Элементарные частицы и история их открытия. История открытия элементарных частиц

И УСКОРИТЕЛЕЙ

1. Новые тенденции в физике элементарных частиц

2. Ускорители заряженных частиц - главный инструмент исследования материального мира (современный ускорительный арсенал)

3. Международное сотрудничество ученых - фактор стабильности

научных проектов. ОИЯИ - пример сотрудничества

Заключение

РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ

И УСКОРИТЕЛЕЙ

1. НОВЫЕ ТЕНДЕНЦИИ В ФИЗИКЕ

ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

1.1. Что такое физика высоких энергий и немного истории Физика элементарных частиц (или, что сегодня тождественно, физика высоких энергий) изучает природу на очень малых расстояниях с целью исследовать фундаментальные составляющие материи и их взаимодействия.

Проникновение в глубь материи требует все больших энергий сталкивающихся частиц, поскольку в силу принципа неопределенности существует определенная связь энергии и расстояний (так же как и характерных времен), на которых происходят процессы в микромире.

Принцип неопределенности - это фундаментальный закон квантовой теории, утверждающий, что характеризующие физическую систему так называемые дополнительные физические величины (например, координаты и импульс, энергия и время) не могут одновременно принимать точные значения (px, где - постоянная Планка). Это отражает двойственную, корпускулярно-волновую природу элементарных частиц (волновые свойства материи были открыты в 1924 г. французским физиком Луи де Бройлем).

Переход ко все большим энергиям всегда сопровождался раскрытием принципиально новых физических явлений.

Чтобы получить представление о связи областей физики с пространственной и энергетической шкалой, вспомним, на каких расстояниях и при каких энергиях происходят те или иные явления физики:

молекулярная физика - 105 107 см, энергии 1 эВ – 1 кэВ;

атомная физика, антиматерия - 1011 см, энергии 10 МэВ;

ядерная физика - 1013 см, энергии 100 МэВ – 1 ГэВ;

* Международная школа молодых ученых «Проблемы ускорения заряженных частиц», Дубна, 2–9 сент. 1996 г. Дубна, 1997. C. 5–37.

Развитие физики высоких энергий и ускорителей физика высоких энергий, сильные взаимодействия, так называемая адронная физика - 1013 1015 см, энергии 10–100 ГэВ;

физика «сверхвысоких» энергий, процессы на сверхмалых расстояниях, меньших 1015 см, энергии больше 100 ГэВ.

Сегодня исследователям доступны энергии порядка 1 ТэВ.

На рис. 1 приведены характерные масштабы расстояний, времени, энергии.

Только ось в (энергии) следовало бы перевернуть, так как все большим энергиям соответствуют все меньшие характерные интервалы времени и все меньшие пространственные интервалы, на которых разворачиваются события в микромире.

Сегодня мы находимся на уровне «масс W -, Z-бозонов» (по энергетической шкале), «времени жизни резонансных состояний» (шкала времени), «расстояний между кварками» (шкала расстояний).

Поражает тот факт, что за последнее столетие был достигнут поистине гигантский прогресс в физике элементарных частиц и атомного ядра.

Рис. 1. Масштабы расстояний (а), времени (б) и энергий (в) в физике ядер и частиц 86 Лекции по физике частиц Ядерная физика начала свой отсчет за несколько лет до начала XX в.: ровно сто лет назад, в 1896 г., открыто знаменитое явление радиоактивности. Говоря о явлении радиоактивности, нельзя не упомянуть имена: английского физика Эрнеста Резерфорда - одного из создателей (совместно со своим соотечественником Фредериком Содди) теории радиоактивного распада (1903 г.), создателя планетарной модели атома (1911 г.); французских ученых Пьера и Марии Кюри, внесших основополагающий вклад в исследования радиоактивности;

первооткрывателя радиоактивности французского физика Антуана Анри Беккереля.

В 1897 г. был открыт электрон (английский ученый Джозеф Джон Томсон), т. е. была найдена одна из важнейших составляющих атома.

В 1932 г. был открыт нейтрон (английский физик Джеймс Чэдвик), т. е. была определена одна из составляющих атомного ядра.

Интенсивные исследования в области физики высоких энергий начались в 1950-е годы, после создания эффективных ускорителей заряженных частиц.

Таким образом, в цепочке основных составляющих материи (материя состоит из молекул, молекула состоит из атомов, атом - из электронов и атомных ядер, атомное ядро состоит из нуклонов - протонов и нейтронов, нуклон - из кварков...) значительная часть звеньев «возникла» фактически на глазах последних поколений исследователей.

Еще раз отмечу, что именно благодаря ускорителям с пучками частиц очень большой энергии (этим «супермикроскопам» для изучения микромира) стали возможны исследования материи на столь малых расстояниях*. В последние годы наблюдается взаимное проникновение между физикой на малых расстояниях и изучением свойств макроструктур Вселенной. Это - проявление единства физики высоких энергий и астрофизики.

Определяя, что такое физика высоких энергий, часто приводят высказывание Абдуса Салама. Он говорил, что раньше эту науку несла «тройка», состоящая из: 1) теории, 2) эксперимента, 3) ускорителей и детекторов. Затем к «тройкe» пристегнули еще двух «лошадей»:

4) раннюю космологию, описывающую Вселенную начиная с 1043 с после ее возникновения и до истечения первых трех минут, 5) чистую математику.

Попытаемся, используя «схему Салама», проследить сегодняшние тенденции развития физики элементарных частиц.

* Справедливости ради напомню, что важная информация о микромире была получена с помощью наземных, наводных и «спутниковых» детекторов (с компьютерными устройствами) при исследовании космических лучей, а также с использованием реакторных установок.

Развитие физики высоких энергий и ускорителей 1.2. Теоретические представления о структуре частиц Сегодня мы знаем, основываясь на экспериментальных открытиях и теоретических построениях, что электроны, протоны и нейтроны, составляющие материю вокруг нас (т. е. атомы вещества), не являются, вообще говоря, элементарными «кирпичиками мироздания».

Только электроны сегодня описываются как точечно-подобные элементарные частицы. Протоны и нейтроны «сделаны» из более фундаментальных составляющих, названных кварками.

Сильные взаимодействия * описываются фундаментальной теорией кварков и глюонов - квантовой хромодинамикой (КХД). В этой теории глюоны являются носителями сильных взаимодействий, которые удерживают кварки в протонах и нейтронах (эффект «конфайнмента»). Эта теория эффективно может быть использована для исследования большинства наблюдаемых явлений физики сильных взаимодействий.

Другие силы, электромагнитные и слабые, проявляются как совершенно различные. Однако сегодня мы знаем, что они являются проявлениями единой электрослабой теории (Глэшоу, Вайнберг, Салам). «Кирпичиками мироздания» в электрослабом секторе выступают лептоны. Носителями же электрослабых взаимодействий являются два промежуточных бозона (W, Z) и фотон ().

Единая электрослабая теория и КХД (в целом называются стандартной моделью - СМ) определяют взаимодействия элементарных частиц (кварков и лептонов) в масштабе до 1016 см.

Третье, кроме сильного и электрослабого, из известных типов взаимодействий - гравитационное - остается вне рамок стандартной модели. Это взаимодействие тесно связано с нашими представлениями о пространстве и времени. Как известно, пространство и время в рамках специальной теории относительности выступают вместе как единый 4-мерный мир.

В общей теории относительности геометрия этого 4-мерного мира неразрывно связана с гравитационным полем. Ряд интересных «спекуляций» на тему «неуникальности» мира, который мы наблюдаем, существует не только в научной фантастике, но и в теоретических научных построениях.

Отмечу, что выход за рамки стандартной модели сегодня исследуется по ряду направлений. О них мы скажем ниже.

Однако проходившая в июле 1996 г. в Варшаве XXVIII Международная (Рочестерская) конференция по физике высоких энергий констатировала, что стандартная модель согласуется со всеми имеющимися к настоящему времени экспериментальными данными.

Сильновзаимодействующие частицы называются адронами.

Итак, на сегодня мы знаем, что в нашем 4-мерном пространствевремени, наполненном условно-точечными с точностью до 1016 см фермионами* (лептонами и кварками), действует три типа взаимодействий, обусловленных специальными носителями: глюонами, W - и Z-бозонами и гипотетическими гравитонами.

1.3. Некоторые экспериментальные достижения Основной задачей большинства экспериментов последних нескольких лет являлось проведение традиционной проверки стандартной модели на различных ускорителях, но в первую очередь на LEP (ЦЕРН) и e+ e -коллайдере SLAC. Практически все измерения согласуются со стандартной моделью с поразительной точностью, на уровне 1 %.

Прежде чем прокомментировать некоторые яркие экспериментальные результаты этих исследований, расположим «кирпичики мироздания» в виде таблицы (см. табл. 1).

Так, одним из наиболее крупных достижений последних двух лет было открытие топ-кварка (t). Это был последний из ненаблюдаемых кварков, который лежит в основе стандартной модели. Установленная масса (почти 200 ГэВ) была правильно оценена непрямыми методами (LEP). Открытие t-кварка было сделано на адронном коллайдере во FNAL с помощью двух больших детекторных комплексов (CDF и D0), использующих сложную методику обработки результатов, чтобы выделить редкие события. Здесь проявилась другая важная особенность современных ускорителей заряженных частиц, у которых кроме высоких энергий предусматриваются и высокие интенсивности (светимости в случае коллайдеров):

Экспериментальные факты указывают на то, что системы с целым спином (бозоны) подчиняются законам статистики Бозе–Эйнштейна, а системы с полуцелым спином (фермионы) подчиняются законам статистики Ферми–Дирака. В математической физике доказана теорема связи спина со статистикой.

т. е. количество частиц, пролетающих в единицу времени через единицу площади. Высокие светимости позволяют изучать редкие процессы (повышая вероятность их наблюдения). К ускорительным машинам с высокой светимостью применяют термин «фабрика» (-фабрика, c- -фабрика, B-фабрика, Z-фабрика...).

Экспериментальные исследования и теоретическое осмысление физики t-кварка сегодня (и завтра) сводятся к тому, чтобы ответить на вопросы: почему t-кварк так тяжел? Каковы его свойства?

Эксперимент также нацеливается на прецизионное измерение массы t-кварка.

Несколько ранее (начало 90-х годов) на ускорительном комплексе LEP было установлено, что на нынешнем витке познания мы имеем дело с тремя поколениями частиц. Была измерена с высокой точностью масса и полная ширина Z 0 -бозoнa, что позволило установить количество нейтринных каналов распада Z 0 и определить число поколений.

Загадками для будущих экспериментов в физике высоких энергий являются вопросы: а сколько всего семейств (поколений) имеется в природе? Есть ли структура у кварков и лептонов (на расстояниях меньше 1016 см)?

Эти вопросы относятся к категории классических фундаментальных проблем физики микромира. Они задают направления выхода за рамки наших сегодняшних представлений.

Вернемся, однако, немного назад и поясним роль поколений элементарных частиц.

Все атомы, т. е. химические элементы, грубо говоря, состоят из u-, d-кварков и электронов. Электронное нейтрино e не входит в состав атомов, но оно участвует в протон-протонном цикле ядерных реакций, происходящих в недрах Солнца и обеспечивающих его «горение».

Фермионы II и III поколений являются утяжеленными аналогами u, d, e и e и, как считается, играли важную роль в динамике ранней Вселенной. В современную эпоху они появляются в процессах, порожденных космическими лучами, и в столкновениях частиц на современных ускорителях.

