Елементарни частици и техните полезни свойства. Елементарни частици и техните основни характеристики

Физиката на елементарните частици е тясно свързана с физиката на атомното ядро. Тази област съвременна наукасе основава на квантовите концепции и в своето развитие навлиза по-навътре в дълбините на материята, разкривайки мистериозния свят на нейните фундаментални принципи. Във физиката на елементарните частици ролята на теорията е изключително важна. Поради невъзможността за пряко наблюдение на такива материални обекти, техните изображения се свързват с математически уравнения, с наложени им забранителни и разрешаващи правила.

По дефиниция елементарните частици са първичните, неразложими образувания, от които по предположение се състои цялата материя. Всъщност този термин се използва в по-широк смисъл - за обозначаване на голяма група микрочастици материя, които не са структурно обединени в ядра и атоми. Повечето обекти на изследване във физиката на елементарните частици не отговарят на стриктното определение за елементарност, тъй като те са съставни системи. Следователно частиците, които отговарят на това изискване, обикновено се наричат ​​наистина елементарни.

Първата елементарна частица, открита в процеса на изучаване на микрокосмоса в края на 19 век, е електронът. След това е открит протонът (1919 г.), след това идва неутронът, открит през 1932 г. Съществуването на позитрона е теоретично предсказано от P. Dirac през 1931 г., а през 1932 г. този положително зареден „близнак“ на електрона е открит в космически лъчиКарл Андерсън. Предположението за съществуването на неутрино в природата е изложено от В. Паули през 1930 г. и е открито експериментално едва през 1953 г. В състава на космическите лъчи през 1936 г. са открити мю-мезони (мюони) - частици от двата знака на електрически заряд с маса около 200 електронни маси. Във всички останали отношения свойствата на мюоните са много близки до свойствата на електрона и позитрона. Също така в космическите лъчи през 1947 г. са открити положителни и отрицателни пи-мезони, чието съществуване е предсказано от японския физик Хидеки Юкава през 1935 г. По-късно се оказва, че съществува и неутрален пи-мезон.

В началото на 50-те години. голяма група частици с много необичайни свойства, което ги накара да бъдат наречени „странни“. Първите частици от тази група са открити в космическите лъчи, това са К-мезони от двата знака и К-хиперон (ламбда хиперон). Имайте предвид, че мезоните са получили името си от гръцки. „средна, междинна“ поради факта, че масите на първите открити частици от този тип (пи-мезони, мю-мезони) имат междинна маса между масата на нуклон и електрон. Хипероните вземат името си от гръцки. „горе, по-високо“, тъй като масите им надвишават масата на нуклон. Последвалите открития на странни частици са направени с помощта на ускорители на заредени частици, които се превръщат в основен инструмент за изследване на елементарните частици.

Така са открити антипротонът, антинеутронът и редица хиперони. През 60-те години Бяха открити значителен брой частици с изключително кратък живот, които бяха наречени резонанси. Както се оказа, повечето от известните елементарни частици принадлежат към резонансите. В средата на 70-те години. беше открито ново семейство от елементарни частици, което получи романтичното име „очарован“, а в началото на 80-те години - семейство от „красиви“ частици и така наречените междинни векторни бозони. Откриването на тези частици беше блестящо потвърждение на теорията, базирана на кварковия модел на елементарните частици, която предсказваше съществуването на нови частици много преди да бъдат открити.

Така за времето след откриването на първата елементарна частица - електрона - в природата са открити много (около 400) микрочастици материя и процесът на откриване на нови частици продължава. Оказа се, че светът на елементарните частици е много, много сложен, а свойствата им са разнообразни и често изключително неочаквани.

Всички елементарни частици са материални образувания с изключително малки маси и размери. Повечето от тях имат маси от порядъка на масата на протон (~10 -24 g) и размери от порядъка на 10 -13 m. Това определя чисто квантовата специфика на тяхното поведение. Важно квантово свойство на всички елементарни частици (включително фотона, който им принадлежи) е, че всички процеси с тях протичат под формата на последователност от актове на излъчване и поглъщане (способността да се раждат и унищожават при взаимодействие с други частици) . Процесите, включващи елементарни частици, се отнасят до четирите типа фундаментални взаимодействия, силно, електромагнитно, слабо и гравитационно. Силното взаимодействие е отговорно за свързването на нуклоните в атомното ядро. Електромагнитното взаимодействие осигурява връзката на електроните с ядрата в атома, както и връзката на атомите в молекулите. Слабото взаимодействие причинява по-специално разпадането на квазистабилни (т.е. относително дълготрайни) частици с време на живот в рамките на 10 -12 -10 -14 s. Гравитационното взаимодействие на разстояния, характерни за елементарни частици от ~10 -13 cm, поради малката им маса, има изключително нисък интензитет, но може да бъде значително на ултра-къси разстояния. Интензитетите на взаимодействия, силни, електромагнитни, слаби и гравитационни - при умерена енергия на процесите са съответно 1, 10 -2, 10 -10, 10 -38. Като цяло, с увеличаването на енергията на частиците това съотношение се променя.

Елементарни частициТе се класифицират по различни критерии и трябва да се каже, че като цяло приетата им класификация е доста сложна.

В зависимост от участието си в различни видове взаимодействия, всички известни частици се разделят на две основни групи: адрони и лептони.

Адроните участват във всички видове взаимодействия, включително силни. Те са получили името си от гръцки. "голям, силен."

Лептоните не участват в силното взаимодействие. Името им идва от гръцки. „лек, тънък“, тъй като масите са били известни до средата на 70-те години. частиците от този клас са значително по-малки от масите на всички останали частици (с изключение на фотона).

Адроните включват всички бариони (група частици с маса не по-малка от масата на протона, наречена така от гръцкия „тежък“) и мезони. Най-лекият барион е протонът.

Лептоните са по-специално електрон и позитрон, мюони от двата знака, неутрино от три вида (леки, електрически неутрални частици, участващи само в слаби и гравитационни взаимодействия). Предполага се, че неутриното са толкова често срещани в природата, колкото и фотоните, и много различни процеси водят до тяхното образуване. Отличителна черта на неутриното е неговата огромна проникваща сила, особено при ниски енергии. Завършвайки класификацията по видове взаимодействия, трябва да се отбележи, че фотонът участва само в електромагнитни и гравитационни взаимодействия. В допълнение, според теоретичните модели, насочени към обединяване на четирите вида взаимодействие, съществува хипотетична частица, която носи гравитационно поле, което се нарича гравитон. Особеността на гравитона е, че той (според теорията) участва само в гравитационното взаимодействие. Имайте предвид, че теорията се свързва с квантови процесигравитационно взаимодействие още две хипотетични частици— гравитино и гравифотон. Експерименталното откриване на гравитони, т.е. по същество гравитационно лъчение, е изключително трудно поради изключително слабото им взаимодействие с материята.

В зависимост от времето на живот елементарните частици се делят на стабилни, квазистабилни и нестабилни (резонанси).

Стабилни частици са електронът (времето му на живот t > 10 21 години), протонът (t > 10 31 години), неутриното и фотонът. Частиците, които се разпадат поради електромагнитни и слаби взаимодействия, се считат за квазистабилни; техният живот е t> 10 -20 s. Резонансите са частици, които се разпадат в резултат на силни взаимодействия; техният живот е в диапазона от 10 -22 ^10 -24 s.

Друг вид подразделение на елементарните частици е често срещан. Системите от частици с нулев и цял спин се подчиняват на статистиката на Бозе-Айнщайн, поради което такива частици обикновено се наричат ​​бозони. Колекция от частици с полуцяло спин се описва от статистиката на Ферми-Дирак, откъдето идва и името на такива частици - фермиони.

Всяка елементарна частица се характеризира с определен набор от дискретни физични величини— квантови числа. Характеристиките, общи за всички частици, са маса m, време на живот t, спин J и електрически заряд Q. Спинът на елементарните частици приема стойности, равни на цяло число или полуцело число, кратно на константата на Планк. Електрическите заряди на частиците са цели кратни на заряда на електрона, който се счита за елементарен електрически заряд.

Освен това елементарните частици се характеризират допълнително с така наречените вътрешни квантови числа. На лептоните се приписва специфичен лептонен заряд L = ±1, адроните с полуцяло спин носят барионен заряд B = ±1 (адроните с B = 0 образуват подгрупа от мезони).

Важна квантова характеристика на адроните е вътрешният паритет P, който приема стойност ±1 и отразява свойството на симетрия на вълновата функция на частиците по отношение на пространствената инверсия (огледален образ). Въпреки незапазването на паритета при слабо взаимодействие, частиците с добра точност приемат вътрешни паритетни стойности, равни на +1 или -1.

Освен това адроните се разделят на обикновени частици (протон, неутрон, пи-мезони), странни частици (^-мезони, хиперони, някои резонанси), „омагьосани” и „красиви” частици. Те съответстват на специални квантови числа: странност S, очарование C и красота b. Тези квантови числа са въведени в съответствие с кварковия модел, за да се интерпретират специфичните процеси, характерни за тези частици.

Сред адроните има групи (семейства) от частици с подобни маси, еднакви вътрешни квантови числа, но различни по електрически заряд. Такива групи се наричат ​​изотопни мултиплети и се характеризират с общо квантово число - изотопен спин, който, подобно на обикновения спин, приема цели и полуцели стойности.

Какъв е вече многократно споменатият кварков модел на адроните?

Откриването на модела на групиране на адроните в мултиплети послужи като основа за предположението за съществуването на специални структурни образувания, от които са изградени адроните - кварки. Ако приемем съществуването на такива частици, можем да приемем, че всички адрони са комбинации от кварки. Тази смела и евристично продуктивна хипотеза е изложена през 1964 г. от американския физик Мъри Гел-Ман. Неговата същност беше предположението за наличието на три фундаментални частици с полуцяло въртене, които са материал за изграждането на адрони, u-, d- и s-кварки. Впоследствие, въз основа на нови експериментални данни, кварковият модел на структурата на адроните беше допълнен с още два кварка, „очарован“ (c) и „красив“ (b). Счита се за възможно съществуването на други видове кварки. Отличителна черта на кварките е, че те имат частични стойности на електрически и барионни заряди, които не се срещат в нито една от известните частици. Всички са съгласни с кварковия модел експериментални резултативърху изучаването на елементарните частици.

Според кварковия модел барионите се състоят от три кварка, мезоните - от кварк и антикварк. Тъй като някои бариони са комбинация от три кварка в едно и също състояние, което е забранено от принципа на Паули (виж по-горе), на всеки тип („вкус“) кварк е присвоено допълнително вътрешно квантово число „цвят“. Всеки тип кварк ("вкус" - u, d, s, c, b) може да бъде в три "цветни" състояния. Във връзка с използването на цветови концепции теорията за силното взаимодействие на кварките се нарича квантова хромодинамика (от гръцки „цвят“).

Можем да приемем, че кварките са нови елементарни частици и те твърдят, че са наистина елементарни частици за адронната форма на материята. Проблемът с наблюдението на свободни кварки и глуони обаче остава нерешен. Въпреки систематичните търсения на космическите лъчи във високоенергийни ускорители, все още не е възможно те да бъдат открити в свободно състояние. Има основателни причини да се смята, че тук е изправена физиката особен феноменприрода – така нареченото задържане на кварките.

Въпросът е, че има сериозни теоретични и експериментални аргументи в полза на предположението, че силите на взаимодействие между кварките не отслабват с разстоянието. Това означава, че е необходима безкрайно повече енергия за разделяне на кварките, следователно появата на кварки в свободно състояние е невъзможна. Това обстоятелство дава на кварките статут на напълно специални структурни единици на материята. Може би именно като се започне от кварките, експерименталното наблюдение на етапите на фрагментация на материята е фундаментално невъзможно. Признаването на кварките като реално съществуващи обекти на материалния свят не само представлява поразителен случай на първичността на идеята по отношение на съществуването на материална единица. Възниква въпросът за преразглеждане на таблицата на основните световни константи, тъй като зарядът на кварка е три пъти по-малък от заряда на протона и следователно на електрона.

След откриването на позитрона науката се е сблъскала с частици антиматерия. Днес е очевидно, че за всички елементарни частици с ненулеви стойности на поне едно от квантовите числа, като електрически заряд Q, лептонен заряд L, барионен заряд B, странност S, очарование C и красота b, има античастици с еднакви стойности на маса, време на живот, спин, но с противоположни знаци на горните квантови числа. Известни са частици, които са идентични на техните античастици; те се наричат ​​наистина неутрални. Примери за наистина неутрални частици са фотонът и един от трите пи-мезона (другите два са частица и античастица по отношение една на друга).

Характерна особеност на взаимодействието на частиците и античастиците е тяхното унищожаване при сблъсък, т.е. взаимно унищожаване с образуването на други частици и изпълнението на законите за запазване на енергията, импулса, заряда и др. Типичен пример за анихилация на двойка е процес на трансформация на електрон и неговата античастица - позитрон - в електромагнитно излъчване (във фотони или гама кванти). Анихилацията на двойки се случва не само когато електромагнитно взаимодействие, но и със силно взаимодействие. При високи енергии леките частици могат да анихилират, за да образуват по-тежки частици - при условие че обща енергияанихилиращите частици надвишава прага за производство на тежки частици ( равно на сумататяхната енергия на покой).

При силни и електромагнитни взаимодействия има пълна симетрия между частиците и техните античастици, т.е. всички процеси, протичащи между първите, са възможни и за вторите. Следователно антипротоните и антинеутроните могат да образуват ядрата на атомите на антиматерията, т.е. по принцип антиматерията може да бъде изградена от античастици. Възниква очевиден въпрос: ако всяка частица има античастица, тогава защо няма натрупвания на антиматерия в изследваната област на Вселената? Наистина, тяхното присъствие във Вселената, дори някъде „близо“ до Вселената, може да се съди по мощната анихилационна радиация, идваща към Земята от областта на контакт между материя и антиматерия. Съвременната астрофизика обаче не разполага с данни, които биха ни позволили дори да предположим наличието на области, пълни с антиматерия във Вселената.

Как се е случил изборът в полза на материята и в ущърб на антиматерията във Вселената, въпреки че законите на симетрията са основно изпълнени? Причината за това явление най-вероятно е нарушението на симетрията, т.е. колебанията на нивото на основите на материята.

Едно нещо е ясно: ако такова колебание не беше настъпило, съдбата на Вселената щеше да бъде тъжна - цялата й материя щеше да съществува под формата на безкраен облак от фотони, резултат от унищожаването на частици материя и антиматерия.

По-нататъшното проникване в дълбините на микросвета е свързано с прехода от нивото на атомите към нивото на елементарните частици. Като първа елементарна частица в края на 19в. е открит електронът, а след това през първите десетилетия на 20 век. – фотон, протон, позитрон и неутрон.

