электрическим зарядом 1/3 и 4/3). Эти кванты соответствуют полям, поддерживающим более широкую калибровочную симметрию и перемешивающим кварки с лептонами. Следовательно, кванты этих полей (т.е. Х и У - частицы) могут превращать кварки в лептоны (и наоборот).
На основе теорий Великого объединения предсказаны по крайней мере две важных закономерности, которые могут и должны быть проверены экспериментально: нестабильность протона и существование магнитных монополей. Экспериментальное обнаружение распада протона и магнитных монополей могло бы стать веским доводом в пользу теорий Великого объединения. На проверку этих предсказаний направлены усилия экспериментаторов. Но пока еще твердо установленных экспериментальных данных на этот счет нет. Дело в том, что теории Великого объединения имеют дело с энергией частиц выше 10n ГэВ, где n = 14. Это очень высокая энергия. Трудно сказать, когда удастся получить частицы столь высоких энергий в ускорителях. Этим объясняется, в частности, трудность обнаружения Х и У - бозонов. И потому основной областью применения и проверки теорий Великого объединения является космология. Без этих теорий невозможно описать раннюю стадию эволюции Вселенной, когда температура первичной плазмы достигала 10n К, где n = 27 . Именно в таких условиях могли рождаться и аннигилировать сверхтяжелые частицы.
Таким образом, становится ясно, что доказательство теории Великого объединения - основная задача физиков на сегодняшний день, т.к. эта теория не только поможет связать разрозненные фрагменты человеческих знаний в единую картину, но и сделать шаг на пути к познанию возникновения Вселенной.
Список используемой литературы.
Справочник школьника. 5-11 классы. 2004
Компьютерная энциклопедия Кирилла и Мефодия. 2005
И. Л. Розенталь «Элементарные частицы и структура Вселенной». 1984
Страница 8
В природе между элементарными частицами действует не один, а иногда в одно и то же время несколько типов взаимного влияния и свойства и структура частиц определяется общностью всех типов взаимного влияния, принимающих участие. Например, протон, входящий в адронный тип элементарных частиц, принимает участие в сильном взаимном влиянии, и в электромагнитном взаимном влиянии в связи с тем, что он является электрически заряженной частицей. С другой стороны, протон может зародиться в процессе b распада нейтрона, то есть в слабых взаимных влияниях, таким образом, он связан со слабыми взаимными влияниями. И наконец, протон как материальное образование, обладающее массой, принимает участие в гравитационных взаимных влияниях. В отличие от протона целый ряд элементарных частиц принимают участие во всех типах взаимного влияния, а только в некоторых их типах. Например, нейтрон в силу того, что он является, незаряженной частицей он не принимает участия в электромагнитных взаимных влияниях, а электрон и мю-мезоны – в сильных взаимных влияниях. Фундаментальные взаимные влияния являются причиной превращения частиц – их уничтожения и зарождения. Например, в результате столкновения нейтрона и протона образуются два нейтрона и один положительный пимезон.
Срок превращения элементарных частиц зависит от взаимовлияющей силы. Ядерные реакции, связанные с сильными взаимными влияниями, происходят за 10-24 – 10-23 секунды. Это, период когда элементарная частица переходит в частицу высокой энергии и приобретает скорость, близкую к скорости света, размеры порядка 10-13 см. Обусловленные электромагнитными взаимными влияниями изменения происходят за 10-21 – 10-19 секунды, обусловленные слабыми взаимными влияниями изменения (например, процесс распада элементарных частиц) – за 10-10 секунды.
К периоду протекания различных изменений, происходящих в микромире, можно подходить с точки зрения рассуждений о создающих взаимных влияниях.
Кванты взаимного влияния элементарных частиц реализуются посредством соответствующих этим частицам физических полей. Под полем в современной квантовой теории понимается система частиц, меняющихся в числе (половые кванты). Состояние, когда поле, и вообще, полевые кванты существуют с самой малой энергией, называется вакуумом. Частицы электромагнитного поля (фотоны) в вакууме в состоянии возбуждения теряют механические свойства, которые они содержат и которые присущи корпускулярной материи (например во время движения тело не чувствует трения).