Кварки, в отличие от лептонов, характеризуются цветом - дискретной переменной, принимающей три значения. Эта переменная была введена в 1965 г. Боголюбовым, Струминским, Тавхелидзе, Ханом и Намбу с целью сохранения принципа Паули в кварковой модели адронов.

Другим загадочным свойством кварков является дробность их электрических зарядов Q. Q = 2/3e для кварков u, c, t и Q = 1/3e для d, s и b. «Бесцветные» лептоны либо электрически нейтральны (все нейтрино), либо имеют заряд Q = e (e, µ и).

Последние 2–3 года внесли много нового в понимание нуклонной структурной функции при очень больших переданных импульсах q (e p-коллайдер HERA, DESY и др.), что проясняет структуру адронов. Достигнуто значительное понимание физики тяжелых кварков (b-кварков) с помощью экспериментов на установке CLEO в Корнелле и др.

В экспериментальных программах ЦЕРН, BNL и ОИЯИ значительное место занимают ядро-ядерные столкновения при высоких энергиях. Эта область исследования ставит своей целью обнаружение проявлений кварк-глюонных взаимодействий при соударении ядер и также дает новую информацию о строении материи (кумулятивный эффект, кварк-глюонная плазма и др.).

Очень трудно в ограниченное время лекции сделать полный обзор достижений последних лет. Выбор примеров (отчасти субъективный) имел целью дать общее представление о тенденциях в физике высоких энергий. Следуя «схеме» Салама, перейдем к математической подоплеке стандартной модели, оставив пока в стороне загадки ранней космологии и состояние ускорительного арсенала современной физики элементарных частиц.

1.4. Математический взгляд на современную физику высоких энергий и появление новых загадок Говоря о влиянии чистой математики на развитие физики высоких энергий, надо понимать, что речь идет об углублении и совершенствовании математического аппарата теории частиц. Ранее чисто математическая теория групп, методы математической физики и многие другие математические теории теперь стали среди всего прочего аппаратом и языком для физиков.

В математическом отношении СМ представляет собой калибровочную квантовую теорию поля (со всеми ее преимуществами и недостатками типа расходимостей и перенормировок) с группой симметрии Калибровочные теории замечательны тем, что в них практически однозначно фиксируется структура лагранжиана взаимодействия.

При этом переносчиками взаимодействия являются векторные частицы, число которых равно числу параметров группы симметрии.

Данные частицы не обладают какой-либо составной структурой, т. е.

являются столь же элементарными, как, например, кварки и лептоны.

Группа (1) зависит от 8+3+1 = 12 параметров. Восьмерка отвечает сомножителю SU (3)C - группе цветовой симметрии, лежащей в основе КХД. Соответствующий октет векторных бозонов, называемых глюонами, осуществляет взаимодействие между цветными кварками.

Симметрия SU (3)C считается точной, а глюоны - безмассовыми.

Установлено, что на малых расстояниях (при больших передаваемых импульсах) эффективное кварк-глюонное взаимодействие убывает («асимптотическая свобода»). Поэтому в данной области можно применять для расчетов аппарат теории возмущений, например диаграммную технику Фейнмана, и получать надежные количественные предсказания.

На расстояниях 1013 см хромодинамические силы должны быть большими хотя бы потому, что им надлежит связать кварки в адроны и обеспечить «сильное» взаимодействие последних. Теория возмущения в данном случае неприменима. «КХД на больших расстояниях», как обычно называют теорию кварк-глюонных взаимодействий в этой области, - предмет интенсивных исследований как в плане теоретическом, так и в плане экспериментальном. Проблемой номер один, являющейся откровенным вызовом теоретикам на протяжении уже многих лет, здесь можно считать разгадку механизма конфайнмента, т. е. объяснение причины удержания кварков внутри адронов и невозможности существования их в свободном состоянии.

Обратимся теперь к теории электрослабых взаимодействий (ЭСВ) в рамках стандартной модели. Эта теория была сформулирована Вайнбергом, Саламом и Глэшоу. Группа калибровочной симметрии ЭСВ включает в себя второй и третий сомножители из (1):

и задается, соответственно, числом параметров, равным 3 + 1 = 4.

Значит, калибровочных векторных бозонов здесь должно быть 4. Это, W ±, Z 0. Фотон, подобно глюонам, является безмассовой частицей, тогда как векторные бозоны W, Z 0 имеют массы:

Последнее обстоятельство указывает на то, что симметрия (2) не может быть точной, а должна неизбежно нарушаться.

Теория ЭСВ включает в себя хиггсовский механизм спонтанного нарушения SU (2)L U (1)-симметрии, который обеспечивает появление масс у W, Z 0, кварков и лептонов без потери калибровочной инвариантности полного лагранжиана ЭСВ. В простейший вариант теории входит один нейтральный хиггсовский скалярный бозон H 0, масса которого, однако, не предсказывается. По современным представлениям, она заключена в интервале Поиск H непременно входит в перспективные экспериментальные программы крупнейших ускорительных лабораторий мира.

По данным 2004 г., интервал, видимо, уже: верхняя граница около 260 ГэВ. - Примеч. сост.

В рамках SU (2)L U (1)-симметрии реализовано объединенное описание электромагнитного и слабого взаимодействий кварков и лептонов. Этот синтез оказался настолько глубоким, что употребление универсального термина «электрослабое взаимодействие» вполне правомерно.

Вообще физика знает немало примеров того, каким плодотворным может быть единый подход к описанию явлений, кажущихся на первый взгляд совсем не связанными и даже разнородными.

Так, благодаря Ньютону земная и небесная гравитация соединились в одном понятии «всемирное тяготение». Фарадей обнаружил, что электрические и магнитные силы есть проявление одной сущности - электромагнетизма. Максвелл объединил электромагнетизм и оптику, поняв, что они описывают явления, имеющие общую природу. Он же, соединив аналитическую механику и термодинамику, развил кинетическую теорию газа.

В СМ кварк-глюонное взаимодействие, с одной стороны, и электрослабое - с другой, существуют совершенно независимо друг от друга. Попытки объединить эти взаимодействия в рамках более общей теоретической схемы с эффектным названием «великое объединение»

пока, к сожалению, не привели к реальному успеху. Тем не менее продолжают разрабатываться и более грандиозные проекты, претендующие на создание «всеобъемлющей теории» («the theory of everything»).

В первую очередь здесь имеются в виду уже упоминавшиеся суперструнные теории, в которых осуществляется синтез кварк-глюонного электрослабого и гравитационного взаимодействий, причем описание последнего согласуется с требованием квантовой механики.

В конечном счете теория «суперструны» объединила СМ и гравитацию, используя понятие крошечной струны вместо точечных частиц. Это еще одно из интересных направлений выхода за пределы стандартных представлений о физике микромира.

Несомненный интерес представляет построение теории, использующей понятие «фундаментальной длины» (Тамм, Кадышевский и др.), - это тоже одно из направлений исследований вне привычных рамок.

Что может служить надежным ориентиром для выхода за рамки СМ? На каких расстояниях (при каких энергиях) СМ заведомо перестанет «работать»? Для какой более общей теории СМ является низкоэнергетическим пределом? Только будущие эксперименты в состоянии дать ответы на эти вопросы. Они, как известно, могут быть двоякого рода. Первый предполагает продвижение в область малых расстояний с помощью ускорителей, разгоняющих частицы до более высоких энергий, второй - прецизионные измерения при уже достигнутых энергиях тех величин, в значение которых вносят вклад процессы, происходящие на малых расстояниях.

Твердого и надежного теоретического фундамента «физики за пределами СМ» не существует. Здесь можно пока говорить лишь об определенных направлениях исследований. Среди них наиболее популярны:

Суперсимметрия, составные кварки и лептоны, «великое объединение», суперструны, техницвет и некоторые другие.

Для суперструнных теорий характерным масштабом является планковская масса MP = 1019 ГэВ. «Великое объединение» взаимодействий должно наступать при энергиях порядка 1015 ГэВ.

О ряде возможных теоретических схем мы уже говорили выше.

Скажем несколько слов о суперсимметрии (СУСИ), которой в последние два десятилетия уделяется очень много внимания. СУСИ - это новая разновидность симметрии в мире элементарных частиц, основанная на объединенном описании бозонов и фермионов. В рамках СУСИ каждой частице сопоставляется суперчастица, спин которой отличается на 1/2. Так, фотону, W - и Z-бозонам, обладающим спином 1, соответствуют дираковские суперчастицы «фотино», «вино» W и «зино» Z; кваркам и лептонам отвечают скалярные «скварки» и «слептоны», скалярным «хиггсам» - «схиггсы» со спином 1/2.

Все частицы и суперчастицы, входящие в один супермультиплет, должны иметь одинаковую массу. Однако ничего похожего на вырождение спектра масс у имеющихся фермионов и бозонов не наблюдается. Более того, если даже не принимать во внимание различия в массах, следует констатировать, что известные нам фермионы не могут быть интерпретированы как суперпартнеры существующих бозонов.

Отсюда при оптимистическом отношении к самой концепции СУСИ следуют два вывода:

Суперсимметрия элементарных частиц реализуется в нарушенной форме с большим расщеплением масс в супермультиплетах;

суперчастицы нужно открывать.

Несомненно, что обнаружение суперчастиц явилось бы ярким сигналом новой, нестандартной физики. Пока, однако, их поиск не увенчался успехом. Из имеющихся на сегодня данных получаются лишь оценки масс этих объектов:

Как теоретическая схема СУСИ удовлетворяет самым высоким эстетическим требованиям. Суперструнные теории своей привлекательностью во многом обязаны заложенной в них суперсимметрии.

Соединение идеи СУСИ с калибровочным принципом привело к нетривиальному обобщению теории тяготения - супергравитации. В рамках универсального суперсимметричного описания фермионов и бозонов стираются различия между структурными составляющими материи, с одной стороны, и переносчиками взаимодействий - с другой. Наконец, в суперсимметричных теориях поля теряет свою остроту проблема ультрафиолетовых расходимостей: либо они здесь совсем исчезают, либо соответствующая процедура перенормировки значительно упрощается.

Ранее было сказано, что с точностью до 1014 см кварки и лептоны можно считать элементарными бесструктурными объектами и что именно такое представление об этих фермионах заложено в СМ.

Однако повторяемость поколений и само обилие кварков и лептонов (в трех поколениях кварков фигурирует 18 кварков (с учетом цвета) и лептонов), быть может, является намеком на их сложную природу.

Соответствующих моделей предложено немало. Кварки и лептоны в них строятся из небольшого количества более фундаментальных фермионов (пракварков, субкварков, преонов... - общепринятого названия для этих «конституэнтов» пока нет).

Еще одна загадка в физике частиц относится к проблеме асимметрии материи-антиматерии во Вселенной. Есть два условия, которые могут объяснить это, - нестабильность барионов - сильновзаимодействующих частиц (предмет исследования больших неускорительных экспериментов) и СР-нарушения (они будут исследованы в следующей генерации экспериментов с интенсивными K-мезонными пучками на новых установках, позволяющих наблюдать СР-нарушения в распадах B-мезонов). Существует также гипотеза о существовании другой Вселенной, где в отличие от нашей преобладают античастицы.

Физика частиц может также дать ответ на загадку темной материи во Вселенной. Все наблюдения требуют новых форм небарионной темной материи. Это могут быть новые суперсимметричные частицы и/или массивные нейтрино. Существуют и другие возможности.

До сих пор нет ясного ответа на вопрос, есть ли у нейтрино масса. Эксперименты по прямому наблюдению массы нейтрино или трансформации одного нейтрино в другое («нейтринные осцилляции»

Понтекорво и др.) планируются в программах будущих исследований на ускорителях.