След Втората световна война, благодарение на използването на съвременна експериментална техника и преди всичко мощни ускорители, в които се създават условия на високи енергии и огромни скорости, се установява съществуването на голям брой елементарни частици - над 300. Сред тях има както експериментално открити, така и теоретично изчислени, включително резонанси, кварки и виртуални частици.

Срок елементарна частицапървоначално означава най-простите, по-нататък неразложими частици, които са в основата на всякакви материални образувания. По-късно физиците осъзнаха цялата конвенция на термина „елементарно“ по отношение на микрообектите. Сега няма съмнение, че частиците имат една или друга структура, но въпреки това исторически установеното име продължава да съществува.

Основните характеристики на елементарните частици са маса, заряд, средно време на живот, спин и квантови числа.

Маса в покой елементарните частици се определят по отношение на масата на покой на електрона.Има елементарни частици, които нямат маса на покой - фотони. Останалите частици според този критерий се разделят на лептони– леки частици (електрон и неутрино); мезони– частици със среден размер с маса от една до хиляда електронни маси; бариони– тежки частици, чиято маса надвишава хиляда електронни маси и включва протони, неутрони, хиперони и много резонанси.

Електрически заряд е друга важна характеристика на елементарните частици. Всички известни частици имат положителен, отрицателен или нулев заряд. Всяка частица, с изключение на фотона и двата мезона, съответства на античастици с противоположни заряди. Около 1963–1964 г беше изложена хипотеза за съществуването кварки– частици с дробен електрически заряд. Тази хипотеза все още не е потвърдена експериментално.

По цял живот частиците се делят на стабилен И нестабилен . Има пет стабилни частици: фотон, два вида неутрино, електрон и протон. Именно стабилните частици играят най-важната роля в структурата на макротелата. Всички останали частици са нестабилни, съществуват около 10 -10 -10 -24 s, след което се разпадат. Наричат ​​се елементарни частици със средно време на живот 10–23–10–22 s резонанси. Поради краткия си живот те се разпадат, преди дори да напуснат атома или атомното ядро. Резонансните състояния са изчислени теоретично; те не могат да бъдат открити в реални експерименти.

Освен заряд, маса и време на живот, елементарните частици се описват и с понятия, които нямат аналози в класическата физика: понятието обратно . Спинът е присъщият ъглов момент на частица, който не е свързан с нейното движение. Спинът се характеризира с спиново квантово число с, който може да приема цели (±1) или полуцели (±1/2) стойности. Частици с целочислен спин – бозони, с полуцяло число – фермиони. Електроните се класифицират като фермиони. Според принципа на Паули един атом не може да има повече от един електрон с еднакъв набор от квантови числа н,м,л,с. Електроните, които съответстват на вълнови функции с еднакъв номер n, са много близки по енергия и образуват електронна обвивка в атома. Разликите в числото l определят „подчерупката“, останалите квантови числа определят нейното запълване, както беше споменато по-горе.

В характеристиките на елементарните частици има още една важна идея взаимодействия. Както беше отбелязано по-рано, известни са четири вида взаимодействия между елементарни частици: гравитационен,слаб,електромагнитниИ силен(ядрен).

Всички частици с маса в покой ( м 0), участват в гравитационното взаимодействие, а заредените участват и в електромагнитното взаимодействие. Лептоните също участват в слаби взаимодействия. Адроните участват и в четирите основни взаимодействия.

Според квантовата теория на полето всички взаимодействия се осъществяват поради обмена виртуални частици , тоест частици, за чието съществуване може да се съди само косвено, по някои от техните проявления чрез някои вторични ефекти ( реални частици може да се записва директно с помощта на инструменти).

Оказва се, че и четирите известни типа взаимодействия - гравитационно, електромагнитно, силно и слабо - имат калибровъчна природа и се описват с калибровъчни симетрии. Тоест, всички взаимодействия са, така да се каже, направени „от една и съща заготовка“. Това ни дава надежда, че ще бъде възможно да се намери „единственият ключ към всички известни ключалки“ и да се опише еволюцията на Вселената от състояние, представено от едно суперсиметрично суперполе, от състояние, в което разликите между видовете взаимодействия, между всички видове частици материя и полеви кванти все още не са се появили.

Има огромен брой начини за класифициране на елементарни частици. Например, частиците се делят на фермиони (частици на Ферми) - частици материя и бозони (частици на Бозе) - кванти на полето.

Според друг подход частиците се разделят на 4 класа: фотони, лептони, мезони, бариони.

Фотони (кванти на електромагнитното поле) участват в електромагнитни взаимодействия, но нямат силни, слаби или гравитационни взаимодействия.

лептони са получили името си от гръцката дума лептос- лесно. Те включват частици, които нямат силно взаимодействие: мюони (μ – , μ +), електрони (е – , у +), електронни неутрино (v e – ,v e +) и мюонни неутрино (v – m, v + m). Всички лептони имат спин ½ и следователно са фермиони. Всички лептони имат слабо взаимодействие. Тези, които имат електрически заряд (т.е. мюони и електрони), също имат електромагнитна сила.

Мезони – силно взаимодействащи нестабилни частици, които не носят така наречения барионен заряд. Сред тях е Р-мезони или пиони (π +, π –, π 0), ДА СЕ-мезони или каони (K +, K –, K 0) и това-мезони (η) . Тегло ДА СЕ-мезони е ~970me (494 MeV за заредени и 498 MeV за неутрални ДА СЕ-мезони). Живот ДА СЕ-мезони има величина от порядъка на 10 –8 s. Те се разпадат, за да се образуват аз-мезони и лептони или само лептони. Тегло това-мезони е 549 MeV (1074me), животът е около 10–19 s. Това-мезоните се разпадат, за да образуват π-мезони и γ-фотони. За разлика от лептоните, мезоните имат не само слабо (и, ако са заредени, електромагнитно) взаимодействие, но и силно взаимодействие, което се проявява, когато взаимодействат помежду си, както и по време на взаимодействието между мезони и бариони. Всички мезони имат нулев спин, така че те са бозони.

Клас бариони съчетава нуклони (p,n) и нестабилни частици с маса по-голяма от масата на нуклоните, наречени хиперони. Всички бариони имат силно взаимодействие и следователно активно взаимодействат с атомните ядра. Спинът на всички бариони е ½, така че барионите са фермиони. С изключение на протона, всички бариони са нестабилни. При разпадането на барионите, заедно с други частици, задължително се образува барион. Този модел е едно от проявленията закон за запазване на барионния заряд.

В допълнение към изброените по-горе частици са открити голям брой силно взаимодействащи краткоживеещи частици, които се наричат резонанси . Тези частици са резонансни състояния, образувани от две или Голям бройелементарни частици. Резонансният живот е само ~ 10 –23 –10 –22 s.

Елементарните частици, както и сложните микрочастици, могат да бъдат наблюдавани благодарение на следите, които оставят при преминаването си през материята. Естеството на следите ни позволява да преценим знака на заряда на частицата, нейната енергия, импулс и т.н. Заредените частици причиняват йонизация на молекулите по пътя си. Неутралните частици не оставят следи, но могат да се разкрият в момента на разпадане на заредени частици или в момента на сблъсък с всяко ядро. Следователно, неутралните частици в крайна сметка също се откриват чрез йонизацията, причинена от заредените частици, които генерират.

Частици и античастици. През 1928 г. английският физик П. Дирак успява да намери релативистично квантово-механично уравнение за електрона, от което следват редица забележителни следствия. Първо, от това уравнение получаваме по естествен начин, без никакви допълнителни предположения, спина и числова стойностсобствения магнитен момент на електрона. Така се оказа, че спинът е едновременно квантова и релативистка величина. Но това не изчерпва значението на уравнението на Дирак. Това също направи възможно да се предскаже съществуването на античастицата на електрона – позитрон. От уравнението на Дирак се получават не само положителни, но и отрицателни стойности за общата енергия на свободния електрон. Изследванията на уравнението показват, че за даден импулс на частица има решения на уравнението, съответстващи на енергиите: .

Между най-великите отрицателна енергия (–мд с 2) и най-малко положителна енергия (+ мд ° С 2) има интервал от енергийни стойности, които не могат да бъдат реализирани. Ширината на този интервал е 2 мд с 2. Следователно се получават две области на енергийни собствени стойности: едната започва с + мд с 2 и се простира до +∞, другият започва от – мд с 2 и се простира до –∞.

Една частица с отрицателна енергия трябва да има много странни свойства. Преминавайки към състояния с все по-малко и по-малко енергия (т.е. с нарастваща величина на отрицателната енергия), тя може да освободи енергия, да речем, под формата на радиация и, тъй като | д| неограничена, частица с отрицателна енергия може да излъчва безкрайно голямо количество енергия. До подобен извод може да се стигне и по следния начин: от отношението д=мд с 2 следва, че частица с отрицателна енергия ще има и отрицателна маса. Под въздействието на спирачна сила частица с отрицателна маса не трябва да се забавя, а да се ускорява, извършвайки безкрайно голямо количество работа върху източника на спирачната сила. С оглед на тези трудности, изглежда, че би било необходимо да се признае, че състоянието с отрицателна енергия трябва да бъде изключено от разглеждането като водещо до абсурдни резултати. Това обаче би противоречало на някои общи принципи на квантовата механика. Затова Дирак избра различен път. Той предположи, че преходите на електрони към състояния с отрицателна енергия обикновено не се наблюдават поради причината, че всички налични нива с отрицателна енергия вече са заети от електрони.

Според Дирак вакуумът е състояние, при което всички нива с отрицателна енергия са заети от електрони, а нивата с положителна енергия са свободни. Тъй като всички нива, лежащи под забранената зона, са заети без изключение, електроните на тези нива не се разкриват по никакъв начин. Ако на един от електроните, разположени на отрицателни нива, се придаде енергия д≥ 2мд с 2, тогава този електрон ще премине в състояние с положителна енергия и ще се държи по обичайния начин, като частица с положителна маса и отрицателен заряд. Тази първа теоретично предсказана частица е наречена позитрон. Когато позитрон срещне електрон, те анихилират (изчезват) - електронът се премества от положително ниво на празно отрицателно ниво. Енергията, съответстваща на разликата между тези нива, се освобождава под формата на радиация. На фиг. 4, със стрелка 1 е изобразен процесът на създаване на двойка електрон-позитрон, а със стрелка 2 – тяхното унищожаване.Терминът „анихилация” не трябва да се разбира буквално. По същество това, което се случва, не е изчезване, а трансформация на едни частици (електрон и позитрон) в други (γ-фотони).

Има частици, които са идентични със своите античастици (т.е. нямат античастици). Такива частици се наричат ​​абсолютно неутрални. Те включват фотона, π 0 мезона и η мезона. Частиците, идентични с техните античастици, не са способни на анихилация. Това обаче не означава, че те изобщо не могат да се трансформират в други частици.

Ако на бариони (т.е. нуклони и хиперони) се присвои барионен заряд (или барионно число) IN= +1, антибариони – барионен заряд IN= –1, а всички останали частици имат барионен заряд IN= 0, тогава всички процеси, протичащи с участието на бариони и антибариони, ще се характеризират със запазване на заряда на барионите, точно както процесите се характеризират със запазване на електрическия заряд. Законът за запазване на барионния заряд определя стабилността на най-мекия барион, протона. Трансформацията на всички величини, които описват физическа система, в която всички частици се заменят с античастици (например електрони с протони и протони с електрони и т.н.), се нарича конюгационен заряд.

Странни частици.ДА СЕ-мезоните и хипероните са открити като част от космическите лъчи в началото на 50-те години на ХХ век. От 1953 г. те се произвеждат в ускорители. Поведението на тези частици се оказа толкова необичайно, че бяха наречени странни. Необичайното поведение на странните частици беше, че те очевидно се раждат поради силни взаимодействия с характерно време от порядъка на 10–23 s, а животът им се оказа от порядъка на 10–8–10–10 s. Последното обстоятелство показва, че разпадането на частиците възниква в резултат на слаби взаимодействия. Беше напълно неясно защо странните частици живеят толкова дълго. Тъй като едни и същи частици (π-мезони и протони) участват както в създаването, така и в разпадането на λ-хиперона, беше изненадващо, че скоростта (т.е. вероятността) на двата процеса е толкова различна. Допълнителни изследвания показват, че странните частици се раждат по двойки. Това доведе до идеята, че силните взаимодействия не могат да играят роля в разпадането на частиците поради факта, че присъствието на две странни частици е необходимо за тяхното проявление. По същата причина еднократното създаване на странни частици се оказва невъзможно.

За да обяснят забраната за еднократно производство на странни частици, М. Гел-Ман и К. Нишиджима въвеждат ново квантово число, чиято обща стойност, според тяхното предположение, трябва да се запази при силни взаимодействия. Това е квантово число Сбеше наречен странността на частицата. При слаби взаимодействия странността може да не се запази. Поради това се приписва само на силно взаимодействащи частици - мезони и бариони.

Неутрино.Неутриното е единствената частица, която не участва нито в силни, нито в електромагнитни взаимодействия. Като изключим гравитационното взаимодействие, в което участват всички частици, неутриното може да участва само в слаби взаимодействия.

Дълго време оставаше неясно как неутриното се различава от антинеутрино. Откриването на закона за запазване на комбинирания паритет направи възможно да се отговори на този въпрос: те се различават по спиралност. Под спираловидностразбира се определено съотношение между посоките на импулса Ри обратно Счастици. Спираловидността се счита за положителна, ако въртенето и импулсът са в една и съща посока. В този случай посоката на движение на частиците ( Р) и посоката на „въртене“, съответстваща на въртенето, образуват десен винт. Когато въртенето и импулсът са противоположно насочени, спиралността ще бъде отрицателна (постъпателното движение и "въртенето" образуват ляв винт). Според теорията за надлъжните неутрино, разработена от Янг, Лий, Ландау и Салам, всички съществуващи в природата неутрино, независимо от метода на техния произход, винаги са напълно надлъжно поляризирани (т.е. тяхното въртене е насочено успоредно или антипаралелно на импулса Р). Неутрино има отрицателен(вляво) спиралност (съответстваща на съотношението на посоките СИ Р, показано на фиг. 5 (b), антинеутрино – положителна (дясна) спиралност (a). По този начин спиралността е това, което отличава неутрино от антинеутрино.