Вакуум не содержит простые виды материи, однако, не смотря на это он не пустота в истинном смысле слова, так в вакуумном возбуждении возникают кванты электромагнитного поля – фотоны, реализующие электромагнитное взаимное влияние. В вакууме в дополнении электромагнитному полю существуют другие физические поля, в том числе пока не отмеченное в эксперименте по так называемым гравитонным экспериментам гравитационное поле.
Квантовое поле – совокупность квантов, носит дискретный характер. Так взаимные влияния элементарных частиц, их взаимные превращения, излучение и поглощение фотонов носит дискретный характер и происходит только в ситуации квантатирования. В результате возникает такой вопрос: в чём конкретно проявляется непрерывность поля, его континуальность? Как в квантовой электродинамике, так и в квантовой механике состояние поля описывается однозначно не наблюдаемыми реальными явлениями, а только посредством волновой функции, связанной с взаимным понятием. Квадрат модуля этой функции показывает возможность наблюдать рассматриваемые физические явления.
Основная проблема квантовой теории поля – описание различных типов взаимных влияний частиц в соответствующих уравнениях. Эта проблема нашла своё решение пока только в квантовой электродинамике, описывающей взаимные влияния электронов, позитронов и фотонов. Для сильных и слабых взаимных влияний пока не создана квантовая теория поля. В настоящее время эти виды взаимного влияния описываются не строгими методами. Хотя известно, что невозможно понять элементарные частицы если они не находятся в соответствующей физической теории, невозможно понять их структуру, определяемую структурой этих теории. Поэтому проблема структуры элементарных частиц еще до конца не решена.1 Современная физика в настоящий период доказывает существование сложных частиц, которые обладают внутренним строением частиц, считающихся «элементарными». Стало известно, что протон и нейтрон в результате происходящих в них виртуальных процессов подвергаются внутренним превращениям. В результате опытов, проведённых по изучению строения протонов, было определено, что протон, считавшийся до последнего времени неделимым, самым простым и бесструктурным в действительности является сложной частицей. В его центре находится плотное ядро, называющиеся «керн», оно окружёно положительными пи-мезонами.
Сложность строения «элементарных» частиц была доказана выдвинутой в 1964 году американским учёным Гель-Манном и независимо от него шведским учёным Цвейгом гипотезой кварков. Согласно этой гипотезе элементарные частицы с отношениями, характеризующимися сильными взаимными влияниями (адроны: протон, нейтрон, гипероны), должны формироваться из кварков-частиц, заряд которых равен одной третьей или двум третьим заряда электрона. Таким образом, теория показывает, что у формирующих частицы отмечённых кварков электрический и барионный заряд должен выражаться дробным числом. Действительно, называемые кварками частицы пока не обнаружены и остаются гипотетическими обитателями микромира на нынешнем уровне развития науки.
Таким образом, с одной стороны ясно, что элементарные частицы обладают особой структурой, с другой стороны, характер этой структуры ещё остаётся неясным. Из вышеприведенных данных становится ясным, что элементарные частицы вовсе не элементарные, они обладают внутренней структурой, могут делиться и превращаться друг в друга. Мы ещё очень мало знаем обоих строении. Таким образом, на сегодняшний день основываясь на целый ряд фактов, мы можем утверждать, что материя элементарных частиц – новый вид, качественно отличающийся от более сложных частиц (ядро, атом, молекула). В тоже время это различие настолько существенно, что используемые нами при изучении ядер, атомов, молекул, макроскопических тел категории и выражения («простой» и «сложный», «внутренняя структура», «сформированный») и могут применяться к элементарным частицам. Понятия «простой и сложный», «составляющие части», «структура», «целый» являются, в общем относительными понятиями. Например, несмотря на то, что атом обладает сложным строением, и структура его состоит из ядерного и электронного ярусов, по сравнению с входящей в его состав молекулой является более простым.
Все ныне известные элементарные частицы можно разделить на группы по их общим свойствам и отношению к взаимодействию. Таких взаимодействий в природе известно четыре: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное.
Сильное взаимодействие имеет наибольшую по сравнению с другими взаимодействиями интенсивность. Оно определяет связь протонов и нейтронов в ядрах атомов (путем обмена виртуальными л-мезонами), что и обеспечивает исключительную прочность этих образований.