В заключение этой части можно кратко резюмировать, что прошедшие несколько лет дали точное подтверждение стандартной модели. Однако существует много загадок, которые дают как теория, так и эксперименты, а усилия направлены сегодня на выход из создавшегося положения. Направления «выхода» неоднозначны, и, не претендуя на полноту, мы рассмотрели лишь некоторые (будем надеяться, что основные) тенденции.

Теперь вернемся к самому началу...

По современным представлениям, основанным на так называемой стандартной космологической модели, в первую микросекунду своего существования Вселенная была настолько горячей, что могла состоять лишь из элементарных частиц, связанных фундаментальными силами. Это была сотворенная самой природой уникальная лаборатория физики высоких энергий.

Ускоряя частицы и сталкивая их друг с другом в современных земных лабораториях, мы, в принципе, многое можем узнать о тех фундаментальных процессах, которые изначально происходили во Вселенной. При этом чем больше энергия сталкивающихся частиц, тем более ранний период истории Вселенной попадает в поле нашего зрения.

Однако известно, что габариты ускорителей довольно быстро растут с увеличением предельной энергии, на которую они рассчитаны.

Здесь наши возможности будут довольно скоро исчерпаны, если не появятся принципиально новые идеи и технологические решения.

Напомню, что ускорение частиц до энергии 1015 ГэВ, отвечающей «великому объединению» сильного и электрослабого взаимодействий, потребовало бы сооружения ускорителя размером с Солнечную систему. А если бы мы хотели продвинуться до «планковской» энергии 1019 ГэВ (на этом рубеже становятся существенными квантовогравитационные эффекты), то пришлось бы строить ускоритель, кольцо которого имело бы протяженность порядка 10 св. лет.

Подобные машины могут существовать лишь в воображении писателей-фантастов. Однако теоретическая мысль смело проникает и в область практически недостижимых энергий. При этом реалистичность и жизнеспособность моделей, описывающих взаимодействие элементарных частиц во всей области энергий, определяются, в частности, при «сшивании» этих моделей со стандартной космологической моделью ранней Вселенной. В результате в физику высоких энергий вносятся ценные эвристические идеи и ограничения.

Это и имеет в виду Салам, рассматривая раннюю космологию как одну из движущих сил современной физики элементарных частиц. Приведу примеры, иллюстрирующие правомерность такой точки зрения. Некоторые из них невольно будут перекликаться со сказанным выше.

На основании астрофизических оценок распространенности первичного 4 Не можно судить о количестве различных типов легких нейтрино и, следовательно, о числе поколений лептонов и кварков. Наблюдаемая барионная асимметрия мира, возможно, связана с возникновением в ранней Вселенной преобладания кварков над антикварками во взаимодействиях, нарушающих закон сохранения барионного заряда и СР-симметрию.

Весьма важной и глубокой проблемой, в решении которой заинтересованы как космология, так и теория элементарных частиц, является оценка космологической постоянной. Для самосогласованного описания ранней Вселенной введение этого параметра сейчас признается необходимым. С другой стороны, по астрономическим данным, в современную эпоху величина очень мала (|| 1056 см2), если вообще не равна нулю.

В квантовой теории поля, не использующей суперсимметрию, постоянная выражается через энергию вакуума и формально является бесконечной величиной. Если в соответствующие расходящиеся фейнмановские интегралы вводить разумное обрезание, то полученная в результате оценка || будет отличаться от астрономической на 50– 100 порядков. Однако в суперсимметричной теории поля происходит сокращение всех расходящихся вакуумных диаграмм, что эквивалентно = 0. В этой связи возникает вопрос: можно ли, отказавшись от точной суперсимметрии, подобрать такой механизм ее нарушения, чтобы космологическая постоянная была отличной от нуля, но малой величиной?

Отметим, что ценная информация для физики элементарных частиц поступает и из астрофизических наблюдений, не имеющих прямого отношения к ранней космологии. Так, своеобразным стимулом для поиска новых нейтральных частиц служит вывод астрофизиков о том, что около 95 % массы нашей Вселенной составляет таинственное «темное вещество» («dark matter»). Особое место занимает нейтринная астрофизика, для которой событием первостепенной важности явилось наблюдение в феврале 1987 г. вспышки сверхновой SN1987A в Большом Магеллановом облаке.

Итак, ключ к решению некоторых актуальных проблем физики микромира может быть найден при изучении макрокосмоса, и наоборот, отдельные яркие фрагменты физической картины макрокосмоса основаны на закономерностях, обнаруженных при исследовании микромира.

2. УСКОРИТЕЛИ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ -

ГЛАВНЫЙ ИНСТРУМЕНТ ИССЛЕДОВАНИЯ

МАТЕРИАЛЬНОГО МИРА

(СОВРЕМЕННЫЙ УСКОРИТЕЛЬНЫЙ АРСЕНАЛ)

Ускорители - это источники ускоренных частиц (электронов, протонов и т. д.), которые «просвечивают» (как свет в микроскопе) физическую материю, атомные ядра или элементарные частицы, вызывая сложные взаимодействия, зависящие от типа ускоренных частиц, мишени, энергии ускоренных частиц и других условий эксперимента.

Помимо ускорителей источником частиц (в том числе высоких энергий) может служить поток частиц, рожденных в космосе, - так называемые космические лучи. Однако интенсивность «космических»

источников мала и быстро уменьшается с ростом энергии.

В настоящее время ускорители применяются для решения практических задач (материаловедение, стерилизация медицинской техники, дефектоскопия, субъядерные фильтры, терапия опухолей, сохранение сельскохозяйственных продуктов, экологические задачи и т. д.), но самые мощные и дорогостоящие ускорители создаются для научных целей. Длина магнитной дорожки ускорителя (по которой, двигаясь, ускоряются элементарные частицы) сегодня достигает уже многих километров, а стоимость ускорителя с необходимой исследовательской аппаратурой исчисляется многими миллионами рублей. Сооружение ускорительной установки для фундаментальных исследований является событием, требующим привлечения больших материальных и людских ресурсов, а также разработки новых приборов и технологий.

Не один год обсуждается возможность сооружения VBA - «очень большого ускорителя» - одного для всего физического содружества.

Однако для научных нужд требуются различные ускорительные комплексы - для ускорения электронов, протонов, тяжелых ионов, со встречными пучками и неподвижной мишенью. Поэтому в настоящее время международное сообщество физиков идет по пути согласования типов ускорителей, которые должны быть построены в различных регионах, участия различных стран в разработке и сооружении ускорителей и особенно исследовательской аппаратуры - детекторов.

Еще раз подчеркнем: с помощью ускорителей при соударении ускоренных частиц и частиц мишени осуществляются процессы при достаточно высоких энергиях, которые могут быть достигнуты человеком в земных условиях. Заряженные частицы ускоряются в вакуумной камере. Для формирования траектории частиц создаются многокилометровые кольцевые магнитные системы, и ускорение частиц осуществляется высокочастотным электрическим полем.

Вследствие установленной Альбертом Эйнштейном эквивалентности массы и энергии максимальная энергия процесса, происходящего при столкновении частиц, определяет и максимальную массу материального объекта, который может быть порожден в результате этого процесса. Поэтому уже в самом проекте ускорителя (предельная энергия, встречные пучки или неподвижная мишень, интенсивность пучков) закладываются ограничения на параметры частиц, которые могут быть на нем изучены.

Говоря о развитии физики и техники ускорителей заряженных частиц, хочется отметить выдающийся вклад отечественных специалистов: физиков, ускорительщиков, инженеров, и среди них Г. И. Будкера, В. И. Векслера, А. И. Алиханова, А. И. Алиханьяна, А. Л. Минца, А. Н. Скринского, А. П. Комара, А. А. Логунова, A. M. Балдина, М. А. Маркова, Г. Н. Флерова, М. Г. Мещерякова, 4 А. Н. Cисакян В. П. Джелепова, В. П. Саранцева и др. (С одной стороны, трудно избежать упоминаний имен при изложении материала, с другой стороны, многие фамилии крупных ученых невольно остаются за строкой. Приношу извинения людям и памяти людей, с которыми так получилось.) В приведенных ниже таблицах и рисунках даны характеристики параметров крупнейших ускорителей мира (действующих и строящихся) и показаны возможности современного ускорительного арсенала.

Рис. 2 дает сравнение шкалы энергий с предполагаемой картиной возникновения единых теорий. Конечно, такая картинка носит гипотетический характер.

Сегодня мы располагаем энергиями LEP и тэватрона (1011 1012 эВ) и уже достигли объединения электромагнитных и слабых сил.

В районе 1024 эВ предсказывается великое объединение, а в области 1028 эВ - полное объединение всех существующих сил природы.

На рис. 3 представлен график, показывающий связь достигнутых на ускорителях рекордных энергий с календарным временем. Следует подчеркнуть, что за прошедшие полвека на глазах одного поколения достигнут гигантский прогресс.

Рис. 4 связывает «календарь» с достижениями ускорительной техники. Ось ординат - это энергетическая шкала, а различные «веточки» и точки отвечают типу ускорителя, благодаря которому эти энергии могут быть достигнуты.

На рис. 5 показаны достижения энергии и светимости - важнейших параметров - наиболее крупных действующих и проектируемых ускорительных машин.

Развитие физики высоких энергий и ускорителей Из рис. 6 видны годы начала физических экспериментов на крупнейших ускорителях мира.

На рис. 7 показано, при каких энергиях становятся заметными сечения рождения ряда интенсивно изучаемых сейчас частиц (Z - энергии LEP; J/ - энергии BNL и т. д.).

Развитие физики высоких энергий и ускорителей Из рис. 8 можно сделать вывод, при каких светимостях работают крупнейшие ускорители мира (какие частицы при этом рождаются и могут быть изучены).

Высокие энергии требуют (к сожалению) и большого размера кольца ускорителя (если не появятся принципиально новые методы ускорения) (см. рис. 9).

В табл. 2 приведены параметры проектируемых линейных коллайдеров.

102 Лекции по физике частиц Рис. 10. Тоннель LEP-коллайдера Nominal luminosity, 1033 cm2 ·s Actual luminosity, 1033 cm2 ·s No. of particles/bunch at IP (1010) Main linac gradient, unloaded/loaded, MV/m 25/25 21/17 31/- 40/32 73/58 50/37 100/91 80/ x /y, mrad · x /, mm d before pinch, nm Disruptions Dx /Dy n (no. of ’s per e) Npairs (p = 20 MeV/c, min = 0.15) Nhadrons /crossing Njets · 102 s (p = 3.2 GeV/c) Рис. 11. Тоннель SPS (SuperProton Synchrotron)

3. МЕЖДУНАРОДНОЕ СОТРУДНИЧЕСТВО

УЧЕНЫХ - ФАКТОР СТАБИЛЬНОСТИ НАУЧНЫХ

ПРОЕКТОВ. ОИЯИ - ПРИМЕР СОТРУДНИЧЕСТВА

Объединение усилий ученых в области физики высоких энергий - это не только дань традиции сотрудничества физиков, но и настоятельная необходимость, примета времени. Сегодня уже все три составляющие опыта по физике высоких энергий (ускоритель, детектор, электронно-вычислительная машина) - это уникальные дорогостоящие установки. Чтобы не отстать от стремительного прогресса в этой области науки, сегодня есть только один способ - объединять усилия.

От ускорителей следующего поколения физика ждет решения ряда фундаментальных проблем, в том числе:

объединения существующих в природе взаимодействий (электрослабого, сильного и гравитационного);

создания систематики элементарных частиц (т. е. в конечном счете раскрытия их структуры).