Ориз. 5.Схема на спиралността на елементарните частици

Систематика на елементарните частици.Моделите, наблюдавани в света на елементарните частици, могат да бъдат формулирани под формата на закони за запазване. Вече се натрупаха доста такива закони. Някои от тях се оказват не точни, а само приблизителни. Всеки закон за запазване изразява определена симетрия на системата. Закони за запазване на импулса Р, ъглов момент Ли енергия дотразяват свойствата на симетрията на пространството и времето: запазване де следствие от еднородността на времето, запазването Рпоради хомогенността на пространството и запазването Л– неговата изотропност. Законът за запазване на паритета е свързан със симетрията между дясно и ляво ( Р-инвариантност). Симетрията по отношение на конюгацията на заряда (симетрия на частиците и античастиците) води до запазване на паритета на заряда ( СЪС-инвариантност). Законите за запазване на електрическите, барионните и лептонните заряди изразяват специална симетрия СЪС- функции. И накрая, законът за запазване на изотопния спин отразява изотропността на изотопното пространство. Неспазването на един от законите за запазване означава нарушение на съответния тип симетрия в това взаимодействие.

В света на елементарните частици важи следното правило: всичко, което не е забранено от законите за опазване, е разрешено. Последните играят ролята на правила за изключване, управляващи взаимното преобразуване на частиците. Първо, нека отбележим законите за запазване на енергията, импулса и електрическия заряд. Тези три закона обясняват стабилността на електрона. От запазването на енергията и импулса следва, че общата маса на покой на продуктите на разпадане трябва да бъде по-малка от масата на покой на разпадащата се частица. Това означава, че един електрон може да се разпадне само на неутрино и фотони. Но тези частици са електрически неутрални. Така се оказва, че електронът просто няма на кого да прехвърли електрическия си заряд, така че е стабилен.

Кварки.Станаха толкова много частици, наречени елементарни, че възникнаха сериозни съмнения относно тяхната елементарна природа. Всяка от силно взаимодействащите частици се характеризира с три независими адитивни квантови числа: заряд Q, хиперзаряд Uи барионен заряд IN. В тази връзка възниква хипотезата, че всички частици са изградени от три основни частици - носители на тези заряди. През 1964 г. Гел-Ман и независимо от него швейцарският физик Цвайг излагат хипотеза, според която всички елементарни частици са изградени от три частици, наречени кварки. На тези частици се приписват дробни квантови числа, по-специално електрически заряд, равен на +⅔; –⅓; +⅓ съответно за всеки от трите кварка. Тези кварки обикновено се означават с буквите U,д,С. В допълнение към кварките се разглеждат антикварки ( u,д,с). Към днешна дата са известни 12 кварка - 6 кварка и 6 антикварка. Мезоните се образуват от двойка кварк-антикварк, а барионите се образуват от три кварка. Например протонът и неутронът са съставени от три кварка, което прави протона или неутрона безцветни. Съответно се разграничават три заряда на силни взаимодействия - червено ( Р), жълто ( Y) и зелено ( Ж).

На всеки кварк се приписва едно и също магнитен момент(μV), чиято стойност не е определена от теорията. Изчисленията, направени въз основа на това предположение, дават стойността на магнитния момент μ p за протона = μ kv, а за неутрон μ n = – ⅔μ кв.

Така за отношението на магнитните моменти се получава стойността μ p / μ n = –⅔, в отлично съответствие с експерименталната стойност.

По принцип цветът на кварка (като знака на електрическия заряд) започва да изразява разликата в свойството, което определя взаимното привличане и отблъскване на кварките. По аналогия с кванти на полета на различни взаимодействия (фотони в електромагнитни взаимодействия, Р-мезони в силни взаимодействия и др.) са въведени частици, които носят взаимодействието между кварките. Тези частици бяха наречени глуони. Те пренасят цвета от един кварк в друг, което кара кварките да се държат заедно. Във физиката на кварките е формулирана хипотезата за задържане (от англ. ограничения– улавяне) на кварките, според които е невъзможно да се извади кварк от цялото. То може да съществува само като елемент от цялото. Съществуването на кварките като реални частици във физиката е надеждно доказано.

Идеята за кварките се оказа много плодотворна. Това направи възможно не само да се систематизират вече известни частици, но и да се предскажат цяла поредица от нови. Ситуацията, която се е развила във физиката на елементарните частици, напомня ситуацията, създадена в атомната физика след откриването на периодичния закон през 1869 г. от Д. И. Менделев. Въпреки че същността на този закон беше изяснена едва около 60 години след създаването на квантовата механика, той направи възможно систематизирането на известните дотогава химични елементи и освен това доведе до предсказанието за съществуването на нови елементи и техните свойства . По същия начин физиците са се научили да систематизират елементарните частици, а развитата таксономия в редки случаи е позволила да се предвиди съществуването на нови частици и да се предвидят техните свойства.

И така, в момента кварките и лептоните могат да се считат за наистина елементарни; Има 12 от тях или заедно с античатите - 24. Освен това има частици, които осигуряват четири фундаментални взаимодействия (кванти на взаимодействие). Има 13 от тези частици: гравитон, фотон, У± - и З-частици и 8 глуона.

Съществуващите теории за елементарните частици не могат да посочат какво е началото на поредицата: атоми, ядра, адрони, кваркиВ тази поредица всяка по-сложна материална структура включва по-проста като компонент. Явно това не може да продължава безкрайно. Предполага се, че описаната верига от материални структури се основава на обекти от фундаментално различно естество. Показано е, че такива обекти може да не са точковидни, а разширени, макар и изключително малки (~10-33 cm) образувания, т.нар. суперструни.Описаната идея не е осъществима в нашето четириизмерно пространство. Тази област на физиката като цяло е изключително абстрактна и е много трудно да се намерят визуални модели, които да помогнат за опростяване на възприемането на идеите, присъщи на теориите за елементарните частици. Въпреки това тези теории позволяват на физиците да изразят взаимната трансформация и взаимозависимостта на „най-елементарните“ микрообекти, тяхната връзка със свойствата на четириизмерното пространство-време. Най-перспективен е т.нар М-теория (М – от мистерия- гатанка, тайна). Тя се оперира дванадесетизмерно пространство . В крайна сметка, по време на прехода към четириизмерния свят, който ние директно възприемаме, всички „допълнителни“ измерения се „свиват“. М-теорията засега е единствената теория, която позволява свеждането на четири фундаментални взаимодействия до едно – т.нар. Суперсила.Също така е важно, че М-теорията допуска съществуването на различни светове и установява условията, които осигуряват възникването на нашия свят. М-теорията все още не е достатъчно развита. Смята се, че финалът "теория на всичко" основана на М-теорията ще бъде изградена през 21 век.

Министерство на Руската федерация

Саратовски юридически институт

Самарски клон

Катедра ПИ и ПЦТРП

Есе

По темата за: ” Елементарни частици ”

Изпълнител: кадет 421 учебна група

редник в полицията

Сизоненко А.А.

Проверява: катедра преподавател

Кузнецов С.И.

Самара 2002 г

Планирайте

1) Въведение.

2)

3) Основни свойства на елементарните частици. Класове за взаимодействие .

4)

5)

а) Унитарна симетрия.

б) Кварков модел на адроните

6)

7) Заключение. Някои общи проблеми на теорията на елементарните частици.

Въведение .

д . ч. в точното значение на този термин - първични, по-нататък неразложими частици, от които по предположение се състои цялата материя. В концепцията за "E. h." в съвременната физика се изразява идеята за първични същности, които определят всичко известни свойстваматериален свят, идея, която произхожда от ранни стадииформирането на естествената наука и винаги е играла важна роля в нейното развитие.

Концепцията за "E.h." формирани в тясна връзка с установяването на дискретния характер на структурата на материята на микроскопично ниво. Откритие в началото на 19-20 век. най-малките носители на свойствата на материята - молекули и атоми - и установяването на факта, че молекулите са изградени от атоми, за първи път направи възможно да се опише всичко известни веществакато комбинация от краен, макар и голям брой структурни компоненти – атоми. По-нататъшно идентифициране на наличието на съставни атоми - електрони и ядра, установяване на сложната природа на ядрата, които се оказаха изградени само от два вида частици (протони и неутрони) , значително намали броя на дискретните елементи, които формират свойствата на материята, и даде основание да се предположи, че веригата от съставни части на материята завършва в дискретни безструктурни образувания - Е. гл. Такова предположение, най-общо казано, е екстраполация известни фактии не може да бъде обосновано по никакъв строг начин. Невъзможно е да се каже със сигурност, че съществуват частици, които са елементарни по смисъла на горното определение. Протони и неутрони, напр. дълго времеЕлементите, считани за Е., както се оказа, имат сложна структура. Не може да се изключи възможността последователността от структурни компоненти на материята да е фундаментално безкрайна. Може също така да се окаже, че твърдението „състои се от...” на някакъв етап от изследването на материята ще се окаже лишено от съдържание. В този случай определението за „елементарно“, дадено по-горе, ще трябва да бъде изоставено. Съществуването на E. ch. е вид постулат, а проверката на валидността му е един от най-важните задачифизика.

Терминът "E.h." често се използва в съвременната физика не в точното си значение, а по-малко строго - за назоваване на голяма група от най-малки частици материя, при условие че те не са атоми или атомни ядра (изключение е най-простото ядро ​​на водородния атом - протонът). Изследванията показват, че тази група от частици е необичайно широка. В допълнение към споменатите протон (p), неутрон (n) и електрон (e -), той включва: фотон (g), пи-мезони (p), мюони (m), неутрино три вида(електронен v e, мюон vм и свързани с т.нар. тежък лептон v t), т.нар странни частици (К-мезони и хиперони) , различни резонанси, открити през 1974-77 г. y-частици, „омагьосани“ частици, ипсилон частици (¡) и тежки лептони (t +, t -) - общо повече от 350 частици, предимно нестабилни. Броят на частиците, включени в тази група, продължава да расте и най-вероятно е неограничен; Освен това повечето от изброените частици не отговарят на строгото определение за елементарност, тъй като според съвременните концепции те са съставни системи (виж по-долу). Използване на името "E.h." за всички тези частици има исторически причини и се свързва с онзи период на изследване (началото на 30-те години на 20 век), когато единствените известни представители на тази група са протон, неутрон, електрон и частица от електромагнитното поле - фотон. Тогава беше естествено тези четири частици да се считат за елементарни, тъй като те послужиха като основа за изграждането на заобикалящата ни материя и взаимодействащото с нея електромагнитно поле, а сложната структура на протона и неутрона не беше известна.

Откриването на нови микроскопични частици материя постепенно разруши тази проста картина. Новооткритите частици обаче бяха близки в много отношения до първите четири известни частици. Тяхното обединяващо свойство е, че всички те са специфични форми на съществуване на материята, които не са свързани в ядра и атоми (понякога поради тази причина те се наричат ​​"субядрени частици"). Въпреки че броят на тези частици не беше много голям, оставаше убеждението, че те играят фундаментална роля в структурата на материята и бяха класифицирани като частици Е. Увеличаването на броя на субядрените частици, идентифицирането на сложна структура в много от тях показа, че те, като правило, нямат елементарни свойства, но традиционното име "E. ch." запазени за тях.

В съответствие с установената практика терминът "E. h." ще се използва по-долу като общо име. субядрени частици. В случаите, когато говорим за частици, които претендират, че са първичните елементи на материята, ще се използва терминът „истинска Е. частица“, ако е необходимо.

Кратки исторически сведения.

Откриването на електронните частици е естествен резултат от общите успехи в изучаването на структурата на материята, постигнати от физиката в края на 19 век. Той е изготвен чрез цялостни изследвания на оптичните спектри на атомите, изучаване електрически явленияв течности и газове, откриването на фотоелектричеството, рентгеновите лъчи и естествената радиоактивност, което показва съществуването на сложна структура на материята.

Исторически първият открит електронен елемент е електронът, носител на отрицателния елементарен електрически заряд в атомите. През 1897 г. J. J. Thomson установява, че т.нар. катодните лъчи се образуват от поток от малки частици, наречени електрони. През 1911 г. Е. Ръдърфорд прекарва алфа частици от естествен радиоактивен източник през тънко фолио различни вещества, установява, че положителният заряд в атомите е концентриран в компактни образувания - ядра, а през 1919 г. открива сред частиците, избити от атомни ядра, протоните са частици с единичен положителен заряд и маса 1840 пъти по-голяма от масата на електрона. Друга частица, която е част от ядрото, неутронът, е открит през 1932 г. от J. Chadwick, докато изучава взаимодействието на алфа частици с берилий. Неутронът има маса, близка до тази на протона, но няма електрически заряд. Откриването на неутрона завърши идентифицирането на частиците - структурните елементи на атомите и техните ядра.

Изводът за съществуването на частица от електромагнитно поле - фотон - произлиза от работата на М. Планк (1900 г.). Ако приемем, че енергията електромагнитно излъчванеАбсолютното черно тяло е квантувано, Планк получава правилната формула за спектъра на излъчване. Развивайки идеята на Планк, А. Айнщайн (1905) постулира, че електромагнитното лъчение (светлина) всъщност е поток от отделни кванти (фотони) и на тази основа обяснява законите на фотоелектричния ефект. Пряко експериментално доказателство за съществуването на фотона е дадено от R. Millikan (1912-1915) и A. Compton (1922; виж Compton ефект).

Откриването на неутрино, частица, която почти не взаимодейства с материята, произхожда от теоретичното предположение на В. Паули (1930 г.), което, поради предположението за раждането на такава частица, направи възможно премахването на трудностите със закона за запазване на енергията в процесите на бета-разпад на радиоактивните ядра. Съществуването на неутрино е експериментално потвърдено едва през 1953 г. (F. Reines и K. Cowan, САЩ).

От 30-те до началото на 50-те години. Изследването на електронните частици е тясно свързано с изследването на космическите лъчи. През 1932 г. К. Андерсън открива в космическите лъчи позитрон (e +) - частица с масата на електрон, но с положителен електрически заряд. Позитронът е първата открита античастица (виж по-долу). Съществуването на e+ пряко следва от релативистката теория на електрона, разработена от П. Дирак (1928-31) малко преди откриването на позитрона. През 1936 г. американските физици К. Андерсън и С. Недермайер откриват, докато изучават осмичните лъчи, мюони (и двата знака за електрически заряд) - частици с маса приблизително 200 електронни маси, но иначе изненадващо подобни по свойства на e -, e + .

През 1947 г., също в космическите лъчи, групата на С. Пауъл открива p + и p - мезони с маса 274 електронни маси, които играят важна роля във взаимодействието на протоните с неутроните в ядрата. Съществуването на такива частици е предложено от Х. Юкава през 1935 г.

Краят на 40-те - началото на 50-те години. бяха белязани от откриването на голяма група частици с необичайни свойства, наречени „странни“. Първите частици от тази група, K + - и K - -мезони, L-, S + -, S - -, X - - хиперони, бяха открити в космическите лъчи, последващи открития на странни частици бяха направени в ускорители - инсталации, които създават интензивни потоци от бързи протони и електрони. Когато ускорените протони и електрони се сблъскат с материята, те раждат нови електронни частици, които стават обект на изследване.