Электромагнитное взаимодействие характеризует менее интенсивные процессы. Оно обусловливает связь атомных электронов с ядрами, связь атомов в молекулах, а также взаимодействия вещества с электромагнитными полями.
Слабое взаимодействие характеризует процессы, связанные с самими частицами, в частности с (β-распадом, а также с распадами μ, π, К-мезонов и гиперонов. Оказалось, что слабое взаимодействие носит универсальный характер, в нем участвуют все частицы. Время жизни большинства таких частиц лежит в диапазоне 10 -8 - 10 -10 с, тогда как типичное время сильных взаимодействий составляет 10 -23 -10 -24 с. Иллюстрацией подобного взаимодействия может служить тот факт, что нейтрино, способные только к слабому взаимодействию, могут беспрепятственно проходить в веществе расстояние ~10 14 км.
Гравитационное взаимодействие, столь хорошо известное по своим макроскопическим проявлениям, в случае элементарных частиц дает чрезвычайно незначительные эффекты из-за малой величины их масс. Однако эти эффекты значительно возрастают и в микромире на расстояниях порядка 10 -33 см, поскольку увеличивается масса порождаемых частиц. Эти взаимодействия играют доминирующую роль в мегамире.
Сопоставление указанных четырех взаимодействий по безразмерным параметрам, связанным с квадратами соответствующих констант взаимодействий, дает для сильного, электромагнитного, слабого и гравитационного следующие отношения: 1:10 -3:10 -10:10 -38 . Вообще говоря, интенсивность различных процессов по-разному зависит от энергии, поэтому с ростом энергии взаимодействующих частиц меняется относительная роль различных взаимодействий.
В зависимости от участия в тех или иных видах взаимодействий все частицы, как мы уже указывали, можно разделить на четыре группы.
I группа : е, μ, τ, ν е, ν μ , ν τ - лептоны участвуют в слабых и электромагнитных взаимодействиях; II группу составляют сильно взаимодействующие частицы (их сейчас насчитывается более 300), называемые адронами (они также участвуют в слабых и электромагнитных взаимодействиях).
Изучение адронов привело к выводу о наличии общего в их структуре. В 1964 г. М. Гелл-Манн и Дж. Цвейг высказали гипотезу о том, что в структуру всех адронов входят экзотические по своим характеристикам объекты, получившие название кварки . Предполагалось, что существует три вида кварков u, d, s, заряды которых дробные е u =+ 2 / з, e d = e s =- 1 / з заряда электрона, а массы m u = m d ~300 МэВ, m s ~450 МэВ. В дальнейшем, так требовала логика развития теории, для описания слабых взаимодействий адронов (слабых распадов) пришлось ввести кварки еще одного типа, так называемые с-кварки с зарядом е с = е u = + 2 / з заряда электрона. Этот кварк характеризуется новым квантовым числом, названным charm -"очарование".
В ноябре 1974 г. была открыта новая частица J/ψ с необычными свойствами (масса 3,1 ГэВ примерно в три раза больше массы протона), время жизни ~10 -20 с (т. е. в 1000 раз дольше, чем любые известные ранее частицы с такой большой массой). Она распадается на пары е + + е - или μ + + μ - . Вскоре была также открыта частица, получившая название ψ"(масса 3,7 ГэВ).
Эксперименты показали, что частицы J/ψ, ψ" принадлежат целому семейству мезонов, которое хорошо соответствует спектру чармония с эффективной массой, соответствующей предсказанной теорией массой с-кварка (m с ≈1,6 ГэВ). Для окончательного подтверждения существования с-кварка необходимо было открыть адроны с явным "очарованием". В настоящее время обнаружены явления, указывающие на рождение очарованных частиц.
Физики считают, что существование с-кварка экспериментально подтверждено. Но так как существование с-кварков основывалось на предположении о существовании легких кварков - u, d, s, то открытие очарованных чармированных адронов имеет фундаментальное значение для подтверждения истинности всей кварковой гипотезы.