Развитие физики высоких энергий и ускорителей Достижение этих результатов окупило бы колоссальные интеллектуальные и материальные затраты, на которые общество пошло ради них. Была бы построена (на данном витке познания) картина микромира, это послужило бы гигантским толчком научно-технического прогресса. Достаточно вспомнить последствия объединения электрических и магнитных сил в электромагнитное взаимодействие, расщепление атома и ядра... Следует подчеркнуть, что кроме своей генеральной задачи, какой является проблема формирования наших представлений о микромире, физика высоких энергий таит в себе богатые возможности воздействия на технический прогресс как благодаря открытиям в рамках физики, так и благодаря ее влиянию на другие науки. Эту совокупность аспектов рассматриваемой проблемы можно условно отнести к прямым эффектам от фундаментальных исследований в физике элементарных частиц. Но следует учесть, что кроме этого существуют эффекты и косвенного влияния этих исследований на технический прогресс, которым весьма трудно дать экономическую оценку, в то время как польза от них чрезвычайно велика. Дело в том, что развитие фундаментальной физики сопровождается появлением принципиально новой очень современной физической аппаратуры, принципиально новой техники и методики, которые находят применение во многих областях науки и техники.

Не будет преувеличением ожидать, что раскрытие тайн микромира, углубление его связи с космологией, решение практических задач в рамках широкого международного сотрудничества покажут, какие сложные проблемы можно решать объединенными усилиями ученых.

Роль международного сотрудничества ученых была еще раз понята в 1993 г. Печальный опыт закрытия SSC - проекта века в Далласе, - проанализированный группой американских специалистов во главе с С. Дреллом, показывает, что международность научных проектов является мощным стабилизирующим фактором. SSC, несмотря на широкое сотрудничество, создавался в рамках национальной программы. «Нет национальной науки - как нет национальной таблицы умножения. Если наука национальна - это уже не наука», - это чеховское высказывание процитировали специалисты в своем отчете о закрытии SSC.

В историю сотрудничества между физиками-ядерщиками Востока и Запада вписано немало ярких страниц, демонстрирующих его высокую эффективность. В этом отношении показательными являются примеры ЦЕРН и ОИЯИ, сотрудничество в рамках этих организаций и между ними.

ОИЯИ и ЦЕРН - Европейский центр ядерных исследований* имеют тесные научные связи. Эти научные центры чрезвычайно плоВ сентябре 2004 г. ЦЕРН исполняется 50 лет.

дотворно сотрудничают между собой с начала своего существования.

Хорошим примером является участие Объединенного института в перспективной научной программе по реализации проекта большого адронного коллайдера (LHC), создаваемого в ЦЕРН. Помимо этого, несомненной заслугой ОИЯИ и ЦЕРН является то, что всей своей деятельностью, начавшейся в первое послевоенное десятилетие, они способствовали делу сближения народов, объединению усилий ученых десятков стран на ниве «мирного атома».

Приведу в заключение лишь очень краткую «визитную карточку»

нашего Института.

За четыре десятилетия своей деятельности Объединенный институт* стал крупнейшим многоплановым центром фундаментальных ядерных исследований, объединяющим усилия ученых в их стремлении понять, как устроен окружающий нас мир.

Членами Института в настоящее время являются 18 государств:

Азербайджан, Армения, Белоруссия, Болгария, Вьетнам, Грузия, Казахстан, КНДР, Куба, Молдавия, Монголия, Польша, Россия, Румыния, Словакия, Узбекистан, Украина и Чехия.

В Институте работают около 6000 человек (вместе с обслуживающими подразделениями), из них более 1000 - научные сотрудники, около 2000 - инженерно-технический персонал. В составе Института 7 крупных лабораторий, каждая из которых по масштабам и объему проводимых исследований сопоставима с большим институтом.

ОИЯИ располагает уникальными в своем классе источниками излучения частиц и ядер в широком диапазоне энергий. Помимо синхроциклотрона и синхрофазотрона здесь построены и действуют ускорители тяжелых ионов У-200 и У-400. В 1993 г. получен выведенный пучок ионов из циклотрона У-400М. В 1994 г. введен в действие сверхпроводящий ускоритель релятивистских ядер нуклотрон, ведутся исследования с помощью импульсных реакторов на быстрых нейтронах ИБР-30 (c 1969 г.) и ИБР-2 (c 1984 г.).

Перспектива фундаментальных исследований связана с реализуемой в Институте программой создания современных базовых установок. В 1994 г. началась реализация проекта ИРЕН, направленного на создание высокопоточного импульсного источника резонансных нейтронов. Разрабатываются проект с-тау-фабрики - электронпозитронного коллайдера с универсальным детектором и проект специализированного источника синхротронного излучения.

Можно было бы много говорить о научных направлениях ОИЯИ и его широком сотрудничестве, но вы, наверное, обратили внимание, что среди имен, упомянутых мною в далеко не полном списке ученых, ОИЯИ (как международная организация) на полтора года младше ЦЕРН (день подписания Соглашения об образовании ОИЯИ 26 марта 1956 г.). - Примеч. сост.

внесших значительный вклад в развитие физики высоких энергий, было немало имен дубненских физиков.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Перенесемся теперь мысленно в 1928 г.... Профессор Макс Борн, встречая группу посетителей Геттингенского университета, говорил:

«Физика, насколько мы ее понимаем, закончится через 6 месяцев».

Надо сказать, что у Борна была к тому времени очень высокая репутация как физика-теоретика и ему никак нельзя было отказать в проницательности. Именно он разъяснил Гейзенбергу, открывшему матричную форму квантовой механики, что тот имеет дело не с чем иным, как с матрицами. Ему же принадлежала вероятностная трактовка квантово-механической волновой функции.

Иллюзия «конца физики» возникла у Борна не случайно. Незадолго до этого Дирак открыл свое замечательное уравнение, которое, как полагал автор, описывает сразу и электрон и протон. Поскольку в то время только эти частицы и были известны и поскольку уравнение Дирака в принципе решало проблему согласования друг с другом требований квантовой механики и теории относительности, Борну показалось, что физика как наука себя исчерпала.

С тех пор прошло не 6 месяцев, а почти 70 лет. Физика не только не закончилась, а, наоборот, все эти годы неуклонно, иногда непредсказуемо, развивалась. Явным лидером ее стала физика высоких энергий.

Именно в этот период времени возникли и усовершенствовались ускорители, произошла настоящая революция в развитии физических измерительных средств. В итоге совместными усилиями ускорительщиков, экспериментаторов и теоретиков было открыто множество важных и глубоких закономерностей микромира. И прав был Паскаль, когда сказал: «Скорее воображение устанет постигать, чем Природа поставлять». Вот этим я и хотел бы закончить.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Salam A. // Particle Physics. 1987. IC/87/402.

2. Фейнман Р. КЭД - странная теория света и вещества. М.: Наука, 1988. (Библиотечка «Квант», вып. 66).

3. Howking S. W. Brief History of Time. Bantom Books, 1988.

4. Окунь Л. Б. Лептоны и кварки. М.: Наука, 1981.

5. Rubbia C. The «Future» in High Energy Physics: CERN-EP/88-130.

6. Bjorken J. D. Topics in B-Physics // Fermilab-Conf-88-134-T.

7. Кадышевский В. Г. Лекция на Междунар. школе молодых ученых по ускорителям заряженных частиц, Дубна, 1988.

Похожие работы:

«1 2 3 Содержание 5. Пояснительная записка 5.1 ель и задачи медицинской биофизики и её место в учебном процессе 5.1.1 Цель преподавания медицинской биофизики 5.1.2 Задачи изучения медицинской биофизики 5.1.3 Место дисциплины в структуре ООП. 5.1.4 Междисциплинарные связи 5.1.5 Матрица компетенции дисциплины. 5.1.6 Виды контроля. Формы текущего контроля используемые в работе 6. Структура и содержание дисциплины 6.1 Объем дисциплины и виды учебной работы 6.2 Наименование тем, их содержание, объем...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ Воронежский государственный университет УТВЕРЖДАЮ Ректор Д.А. Ендовицкий 2011 г. м.п. ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ПРОФЕССИОНАЛЬНАЯ ОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ПРОГРАММА повышения квалификации научно-педагогических работников государственных учреждений высшего профессионального образования и государственных научных организаций, действующих в системе высшего и послевузовского...»

«Федеральное агентство железнодорожного транспорта Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Уральский государственный университет путей сообщения (УрГУПС) СЕРИЯ БИБЛИОГРАФИЧЕСКИХ УКАЗАТЕЛЕЙ ТРУДЫ СОТРУДНИКОВ УрГУПС Сергей Петрович БАУТИН ЮБИЛЕЙНЫЙ БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ УКАЗАТЕЛЬ НАУЧНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ ЗА 1973–2012 гг. Екатеринбург Издательство УрГУПС 2012 ББК Ч 755.3 Б29 Серия основана в 2005 г. Баутин Сергей Петрович: юбилейный...»

«Новости пал еонтологии и стратиграфии, 201 О, вып. 14, c.111-140 Приложение к J/СУРНалу Геология и геофизика, Т. 51 УДК 575.321:564. 1 НОВЫЕ ДАННЫЕ ПО СИСТЕМАТИКЕ ЮРСКИХ И МЕЛОВЫХ ДВУСТВОРЧАТЫХ МОЛЛЮСКОВ СЕМЕЙСТВА OXYTOMIDAE ICHlКAWA, 1958 о. А. Лутиков 1, Б. Н. Шурыгин 2 /Научно-исследовательский институт палеонтологии, стратиграфии и седиментологии, Новосибирск, ул. Б. Хмельницкого, оф. 14; Россия 630110, 60, 2Институт нефтегазовой геологии и геофизики ИМ. А.А. Трофимука СО РАД...»

«iiexs ieuex reweveex howmnyn hrm ©oryi iuyh ueqs §xhrexy ¦vseuex reeeywxis rewe hssvis xhs wesx eFHIFHP { 4hiferenil hvsrowmner4 msngitow$ym fizikm$emtikkn gitow$yownneri doktori gitkn sti!ni hymn tenxosow$yn i¤weqs iiex { PHII ЕРЕВАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Думанян Ваграм Жораевич О ЗАДАЧЕ ДИРИХЛЕ ДЛЯ ОБЩЕГО ЭЛЛИПТИЧЕСКОГО УРАВНЕНИЯ ВТОРОГО ПОРЯДКА АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико - математических наук по специальности 01.01.02 – Дифференциальные...»

«14-Геофизика: земная кора, океан, атмосфера Абдрахимова Полина Викторовна, 5 курс Уфа, Башкирский государственный университет, физический Особенности температурного поля в многопластовой системе при индукционном нагреве колонны Шарафутдинов Рамиль Файзырович, д.ф.-м.н. e-mail: [email protected] стр. 457 Абдрашитов Вакиль Хайдарович, магистрант 2 года обучения Уфа, Башкирский государственный университет, физико-технический институт Экспериментальное изучение распределения температуры при...»

«КРАТЧАЙШАЯ ИСТОРИЯ ВРЕМЕНИ СТИВЕН ХОКИНГ Леонард Млодинов КРАТЧАЙШАЯ ИСТОРИЯ ВРЕМЕНИ санкт-петербург АМФОРА 2011 Стивен Хокинг, Леонард Млодинов: Кратчайшая история времени УДК 524.8 ББК 22.68 X Х70 STEPHEN HAWKING & LEONARD MLODINOW A Briefer History of Time Перевел с английского Бакиджан Оралбеков Научный редактор А. Г. Сергеев Издательство выражает благодарность литературным агентствам Writers House LLC и Synopsis за содействие в приобретении прав Защиту интеллектуальной собственности и прав...»