От началото на 50-те години. ускорителите стават основен инструмент за изследване на електронните частици.През 70-те години. Енергиите на частиците, ускорени в ускорителите, възлизат на десетки и стотици милиарди електронволта ( Gav). Желанието да се увеличат енергиите на частиците се дължи на факта, че високите енергии отварят възможността за изследване на структурата на материята на по-къси разстояния, колкото по-висока е енергията на сблъскващи се частици. Ускорителите значително увеличиха скоростта на получаване на нови данни и краткосроченразширихме и обогатихме знанията си за свойствата на микросвета. Използването на ускорители за изследване на странни частици направи възможно по-подробно изучаване на техните свойства, по-специално характеристиките на техния разпад, и скоро доведе до важно откритие: изясняване на възможността за промяна на характеристиките на някои микропроцеси по време на работата на огледалото отражение (вижте Пространствена инверсия) - т.нар нарушение на пространствата. паритет (1956). Пускане в експлоатация на протонни ускорители с енергия в милиарди евпозволява откриването на тежки античастици: антипротон (1955), антинеутрон (1956), антисигма хиперони (1960). През 1964 г. е открит най-тежкият хиперон, W - (с маса около две протонни маси). През 1960г Голям брой изключително нестабилни (в сравнение с други нестабилни електронни частици) частици, наречени „резонанси“, бяха открити в ускорителите. Масите на повечето резонанси надвишават масата на протона. Първият от тях, D 1 (1232), е известен от 1953 г. Оказа се, че резонансите съставляват основната част от електронната честота.

През 1962 г. беше открито, че има две различни неутрино: електрон и мюон. През 1964 г. при разпадите на неутрални К-мезони. незапазване на т.нар комбиниран паритет (въведен от Li Tsung-dao и Yang Zhen-ning и независимо от L. D. Landau през 1956 г.; вижте Комбинирана инверсия) , което означава необходимостта от преразглеждане на обичайните възгледи за поведението на физическите процеси по време на операцията за отразяване на времето (виж CPT теорема) .

През 1974 г. бяха открити масивни (3-4 протонни маси) и в същото време относително стабилни y-частици с необичайно дълъг живот за резонанси. Те се оказаха тясно свързани с новото семейство електронни частици - "очарованите", чиито първи представители (D 0, D +, L c) бяха открити през 1976 г. През 1975 г. беше получена първата информация за съществуване на тежък аналог на електрона и мюона (тежък лептон t). През 1977 г. са открити β-частици с маса около десет протонни маси.

По този начин, през годините след откриването на електрона, бяха идентифицирани огромен брой различни микрочастици материя. Светът на E. h. се оказа доста сложен. Свойствата на откритите електронни частици бяха неочаквани в много отношения.За да ги опишем, в допълнение към характеристиките, заимствани от класическата физика, като електрически заряд, маса и ъглов момент, беше необходимо да се въведат много нови специални характеристики, по-специално за описание на странни електронни частици .- странност (K. Nishijima, M. Gell-Man, 1953), „очарован“ от E . ч. - „чар“ (американски физици J. Bjorken, S. Glashow, 1964); Имената на дадените характеристики вече отразяват необичайния характер на свойствата на елементите, които описват.

Изучаване вътрешна структураот първите си стъпки развитието на материята и свойствата на енергията е придружено от радикална ревизия на много установени концепции и идеи. Законите, управляващи поведението на материята в малкото, се оказаха толкова различни от законите на класическата механика и електродинамика, че изискваха съвършено нови за описанието си. теоретични конструкции. Такива нови фундаментални конструкции в теорията са частните (специални) и общите теории на относителността (А. Айнщайн, 1905 и 1916; виж Теория на относителността, гравитация) и квантовата механика (1924-27; Н. Бор, Л. де Бройл, В. Хайзенберг, Е. Шрьодингер, М. Борн) . Теорията на относителността и квантовата механика бележат истинска революция в науката за природата и полагат основите за описание на явленията на микросвета. Квантовата механика обаче се оказва недостатъчна, за да опише процесите, протичащи в електронните частици. Необходима беше следващата стъпка - квантуване на класическите полета (т.нар. вторично квантуване) и развитие на квантовата теория на полето. Най-важните етапипо пътя на неговото развитие бяха: формулирането на квантовата електродинамика (П. Дирак, 1929 г.), квантовата теория на b-разпадането (Е. Ферми, 1934 г.), която постави основата на съвременната теория на слабите взаимодействия, квантовата мезодинамика (Юкава, 1935 г.). Непосредственият предшественик на последния беше т.нар. b-теория на ядрените сили (I.E. Tamm, D.D. Ivanenko, 1934; виж Силни взаимодействия). Този период завършва със създаването на последователен изчислителен апарат за квантовата електродинамика (S. Tomonaga, R. Feynman, J. Schwinger; 1944-49), базиран на използването на техниката на пренормиране (вижте квантовата теория на полето). Впоследствие тази техника беше обобщена за други варианти на квантовата теория на полето.

Квантовата теория на полето продължава да се развива и усъвършенства и е основата за описание на взаимодействията на електронните частици.Тази теория има редица значителни успехи, но все още е много далеч от завършеност и не може да претендира, че е всеобхватна теория за електронните частици. Произходът на много свойства на електроните h. и природата на присъщите им взаимодействия остават до голяма степен неясни. Възможно е да е необходимо повече от едно преструктуриране на всички идеи и много по-задълбочено разбиране на връзката между свойствата на микрочастиците и геометричните свойства на пространство-времето, преди да бъде изградена теорията на електронните частици.

Основни свойства на елементарните частици. Класове за взаимодействие.

Всички електронни частици са обекти с изключително малки маси и размери. Повечето от тях имат маса от порядъка на масата на протона, равна на 1,6 × 10 -24 g (само масата на електрона е значително по-малка: 9 × 10 -28 g). Експериментално определените размери на протона, неутрона и р-мезона са равни по големина на 10 -13 см. Размерите на електрона и мюона не могат да бъдат определени, известно е само, че са по-малки от 10 -15 см. Микроскопичните маси и размери на електронните частици формират основата на квантовата специфика на тяхното поведение. Характерни дължини на вълните, които трябва да се приписват на електронните частици в квантовата теория (, където - Константа на Планк, m - маса на частиците, c - скорост на светлината) са близки по големина до типичните размери, при които се осъществява тяхното взаимодействие (например за p-мезона 1,4 × 10 -13 cm). Това води до факта, че квантовите закони са определящи за електронните частици.

Най-важното квантово свойство на всички електронни частици е способността им да се създават и унищожават (излъчват и абсорбират) при взаимодействие с други частици. В това отношение те са напълно аналогични на фотоните. Д. частиците са специфични кванти на материята, по-точно кванти на съответните физически полета (виж по-долу). Всички процеси, включващи електронни частици, протичат чрез последователност от актове на абсорбция и емисия. Само на тази основа може да се разбере например процесът на раждане на р + мезон при сблъсък на два протона (p + p ® p + n+ p +) или процесът на анихилация на електрон и позитрон, когато вместо изчезналите частици се появяват например два g-кванта ( e + +e - ® g + g). Но процесите на еластично разсейване на частици, например e - +p ® e - + p, също са свързани с абсорбцията на първоначалните частици и раждането на крайните частици. Разпадането на нестабилни електронни частици на по-леки частици, съпроводено с освобождаване на енергия, следва същия модел и е процес, при който продуктите на разпада се раждат в момента на самото разпадане и не съществуват до този момент. В това отношение разпадането на електронна частица е подобно на разпадането на възбуден атом в атом в основно състояние и фотон. Примери за електрохимични разпади включват: ; p + ® m + + v m ; К + ® p + + p 0 (знакът „тилда“ над символа на частицата по-нататък маркира съответните античастици).

Различните процеси с E. h се различават значително по интензивността на тяхното възникване. В съответствие с това взаимодействията на електромагнитните частици могат да бъдат феноменологично разделени на няколко класа: силни, електромагнитни и слаби взаимодействия. Всички електронни частици също имат гравитационно взаимодействие.

Силните взаимодействия се идентифицират като взаимодействия, които пораждат процеси, които протичат с най-голяма интензивност сред всички останали процеси. Водят и до силна връзкаЕ. ч. Именно силните взаимодействия определят връзката на протоните и неутроните в ядрата на атомите и осигуряват изключителната здравина на тези образувания, която е в основата на стабилността на материята при земни условия.

Електромагнитните взаимодействия се характеризират като взаимодействия, които се основават на връзка с електромагнитно поле. Процесите, предизвикани от тях, са по-малко интензивни от процесите на силни взаимодействия, а връзката между генерираните от тях електронни сили е значително по-слаба. Електромагнитните взаимодействия са отговорни за комуникацията атомни електронис ядрата и връзката на атомите в молекулите.

Слабите взаимодействия, както показва самото име, предизвикват много бавно протичащи процеси с електронните частици.Техният нисък интензитет може да се илюстрира с факта, че неутриното, които имат само слаби взаимодействия, безпрепятствено проникват, например, през дебелината на Земята и Слънцето . Слабите взаимодействия предизвикват и бавни разпадания на т.нар. квазистабилни електронни частици Времето на живот на тези частици е в диапазона 10 -8 -10 -10 сек, докато типичните времена за силни взаимодействия на електронни частици са 10 -23 -10 -24 сек.

Гравитационните взаимодействия, добре известни със своите макроскопични прояви, в случай на електронни частици на характерни разстояния от ~10 -13 cm произвеждат изключително малки ефекти поради малките маси на електронните частици.

Силата на различни класове взаимодействия може приблизително да се характеризира с безразмерни параметри, свързани с квадратите на константите на съответните взаимодействия. За силни, електромагнитни, слаби и гравитационни взаимодействия на протони със средна енергия на процеса от ~1 GeV, тези параметри корелират като 1:10 -2: l0 -10:10 -38. Необходимостта от посочване на средната енергия на процеса се дължи на факта, че при слаби взаимодействия безразмерният параметър зависи от енергията. Освен това интензитетите на самите различни процеси зависят по различен начин от енергията. Това води до факта, че относителната роля различни взаимодействия, най-общо казано, се променя с увеличаване на енергията на взаимодействащите частици, така че разделянето на взаимодействията на класове, основано на сравнение на интензитетите на процесите, се извършва надеждно при не твърде високи енергии. Различните класове взаимодействия обаче имат и други специфични характеристики, свързани с различни свойства на тяхната симетрия (вижте Симетрия във физиката), което допринася за тяхното разделяне при по-високи енергии. Дали това разделение на взаимодействията на класове ще се запази в границата на най-високите енергии остава неясно.

В зависимост от участието си в определени видове взаимодействия всички изследвани електронни частици, с изключение на фотона, се делят на две основни групи: адрони (от гръцки hadros - голям, силен) и лептони (от гръцки leptos - малък, тънък, лек). Адроните се характеризират преди всичко с факта, че имат силни взаимодействия, наред с електромагнитни и слаби взаимодействия, докато лептоните участват само в електромагнитни и слаби взаимодействия. (Подразбира се наличието на гравитационни взаимодействия, общи за двете групи.) Масите на адроните са близки по порядък до масата на протоните (m p); P-мезонът има минималната маса сред адроните: t p "m 1/7×t p. Масите на лептоните, известни преди 1975-76 г., са малки (0,1 m p), но най-новите данни очевидно показват възможността за съществуване на тежки лептони със същите маси като адроните. Първите изследвани представители на адроните са протонът и неутронът, а на лептоните - електронът. Фотонът, който има само електромагнитни взаимодействия, не може да бъде класифициран нито като адрони, нито като лептон и трябва да бъде разделен на Съгласно идеите, развити през 70-те години, фотонът (частица с нулева маса на покой) е включен в същата група с много масивни частици - така наречените междинни векторни бозони, които са отговорни за слабите взаимодействия и имат все още не е наблюдавано експериментално (виж раздел Елементарни частици и квантова теория на полето).

Характеристики на елементарните частици.

Всеки елемент, заедно със специфичните взаимодействия, присъщи на него, се описва от набор от дискретни стойности на определени физически величини или неговите характеристики. В някои случаи тези дискретни стойности се изразяват чрез цели или дробни числа и някакъв общ фактор - мерна единица; За тези числа се говори като за квантови числа на Е. числата и се уточняват само те, като се пропускат мерните единици.

Основни характеристикиВсички електронни частици са маса (m), време на живот (t), спин (J) и електрически заряд (Q). Все още няма достатъчно разбиране за закона, по който се разпределят масите на електронните частици и дали има някаква мерна единица за тях.

В зависимост от времето на живот електронните частици се делят на стабилни, квазистабилни и нестабилни (резонанси). Стабилни, в рамките на точността на съвременните измервания, са електронът (t > 5×10 21 години), протонът (t > 2×10 30 години), фотонът и неутриното. Квазистабилните частици включват частици, които се разпадат поради електромагнитни и слаби взаимодействия. Животът им е > 10 -20 сек (за свободен неутрон дори ~ 1000 сек). Елементарните частици, които се разпадат поради силни взаимодействия, се наричат ​​резонанси. Техен характерни временаживот 10 -23 -10 -24 сек. В някои случаи разпадането на тежки резонанси (с маса ³ 3 GeV) поради силни взаимодействия се потиска и продължителността на живота се увеличава до стойности от ~10 -20 сек.

Въртенето на E. h. е цяло или полуцяло число, кратно на стойността. В тези единици спинът на p- и K-мезоните е 0, за протона, неутрона и електрона J = 1/2, за фотона J = 1. Има частици с по-висок спин. Големината на спина на една електронна частица определя поведението на съвкупност от еднакви (еднакви) частици, или тяхната статистика (W. Pauli, 1940). Частиците с полуцяло въртене са обект на статистика на Ферми-Дирак (оттук и името фермиони), което изисква антисиметрия на вълновата функция на системата по отношение на пермутацията на двойка частици (или нечетен брой двойки) и, следователно „забранява“ на две частици с полуцяло въртене да бъдат в едно и също състояние (принцип на Паули). Частиците с цяло числово въртене са обект на статистика на Бозе-Айнщайн (оттук и името бозони), което изисква симетрия на вълновата функция по отношение на пермутациите на частиците и позволява произволен брой частици да бъдат в едно и също състояние. Статистическите свойства на електронните частици се оказват значими в случаите, когато по време на раждането или разпадането се образуват няколко идентични частици. Статистиката на Ферми-Дирак също играе изключително важна роля в структурата на ядрата и определя моделите на запълване с електрони атомни обвивки, лежащ в основата на периодичната система от елементи на Д. И. Менделеев.

Електрическите заряди на изследваните Е. частици са цели кратни на стойността e "1,6×10 -19 k и се наричат ​​елементарен електрически заряд. За известните Е. частици Q = 0, ±1, ±2.