Физики-теоретики пришли к выводу о том, что кварки каждого типа должны находиться в одном из трех состояний, которые сейчас принято характеризовать тремя цветами (например, желтым, синим, красным); они предполагают, что сильное взаимодействие кварков - это взаимодействие их цвета с новым полем, т. н. глюонным (от англ. glue - клей, т. к. это поле как бы "склеивает" кварки в адроне). Кванты глюонного поля - глюоны - не участвуют в электромагнитных и слабых взаимодействиях. Они не только изменяют цветовое состояние кварка, но и сами несут цвет и взаимодействуют с глюонным полем. Все это породило по аналогии с квантовой электродинамикой новую отрасль физики - так называемую квантовую хромодинамику.
Важно подчеркнуть, что кварки и глюоны не наблюдаются в свободном состоянии, они не "вылетают" из адронов.
Имеются специальные исследования, где доказывается принципиальная невозможность существования кварков в свободном состоянии.
Физики уже давно пытаются создать и непротиворечивую теорию слабых взаимодействий. В 1967 г. С. Вайнберг и А. Салам предложили вариант такой теории - построили модель на основе использования общих принципов симметрии. Этой теорией было предсказано существование ранее неизвестных частиц - квантов особых векторных полей, ответственных за перенос как слабых, так и электромагнитных взаимодействий.
Две из этих частиц W ± должны иметь заряды и могут быть реально наблюдаемыми, так как, по их мнению, именно обмен заряженными W ± -мезонами и порождает слабое взаимодействие так называемых заряженных токов. Что же касается двух нейтральных частиц W°, B°-квантов нейтронных полей, то физически наблюдаемыми могут оказаться кванты любой их линейной комбинации:
где Θ W ,- так называемый угол Вайнберга.
Было показано, что одна из их комбинаций - так называемое поле A - отождествляется с электромагнитным полем, а обмен нейтральными Z°-мезонами порождает новый тип слабых взаимодействий - так называемые нейтральные токи , которые и были открыты в 1973 г. Они стали первым подтверждением относительной истинности модели Вайнберга-Салама. В настоящее время W ± и Z°-частицы открыты.
Необходимо обратить внимание и на открытие новых лептонов. Это исключительно редкое событие. Достаточно напомнить, что электрон (е) был открыт в 1897 г., а мюон (μ) в 1936-1938 гг. В 1975-1976 гг. появились данные в пользу существования τ ± , так называемого тяжелого лептона с массой 1,8 ГэВ (2 Мр). Изучение τ-лептона дает еще один аргумент в пользу трех состояний кварков. Было высказано предположение и о существовании нового лептона (v τ - нового нейтрино), τ-лептон имеет новое лептонное квантовое число, которое было названо секволептоном (от англ. sequential - последовательный).
Дальнейшие исследования привели к выводу, что для восстановления симметрии следовало бы увеличить число кварков. Четырех стало уже недостаточно для описания объектов микромира, необходимо было ввести еще два кварка. Дело в том, что в мае - июне 1977 г. группой Л. Ледермана были получены важные результаты, а именно - обнаружено новое семейство тяжелых частиц с массами ~10 ГэВ.
Открытие этих частиц (они были названы γ-мезонами) вызвало к жизни необходимость существования еще более тяжелого кварка "b" с эффективной массой m b ~5 ГэВ с новым квантовым числом, получившим название "прелесть" (от англ. beauty).
Новые γ-мезоны - это частицы со скрытой прелестью. Таким образом, изучение адронов и лептонов обогатило науку знанием о новых объектах, об их количественных и качественных характеристиках, об их взаимодействиях. Все это свидетельствует о наступлении новой эпохи в изучении неисчерпаемых свойств микрообъектов, составляющих в совокупности с различными полями фрагмент целостного материального мира.
Сейчас появилась надежда на создание и единой теории взаимодействия. В свое время А. Эйнштейн пытался создать такую теорию поля. В. Гейзенберг также приложил немало усилий для построения единой (так называемой спинорной) теории "праматерии". Ныне мы стали свидетелями становления еще одного из вариантов единой теории взаимодействия, получившего название Великого объединения.
Уже удалось создать единое электрослабое взаимодействие, получены обнадеживающие результаты в объединении сильного и электрослабого взаимодействий; причем сильное и слабое взаимодействия сами по себе являются его проявлением. Вне объединения остается еще гравитационное взаимодействие, но есть уже подходы к включению в единую теорию взаимодействия и его (суперсимметрия).