« государственный университет УТВЕРЖДАЮ Декан физико-технического факультета Б.Б. Педько 2012 г. Учебно-методический комплекс по дисциплине ОБЩИЙ ФИЗИЧЕСКИЙ ПРАКТИКУМ. МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА для студентов 1 курса очной формы обучения направления 010700.62 Физика, специальностей 010801.65 Радиофизика и электроника, 010704.65 Физика конденсированного...»

«Федеральное агентство по образованию Российской Федерации НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЯДЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ МИФИ С. Н. Борисов Пособие по физике В помощь учащимся 8-го класса Москва 2009 УДК 53(075) ББК 22.3я7 Б82 Борисов С.Н. Пособие по физике. В помощь учащимся 8-го класса. – М.: НИЯУ МИФИ, 2009. – 84 с. В настоящем пособии представлено пять тем, которые изучаются в курсе физики 8-го класса. По каждой теме представлен необходимый теоретический материал, рассмотрены примеры решения задач....»

«Б.М. Синельников, А.Г. Храмцов, И.А. Евдокимов, С.А. Рябцева, А.В. Серов Лактоза и ее производные Научный редактор академик РАСХН А.Г. Храмцов Издано при содействии НКО Российский Союз предприятий молочной отрасли (Молочный Союз России) Санкт-Петербург 2007 УДК 637.044+637.345 ББК 36.95 Лак19 Рецензенты: К. К. Полянский - эксперт в области научно-технической сферы Министерства образования и науки РФ, д-р техн. наук, проф., зав. каф. Воронежского государственного аграрного университета;...»

« Вернадского Москва Наука 1993 УДК 614.7 Диоксины как экологическая опасность: ретроспектива и перспективы / Л.А.Федоров. М.: Наука. 1993. - 266 с. - ISBN 5-02-001674-8 В монографии кратко рассмотрены некоторые аспекты проблемы высокотоксичных сенобиотиков типа полигалогенированных дибензо-n-диоксинов, полигалогенированных дибензофуранов и...»

«2012 Что такое ядерная медицина Кузьмина Н.Б. Центр ядерной медицины НИЯУ МИФИ Содержание Введение Что такое ядерная медицина? Однофотонная эмиссионная компьютерная томография Позитронно-эмиссионная томография ПЭТ для животных Компьютерная томография Магнитно-резонансная томография Радионуклидная и лучевая терапия Технологии Производство радиофармпрепаратов Ускорители заряженных частиц для производства изотопов и лучевой терапии.18 Информационные технологии в ядерной медицине Перспективы...»

«1961 г. Декабрь Т. LXXV, вып. 4 УСПЕХИ ФИЗИЧЕСКИХ ПАУК УКАЗАТЕЛЬ СТАТЕЙ, ОПУБЛИКОВАННЫХ В УСПЕХАХ ФИЗИЧЕСКИХ НАУК, ТОМА I - L X X V (1918-1961 гг.)*) 630 I. А л ф а в и т н ы й указатель авторов II. П р е д м е т н ы й указатель 707 727 Акустика 707 Кристаллическое состояние вещества 728 Архитектурная акустика.... 707 Люминесценция Астрофизика 708 Магнитные свойства веществ... Атом 708 Магнитогидродинамика Атомного ядра деление 709 Магнитооптические явления... Атомного ядра масса 709...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Тверской государственный университет УТВЕРЖДАЮ Декан биологического факультета _ С.М. Дементьева 2012 г. Учебно – методический комплекс по дисциплине Активные методы экологического образования для студентов 5 курса очной формы обучения специальность 020801.65 ЭКОЛОГИЯ специализация Биоразнообразие и охрана природы Обсуждено на заседании кафедры 2012 г....»

«1 Министерство образования и науки РФ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых Факультет радиофизики, электроники и медицинской техники Отчёт за 2012 / 13 учебный год Владимир 2013 г. 1 2 ОТЧЕТ о работе ФРЭМТ в 2012/2013 учебном году I. Выполнение плана работы Совета ФРЭМТ за 2012/2013 уч. год. В связи с образованием Института...»

«1945 УСПЕХИ ФИЗИЧЕСКИХ НАУК Т. XXVII, вып. 1 УСКОРЕНИЕ ЭЛЕКТРОНОВ С ПОМОЩЬЮ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ (БЕТАТРОН КЕРСТА) А. П. Гринберг В 1940 г. американский физик Дональд Керст построил в Иллинойсском университете (г. Эрбана) индукционный ускоритель электронов. Технический арсенал физики обогатился новым замечательным прибором, новым методом. Керст впервые успешно осуществил на практике давно уже возникшую идею об использовании явления электромагнитной индукции для ускорения электронов, и это...»

«Большая библиотека редких книг на www:goldbiblioteca.ru Мистерии Бхагавата-пураны Песни 1-12 песни: I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII “Бхагавата Пурана - зрелый плод древа ведической литературы.” (1.1.3.) “ИНСТИТУТ ПРАКТИЧЕСКОЙ МЕТАФИЗИКИ” Санкт-Петербург 2001 Сурендра Мохан дас (Неаполитанский С. М.) Мистерии Бхагаваты Пураны (Песни 1-12). - СПб.: “Институт практической метафизики”, 2001. - 432 с. В книге дается подробное изложение одного из самых известных и авторитетных ведических...»

«УДК 91:327 Лысенко А. В. Математическое моделирование как метод исследования феномена автономизма в политической географии Таврический национальный университет имени В. И. Вернадского, г. Симферополь е-mail: [email protected] Аннотация. В статье рассматривается возможность использования математического моделирования как метода исследования политической географии, раскрывается понятие территориального автономизма, а также факторы его генезиса. Ключевые слова: математическое моделирование,...»

« Мамин-Сибиряк) Введение Крупнейший физик и мыслитель современности М. Планк сказал: Наука представляет собой внутреннее единое целое. Ее разделение на отдельные области обусловлено не столько природой вещей, сколько ограниченностью способности человеческого познания. В действительности существует непрерывная цепь от физики и химии через биологию...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ ДОНЕЦКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ НАУЧНАЯ БИБЛИОТЕКА ДонНУ Серия Видатні вчені Донецького національного університету Основана в 2005 году АНАТОЛИЙ ИВАНОВИЧ БАЖИН Биобиблиографический указатель к 70-летию со дня рождения Донецк Юго-Восток 2010 1 ББК В253.3я1 УДК 532(09) Бажин Составители: Клименко Л. Е., ведущий библиограф научной библиотеки ДонНУ Макарова Т. И., главный библиограф научной библиотеки ДонНУ Научный редактор: Бажин А. И., доктор...»

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Распространенным является еще один вид подразделения элементарных частиц. Системы частиц с нулевым и целым спином подчиняются статистике Бозе –Эйнштейна , поэтому такие частицы принято называтьбозонами . Совокупность же частиц с полуцелым спином описываетсястатистикой Ферми –Дирака , отсюда и название таких частиц –фермионы .

Каждая элементарная частица характеризуется определенным набором дискретных физических величин – квантовых чисел . Общими для всех частиц характеристиками являютсямасса m ,время жизни τ,спин J иэлектрический заряд Q . Спин элементарных частиц принимает значения, равные целым или полуцелым кратным постоянной Планка. Электрические заряды частиц являются целыми кратными величине заряда электрона, считающегосяэлементарным электрическим зарядом .

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

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

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

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

В чем состоит уже неоднократно упоминавшаяся кварковая модель адронов ?

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

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

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

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

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

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

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

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

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

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1. В чем состоит феномен научных революций? Как он соотносится с общефилософскими законами?

2. Что такое научный метод? Каков его алгоритм? Какую роль при его реализации играет выдвижение гипотез?

3. Изложите смысл принципа соответствия, выдвинутого Н. Бором. Как он определяет судьбу устаревающих теорий?

4. В чем состоит базовая концепция И. Ньютона, положенная им в основу классической физики?

5. Какие обстоятельства привели к смене корпускулярной теории света волновой теорией?

6. Какие взаимодействия между материальными объектами имеют статус фундаментальных?

7. Какое противоречие вызвало необходимость разработки специальной теории относительности?

8. В чем разница между инерциальными и неинерциальными системами отсчета? Как возникла общая теория относительности?

9. В чем состоит принципиальное различие в движении макрообъектов и квантовых частиц? Каким образом атомы вещества испускают кванты излучения?

10. В чем состоит концепция корпускулярно-волнового дуализма материи? Имеется ли у электрона длина волны?

ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ

1 . Посредством выдвижения и логической проверки гипотез разрешите следующие противоречия:

1.1. Атомное ядро состоит из электрически нейтральных нейтронов и положительно заряженных протонов. Одноименные заряды, как известно, отталкиваются (запишите классическую формулу электростатического закона Кулона, вспомните, какой из законов Ньютона записывается в аналогичной форме).

_____________________________________________________________________________________________________________________

1.2. Объясните, каким образом ядро сохраняет стабильность и высокую плотность. Используйте следующие справочные данные:

– плотность ядра имеет порядок 10 13 г/см 3 , что на 11 порядков больше плотности металлов;

– размер атома порядка 10 –8 см, размер ядра – 10 –13 см;

– в природе известно четыре вида фундаментальных взаимодействий: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое;

– интенсивность фундаментальных взаимодействий убывает от сильного к электромагнитному и далее к слабому и гравитационному в соотношении: 1: 10 –2: 10 –8: 10 –38 .

_____________________________________________________________________________________________________________________

Проверьте все возможные гипотезы и найдите единственную логически непротиворечивую. Начните с выдвижения гипотезы общего вида.

2 . Волновая теория света утвердилась после успешного объяснения широкого круга световых явлений, в том числе явлений дифракции и интерференции, которые в понятиях корпускулярной теории света не могут быть объяснены.

Объясните :

2.1. Каким образом при интерференции происходит гашение света светом, не нарушается ли при этом закон сохранения энергии.

_____________________________________________________________________________________________________________________

2.2. В чем состоит сходство и в чем – отличие явлений, определяемых явно созвучными терминами «рефракция» и «дифракция».

_____________________________________________________________________________________________________________________

Ответьте на следующие вопросы :

2.3. Какие явления не могут быть объяснены в понятиях волновой теории света?

_____________________________________________________________________________________________________________________

2.4. В чем состоит концепция корпускулярно-волнового дуализма и какой общефилософский закон она отражает?

_____________________________________________________________________________________________________________________

2.5. Какими экспериментами можно осуществить эмпирическую проверку гипотезы о наличии у частиц вещества (например, электронов) волновых свойств?

_____________________________________________________________________________________________________________________

2.6. Действие какого современного прибора основано на использовании волновых свойств электронов?

_____________________________________________________________________________________________________________________

3 . В соответствии с классификацией элементарных частиц по их участию в фундаментальных взаимодействиях фотон участвует не только в электромагнитном, но и в гравитационном взаимодействии. Известно также, что масса покоя фотона равна нулю.

Следовательно, если руководствоваться законом всемирного тяготения Ньютона, возникает явное противоречие.

3.1. Разрешите это противоречие, исходя из следующих данных:

– закон всемирного тяготения, точно прогнозируя результат измерения, не вскрывает природы гравитации;

– природу гравитации объясняет общая теория относительности, показывающая, что тяготеющая материя изменяет геометрию пространства-времени.

_____________________________________________________________________________________________________________________

3.2. Объясните, как определяется масса релятивистской частицы.