В допълнение към посочените величини, енергийните частици се характеризират допълнително с редица квантови числа и се наричат ​​вътрешни. Лептоните носят специфичен лептонен заряд L от два вида: електронен (L e) и мюонен (L m); L e = +1 за електрон и електронно неутрино, L m = +1 за отрицателен мюон и мюонно неутрино. Тежък лептон t; и неутриното, свързано с него, очевидно са носители на нов тип лептонен заряд L t.

За адроните L = 0 и това е още една проява на разликата им от лептоните. На свой ред, значителни части от адроните трябва да бъдат приписани на специален барионен заряд B (|E| = 1). Адроните с B = +1 образуват подгрупа от бариони (това включва протон, неутрон, хиперони, барионни резонанси), а адроните с B = 0 образуват подгрупа от мезони (p- и K-мезони, бозонни резонанси). Името на подгрупите на адроните идва от гръцките думи barýs - тежък и mesos - среден, което начална фазаИзследванията на E. Ch. отразяват сравнителните стойности на известните по това време маси на бариони и мезони. По-късните данни показват, че масите на барионите и мезоните са сравними. За лептоните B = 0. За фотоните B = 0 и L = 0.

Барионите и мезоните се разделят на вече споменатите агрегати: обикновени (нестранни) частици (протон, неутрон, p-мезони), странни частици (хиперони, K-мезони) и очаровани частици. Това разделение съответства на наличието на специални квантови числа в адроните: странност S и очарование (английски charm) Ch с приемливи стойности: 151 = 0, 1, 2, 3 и |Ch| = 0, 1, 2, 3. За обикновените частици S = ​​0 и Ch = 0, за странните частици |S| ¹ 0, Ch = 0, за очаровани частици |Ch| ¹ 0 и |S| = 0, 1, 2. Вместо странност често се използва хиперзарядът на квантовото число Y = S + B, който очевидно има по-фундаментално значение.

Още първите изследвания с обикновени адрони разкриха наличието сред тях на семейства частици, сходни по маса, с много подобни имотипо отношение на силни взаимодействия, но с различни стойности на електрически заряд. Протонът и неутронът (нуклоните) са първият пример за такова семейство. По-късно подобни семейства бяха открити сред странни и (през 1976) сред очаровани адрони. Общото свойство на частиците, включени в такива семейства, е отражение на съществуването в тях на една и съща стойност на специално квантово число - изотопен спин I, който, подобно на обикновения спин, приема цели и полуцели стойности. Самите семейства обикновено се наричат ​​изотопни мултиплети. Броят на частиците в мултиплет (n) е свързан с I чрез връзката: n = 2I + 1. Частиците от един изотопен мултиплет се различават една от друга по стойността на „проекцията“ на изотопния спин I 3 и

Важна характеристика на адроните е и вътрешният паритет P, свързан с работата на пространствата, инверсия: P приема стойности от ±1.

За всички електронни частици с ненулеви стойности на поне един от зарядите O, L, B, Y (S) и очарованието Ch има античастици с еднакви стойности на маса m, живот t, спин J и за адрони с изотопен спин 1, но с противоположни знаци на всички заряди и за бариони с противоположен знак на вътрешен паритет P. Частиците, които нямат античастици, се наричат ​​абсолютно (истински) неутрални. Абсолютно неутралните адрони имат специално квантово число - паритет на заряда (т.е. паритет по отношение на операцията на конюгиране на заряда) C със стойности ±1; примери за такива частици са фотонът и p 0 .

Квантовите числа на електроните се делят на точни (т.е. тези, които са свързани с физични величини, които се запазват във всички процеси) и неточни (за които съответните физични величини не се запазват в някои процеси). Spin J е свързан с строг законзапазване на ъгловия момент и следователно е точно квантово число. Други точни квантови числа: Q, L, B; Според съвременните данни те се запазват при всички трансформации на елемента електрон.Стабилността на протона е пряк израз на запазването на B (например няма разпад p ® e + + g). Повечето адронни квантови числа обаче са неточни. Изотопното въртене, въпреки че се запазва при силни взаимодействия, не се запазва при електромагнитни и слаби взаимодействия. Странността и очарованието се запазват в силните и електромагнитните взаимодействия, но не и в слабите взаимодействия. Слабите взаимодействия също променят вътрешния и зарядния паритет. Комбинираният паритет на CP се запазва с много по-голяма степен на точност, но също така се нарушава при някои процеси, причинени от слаби взаимодействия. Причините, причиняващи незапазването на много квантови числа на адроните, са неясни и, очевидно, са свързани както с природата на тези квантови числа, така и с дълбоката структура на електромагнитните и слаби взаимодействия. Запазването или незапазването на определени квантови числа е една от значимите прояви на различията в класовете на взаимодействия на електронните частици.

Класификация на елементарните частици.

Унитарна симетрия.Класификацията на лептоните все още не създава никакви проблеми; големият брой адрони, известни още в началото на 50-те години, предоставиха основата за търсене на закономерности в разпределението на масите и квантовите числа на бариони и мезони, които биха могли да формират основата за тяхната класификация. Идентифицирането на изотопни мултиплети на адрони беше първата стъпка по този път. От математическа гледна точка, групирането на адроните в изотопни мултиплети отразява наличието на симетрия, свързана с ротационната група (вижте Група) , по-официално, с група S.U.(2) - група единични трансформации в сложно двумерно пространство. Предполага се, че тези трансформации действат в някакво специфично вътрешно пространство - „изотопно пространство“, различно от обичайното. Съществуването на изотопно пространство се проявява само в наблюдаемите свойства на симетрията. На математически език изотопните мултиплети са нередуцируеми представяния на групата на симетрия S.U. (2).

Концепцията за симетрия като фактор, определящ съществуването на различни групи и семейства електронни частици в съвременната теория е доминираща в класификацията на адроните и другите електронни частици.Предполага се, че вътрешните квантови числа на електронните частици, които позволяват да се разграничават определени групи частици, са свързани със специални видове симетрии, възникващи поради свободата на трансформации в специални "вътрешни" пространства. Оттук идва и наименованието „вътрешни квантови числа“.

Внимателното изследване показва, че странните и обикновените адрони заедно образуват по-широки асоциации от частици с подобни свойства, отколкото изотопните мултиплети. Те се наричат ​​супермултиплети. Броят на частиците, включени в наблюдаваните супермултиплети, е 8 и 10. От гледна точка на симетриите, появата на супермултиплети се тълкува като проява на съществуването на група на симетрия в адроните, по-широка от групата S.U.(2), а именно: S.U.(3) - групи унитарни трансформации в тримерно комплексно пространство (М. Гел-Ман и независимо Ю. Ниман, 1961 г.). Съответната симетрия се нарича унитарна симетрия. Група S.U.(3) има по-специално нередуцируеми представяния с броя на компонентите 8 и 10, съответстващи на наблюдаваните супермултиплети: октет и декуплет. Примерите включват следните групи частици с същите стойности JP:

Общи за всички частици в супермултиплет са стойностите на две количества, които според математическа природаса близки до изотопния спин и затова често се наричат ​​унитарен спин. За октет стойностите на квантовите числа, свързани с тези количества, са равни на (1, 1), за декуплет - (3, 0).

Унитарната симетрия е по-малко прецизна от изотопната симетрия. В съответствие с това разликата в масите на частиците, включени в октетите и декуплетите, е доста значителна. По същата причина разделянето на адроните на супермултиплети е сравнително просто за електронни частици с не много големи маси. При големи маси, когато има много различни частици с подобни маси, това разделяне е по-малко надеждно. Въпреки това, в свойствата на елементарните частици има много различни прояви на унитарна симетрия.

Включването на очарованите адрони в систематиката на елементарните частици ни позволява да говорим за суперсупермултиплети и съществуването на още по-широка симетрия, свързана с унитарната група S.U.(4). Все още няма примери за напълно запълнени суперсупермултиплети. S.U.(4)-симетрията е нарушена още по-силно от S.U.(3)-симетрия, като нейните прояви са по-слабо изразени.

Откриването на свойства на симетрия в адроните, свързани с унитарни групи и модели на разделяне на мултиплети, които съответстват на строго определени представяния на тези групи, беше основата за заключението за съществуването на специални структурни елементи в адроните - кварки.

Кварков модел на адроните.Още от първите си стъпки развитието на работата по класификацията на адроните беше придружено от опити да се идентифицират сред тях частици, които са по-фундаментални от останалите, които биха могли да станат основа за изграждането на всички адрони. Тази линия на изследване е започната от E. Fermi и Yang Chen-ning (1949), които предполагат, че такива фундаментални частици са нуклонът (N) и антинуклонът (), а p-мезоните са техните свързани състояния (). С по-нататъшното развитие на тази идея към фундаменталните частици са включени и странните бариони (М. А. Марков, 1955; японският физик С. Саката, 1956; Л. Б. Окун, 1957). Моделите, изградени на тази основа, описват добре мезонните мултиплети, но не предоставят правилно описание на барионните мултиплети. Най-важният елемент от тези модели - използването на малък брой фермиони за "конструиране" на адрони - беше органично включен в модела, който най-успешно решава проблема с описанието на всички адрони - кварковия модел (австрийския физик Г. Цвайг и независимо М. Гел-Ман, 1964).

В първоначалната версия моделът се основаваше на предположението, че всички известни адрони са изградени от три вида частици със спин 1/2, т.нар. p-, n-, l-кварки, които не принадлежат към броя на наблюдаваните адрони и имат много необичайни свойства. Името "кварки" е заимствано от романа на Дж. Джойс (виж Кварки) . Съвременната версия на модела предполага съществуването на поне четири вида кварки. Четвъртият кварк е необходим за описание на очарованите адрони.

Идеята за кварките се подсказва от унитарната симетрия. Математическата структура на унитарните групи отваря възможността за описание на всички представяния на групата S.U. (н) (и следователно всички адронни мултиплети) въз основа на най-простото групово представяне, съдържащо нкомпонент. В случай на група S.U.(3) има три такива компонента. Необходимо е само да се приеме съществуването на частици, свързани с това най-просто представяне. Тези частици са кварки. Кварковият състав на мезоните и барионите е изведен от факта, че мезонните супермултиплети съдържат по правило 8 частици, а барионите - 8 и 10 частици. Този модел се възпроизвежда лесно, ако приемем, че мезоните са съставени от кварки ри антикварк - символично: , и бариони от три кварка - символично: IN = (qqq). Поради свойствата на групата S.U.(3) 9 мезона са разделени на супермултиплети от 1 и 8 частици, а 27 бариони са разделени на супермултиплети, съдържащи 1, 10 и два пъти по 8 частици, което обяснява наблюдаваното разделяне на октети и декуплети.

Добавянето на четвърти кварк (и, ако е необходимо, нови допълнителни кварки) към схемата се извършва при запазване на основното предположение на кварковия модел за структурата на адроните:

B = (qqq).

Всички експериментални данни са в добро съгласие с дадения кварков състав на адроните. Очевидно има само малки отклонения от тази структура, които не влияят значително на свойствата на адроните.

Посочената структура на адроните и математическите свойства на кварките, като обекти, свързани с определено (най-просто) представяне на групата S.U.(4), водят до следното. квантовите числа на кварките (Таблица 2). Необичайните - дробни - стойности на електрическия заряд са забележителни. Q, и Б, СИ Y, не се среща в никоя от наблюдаваните електронни частици.С индекс a за всеки тип кварк q i (аз = 1, 2, 3, 4) се свързва специална характеристика на кварките - „цвят“, който не присъства в изследваните адрони. Индексът a приема стойности 1, 2, 3, т.е. всеки тип кварк q iпредставени в три разновидности q i a (Н. Н. Боголюбов и сътрудници, 1965 г.; американските физици И. Намбу и М. Хан, 1965 г.; японският физик И. Миямото, 1965 г.). Квантовите числа на всеки тип кварк не се променят, когато се промени „цветът“ и следователно таблицата. 2 се отнася за кварки от всякакъв „цвят“.

Цялото разнообразие от адрони възниква поради различни комбинации Р -, П-, g- и с-кварки, образуващи свързани състояния. Обикновените адрони съответстват на свързани състояния, конструирани само от Р-И н-кварки [за мезони с възможно участие на комбинации и ]. Наличие в свързано състояние заедно с Р- И н-кварки от един g- или с-кварк означава, че съответният адрон е странен ( С= -1) или очарован ( Ch =+ 1). Един барион може да съдържа два и три g-кварка (съответно с-кварк), т.е. възможни са двойни и тройни странни (очарование) бариони. Комбинации от различен брой g- и с-кварки (особено в бариони), които съответстват на „хибридни“ форми на адрони („странно очарование“). Очевидно, колкото по-голям е g- или с-кварките съдържа адрон, толкова по-тежък е той. Ако сравним основните (невъзбудени) състояния на адроните, се наблюдава точно такава картина (виж таблица 1, както и таблици 3 и 5).

Тъй като спинът на кварките е равен на 1/2, горната кваркова структура на адроните води до цяло число за мезони и полуцяло число за бариони, в пълно съответствие с експеримента. Освен това в състояния, съответстващи на орбиталния импулс л= 0, по-специално в основните състояния, спинът на мезоните трябва да бъде равен на 0 или 1 (за антипаралелна ¯ и паралелна ґґ ориентация на спиновете на кварките), а спинът на барионите трябва да бъде 1/2 или 3/2 ( за спинови конфигурации ¯ґґ и ґґґ) . Като се има предвид, че вътрешният паритет на системата кварк-антикварк е отрицателен, стойностите JPза мезони при л= 0 са равни на 0 - и 1 - , за бариони - 1 / 2 + и 3 / 2 + . Това са ценностите JPнаблюдавано в адрони с най-малка маса при дадени стойности азИ Y(виж таблица 1).

Тъй като индексите аз, к, лв структурните формули стойностите минават през 1, 2, 3, 4, броят на мезоните Микс дадено въртене трябва да е равно на 16. За бариони Biklмаксималният възможен брой състояния за даден спин (64) не се реализира, тъй като по силата на принципа на Паули, за даден общ спин са разрешени само състояния на три кварка, които имат добре дефинирана симетрия по отношение на пермутациите на индекси i, k, 1,а именно: напълно симетричен за спин 3/2 и смесена симетрия за спин 1/2. Това условие е l = 0 избира 20 барионни състояния за спин 3/2 и 20 за спин 1/2.

По-подробно изследване показва, че стойността на кварковия състав и свойствата на симетрия на кварковата система позволява да се определят всички основни квантови числа на адрона ( J, P, B, Q, I, Y, Ch), без маса; определянето на масата изисква познаване на динамиката на взаимодействието на кварките и масата на кварките, което все още не е налично.