Современное развитие физики элементарных частиц позволило показать, что известные частицы (лептоны, адроны, кварки, глюоны, фотоны) существенным образом определяют специфику процессов микромира. Судя по всему, этот перечень далек от своего завершения, как и сама теория элементарных частиц.
Как отмечалось, физика элементарных частиц располагает огромным эмпирическим материалом и теория уже дает рациональное объяснение значительной его части. Однако она еще существенно отстает от эксперимента и не является внутренне замкнутой системой определенных принципов и понятий, хотя ее понятийный аппарат значительно более емкий и отличается от аппарата ранее существовавших теорий.
Рассмотрим теперь в ретроспективе некоторые попытки построения единой теории, охватывающей все частицы и поля. Здесь имеются две основные тенденции, в конечном счете связанные друг с другом. Первая из них ведет начало от идеи Луи де Бройля, состоящей в том, чтобы положить в основу простейшую волновую функцию спинорного типа, описывающую частицу с минимальным неисчезающим угловым моментом, т. е. спином S= 1 / 2 (в долях h / 2π). Тогда, комбинируя эти волновые функции (в конце концов перемножая), мы при некоторых дополнительных условиях получим путем подобного "слияния" все другие возможные волновые функции частиц со спинами 0,1; 3 / 2 ; 2... Комбинируя два угловых момента + 1 / 2 и - 1 / 2 , получим 0, комбинируя два угловых момента + 1 / 2 и + 1 / 2 , получим 1 (так как спины + 1 / 2 могут ориентироваться лишь параллельно либо антипараллельно). Методом слияния удается, комбинируя два уравнения Дирака, описывающие спиновые частицы ("фермионы"), получить уравнения Клейна-Гордона и Прока, а в частном случае - исчезающей массы покоя - уравнения электродинамики Максвелла. Таким путем в принципе возможно из пар нейтрино-антинейтрино построить фотоны. Идеи нейтринной теории света Луи де Бройля развивали Крониг, Иордан, А. Соколов.
Слабым пунктом метода слияния является отсутствие каких-либо сил, которые обусловливают самое слияние. Остается неясным, что заставляет, например, нейтрино превращаться в кванты электромагнитного поля. Ответ на этот вопрос пыталась дать так называемая нелинейная единая спинорная теория материи В. Гейзенберга. Название этой теории явно неудачно. Речь шла о создании единой теории элементарных частиц и полей, а не о теории материи, ибо единственной теорией материи, как объективной реальности, существующей вне и независимо от познающего субъекта, является диалектический материализм. Если мы примем за основу новой теории некоторое единое спинорное поле, то оно способно взаимодействовать лишь само с собой. Это приводит к появлению так называемых нелинейных членов в уравнениях Дирака (которые были впервые введены Д. Иваненко еще в 1938 г.), а затем более подробно рассмотрены В. Гейзенбергом (193, 441-485; 34).
Эта теория не дает точных значений масс частиц и констант связи, но, несомненно, это одна из попыток, заслуживающих внимания, хотя она и не лишена недостатков. Это только программа исследований, которую не следует переоценивать, как это уже имело место в отдельных статьях, опубликованных в нашей печати.
Необходимо иметь в виду, что уже несколько лет назад была вскрыта некорректность математической трактовки спинорной теории Гейзенберга, а также было показано, что введенная Гейзенбергом индефинитная метрика приводит к нарушению микропричинности. Можно с большим основанием считать, что конкретная попытка Гейзенберга создать единую теорию элементарных частиц пока потерпела неудачу, но избранное им направление исследования не следует сбрасывать со счетов, В последние годы наблюдается своеобразный возврат к идеям В. Гейзенберга.