_____________________________________________________________________________________________________________________

3.3. Почему никакая релятивистская частица, кроме ультрарелятивистского фотона, не может достичь скорости света?

_____________________________________________________________________________________________________________________

ЛИТЕРАТУРА

Основная :

1. Азимов А. Выбор катастроф. – М.: Амфора, 2001.

2. Вернадский В. И. Философские мысли натуралиста. – М., 1988.

3. Дубнищева Т. Я. Концепции современного естествознания. – Новосибирск, 1988.

4. Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса. – М., 1986.

5. Салопов Е. Ф. Концепции современного естествознания. – М.: Владос, 1998.

Дополнительная :

6. Вайнберг С. Первые три минуты. Современный взгляд на происхождение Вселенной – М.: Наука, 1981.

7. Гайденко В. Б., Смирнов Г. А. Западноевропейская наука в Средние века. – М.: Наука, 1989.

8. Капица П. Л. Эксперимент, теория, практика. – М.: Наука, 1981.

9. Кириллин В. А. Страницы истории науки и техники. – М.: Наука. 1986.

10. Клименко И. С., Энгвер Н. Н. Концепции современного естествознания. – М., 2002.

11. Кун Т. Структура научных революций – М.: Прогресс, 1975.

12. Лакатос И. Методология научных исследовательских программ // Вопросы философии. – 1995. – № 4.

13. Лосев А. Ф., Тахо-Годи А. А. Платон. Аристотель. – М.: Молодая гвардия, 1993.

14. Эйнштейн А., Инфельд Л. Эволюция физики. – М.: Молодая гвардия, 1966.

15. Эмсли Дж. Элемент. – М.: Мир, 1993.

ТЕРМИНОЛОГИЧЕСКИЙ СЛОВАРЬ

Адроны (от греч. αδpos – большой, сильный) – класс элементарных частиц, участвующих всильном взаимодействии . К адронам относятся всебарионы имезоны , включаярезонансы .

Алгоритм (от лат. algorithmi – транслитерации имени среднеазиатского ученого аль-Хорезми, оказавшего большое влияние на развитие математики в Европе) – конечный набор правил, позволяющих чисто механически решать любую конкретную задачу из некоторого класса однотипных задач.

Анализ (от лат. analysis – разложение, расчленение) – метод научного исследования, состоящий в мысленном или фактическом разложении целого на составные части (элементы); часто используется как синоним научного исследования вообще; анализ неразрывно связан ссинтезом (соединение элементов в единое целое).

Аннигиляция (от позднелат. annihilatio – исчезновение, превращение в ничто) – один из видов взаимопревращений элементарных частиц, происходящий при столкновении частицы с античастицей; при аннигиляцииматерия не исчезает, а превращается из одной формы в другую, например при аннигиляцииэлектрона ипозитрона возникаюткванты электромагнитного излучения.

Античастицы (от греч. αυτι – против) – элементарные частицы, имеющие ту же массу, спин, время жизни и другие внутренние характеристики, что и их «двойники», но отличающиеся от них знаком некоторых характеристик взаимодействия (например, электрического заряда, магнитного момента).

Атом (от греч. αтομοs – неделимый) – мельчайшая частица химического элемента, сохраняющая его свойства; состоит из тяжелогоядра , обладающего положительным электрическим зарядом, и окружающих его легких частиц –электронов с отрицательными электрическими зарядами, образующих электронные оболочки атома.

Барионы (от греч. βαρυς – тяжелый) – группа «тяжелых» элементарных частиц с полуцелымспином и массой, не меньшей массыпротона ; участвуют во всех известных фундаментальных взаимодействиях. К барионам относятсянуклоны (протон инейтрон ),гипероны , а также многиерезонансы и «очарованные» частицы .

Близкодействие – представление, согласно которому взаимодействие между удаленными друг от друга телами осуществляется через промежуточную среду или промежуточные звенья, передающие взаимодействие от точки к точке с конечной скоростью.

Верификация (от лат. verus – истинный и facio – делаю) – проверка, эмпирическое подтверждение теоретических положений науки путем сопоставления их с наблюдаемыми объектами, данными экспериментов.

Волновая функция – в квантовой механике величина, полностью описывающая состояние микрообъекта и вообще любой квантовой системы. Квадрат волновой функции дает значение вероятностей тех величин, от которых зависит сама волновая функция. Волновую функцию называют также амплитудой вероятности.

Гипотеза (от греч. υποθεσις – основание) – научное предположение, выдвигаемое для объяснения какого-либо явления и требующее проверки на опыте и теоретического обоснования для того, чтобы стать достоверной научной теорией.

Дальнодействие – представление, согласно которому действие тел друг на друга передается мгновенно через пустоту на сколь угодно большие расстояния; открытие электромагнитного поля показало, что концепция дальнодействия неверна.

Детерминизм (от лат. determino – определять) – философское учение об объективной закономерной взаимосвязи и причинной обусловленности всех явлений.

Дискретность (от лат. discretus – разделенный) – прерывность; противопоставляется непрерывности, вместе с ней составляет категории, характеризующие строение материи и процесс ее развития.

Дифракция (от лат. diffractus – разломанный) – отклонение волн, возникающее при их распространении в неоднородных средах, огибание ими препятствий.

Инвариантность (от лат. invariantis – неизменяющийся) – неизменность какой-либо величины при изменении физических условий или по отношению к некоторым преобразованиям, обычно преобразованиям координат и времени.

Интеграция (от лат. integratio – восстановление) – процесс сближения и связи наук, происходящий наряду с процессами ихдифференциации ; вообще – понятие, означающее состояние связанности отдельных частей системы в целое, а также процесс, ведущий к такому состоянию.

Интерференция волн – явление, наблюдающееся при одновременном распространении в пространстве двух или нескольких волн, когда при их сложении в разных точках пространства происходит усиление или ослабление результирующей волны. Интерференция характерна для волн любой природы.

Квант – понятие, введенное М. Планком для обозначения элементарной дискретной порции энергии.

Кварки – гипотетические материальные частицы, из которых, по современным представлениям, состоят всеадроны . В наиболее распространенном варианте теории постулируется существование четырех кварков (и соответствующих антикварков), каждый из которых может находиться в трех состояниях, различающихся квантовым числом – «цветом».

Концепция (от лат. conceptio – система) – определенный способ понимания, трактовки каких-либо явлений, основная точка зрения, руководящая идея для их освещения; ведущий замысел, конструктивный принцип различных видов интеллектуальной деятельности.

Корпускулярно-волновой дуализм – положение о том, что любые микрообъекты материи (фотоны, электроны, протоны и др.) обладают свойствами и частиц (корпускул), и волн.

Лептоны (от греч. λεπτος – легкий) –элементарные частицы с полуцелымспином , не участвующие в сильном взаимодействии. К лептонам относятсяэлектрон ,мюон ,нейтрино и другие частицы.

Мезоны (от греч. μεσος – средний, промежуточный) – нестабильныеэлементарные частицы с нулевым или целымспином , принадлежащие к классуадронов и не имеющие барионного заряда; являются переносчиками ядерных сил.

Нейтрино (итал. neutrino – уменьшительное от «нейтрон») – стабильная, незаряженная элементарная частица с полуцелым спином и, предположительно, нулевой массой; относится клептонам , участвует только в слабом и гравитационном взаимодействии.

Нейтрон (англ. neutron, от лат. neuter – ни тот, ни другой) – электрически нейтральнаяэлементарная частица с полуцелымспином и массой, незначительно превышающей массупротона ; относится к классуадронов и входит в группубарионов . Из нейтронов и протонов построены всеатомные ядра .

Неопределенности принцип – фундаментальное положение квантовой теории, утверждающее, что любая физическая система не может находиться в состояниях, в которых координаты ее центра инерции и импульс одновременно принимают вполне определенные значения.

Нуклон (от лат. nucleus – ядро) – общее названиепротона инейтрона , являющихся составными частямиатомных ядер .

Парадигма (от греч. παραδειγμα – образец) – исходная концептуальная модель постановки проблем и их решения, методов исследования, господствующих в течение определенного исторического периода в научном соообществе.

Позитрон (от лат. positivus – положительный) – элементарная частица с положительным электрическим зарядом,античастица по отношению кэлектрону .

Постулат (от лат. postulatum – требование) – утверждение, принимаемое в рамках какой-либо научной теории за истинное, хотя и не доказуемое ее средствами, и поэтому играющее в ней роль аксиомы.

Протон (от греч. πρωτος – первый) – стабильнаяэлементарная частица с полуцелым спином и массой в 1836 электронных масс.

Соответствия принцип – сформулированный Н. Бором принцип взаимоотношений последовательно меняющих друг друга теорий, заключающийся в том, что всякая новая теория не отвергает полностью предшествующую, а включает ее в себя в качестве частного случая.

Спин (от англ. spin – вращение) – собственный момент импульса (количества движения) микрочастицы, имещий квантовую природу и не связанный с перемещением частицы как целого; измеряется в единицах постоянной Планка.

Фальсификации принцип (от лат. falsifico – подделывать) – принцип разграничения научного и ненаучного знания, состоящий в том, что критерием научности теории является ее фальсифицируемость, т. е. опровержимость.

Фотон (от греч. φωτος – свет) – квант электромагнитного поля, нейтральнаяэлементарная частица с нулевой массой и единичным спином.

Флуктуации (от лат. fluctuatio – колебание) – случайные отклонения от средних значений наблюдаемых величин, характеризующих систему из большого числа частиц; имеют место для любых случайных процессов.

Эволюция (от лат. evolutio – развертывание) – представление об изменениях в природе и обществе, их направленности, порядке и закономерностях.

Электрон – перваяэлементарная частица , открытая в физике, материальный носитель наименьшей массы и наименьшего электрического заряда в природе.

Элементарные частицы

Энтропия (от греч. εν + τροπη – превращение) – функция состояния термодинамической системы. Неравновесные процессы в изолированной системе сопровождаются ростом энтропии. Понятие энтропии широко используется в физике, химии, биологии, теории информации.

Ядро атомное – центральная массивная часть атома, состоящая изнуклонов (протонов и нейтронов), связанных ядерными силами.

Открытие элементарных частиц явилось закономерным результатом общих успехов в изучении строения вещества, достигнутых физикой в конце 19 в.

Оно было подготовлено всесторонними исследованиями оптических спектров атомов, изучением электрических явлений в жидкостях и газах, открытием фотоэлектричества, рентгеновских лучей, естественной радиоактивности, свидетельствовавших о существовании сложной структуры материи.

Исторически первой открытой элементарной частицей был электрон-носитель отрицательного элементарного электрического заряда в атомах. В 1897 году Дж. Дж. Томсон установил, что катодные лучи образованы потоком мельчайших частиц, которые были названы электронами.

В 1911 году Э. Резерфорд, пропуская альфа-частицы от естественного радиоактивного источника через тонкие фольги различных веществ, выяснил, что положительный заряд в атомах сосредоточен в компактных образованиях - ядрах, а в 1919 году обнаружил среди частиц, выбитых из атомных ядер, протоны - частицы с единичным положительным зарядом и массой, в 1840 раз превышающей массу электрона. Другая частица, входящая в состав ядра, - нейтрон - была открыта в 1932 году Дж. Чедвиком при исследованиях взаимодействия a-частиц с бериллием. Нейтрон имеет массу, близкую к массе протона, но не обладает электрическим зарядом. Открытием нейтрона завершилось выявление частиц - структурных элементов атомов и их ядер.