Правилно предаване на спецификата на адроните с най-ниски маси и спинове при дадени стойности YИ Ч,Кварковият модел също естествено обяснява общия голям брой адрони и преобладаването на резонансите сред тях. Големият брой адрони е отражение на тяхната сложна структура и възможността за съществуване на различни възбудени състояния на кваркови системи. Възможно е броят на такива възбудени състояния да е неограничен. Всички възбудени състояния на кваркови системи са нестабилни по отношение на бързи преходи поради силни взаимодействия в основните състояния. Те формират по-голямата част от резонансите. Малка част от резонансите също се състои от кваркови системи с паралелни спинови ориентации (с изключение на W -). Кваркови конфигурации с антипаралелна спинова ориентация, свързани с основния. състояния, образуват квазистабилни адрони и стабилен протон.

Възбужданията на кварковите системи възникват както поради промени във въртеливото движение на кварките (орбитални възбуждания), така и поради промени в техните пространства. местоположение (радиални възбуждания). В първия случай увеличаването на масата на системата е придружено от промяна в общото въртене Джи паритет Рсистема, във втория случай увеличаването на масата става без промяна J P.Например, мезони с JP= 2 + са първото орбитално възбуждане ( l = 1) мезони с J P = 1 - . Съответствието на 2 + мезони и 1 - мезони на идентични кваркови структури се вижда ясно в примера на много двойки частици:

Мезоните r" и y" са примери за радиални възбуждания съответно на r- и y-мезони (вж.

Орбиталните и радиалните възбуждания генерират последователности от резонанси, съответстващи на една и съща първоначална кваркова структура. Липсата на надеждна информация за взаимодействието на кварките все още не ни позволява да направим количествени изчисления на спектрите на възбуждане и да направим изводи за възможния брой такива възбудени състояния.При формулирането на кварковия модел кварките се разглеждат като хипотетични структурни елементи, което отваря възможността за много удобно описание на адроните. Впоследствие бяха проведени експерименти, които ни позволяват да говорим за кварките като за реални материални образувания вътре в адроните. Първите бяха експерименти за разсейване на електрони от нуклони под много големи ъгли. Тези експерименти (1968 г.), напомнящи класическите експерименти на Ръдърфорд върху разсейването на алфа частици върху атоми, разкриват наличието на заредени точкови образувания вътре в нуклона. Сравнението на данните от тези експерименти с подобни данни за разсейване на неутрино върху нуклони (1973-75) ни позволи да заключим, че средно аритметичноквадратът на електрическия заряд на тези точкови образувания. Резултатът се оказа изненадващо близък до стойността 1/2 [(2/3 д) 2 +(1 / 3 д) 2]. Изследването на процеса на производство на адрон по време на анихилацията на електрон и позитрон, който се предполага, че преминава през последователността от процеси: ® адрони, показва наличието на две групи адрони, генетично свързани с всеки от получените кварки, и го прави възможно да се определи въртенето на кварките. Оказа се, че е равно на 1/2. Общият брой на адроните, родени в този процес, също показва, че кварките от три разновидности се появяват в междинното състояние, т.е. кварките са трицветни.

По този начин квантовите числа на кварките, въведени въз основа на теоретични съображения, са потвърдени в редица експерименти. Кварките постепенно придобиват статут на нови електронни частици.Ако по-нататъшни изследвания потвърдят това заключение, тогава кварките са сериозни претенденти за ролята на истински електронни частици за адронната форма на материята. До дължини ~ 10 -15 смкварките действат като безструктурни точкови образувания. Броят на известните видове кварки е малък. В бъдеще, разбира се, това може да се промени: не може да се гарантира, че при по-високи енергии няма да бъдат открити адрони с нови квантови числа, дължащи съществуването си на нови видове кварки. Откриване Y-мезони потвърждава тази гледна точка. Но е напълно възможно увеличението на броя на кварките да е малко, което основни принципиналагат ограничения на пълен номеркварки, въпреки че тези граници все още не са известни. Безструктурността на кварките също може би отразява само постигнатото ниво на изследване на тези материални образувания. Въпреки това, редица специфични характеристики на кварките дават известна причина да се предположи, че кварките са частици, които завършват веригата от структурни компоненти на материята.

Кварките се различават от всички други електронни частици по това, че все още не са наблюдавани в свободно състояние, въпреки че има доказателства за съществуването им в свързано състояние. Една от причините за ненаблюдаването на кварките може да е много голямата им маса, която пречи на производството им при енергиите на съвременните ускорители. Възможно е обаче кварките принципно, поради специфичния характер на тяхното взаимодействие, да не могат да бъдат в свободно състояние. Има теоретични и експериментални аргументи в полза на факта, че силите, действащи между кварките, не отслабват с разстоянието. Това означава, че е необходима безкрайно повече енергия, за да се отделят кварките един от друг, или в противен случай възникването на кварки в свободно състояние е невъзможно. Невъзможността да се изолират кварките в свободно състояние ги прави напълно нов тип структурни единици на материята. Не е ясно например дали е възможно да се повдигне въпросът за компонентикварки, ако самите кварки не могат да се наблюдават в свободно състояние. Възможно е при тези условия части от кварките изобщо да не се проявяват физически и следователно кварките действат като последен етап от фрагментацията на адронната материя.

Елементарни частици и квантова теория на полето.

За да се опишат свойствата и взаимодействията на електронните частици в съвременната теория, понятието физика е от съществено значение. поле, което се задава на всяка частица. Полето е специфична форма на материята; описва се от функция, определена във всички точки ( х)пространство-време и притежаващи определени трансформационни свойства по отношение на трансформациите на групата на Лоренц (скаларна, спинорна, векторна и т.н.) и групи от „вътрешни“ симетрии (изотопна скаларна, изотопна спинорна и др.). Електромагнитно поле със свойствата четириизмерен вектор И m (x) (m = 1, 2, 3, 4) е исторически първият пример за физическо поле. Полета, свързани с E. h квантова природа, т.е. тяхната енергия и импулс са съставени от много части. порции - кванти, а енергията E k и импулсът p k на кванта са свързани с връзката на специалната теория на относителността: E k 2 = p k 2 c 2 + m 2 c 2 . Всеки такъв квант е електронна частица с дадена енергия E k, импулс p k и маса m. Квантите на електромагнитното поле са фотони, квантите на другите полета съответстват на всички останали известни електронни частици. Следователно полето е физическо отражение на съществуването на безкрайни колекции от частици - кванти. Специален математически апаратквантовата теория на полето ни позволява да опишем раждането и унищожаването на частица във всяка точка x.

Трансформационните свойства на полето определят всички квантови числа на частиците Е. Трансформационните свойства във връзка с пространствено-времевите трансформации (групата на Лоренц) определят въртенето на частиците. Така скаларът съответства на спин 0, спинор - спин 1/2, вектор - спин 1 и т.н. Съществуването на такива квантови числа като L, B, 1, Y, Ch и за кварките и глуоните "цвят" следва от трансформационните свойства на полетата във връзка с трансформациите на „вътрешните пространства“ („зарядово пространство“, „изотопно пространство“, „унитарно пространство“ и др.). Съществуването на „цвят“ в кварките, по-специално, се свързва със специално „цветно“ единно пространство. Въвеждането на „вътрешни пространства” в теоретичния апарат все още е чисто формален прием, който обаче може да служи като индикация, че измерението на физическото пространство-време, отразено в свойствата на Е. Ч., всъщност е по-голямо от четири - измерението на пространство-времето, характерно за всички макроскопични физически процеси. Масата на електронните частици не е пряко свързана с трансформационните свойства на полетата; това е тяхната допълнителна характеристика.

За да се опишат процесите, протичащи с електронните частици, е необходимо да се знае как различните физически полета са свързани помежду си, тоест да се знае динамиката на полетата. IN модерен апаратВ квантовата теория на полето информацията за динамиката на полетата се съдържа в специално количество, изразено чрез полета - лагранжиан (по-точно плътност на лагранжиан) L. Познаването на L позволява по принцип да се изчислят вероятностите за преходи от един набор на частици към друга под въздействието на различни взаимодействия. Тези вероятности се дават от т.нар. матрица на разсейване (W. Heisenberg, 1943), изразена чрез L. Лагранжианът L се състои от лагранжиан L in, който описва поведението на свободните полета, и лагранжиан L in на взаимодействието, конструиран от полетата различни частиции отразяващи възможността за техните взаимни трансформации. Познаването на Lz е решаващо за описване на процеси с E. h.

Формата на L3 се определя еднозначно от трансформационните свойства на полетата на относителната група на Лоренц и изискването за инвариантност по отношение на тази група (релативистична инвариантност). Дълго време обаче критериите за намиране на L3 (с изключение на електромагнитните взаимодействия) не бяха известни и информацията за взаимодействията на електромагнитните частици, получена от експеримента, в повечето случаи не позволяваше надежден избор между различни възможности. В тези условия широко използванеполучи феноменологичен подход към описанието на взаимодействията, основан или на избора на най-простите форми на L ins, водещи до наблюдавани процеси, или на директното изследване на характерните свойства на елементите на матрицата на разсейване. По този път е постигнат значителен успех в описването на процеси с електронни частици за различни избрани енергийни области. Много параметри на теорията обаче бяха заимствани от експеримента, а самият подход не можеше да претендира за универсалност.

В периода 50-70г. Беше постигнат значителен напредък в разбирането на структурата на L3, което направи възможно значително да се усъвършенства неговата форма за силни и слаби взаимодействия. Решаваща роляТози напредък беше улеснен от изясняването на тясната връзка между свойствата на симетрия на взаимодействията на електронните частици и формата на Lv.

Симетрията на взаимодействията на електронните частици се отразява в съществуването на закони за запазване на определени физични величини и следователно в запазването на свързаните с тях квантови числа на електронните частици (виж Закони за запазване). Точната симетрия, която се среща за всички класове взаимодействия, съответства на наличието на точни квантови числа в електроните; приблизителната симетрия, характерна само за определени класове взаимодействия (силни, електромагнитни), води до неточни квантови числа. Разликата между класовете взаимодействия, отбелязани по-горе във връзка със запазването на квантовите числа на електроните, отразява разликите в свойствата на тяхната симетрия.

Известна форма L нагоре ел. m. за електромагнитни взаимодействия е следствие от съществуването на очевидна симетрия на лагранжиана L по отношение на умножаването на комплексните полета j на заредените частици, включени в него в комбинации от тип j*j (тук * означава комплексно спрежение) с факторът e ia, където a е произволно реално число. Тази симетрия, от една страна, поражда закона за запазване на електрическия заряд, от друга страна, ако изискваме изпълнение на симетрия при условие, че a произволно зависи от точката x на пространство-времето, това недвусмислено води към лагранжиана на взаимодействието:

L нагоре ел. м. = j m ел. м. (x) A m (x) (1)

където j m ел. м. - четириизмерен електромагнитен ток (виж Електромагнитни взаимодействия). Както се оказва, този резултат има общо значение. Във всички случаи, когато взаимодействията проявяват „вътрешна“ симетрия, т.е. лагранжианът е инвариантен спрямо трансформациите на „вътрешното пространство“ и съответните квантови числа възникват в E. числа, трябва да се изисква инвариантността да има място за всяка зависимост на параметри на трансформация в точката x (така наречената локална калибровъчна инвариантност; Yang Zhen-ning, американски физикР. Милс, 1954). Физически това изискване се дължи на факта, че взаимодействието не може да бъде незабавно предадено от точка на точка. Това условие е изпълнено, когато сред полетата, включени в лагранжиана, има векторни полета (аналози на A m (x)), които се променят по време на трансформации на „вътрешна“ симетрия и взаимодействат с полетата на частиците по много специфичен начин, а именно:

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

където j m r (x) са токове, съставени от полета на частици, V m r (x) са векторни полета, често наричани калибровъчни полета. По този начин изискването за локалност на „вътрешната“ симетрия фиксира формата на L и идентифицира векторните полета като универсални носители на взаимодействия. Свойствата на векторните полета и техният брой "n" се определят от свойствата на "вътрешната" група на симетрия. Ако симетрията е точна, тогава масата на кванта на полето V m r е равна на 0. За приблизителна симетрия масата на кванта векторно полее различно от нула. Видът на тока j m r се определя от полетата на частици с ненулеви квантови числа, свързани с "вътрешната" група на симетрия.

Въз основа на изложените по-горе принципи се оказа възможно да се подходи към въпроса за взаимодействието на кварките в нуклона. Експериментите върху разсейването на неутрино и антинеутрино от нуклони показват, че импулсът на нуклона се предава само частично (около 50%) от кварките, а останалата част се пренася от друг вид материя, която не взаимодейства с неутрино. Вероятно тази част от материята се състои от частици, които се обменят между кварките и благодарение на които се задържат в нуклона. Тези частици се наричат ​​"глуони" (от английски glue - лепило). От горната гледна точка на взаимодействията е естествено тези частици да се считат за векторни частици. В съвременната теория тяхното съществуване се свързва със симетрията, която определя появата на "цвят" в кварките. Ако тази симетрия е точна (цветна SU (3) симетрия), тогава глуоните са безмасови частици и техният брой е осем (американският физик И. Намбу, 1966 г.). Взаимодействието на кварки с глуони е дадено от L vz със структура (2), където токът j m r е съставен от кваркови полета. Има също основание да се предположи, че взаимодействието на кварките, причинено от обмена на безмасови глуони, води до сили между кварките, които не намаляват с разстоянието, но това не е строго доказано.

По принцип знанието за взаимодействието между кварките може да бъде основата за описание на взаимодействието на всички адрони един с друг, т.е. всички силни взаимодействия. Това направление в адронната физика се развива бързо.

Използването на принципа на определящата роля на симетрията (включително приблизителната) при формирането на структурата на взаимодействие също направи възможно напредването в разбирането на природата на лагранжиана на слабите взаимодействия. В същото време дълбока домофонслаби и електромагнитни взаимодействия. При този подход наличието на двойки лептони с еднакъв лептонен заряд: e - , v e и m - , v m , но с различни маси и електрически заряди се разглежда не като случайно, а като отразяващо съществуването на нарушена симетрия на изотоничния тип (група SU (2)). Прилагането на принципа на локалността към тази „вътрешна“ симетрия води до характерния лагранжиан (2), в който едновременно възникват термини, отговорни за електромагнитни и слаби взаимодействия (американският физик С. Вайнберг, 1967; А. Салам, 1968):

L въздух = j m ел. м. + A m + j m sl. ч. W m + + j m sl. ч. W m - + j m sl. н. Z m 0 (3)

Тук j m sl. ч. , j m sl. н. - заредени и неутрални токове на слаби взаимодействия, изградени от полета на лептони, W m +, W m -, Z m 0 - полета на масивни (поради нарушаване на симетрията) векторни частици, които в тази схема са носители на слаби взаимодействия ( така наречените междинни бозони), A m - фотонно поле. Идеята за съществуването на зареден междинен бозон е представена отдавна (H. Yukawa, 1935 г.). Важно е обаче, че в този модел на единна теория за електронно магнитно и слаби взаимодействия, зареден междинен бозон се появява на равна основа с фотон и неутрален междинен бозон. Процесите на слаби взаимодействия, причинени от неутрални токове, са открити през 1973 г., което потвърждава правилността на току-що очертания подход към формулирането на динамиката на слабите взаимодействия. Възможни са и други варианти за запис на лагранжиана L с голям брой неутрални и заредени междинни бозони; Експерименталните данни все още не са достатъчни за окончателния избор на Лагранжиана.