В 1958 г. в США, когда Паули докладывал о теории Гейзенберга, присутствовавший на обсуждении Н. Бор бросил реплику: "Для новой теории теория Гейзенберга недостаточно сумасшедшая" (crasy) (23, 20). Н. Бор имел в виду отсутствие в этой теории необычной, диковинной идеи. На наш взгляд, такой идеи у физиков еще нет. Академик И. Тамм считал наиболее перспективным направлением в разработке теории элементарных частиц попытки коренным образом пересмотреть наши пространственно-временные представления в применении к ультрамалым масштабам. Он ссылается на высказывания академика Л. Т. Мандельштама о неприменимости обычных понятий пространства и времени к ядерным масштабам, а также на работы X. Снайдера (1947), предложившего способ квантования пространства и времени, приводящий к выводу о дискретности пространства. Снайдер показал, что квантованное пространство, т. е. пространство некоммутирующих между собой координат, дискретно и вместе с тем изотропно. Однако идеи Снайдера дальнейшего развития почти не получили за исключением работ Гольфанда и Кадышевского.
В. Г. Кадышевский (50. 1961. 136. (1)) предлагал ввести в теорию элементарных частиц универсальную длину "l" на основе изменения геометрии пространства-времени. Он считал, что новая геометрия должна удовлетворять следующим условиям:
а) форма S 2 = X 2 0 - X 2 2 неинвариантна преобразованию координат, при этом группа движений допускала бы меньшую степень изотропии 4-пространства, чем Лоренцова группа;
б) неинвариантность интервала и наличие универсальной длины были бы причинами несохранения четности;
в) должна существовать подгруппа, для которой S 2 есть инвариант, чтобы можно было описать симметрии больших областей 4-пространства - больших по сравнению с элементарной длиной "l". Длину "l" автор связывает с величиной С - универсальной константой слабого взаимодействия. После выделения множителей "h " и "С" для "l" следует при этом значение 7*10 -17 см. Эта и последовавшие за ней работы очень интересны, но пока возможности данной теории остаются неясными.
В 1959 г. канадский физик X. Коиш и советский физик И. С. Шапиро в своих исследованиях рассмотрели дискретное пространство, состоящее из конечного числа элементов, и показали хорошее совпадение ряда выводов с экспериментальными данными. Это также один из возможных поисковых путей, приближающий к созданию систематики элементарных частиц, к новой обобщающей физической теории. Однако И. С. Шапиро, выступая в 1962 г. на Совещании по философским проблемам физики элементарных частиц, оценил свои работы как начальную стадию, весьма отдаленную от создания теории, позволяющей провести сравнение с опытом. Философский анализ этой проблемы дал Р. А. Аронов (31.1957.3).
В физике рассматривались вопросы о так называемых спектральных представлениях и дисперсионных соотношениях. По мнению ряда физиков, это был своеобразный новый этап в ее развитии, когда исследовались аналитические свойства физических величин (например, амплитуды рассеяния) при продолжении их от вещественных значений в комплексную область. Применение к этим величинам теории функций комплексного переменного дало чрезвычайно важные результаты. Мандельштам (99) ввел двойные дисперсионные соотношения, рассматривая комплексные значения не только энергии, но и импульса. Редже предложил обобщение формализма S-матрицы и дисперсионных соотношений в комплексные значения углового момента. В результате применения "реджистики" были определены соотношения между амплитудами вероятностей различных процессов рассеяния: ππ, πN, NN и т. д. при высоких энергиях. Однако существуют данные (в области физики сверхвысоких энергий), которые ограничивают претензии "реджистов" на всеобъемлемость их представлений.
Академик И. Тамм считал дисперсионную теорию в известной мере феноменологической, так как она, не вдаваясь в механизм элементарных физических явлений, извлекает из данных опыта численные значения ряда входящих в нее параметров и затем правильно предсказывает результаты гораздо более обширного круга экспериментов, чем те, на основании которых были определены эти параметры. Во втором издании настоящей книги мы писали (С. 194), что хотя на первый взгляд здесь проявляется тесное единство теории и практики, но нам кажется, что сама теория носит рецептурный характер. Мы были согласны с выводом И. Тамма о том, что "успехи дисперсионной теории (как настоящие, так и будущие) отнюдь не решают основной задачи создания новой физической теории, базирующейся на ограниченном числе общих принципов и постулатов" (23, 21). Последующее развитие физики подтвердило эти предположения. Было много и других попыток построить теорию элементарных частиц. Кратко разберем некоторые из них.