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

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

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

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

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

С начала 50-х гг. ускорители превратились в основной инструмент для исследования элементарных частиц. В 70-х гг. энергии частиц, разогнанных на ускорителях, составили десятки и сотни млрд. электронвольт (Гэв). Стремление к увеличению энергий частиц обусловлено тем, что высокие энергии открывают возможность изучения строения материи на тем меньших расстояниях, чем выше энергия сталкивающихся частиц. Ускорители существенно увеличили темп получения новых данных и в короткий срок расширили и обогатили наше знание свойств микромира. Применение ускорителей для изучения странных частиц позволило более детально изучить их свойства, в частности особенности их распада, и вскоре привело к важному открытию: выяснению возможности изменения характеристик некоторых микропроцессов при операции зеркального отражения - нарушению пространств, чётности (1956 год). Ввод в строй протонных ускорителей с энергиями в миллиарды электронвольт позволил открыть тяжёлые античастицы: антипротон (1955 год), антинейтрон (1956 год), антисигма-гипероны (1960 год). В 1964 году был открыт самый тяжёлый гиперон W- (с массой около двух масс протона). В 1960-х гг. на ускорителях было открыто большое число крайне неустойчивых (по сравнению с др. нестабильными элементарными частицами) частиц, получивших название “резонансов”. Массы большинства резонансов превышают массу протона. Первый из них D1 был известен с 1953 года. Оказалось, что резонансы составляют основная часть элементарных частиц.

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

В 1974 году были обнаружены массивные (в 3-4 протонные массы) и в то же время относительно устойчивые y-частицы, с временем жизни, необычно большим для резонансов. Они оказались тесно связанными с новым семейством элементарных частиц - “очарованных”, первые представители которого (D0, D+, Lс) были открыты в 1976. В 1975 году были получены первые сведения о существовании тяжёлого аналога электрона и мюона (тяжёлого лептона t). В 1977 году были открыты Ў-частицы с массой порядка десятка протонных масс.

ПЛАН

Введение

1. Открытие элементарных частиц

2. Теории элементарных частиц

2.1. Квантовая электродинамика (КЭД)

2.2. Теория кварков

2.3. Теория электрослабого взаимодействия

2.4. Квантовая хромодинамика

Заключение

Литература

Введение.

В середине и второй половине ХХ века в тех разделах физики, которые заняты изучением фундаментальной структуры материи, были получены поистине удивительные результаты. Прежде всего это проявилось в открытии целого множества новых субатомных частиц. Их обычно называют элементарными частицами, но далеко не все из них действительно элементарны. Многие из них в свою очередь состоят из еще более элементарных частичек.

Мир субатомных частиц поистине многообразен. К ним относятся протоны и нейтроны, составляющие атомные ядра, а также обращающиеся вокруг ядер электроны. Но есть и такие частицы, которые в окружающем нас веществе практически не встречаются. Время их жизни чрезвычайно мало, оно составляет мельчайшие доли секунды. По истечении этого чрезвычайно короткого времени они распадаются на обычные частицы. Таких нестабильных короткоживущих частиц поразительно много: их известно уже несколько сотен.

В 60-70-е годы физики были совершенно сбиты с толку многочисленностью, разнообразием и необычностью вновь открытых субатомных частиц. Казалось, им не будет конца. Совершенно непонятно, для чего столько частиц. Являются ли эти элементарные частицы хаотическими и случайными осколками материи? Или, возможно, они таят в себе ключ к познанию структуры Вселенной? Развитие физики в последующие десятилетия показало, что в существовании такой структуры нет никаких сомнений. В конце ХХ в. физика начинает понимать, каково значение каждой из элементарных частиц.

Миру субатомных частиц присущ глубокий и рациональный порядок. В основе этого порядка - фундаментальные физические взаимодействия.

1. Открытие элементарных частиц.

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

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

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

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

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

С начала 50-х гг. ускорители превратились в основной инструмент для исследования элементарных частиц. В 70-х гг. энергии частиц, разогнанных на ускорителях, составили десятки и сотни млрд. электронвольт (Гэв). Стремление к увеличению энергий частиц обусловлено тем, что высокие энергии открывают возможность изучения строения материи на тем меньших расстояниях, чем выше энергия сталкивающихся частиц. Ускорители существенно увеличили темп получения новых данных и в короткий срок расширили и обогатили наше знание свойств микромира. Применение ускорителей для изучения странных частиц позволило более детально изучить их свойства, в частности особенности их распада, и вскоре привело к важному открытию: выяснению возможности изменения характеристик некоторых микропроцессов при операции зеркального отражения - т. н. нарушению пространств, чётности (1956). Ввод в строй протонных ускорителей с энергиями в миллиарды электронвольт позволил открыть тяжёлые античастицы: антипротон (1955), антинейтрон (1956), антисигма-гипероны (1960). В 1964 был открыт самый тяжёлый гиперон W- (с массой около двух масс протона). В 1960-х гг. на ускорителях было открыто большое число крайне неустойчивых (по сравнению с др. нестабильными элементарными частицами) частиц, получивших название “резонансов”. Массы большинства резонансов превышают массу протона. Первый из них D1 (1232) был известен с 1953. Оказалось, что резонансы составляют основная часть элементарных частиц.

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

В 1974 были обнаружены массивные (в 3-4 протонные массы) и в то же время относительно устойчивые y-частицы, с временем жизни, необычно большим для резонансов. Они оказались тесно связанными с новым семейством элементарных частиц - “очарованных”, первые представители которого (D0, D+, Lс) были открыты в 1976. В 1975 были получены первые сведения о существовании тяжёлого аналога электрона и мюона (тяжёлого лептона t). В 1977 были открыты Ў-частицы с массой порядка десятка протонных масс.

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

Изучение внутреннего строения материи и свойств элементарных частиц с первых своих шагов сопровождалось радикальным пересмотром многих устоявшихся понятий и представлений. Закономерности, управляющие поведением материи в малом, оказались настолько отличными от закономерностей классической механики и электродинамики, что потребовали для своего описания совершенно новых теоретических построений.

2. Теории элементарных частиц

2.1. Квантовая электродинамика (КЭД)

Квантовая механика позволяет описывать движение элементарных частиц, но не их порождение или уничтожение, т. е. применяется лишь для описания систем с неизменным числом частиц. Обобщением квантовой механики является квантовая теория поля - это квантовая теория систем с бесконечным числом степеней свободы (физических полей). Потребность в такой теории порождается квантово-волновым дуализмом, существованием волновых свойств у всех частиц. В квантовой теории поля взаимодействие представляют как результат обмена квантами поля.

В середине ХХ в. была создана теория электромагнитного взаимодействия - квантовая электродинамика КЭД - это продуманная до мельчайших деталей и оснащенная совершенным математическим аппаратом теория взаимодействия фотонов и электронов. В основе КЭД - описание электромагнитного взаимодействия с использованием понятия виртуальных фотонов - его переносчиков. Эта теория удовлетворяет основным принципам как квантовой теории, так и теории относительности.

В центре теории анализ актов испускания или поглощения одного фотона одной заряженной частицей, а также аннигиляции электронно-позитронной пары в фотон или порождение фотонами такой пары.

Если в классическом описании электроны представляются в виде твердого точечного шарика, то в КЭД окружающее электрона электромагнитное поле рассматривается как облако виртуальных фотонов, которое неотступно следует за электроном, окружая его квантами энергии. После того, как электрон испускает фотон, тот порождает (виртуальную) электрон-позитронную пору, которая может аннигилировать с образованием нового фотона. Последний может поглотиться исходным фотоном, но может породить новую пару и т.д. Таким образом электрон покрывается облаком виртуальных фотонов, электронов и позитронов, находящихся в состоянии динамического равновесия. Фотоны возникают и исчезают очень быстро, а электроны движутся в пространстве не по вполне определенным траекториям. Еще можно тем или иным способом определить начальную и конечную точки пути - до и после рассеяния, но сам путь в промежутке между началом и концом движения остается неопределенным.

Описание взаимодействия с помощью частицы-переносчика привело к расширению понятия фотона. Вводятся понятия реального (кванта видимого нами света) и виртуального (скоротечного, призрачного) фотона, который "видят" только заряженные частицы, претерпевающие рассеяние.

Чтобы проверить, согласуется ли теория с реальностью, физики сосредоточили внимание на двух эффектах, представлявших особый интерес. Первый касался энергетических уровней атома водорода - простейшего атома. Согласно КЭД, уровни должны быть слегка смещены относительно положения, которое они занимали бы в отсутствие виртуальных фотонов. Вторая решающая проверка КЭД касалась чрезвычайно малой поправки к собственному магнитному моменту электрона. Теоретические и экспериментальные результаты проверки КЭД совпадают с высочайшей точностью - более девяти знаков после запятой. Столь поразительное соответствие дает право считать КЭД наиболее совершенной из существующих естественно-научных теорий.

После подобного триумфа КЭД была принята как модель для квантового описания трех других фундаментальных взаимодействий. Разумеется, полям, связанным с другими взаимодействиями, должны соответствовать иные частицы-переносчики.

2.2. Теория кварков

Теория кварков - это теория строения адронов. Основная идея этой теории очень проста. Все адроны построены из более мелких частиц, называемых кварками. Значит, кварки - это более элементарные частицы, чем адроны. Кварки несут дробный электрический заряд: они обладают зарядом, величина которого составляет либо -1 / 3 или +2 / 3 фундаментальной единицы - заряда электрона. Комбинация из двух и трех кварков может иметь суммарный заряд, равный нулю или единице. Все кварки имеют спин Ѕ ,поэтому они относятся к фермионам. Основоположники теории кварков Гелл-Манн и Цвейг, чтобы учесть все известные в 60-е гг. адроны ввели три сорта (аромата) кварков: u (от up- верхний), d (от down- нижний) и s (от strange - странный).

Кварки могут соединяться друг с другом одним из двух возможных способов: либо тройками, либо парами кварк - антикварк. Из трех кварков состоят сравнительно тяжелые частицы - барионы, что означает "тяжелые частицы". Наиболее известны из барионов нейтрон и протон. Более легкие пары кварк - антикварк образуют частицы, получившие название мезоны - "промежуточные частицы". Например, протон состоит из двух u- и одного d-кварков (uud), а нейтрон - из двух d-кварков и одного u-кварка (udd).Чтобы это "трио" кварков не распадалось, необходима удерживающая их сила, некий "клей".

Оказалось, что результирующее взаимодействие между нейтронами и протонами в ядре представляет собой просто остаточный эффект более мощного взаимодействия между самими кварками. Это объяснило, почему сильное взаимодействие кажется столь сложным. Когда протон "прилипает" к нейтрону или другому протону, во взаимодействии участвуют шесть кварков, каждый из которых взаимодействует со всеми остальными. Значительная часть сил тратится на прочное склеивание трио кварков, а небольшая - на скрепление двух трио кварков друг с другом. (Но выяснилось, что кварки участвуют и в слабом взаимодействии. Слабое взаимодействие может изменять аромат кварка. Именно так происходит распад нейтрона. Один из d-кварков в нейтроне превращается в u-кварк, а избыток заряда уносит рождающийся одновременно электрон. Аналогичным образом, изменяя аромат, слабое взаимодействие приводит к распаду и других адронов.)

То обстоятельство, что из различных комбинаций трех основных частиц можно получить все известные адроны, стало триумфом теории кварков. Но в 70-е гг. были открыты новые адроны (пси-частицы, ипсилон-мезон и др.). Этим был нанесен удар первому варианту теории кварков, поскольку в ней уже не было места ни для одной новой частицы. Все возможные комбинации из кварков и их антикварков были уже исчерпаны.