Междинните бозони все още не са открити експериментално. От наличните данни масите W ± и Z 0 за модела Weinberg-Salam се оценяват на приблизително 60 и 80 GeV.

Електромагнитните и слабите взаимодействия на кварките могат да бъдат описани в рамките на модел, подобен на модела на Вайнберг-Салам. Разглеждането на електромагнитните и слабите адронни взаимодействия на тази основа дава добро съгласие с наблюдаваните данни. Често срещан проблем при конструирането на такива модели е все още неизвестният общ брой кварки и лептони, което не позволява да се определи вида на първоначалната симетрия и характера на нейното нарушение. Следователно по-нататъшните експериментални изследвания са много важни.

Единственият произход на електромагнитните и слабите взаимодействия означава, че на теория константата на слабо взаимодействие изчезва като независим параметър. Единствената константа остава електрическият заряд е. Потискането на слабите процеси при ниски енергии се обяснява с голяма масамеждинни бозони. При енергии в системата на центъра на масата, сравними с масите на междинните бозони, ефектите на електромагнитните и слабите взаимодействия трябва да са от същия порядък. Последните обаче ще се различават по незапазването на редица квантови числа (P, Y, Ch и т.н.).

Има опити да се разглеждат на единна основа не само електромагнитните и слабите взаимодействия, но и силните взаимодействия. Отправна точка за подобни опити е предположението за еднакъв характер на всички видове взаимодействия на електронни частици (без гравитационното взаимодействие). Счита се, че наблюдаваните силни разлики между взаимодействията се дължат на значително нарушаване на симетрията. Тези опити все още не са достатъчно развити и срещат сериозни трудности, по-специално при обяснението на разликите в свойствата на кварките и лептоните.

Беше разработен метод за получаване на лагранжиан на взаимодействието, базиран на използването на свойствата на симетрия важна стъпкапо пътя, водещ към динамичната теория на E. Ch. Има всички основания да мислим, че теориите за калибровъчни полета ще бъдат от съществено значение съставен елементдопълнителни теоретични конструкции.

Заключение

Някои общи проблеми на теорията на елементарните частици. Най-новото развитие на физиката на електронните частици ясно разграничава от всички електронни частици група частици, които значително определят спецификата на процесите на микросвета. Тези частици са възможни кандидати за ролята на истински електронни частици.Те включват: частици със спин 1/2 - лептони и кварки, както и частици със спин 1 - глуони, фотони, масивни междинни бозони, които осъществяват различни видове взаимодействия на частици със спин 12 . Тази група най-вероятно трябва да включва и частица със спин 2 - гравитонът; квантово гравитационно поле, свързващ всички Е. ч. В тази схема много въпроси обаче изискват допълнителни изследвания. Не е известно какъв е общият брой на лептоните, кварките и различните векторни (с J = 1) частици и дали има физически принципи, които определят този брой. Причините за разделянето на частиците със спин 1/2 на 2 са неясни различни групи: лептони и кварки. Произходът на вътрешните квантови числа на лептоните и кварките (L, B, 1, Y, Ch) и такива характеристики на кварките и глуоните като „цвят“ е неясен. Какви степени на свобода са свързани с вътрешните квантови числа? С обикновеното четириизмерно пространство-време се свързват само такива характеристики на електронна частица като J и P. Какъв механизъм определя масите на истинската електронна частица? Каква е причината за наличието на различни класове взаимодействия в електрони с различни свойства на симетрия? Тези и други въпроси ще трябва да бъдат разрешени от бъдещата теория на E. ch.

Описанието на взаимодействията на електронните частици, както беше отбелязано, е свързано с теориите на калибровъчните полета. Тези теории имат развит математически апарат, който позволява изчисления на процеси с електронни частици (поне по принцип) на същото ниво на строгост, както в квантовата електродинамика. Но в сегашния си вид теориите на калибровъчните полета имат един сериозен недостатък, общ с квантовата електродинамика - в тях в процеса на изчисления се появяват безсмислени безкрайно големи изрази. Използвайки специална техника за предефиниране на наблюдаеми величини (маса и заряд) - пренормиране - е възможно да се премахнат безкрайностите от крайните резултати от изчисленията. В най-добре проучената електродинамика това все още не влияе на съответствието на теоретичните прогнози с експеримента. Процедурата за пренормиране обаче е чисто формално заобикаляне на трудностите, съществуващи в теоретичния апарат, който при известно ниво на точност би трябвало да повлияе на степента на съответствие между изчисленията и измерванията.

Появата на безкрайности в изчисленията се дължи на факта, че в лагранжианите на взаимодействията полетата на различните частици се отнасят към една точка x, т.е. предполага се, че частиците са точковидни, а четиримерното пространство-време остава плоско до най-малките разстояния. В действителност тези предположения очевидно са неверни поради няколко причини: а) истинските Е. елементи най-вероятно са материални обекти с ограничен размер; б) свойствата на пространство-времето в малкото (в мащаба, определен от т.нар. фундаментална дължина) най-вероятно са коренно различни от неговите макроскопични свойства; в) на най-малките разстояния (~ 10 -33 cm) се отразява промяна в геометричните свойства на пространство-времето поради гравитацията. Може би тези причини са тясно свързани. По този начин вземането под внимание на гравитацията най-естествено води до размера на истинската частица E. от порядъка на 10 -33 cm, а основата, дължина l 0 може да бъде свързана с гравитационната константа f: "10 -33 см. Всяка от тези причини трябва да доведе до модификация на теорията и премахване на безкрайностите, въпреки че практическо изпълнениеТази модификация може да бъде доста сложна.

Изглежда много интересно да се вземе предвид влиянието на гравитацията на къси разстояния. Гравитационното взаимодействие може не само да премахне различията в квантовата теория на полето, но и да определи самото съществуване на първичната материя (М. А. Марков, 1966). Ако плътността на едно истинско E.H. вещество е достатъчно голяма, гравитационното привличане може да бъде факторът, който определя стабилното съществуване на тези материални образувания. Размерите на такива образувания трябва да бъдат ~10 -33 см. В повечето експерименти те ще се държат като точкови обекти, тяхното гравитационно взаимодействие ще бъде незначително и ще се появи само на най-малките разстояния, в областта, където геометрията на пространството се променя значително.

По този начин възникващата тенденция към едновременно разглеждане на различни класове взаимодействия на E. ch. най-вероятно трябва да бъде логично завършена чрез включване обща схемагравитационно взаимодействие. Именно на основата на едновременното разглеждане на всички видове взаимодействия е най-вероятно да се очаква създаването на бъдеща теория за електронните частици.

Библиография

1) Марков М.А. За природата на материята. М., 1976

2) Газиорович С. Физика на елементарните частици, прев. от английски, М. 1969г

3) Kokkede Ya., Теория на кварките, прев. от английски, М., 1971

4) И., Йофе Б. Л., Окун Л. Б., Нови елементарни частици, „Напредък физически науки“, 1975, т. 117, т. 2, с. 227

5) Боголюбов Н.Н., Ширков Д.В., Въведение в теорията на квантуваните полета, 3 изд., М., 1976;

6) Новини фундаментална физика, прев. от англ., М., 1977, с. 120-240 .

ЕЛЕМЕНТАРНИ ЧАСТИЦИ, В в тесен смисъл- частици, за които не може да се приеме, че се състоят от други частици. В модерните Във физиката терминът „елементарни частици” се използва в по-широк смисъл: т.нар. най-малките частици материя, при условие че не са и (изключение е); Понякога поради тази причина елементарните частици се наричат ​​субядрени частици. Повечето отТакива частици (а повече от 350 от тях са известни) са съставни системи.
д елементарните частици участват в електромагнитни, слаби, силни и гравитационни взаимодействия. Поради малките маси на елементарните частици, тяхното гравитационно взаимодействие. обикновено не се вземат предвид. Всички елементарни частици се делят на три основни. групи. Първият се състои от т.нар. Бозоните са носители на електрослабото взаимодействие. Това включва фотон или квант електромагнитно излъчване. Масата на покой на фотона е нула, следователно скоростта на разпространение на електромагнитните вълни (включително светлинните) представлява максималната скорост на разпространение на физическите. въздействие и е един от фондовете. физически постоянен; приема се c = (299792458 1,2) m/s.
Втората група елементарни частици са лептони, участващи в електромагнитни и слаби взаимодействия. Известни са 6 лептона: , електрон, мюон, тежък лептон и съответният. (символ e) се счита за материал с най-малката маса в природата m c, равна на 9,1 x 10 -28 g (в енергийни единици 0,511 MeV) и най-малката отрицателна. електрически заряд e = 1,6 x 10 -19 C. (символ) - частици с маса прибл. 207 маса (105,7 MeV) и електрически. зареждане, равен на заряда; Тежкият лептон има маса от прибл. 1,8 GeV. Трите типа, съответстващи на тези частици, са електрон (символ v c), мюон (символ) и неутрино (символ) - леки (възможно безмасови) електрически неутрални частици.
Всички лептони имат (-), т.е. статистически. св. вие сте фермиони (вижте).
Всеки от лептоните съответства на , който има същите стойности на масата и други характеристики, но се различава по електрически знак. зареждане. Има (символ e +) - по отношение на, положително заредени (символ) и три вида антинеутрино (символ), които се приписват на противоположен знакспециално квантово число, т.нар лептонен заряд (виж по-долу).
Третата група елементарни частици са адроните, те участват в силни, слаби и електромагнитни взаимодействия. Адроните са „тежки“ частици с маса, значително по-голяма от тази на . Това е най голяма група елементарни частици. Адроните се делят на бариони - частици с мезони - частици с цяло число (О или 1); както и т.нар резонансите са краткотрайни адрони. Барионите включват (символ p) - ядро ​​с маса ~ 1836 пъти по-голяма от m s и равна на 1,672648 x 10 -24 g (938,3 MeV) и постави. електрически заряд, равен на заряда, а също и (символ n) - електрически неутрална частица, чиято маса леко надвишава масата. От и всичко се гради, а именно силно взаимодействие. определя връзката на тези частици една с друга. При силно взаимодействие и имат еднакви свойства и се разглеждат като две от една частица - нуклони с изотоп. (виж отдолу). Барионите също включват хиперони - елементарни частици с маса, по-голяма от нуклона: хиперонът има маса 1116 MeV, хиперонът има маса 1190 MeV, хиперонът има маса 1320 MeV и хиперонът има маса 1670 MeV. Мезоните имат маси междинни между масите и (-мезон, К-мезон). Има неутрални и заредени мезони (с положителен и отрицателен елементарен електрически заряд). Всички мезони имат свои собствени характеристики. Св. ти принадлежиш към бозоните.

Основни свойства на елементарните частици.Всяка елементарна частица се описва от набор от дискретни физически стойности. количества (квантови числа). Обща характеристика на всички елементарни частици - маса, време на живот, електричество. зареждане.
В зависимост от времето на живот елементарните частици се делят на стабилни, квазистабилни и нестабилни (резонанси). Стабилни (в рамките на точността на съвременните измервания) са: (време на живот повече от 5 -10 21 години), (повече от 10 31 години), фотон и . Квазистабилните частици включват частици, които се разпадат поради електромагнитни и слаби взаимодействия; техният живот е повече от 10–20 s. Резонансите се разпадат поради силни взаимодействия, техният характерен живот е 10 -22 -10 -24 s.
Вътрешните характеристики (квантовите числа) на елементарните частици са лептонен (символ L) и барионен (символ B) заряди; тези числа се считат за строго запазени количества за всички видове фондове. взаимодействие За лептониците и техните L имат противоположни знаци; за бариони B = 1, за съответните B = -1.
Адроните се характеризират с наличието на специални квантови числа: "странност", "чар", "красота". Обикновените (нестранни) адрони са ,-мезони. В рамките на различни групи адрони има семейства от частици, които са сходни по маса и с подобни свойства по отношение на силното взаимодействие, но с различни характеристики. електрически стойности зареждане; най-простият пример е протонът и . Общото квантово число за такива елементарни частици е т.нар. изотопен , който, подобно на обикновения, приема цели и полуцели стойности. ДА СЕ специални характеристикиадроните също включват вътрешен паритет, който приема стойности 1.
Важно свойство на елементарните частици е способността им да претърпяват взаимни трансформации в резултат на електромагнитни или други взаимодействия. Един от видовете взаимни трансформации е т.нар. раждане, или образуване едновременно на частица и (в общия случай - образуване на елементарни частици с противоположни лептонни или барионни заряди). Възможните процеси включват раждането на електрон-позитрон e - e + , мюонни нови тежки частици при сблъсъци на лептони и образуването на cc- и bb-състояния от кварки (виж по-долу). Друг вид взаимно преобразуване на елементарни частици е анихилацията по време на сблъсъци на частици с образуването на краен брой фотони (кванти). Обикновено 2 фотона се произвеждат, когато общият брой сблъскващи се частици е нула, а 3 фотона се произвеждат, когато общият брой е равен на 1 (проява на закона за запазване на паритета на заряда).
При определени условия, по-специално при ниска скорост на сблъскващи се частици, образуването на свързана система - e - e + и Тези нестабилни системи често се наричат. , техният живот във веществото до голяма степен зависи от свойствата на веществото, което прави възможно използването на кондензатор за изследване на структурата. вещества и кинетика на бързи химикали. области (виж,).