Ферми и Янг предложили рассматривать п-мезон как образованный из нуклона и антинуклона при помощи каких-то еще неизвестных сил, действующих на крайне малых расстояниях р+¯р = π. Огромная потенциальная энергия связи "съедает" почти всю массу обоих нуклонов, оставляя лишь массу пиона. Вызвало интерес предложение С. Сакаты, положившего в основу теории р,π, λ и три соответственные античастицы. Тогда, комбинируя эти основные частицы, можно получить все пионы, K-мезоны и гипероны. "Эта модель,- писал С. Саката,- привлекла к себе внимание, так как она не только служила "субстанциональной" основой для структуры сильного взаимодействия, но и позволила объяснить спектр масс составных частиц и предсказала существование тогда открывавшихся резонансных частиц" (74, 168). Впрочем, природа сил сцепления оставалась при этом неясной. Минимум три основные частицы необходимы для того, чтобы обеспечить присутствие таких фундаментальных свойств, как заряд, изоспин, странность (представленная λ-гипероном). Ясно опять-таки, что в основу следует положить "вращающиеся" спинорные частицы, фермионы, так как при отсутствии "вращения" его неоткуда было бы получить. Мы видим здесь своеобразное возрождение теории Гельмгольца и Кельвина, пытавшихся в середине XIX в. строить материю из гипотетических эфирных вихрей.
При построении "составной" модели Саката исходил из следующего взгляда на элементарные частицы: "...я рассматриваю элементарные частицы как один из нескончаемого множества уровней строения материи, качественно отличающихся друг от друга и в совокупности образующих природу. Моя точка зрения основывается на положениях материалистической диалектики... нужно прежде всего установить, относятся ли открытые к настоящему времени тридцать с лишним видов элементарных частиц к одному или нескольким различным уровням строения материи" (31. 1962. 6, 134). Саката и его сотрудники попытались включить в свою схему и лептоны. За основу берутся лептоны е - , v, μ и некоторое "барионное" поле В (так называемая В-материя). Комбинируя один из лептонов с полем В, они получают основные частицы. Тем самым осуществляется сходство, подмеченное Маршаком - Гамба - Окуба (203) между барионами (р, π, λ и лептонами v, e - , μ -). Эта же симметрия осуществляется в нелинейной спинорной теории частиц.
Маршак назвал свои соображения о симметрии "киевской симметрией", поскольку они родились на симпозиумах Киевской конференции по физике высоких энергий летом 1959 г. Речь идет (как мы уже упоминали) о некоторой аналогии, существовавшей между тройками барионов (р, π, λ) и лептонов (v, e - , μ -). Любому члену четырехфермионного взаимодействия, с участием операторов этих частиц, можно противопоставить аналогичный член, получаемый из первого заменой λ на μ - , π на е - , р на v. Тогда, если процесс является разрешенным / запрещенным до замены, то он остается разрешенным / запрещенным после замены одной частицы из барионной / лептонной триады на "симметрофактор" из лептонной / барионной тройки. Маршак указывает, что он внимательно проанализировал все экспериментальные данные и не нашел ни одного случая, противоречащего указанной "симметрии", однако природа этой симметрии остается пока невыясненной. Теперь, когда уже создана кварковая модель, возникла возможность интерпретировать киевскую симметрию как соответствие четырех кварков - u, с, d, s четырем лептонам - v е, v μ , e, μ, но природа этой симметрии по-прежнему недостаточно известна.
Мы знаем, что всякая, даже самая удачная попытка создания единой теории вещества и поля неизбежно будет носить временный, преходящий характер. Дальнейшее теоретическое и экспериментальное проникновение в глубь микромира и, все более широкие исследования явлений в космосе, неизбежно нарушая любую единую картину, приведут к ее распаду на отдельные элементы, пока вновь не возникнут тенденции к объединению уже на более высоком уровне.
Введение различных понятий, отражающих реальные свойства частиц (изотопический спин, странность, барионный заряд и т. д.), приблизило нас к правильной классификации частиц. Огромная роль в классификации микрочастиц принадлежит принципу симметрии. Нетрудно заметить, что элементарные частицы каждого класса (фотоны, лептоны, мезоны, гипероны) обладают определенными, общими для них свойствами симметрии, но этот вопрос мы более подробно рассмотрим в ходе дальнейшего изложения.
Дж. Чу, М. Гелл-Манн и И. Нееман (21, 5Е) предложили новую классификацию сильно взаимодействующих частиц вещества, в которой разделение частиц на элементарные и сложные (составные) теряет смысл. Эти авторы предложили рассматривать частицы объединенными в группы (супермультиплеты) так, что частицы с разной массой покоя в каждой группе могут рассматриваться как различные возбужденные состояния одной и той же системы. Спектр масс частиц в этой схеме имеет близкую аналогию со спектром энергетических состояний атома. Каждая из частиц может с одинаковым основанием рассматриваться и как простая и как сложная. Для нахождения спектра масс предлагаются два метода: один из них основан на свойствах симметрии и теории групп, другой - на использовании так называемых траекторий Редже, т. е. кривых, связывающих массу частицы с ее внутренним моментом количества движения (спином) в каждой группе.
Многие физики в настоящее время считают, что октетная схема Гелл-Манна является наиболее удачной. В ее основе лежит принцип SU (3) симметрии. Восемь известных барионов рассматриваются как супермультиплет, соответствующий высшей симметрии; эта симметрия нарушается, и супермультиплет расщепляется в изотопические спиновые мультиплеты. Сильно взаимодействующие частицы описываются в пространстве "унитарного спина", который имеет восемь компонентов: первые три из них представляют собой компоненты изоспина, следующие четыре играют роль операторов, изменяющих странность, и последняя пропорциональна гиперзаряду. При нарушении высшей симметрии ("унитарной") сохраняются изоспин и гиперзаряд, а компоненты унитарного спина, соответствующие странности, изменяются; в результате происходит расщепление супермультиплета в изотопические спиновые мультиплеты. Таким образом, теория Гелл-Манна в какой-то степени учитывает глубокое диалектическое единство симметрии и асимметрии в мире элементарных частиц. Именно это позволило данной теории объединить сильно взаимодействующие частицы по стройной схеме и в то же время отразить их специфику (асимметрию свойств). В октетной схеме Гелл-Манна еще раз проявляется огромная эвристическая сила принципа симметрии. В рамках гипотезы "восьмеричного пути" на основе представлений симметрии и законов сохранения было предсказано существование Ω-гиперона, который был открыт на брукхэйвенском ускорителе в США (214). В свое время мы писали, что успехи, к которым привел учет в теории свойства унитарной симметрии, вселяют надежду, что экспериментальные исследования приведут к обнаружению и других предсказанных теорией частиц с дробным электрическим зарядом (± 1 / з и ± 2 / з заряда электрона), так называемых кварков. Последующее развитие физики оправдало эти надежды.
Укажем еще на некоторые попытки систематизации элементарных частиц. Так, несколько лет тому назад М. А. Марков (204) предложил оригинальную модель максимонов . Основываясь на идеях общей теории относительности, он показал, что макро- и микромир могут тесно смыкаться друг с другом. Формальным основанием для введения новых гипотетических элементов послужило то обстоятельство, что из важнейших мировых констант современной физической теории можно составить две комбинации с размерностью массы. Одна из этих величин имеет численное значение в одну миллионную часть грамма, а другая - в десять раз большее. Вводимые таким путем максимоны в 10 19 раз превышают по массе реальные адроны (сильно взаимодействующие частицы). Максимоны столь тяжелы для своих пространственных размеров, что "ни в каком сосуде на поверхности Земли эти частицы нельзя обнаружить. Они под действием сил тяжести проваливаются к центру планеты... Так как для рождения максимонов необходима энергия 10 28 эВ, то возможности рождения максимонов даже на ускорителях отдаленного будущего исключены" (53.1966.51, 878).
Анализ существующих моделей показывает некоторое различие в подходе их авторов к проблеме систематизации микрообъектов. Одни исходят из определенных свойств элементарных частиц и полей и пытаются разрешить проблему структуры микрообъектов путем введения новых свойств симметрии пространства - времени, другие, наоборот, сохраняют известные свойства пространства и времени, но для объяснения структуры микрочастиц вводят новые характеристики свойств материальных микрообъектов и полей. Такое различие в подходах к решению одной и той же проблемы вполне оправдано.
Услуга установки пластиковых окон в Томске по привлекательной стоимости от компании БФК.