Кварков модел на адроните.Подробно изследване на квантовите числа на адроните с оглед на тях ни позволи да заключим, че странните адрони и обикновените адрони заедно образуват асоциации от частици с близки свойства, наречени унитарни мултиплети. Броят на включените в тях частици е 8 (октет) и 10 (декуплет). Частиците, които са част от унитарен мултиплет, имат еднакви вътрешни паритет, но се различават по електрически стойности. заряд (частици от изотопния мултиплет) и странност. Свойствата, свързани с унитарните групи, тяхното откритие беше основата за заключението за съществуването на специални структурни единици, от които са изградени адроните и кварките. Смята се, че адроните са комбинация от 3 фундамента. частици с 1/2: up-кварки, d-кварки и s-кварки. Така мезоните са изградени от кварк и антикварк, барионите са изградени от 3 кварка.
Предположението, че адроните са съставени от 3 кварка, е направено през 1964 г. (J. Zweig и, независимо, M. Gell-Mann). Впоследствие още два кварка бяха включени в модела на структурата на адроните (по-специално, за да се избегнат противоречия с ) - „очаровани“ (c) и „красиви“ (b), а също така бяха въведени специални характеристики на кварките - „вкус“ и „цвят“. Кварките, действащи като компоненти на адроните, не са наблюдавани в свободно състояние. Цялото многообразие на адроните се дължи на различни фактори. комбинации от and-, d-, s-, c- и b-кварки, образуващи свързани състояния. Обикновените адрони ( , -мезони) съответстват на свързани състояния, изградени от up- и d-кварки. Присъствието в адрон, заедно с up и d кварките, на един s-, c- или b-кварк означава, че съответният адрон е „странен“, „очарован“ или „красив“.
Кварковият модел на структурата на адроните беше потвърден в резултат на експерименти, проведени в края. 60-те години - рано
70-те години 20-ти век Кварките всъщност започнаха да се разглеждат като нови елементарни частици - наистина елементарни частици за адронната форма на материята. Ненаблюдаемостта на свободните кварки, очевидно, е от фундаментален характер и предполага, че те са онези елементарни частици, които затварят веригата от структурни компоненти на тялото. Има теоретични и експериментирайте. аргументи в полза на факта, че силите, действащи между кварките, не отслабват с разстоянието, т.е. за отделянето на кварките един от друг е необходимо безкрайно голямо количество енергия или, с други думи, възникването на кварки в свободно състояние е невъзможно . Това ги превръща в съвършено нов тип структурни единици на острова. Възможно е кварките да действат като последен стадий на материята.

Кратки исторически сведения.Първата открита елементарна частица е - отр. електрически заряд в двата електрически знака. заряд (K. Anderson и S. Neddermeyer, 1936) и K-мезони (групата на S. Powell, 1947; съществуването на такива частици е предложено от H. Yukawa през 1935 г.). В кон. 40-те години - рано 50-те години бяха открити "странни" частици. Първите частици от тази група - К + - и К - -мезони, А-хиперони - също са регистрирани в космоса. лъчи
От началото 50-те години ускорителите се превърнаха в основни инструмент за изследване на елементарни частици. Открити са антипротонът (1955), антинеутронът (1956), антихиперонът (1960), а през 1964 г. и най-тежкиятУ -хиперон. През 1960г В ускорителите бяха открити голям брой изключително нестабилни резонанси. През 1962 г. се оказа, че има две различни: електрон и мюон. През 1974 г. са открити масивни (3-4 протонни маси) и в същото време относително стабилни (в сравнение с обикновените резонанси) частици, които се оказват тясно свързани с ново семейство елементарни частици - "очарованите", техните първи представители са открити през 1976 г. През 1975 г. са открити тежък аналог и лептон, през 1977 г. - частици с маса около десет протонни маси, през 1981 г. - „красиви“ частици. През 1983 г. са открити най-тежките известни елементарни частици – бозони (маса 80 GeV) и Z° (91 GeV).
Така през годините след откриването са идентифицирани огромен брой различни микрочастици. Светът на елементарните частици се оказа сложен и техните свойства бяха неочаквани в много отношения.

Лит.: Коккеде Я., Теория на кварките, [прев. от английски], М., 1971; Марков М. А., За природата на материята, М., 1976; Okun L.B., Лептони и кварки, 2-ро издание, М., 1990 г.

Елементарни частици- най-малките известни частици на физическата материя, които до известна степен могат да се считат за някои "градивни елементи" на Вселената на съвременното ниво на познание на материята. В тесния смисъл на думата елементарни частици могат да се нарекат частици, в които вътрешна структураникога не е наблюдавано. Те включват например електрон и фотон. По-голямата част от елементарните частици (мезони, бариони) имат вътрешна структура.

Историята на откриването на елементарни частици отнема един век. През 20-те години ХХ век теорията на елементарните частици беше изключително проста. Бяха известни две частици - електрон и протон, както и два вида взаимодействия - гравитационно и електромагнитно. На тяхна база са обяснени всички природни явления.

Могат да се разграничат два основни потока от открития на нови елементарни частици. Първият възниква през 30-те - 50-те години. 20 век, когато на първо място са открити неутронът и позитронът. Позитронът е античастица по отношение на електрона; той е като електрон по всякакъв начин, но има по-скоро положителен, отколкото отрицателен заряд. При сблъсък на електрон с позитрон, както и при сблъсък на всяка частица със съответната й античастица, може да настъпи тяхната анихилация, т.е. взаимно унищожаване на частици, придружено от раждане на нови микрочастици и освобождаване на енергия. Така електрон, взаимодействащ с позитрон, произвежда два фотона.

След това бяха открити неутрино. Сега са известни няколко вида неутрино. През 1937 г. е открит първият мезон. Това е свързано с ядрените взаимодействия. До 1960 г. теорията обхваща 32 елементарни частици и всяка нова частица се свързва с откриването на фундаментално нов кръг физични явления. Вторият поток от открития на елементарни частици се случи през 1960–1965 г. До края на този период броят на частиците надхвърля 200. До края на 90-те години на 20 век. броят на откритите частици и античастици наближава 400.

Характеристиките на субатомните частици са маса, електрически заряд, спин, време на живот, магнитен момент, пространствен паритет и т.н. Самата концепция за елементарност е загубила смисъл, тъй като няма критерий за елементарност. Има само четири стабилни (несаморазпадащи се) елементарни частици*: електрон, протон, фотон и всички видове неутрино. На основата на тези частици е невъзможно да се изградят всички останали, които имат способността да се разпадат спонтанно. Сред такива частици свободният неутрон живее най-дълго (17 минути), а неутралния π-мезон живее най-кратко (10 -16 s). Въпреки това не може да се установи принцип на класификация, основан на разликите в живота на частиците.

Важна класифицираща характеристика на обектите от микросвета е способността им да участват в силни взаимодействия. Частиците, участващи в силни взаимодействия, се наричат адрони, се наричат ​​частици, участващи в слаби взаимодействия и не участващи в силни лептони. Освен това има частици – носители на взаимодействия.

Лептоните включват електрон, мюон, тау лептон, три вида неутрино и съответните им античастици. По този начин, общ бройлептоните са равни на дванадесет. Неутрино, открити през 60-те години. XX век, са най-често срещаните частици във Вселената. Вселената може да си представим като безбрежно неутрино море, в което понякога се срещат острови под формата на атоми. Без да участват нито в силни, нито в електромагнитни взаимодействия, те проникват през материята, сякаш тя изобщо не съществува. Поради това е много трудно да ги изучаваме. Мюонът е една от първите известни нестабилни субатомни частици, открита през 1936 г. Във всички отношения той прилича на електрон: има същия заряд и въртене, участва в същите взаимодействия, но има по-голяма маса и е нестабилен (в около две милионни от секундата се разпада на електрон и две неутрино). Тау лептонът също е заредена частица. Открит е през 70-те години. ХХ век и има много голяма маса - 3500 електронни маси.

Броят на адроните е няколкостотин; всички те, с изключение на неутрона и протона, са краткотрайни и бързо се разпадат. Нестабилността на адроните и голямото им разнообразие показват, че те не са елементарни обекти, а са изградени от по-малки частици - кварки. Повечето адрони са открити през 50-те и 60-те години. ХХ век Адроните участват в силни, слаби и електромагнитни взаимодействия.

Ако лептоните и адроните са градивните елементи на материята, тогава има и частици, които осигуряват четири взаимодействия, които са вид „лепило“, което предотвратява разпадането на света. Носителите на електромагнитното взаимодействие са фотони, силните взаимодействия са глуони (свързващи кварки вътре в протон), слабите взаимодействия са W +, W -, Z º -бозони (характеризиращи се с голяма маса на покой и кратка продължителностживот - само 10 -26 s). Изказва се мнение за съществуването на носител на гравитационното поле – гравитони. Според изчисленията на учените те би трябвало подобно на фотоните да имат нулева маса на покой и да се движат със скоростта на светлината. Ако обаче един фотон има спин 1 и по време на електромагнитно взаимодействие частици с подобен заряд се отблъскват, тогава гравитонът има спин 2. Това позволява на всички частици да се привличат една към друга. Тъй като гравитационното взаимодействие е много слабо, все още не е възможно да се открият директно гравитони в експерименти.

Понастоящем са открити така наречените античастици, които имат заряд, противоположен на частиците (позитрон, антипротон и др.). Така през 1932 г. са открити позитрони в космическите лъчи*. Антипротоните, произведени при сблъсъци с медни целеви ядра, са открити през 1955 г. в нов ускорител в Бъркли. През 1956 г. е открит антинеутронът. Ако електрон от позитрон и протон от антипротон се различават преди всичко по знака на зарядите, тогава как се различават неутронът и антинеутронът? Неутронът няма електрически заряд, но има свързано с него магнитно поле. Причината за това не е напълно ясна, въпреки че е установено, че магнитното поле на неутрона е ориентирано в една посока, а магнитното поле на антинеутрона е ориентирано в обратна посока.

В допълнение към разликите в заряда, античастиците имат и други фундаментални свойства в сравнение с частиците. Така при прехода от света към антисвета „дясно” и „ляво” сменят местата си; времето в антисвета тече от бъдещето към миналото, а не от миналото към бъдещето, както е в свят. За разлика от частиците, които са градивните елементи на нашия свят, античастиците са просто гости, които се появяват за момент в този свят. Когато античастиците се срещнат с частици, възниква експлозия, в резултат на което те се унищожават взаимно, освобождавайки огромно количество енергия. Въз основа на многобройни наблюдения на античастици и изучаване на поведението им в нашия свят, някои учени стигнаха до идеята за съществуването на цял антисвят, който е подобен на нашия свят и съществува съвместно с него, но се различава в противоположния му знак .

Един от водещите разработчици на тази теория е естонският академик Г. Наан. Основната му точка е позицията, че и двете половини на Вселената - светът и антисветът - в крайна сметка възникват от абсолютен вакуум. Той пише: „Твърдението за възможността за възникване от нищото (празнота, вакуум) при стриктно спазване на законите за запазване трябва да изглежда изключително парадоксално. В крайна сметка смисълът на законите за опазване е, че нищо не произлиза от нищото, нищо не може да породи нещо. Развитата тук хипотеза по никакъв начин не оспорва тази позиция. Нищо наистина не може да роди (само) нещо, но то ражда нещо повече – нещо и анти-нещо едновременно! Предложената тук хипотеза в крайна сметка се основава на елементарния факт, че равенството (-1)+(+1)=0 може да се чете обратно, отдясно наляво: 0=(-1)+(+1). Последното равенство изразява не само космологията, но и космогонията. оригинал " строителен материалВселената” е празнота, вакуум. Като цяло, цялата симетрична Вселена не се състои от нищо друго освен празнота. Следователно може да възникне от празнота при стриктно спазване на всички закони за опазване. „Всички пространствено-времеви интервали и координати са идентично равни на нула. Симетричната Вселена е такава, че като цяло не съдържа нищо, дори пространство и време. Използвайки примера на теорията на Г. Нахан, ясно се вижда универсалността на принципа на симетрията, който ще бъде разгледан в следващия параграф.

Откъде идват елементарните частици и античастиците в нашата Вселена? Учените предполагат, че от физически вакуум. Физическият вакуум изобщо не е „абсолютно нищо“, а реален физическа система, например, електромагнитно поле в едно от неговите състояния. Освен това, според квантовата теория на полето, всички останали състояния на полето и елементарни частици могат да бъдат получени от състоянието на вакуум. Физиката се занимава с определени видовеи състоянията на материята, а не с материята като такава. По същия начин в физически изследванияте се занимават не с „абсолютна празнота“ като пълна липса на материя и материал, а с „относителна празнота“, която трябва да се разбира като липса на определени класове материални обекти и техните характеристики.

Вакуумът може да се определи като поле с минимална енергия. Но това не означава, че в него няма нищо. Във физическия вакуум непрекъснато се случват най-сложните събития. физически процесинапример раждането и смъртта на виртуални частици, специален видвакуумни трептения на електромагнитното поле, които не излизат от него и не се разпространяват. Но на определени интервали виртуалните частици могат да се превърнат в реални частици.

Симетрия и принципи на инвариантност във физиката

Думата "симетрия" има гръцки произходи означава "пропорционалност". IN ежедневен езикПод симетрия най-често се разбира подреденост, хармония и пропорционалност. Хармоничната съгласуваност на частите и цялото е основният източник на естетическата стойност на симетрията. Кристалите отдавна ни радват със своето съвършенство и строга симетрия на формите. Симетрични мозайки, фрески, архитектурни ансамблисъбуждат у хората чувство за красиво, музикално и поетични произведенияпредизвикват възхищение именно със своята хармония. Така можем да говорим за симетрия, принадлежаща към категорията красота.

Научната дефиниция на симетрията принадлежи на голям немски математик Херман Вайл(1885 – 1955), който в своята прекрасна книга „Симетрия” анализира прехода от простото сетивно възприятие на симетрията към нейното научно разбиране. Според G. Weil, под симетриятрябва да се разбере инвариантността (неизменността) на свойствата на даден обект при определен вид трансформация. Можем да кажем, че симетрията е набор от инвариантни свойства на даден обект. Например, един кристал може да се изравни със себе си при определени завъртания, отражения и измествания. Много животни имат приблизителна огледална симетрия, когато лявата половина на тялото се отразява надясно и обратно. Но не само материален обект, но и например математически обект може да се подчинява на законите на симетрията. Можем да говорим за инвариантност на функция или уравнение при определени трансформации на координатната система. Това от своя страна позволява категорията симетрия да бъде приложена към законите на физиката. Така симетрията навлиза в математиката и физиката, където също служи като източник на красота и изящество.

Постепенно физиката открива все повече и повече нови видове симетрия на законите на природата: ако първоначално се разглеждат само пространствено-времеви (геометрични) типове симетрия, то по-късно тя не е открита геометрични типове(пермутация, калибровка, унитарна и т.н.). Последните са свързани със законите на взаимодействията и те са обединени често срещано име"динамична симетрия".

Принципите на инвариантността играят много важна роля в съвременната физика: с тяхна помощ се обосновават стари закони за запазване и се предсказват нови закони за запазване, както и решаването на много фундаментални и приложни проблемии най-важното беше възможно да се постигнат първите успехи в обединяването на фундаменталните взаимодействия (теорията на електрослабото взаимодействие и Голямото обединение). Тези принципи имат голяма общност. Изключителният американски теоретичен физик Ю. Вигнер отбеляза, че тези принципи се отнасят към законите на природата по същия начин, както законите на природата се отнасят към явленията, т.е. симетрията „управлява“ законите, а законите „контролират“ явленията. Ако не беше, например, инвариантността на законите на природата по отношение на преместванията в пространството и времето, тогава е малко вероятно науката изобщо да установи тези закони.