Проблему удалось решить за счет введения трех новых ароматов. Они получили название - charm (очарование), или с; b -кварк (от bottom - дно, а чаще beauty - красота, или прелесть); впоследствии был введен еще один аромат - t (от top - верхний).

Кварки скрепляются между собой сильным взаимодействием. Переносчики сильного взаимодействия - глюоны (цветовые заряды). Область физики элементарных частиц, изучающая взаимодействие кварков и глюонов, носит название квантовой хромодинамики. Как квантовая электродинамика - теория электромагнитного взаимодействия, так квантовая хромодинамика - теория сильного взаимодействия.

Хотя и существует некоторая неудовлетворенность кварковой схемой, большинство физиков считает кварки подлинно элементарными частицами - точечными, неделимыми и не обладающими внутренней структурой. В этом отношении они напоминают лептоны, и уже давно предполагается, что между этими двумя различными, но сходными по своей структуре семействами должна существовать глубокая взаимосвязь.

Таким образом, наиболее вероятное число истинно элементарных частиц (не считая переносчиков фундаментальных взаимодействий) на конец ХХ века равно 48. Из них: лептонов (6х2) = 12 плюс кварков (6х3)х2 =36.

2.3. Теория электрослабого взаимодействия

В 70-е ХХ века в естествознании произошло выдающееся событие: два взаимодействия из четырех физики объединили в одно. Картина фундаментальных оснований природы несколько упростилась. Электромагнитное и слабое взаимодействия, казалось бы весьма разные по своей природе, в действительности оказались двумя разновидностями единого т.н. электрослабого взаимодействия. Теория электрослабого взаимодействия решающим образом повлияла на дальнейшее развитие физики элементарных частиц в конце ХХ в.

Главная идея в построении этой теории состояла в описании слабого взаимодействия на языке концепции калибровочного поля, в соответствии с которой ключом к пониманию природы взаимодействий служит симметрия. Одна из фундаментальных идей в физике второй половины ХХ в. - это убеждение, что все взаимодействия существуют лишь для того, чтобы поддерживать в природе некий набор абстрактных симметрий. Какое отношение имеет симметрия к фундаментальным взаимодействиям? На первый взгляд, само предположение о существовании подобной связи кажется парадоксальным и непонятным.

Прежде всего о том, что понимается под симметрией. Принято считать, что предмет обладает симметрией, если предмет остается неизменным в результате проведения той или иной операции по его преобразованию. Так, сфера симметрична, потому что выглядит одинаково при повороте на любой угол относительно ее центра. Законы электричества симметричны относительно замены положительных зарядов отрицательными и наоборот. Таким образом, под симметрией мы понимаем инвариантность относительно некой операции.

Существуют разные типы симметрий: геометрические, зеркальные, негеометрические. Среди негеометрических есть так называемые калибровочные симметрии . Калибровочные симметрии носят абстрактный характер и непосредственно не фиксируются. Они связаны с изменением отсчета уровня, масштаба или значения некоторой физической величины. Система обладает калибровочной симметрией, если ее природа остается неизменной при такого рода преобразовании. Так, например, в физике работа зависит от разности высот, а не от абсолютной высоты; напряжение - от разности потенциалов, а не от их абсолютных величин и др. Симметрии, на которых основан пересмотр понимания четырех фундаментальных взаимодействий, именно такого рода. Калибровочные преобразования могут быть глобальными и локальными. Калибровочные преобразования, изменяющиеся от точки к точке, известны под названием "локальных" калибровочных преобразований. В природе существует целый ряд локальных калибровочных симметрий и необходимо соответствующее число полей для компенсации этих калибровочных преобразований. Силовые поля можно рассматривать как средство, с помощью которого в природе создаются присущие ей локальные калибровочные симметрии. Значение концепции калибровочной симметрии заключается в том, что благодаря ей теоретически моделируются все четыре фундаментальных взаимодействия, встречающиеся в природе. Все их можно рассматривать как калибровочные поля.

Представляя слабое взаимодействие в виде калибровочного поля, физики исходят из того, что все частицы, участвующие в слабом взаимодействии, служат источниками поля нового типа - поля слабых сил. Слабо взаимодействующие частицы, такие, как электроны и нейтрино, являются носителями "слабого заряда", который аналогичен электрическому заряду и связывает эти частицы со слабым полем.

Для представления поля слабого взаимодействия как калибровочного прежде всего необходимо установить точную форму соответствующей калибровочной симметрии. Дело в том, что симметрия слабого взаимодействия гораздо сложнее электромагнитного. Ведь и сам механизм этого взаимодействия оказывается более сложным. Во-первых, при распаде нейтрона, например, в слабом взаимодействии участвуют частицы по крайней мере четырех различных типов (нейтрон, протон, электрон и нейтрино). Во-вторых, действие слабых сил приводит к изменению их природы (превращению одних частиц в другие за счет слабого взаимодействия). Напротив, электромагнитное взаимодействие не изменяет природы участвующих в нем частиц.

Это определяет то обстоятельство, что слабому взаимодействию соответствует более сложная калибровочная симметрия, связанная с изменением природы частиц. Выяснилось, что для поддержания симметрии здесь необходимы три новых силовых поля, в отличие от единственного электромагнитного поля. Было получено и квантовое описание этих трех полей: должны существовать три новых типа частиц - переносчиков взаимодействия, по одному для каждого поля. Все весте они называются тяжелыми векторными бозонами со спином 1 и являются переносчиками слабого взаимодействия.

Частицы W + и W - являются переносчиками двух из трех связанных со слабым взаимодействием полей. Третье поле соответствует электрически нейтральной частице-переносчику, получившей название Z -частицы. Существование Z -частицы означает, что слабое взаимодействие может не сопровождаться переносом электрического заряда.

В создании теории электрослабого взаимодействия ключевую роль сыграло понятие спонтанного нарушения симметрии: не всякое решение задачи обязано обладать всеми свойствами его исходного уровня. Так, частицы, совершенно разные при низких энергиях, при высоких энергиях могут оказаться на самом деле одной и той же частицей, но находящейся в разных состояниях. Опираясь на идею спонтанного нарушения симметрии, авторы теории электрослабого взаимодействия Вайнберг и Салам сумели решить великую теоретическую проблему - они совместили казалось бы несовместимые вещи (значительная масса переносчиков слабого взаимодействия, с одной стороны, и идею калибровочной инвариантности, которая предполагает дальнодействующий характер калибровочного поля, а значит нулевую массу покоя частиц-переносчиков, с другой) и таким образом соединили электромагнетизм и слабое взаимодействие в единой теории калибровочного поля.

В этой теории представлено всего четыре поля: электромагнитное поле и три поля, соответствующие слабым взаимодействиям. Кроме того, введено постоянное на всем пространстве скалярное поле (т. н. поля Хиггса), с которым частицы взаимодействуют по разному, что и определяет различие их масс. (Кванты скалярного поля представляют собой новые элементарные частицы с нулевым спином. Их называют хиггсовскими (по имени физика П.Хиггса, предположившего их существование). Число таких хиггсовских бозонов может достигать нескольких десятков. На опыте такие бозоны пока не обнаружены. Более того, ряд физиков считает их существование необязательным, но совершенной теоретической модели без хиггсовскмих бозонов пока не найдено) Первоначально W и Z -кванты не имеют массы, но нарушение симметрии приводит к тому, что некоторые частицы Хиггса сливаются с W и Z -частицами, наделяя их массой.

Различия свойств электромагнитного и слабого взаимодействий теория объясняет нарушением симметрии. Если бы симметрия не нарушалась, то оба взаимодействия были бы сравнимы по величине. Нарушение симметрии влечет за собой резкое уменьшение слабого взаимодействия. Можно сказать, что слабое взаимодействие имеет столь малую величину потому, что W и Z -частицы очень массивны. Лептоны редко сближаются на столь малые расстояния (r < 1 0 n см., где n = - 1 6). Но при больших энергиях (> 1 0 0 Гэв), когда частицы W и Z могут свободно рождаться, обмен W и Z бозонами осуществляется столь же легко, как и обмен фотонами (безмассовыми частицами). Разница между фотонами и бозонами стирается.В этих условиях должно существовать полная симметрия между электромагнитным и слабым взаимодействием - электрослабое взаимодействие.

Проверка новой теории заключалась в подтверждении существования гипотетических W и Z -частиц. Их открытие стало возможным только с созданием очень больших ускорителей новейшего типа. Открытие в 1983 г. W и Z -частиц означало торжество теории электрослабого взаимодействия. Не было больше нужды говорить о четырех фундаментальных взаимодействиях. Их осталось три.

2.4. Квантовая хромодинамика

Следующий шаг на пути Великого объединения фундаментальных взаимодействий - слияние сильного взаимодействия с электрослабым. Для этого необходимо придать черты калибровочного поля сильному взаимодействию и ввести обобщенное представление об изотопической симметрии. Сильное взаимодействие можно представлять как результат обмена глюонами, который обеспечивает связь кварков (попарно или тройками) в адроны.

Замысел здесь состоит в следующем. Каждый кварк обладает аналогом электрического заряда, служащим источником глюонного поля. Его назвали цветом (Разумеется, это название не имеет никакого отношения к обычному цвету). Если электромагнитное поле порождается зарядом только одного сорта, то для создания более сложного глюонного поля потребовалось три различных цветовых заряда. Каждый кварк "окрашен" в один из трех возможных цветов, которые совершенно произвольно были названы красным, зеленым и синим. И соответственно антикварки бывают антикрасные, антизеленые и антисиние.

На следующем этапе теория сильного взаимодействия развивается по той же схеме, что и теория слабого взаимодействия. Требование локальной калибровочной симметрии (т.е. инвариантности относительно изменений цвета в каждой точке пространства) приводит к необходимости введения компенсирующих силовых полей. Всего требуется восемь новых компенсирующих силовых полей. Частицами - переносчиками этих полей являются глюоны, и, таким образом, из теории следует, что должно быть целых восемь различных типов глюонов. (В то время как переносчик электромагнитного взаимодействия - всего лишь один (фотона), а переносчиков слабого взаимодействия - три.) Глюоны имеют нулевую массу покоя и спин 1. Глюоны также имеют различные цвета, но не чистые, а смешанные (например, сине-антизеленый). Поэтому, испускание или поглощение глюона сопровождается изменением цвета кварка ("игра цветов"). Так, например, красный кварк, теряя красно-антисиний глюон, превращается в синий кварк, а зеленый кварк, поглощая сине-антизеленый глюон, превращается в синий кварк. В протоне, например, три кварка постоянно обмениваются глюонами, изменяя свой цвет. Однако такие изменения носят не произвольный характер, а подчиняются жесткому правилу: в любой момент времени "суммарный" цвет трех кварков должен представлять собой белый свет, т.е. сумму "красный + зеленый + синий". Это распространяется и на мезоны, состоящие из пары кварк - антикварк. Поскольку антикварк характеризуется антицветом, такая комбинация заведомо бесцветна ("белая"), например красный кварк в комбинации с антикрасным кварком образует бесцветный мезон.

С точки зрения квантовой хромодинамики (квантовой теории цвета) сильное взаимодействие есть не что иное, как стремление поддерживать определенную абстрактную симметрию природы: сохранение белого цвета всех адронов при изменении цвета их составных частей. Квантовая хромодинамика великолепно объясняет правила, которым подчиняются все комбинации кварков, взаимодействие глюонов между собой (глюон может распадаться на два глюона или два глюона слить в один - поэтому и появляются нелинейные члены в уравнении глюонного поля), сложную структуру адрона, состоящего из "одетых" в облака кварков и др.

Возможно, пока преждевременно оценивать квантовую хромодинамику как окончательную и завершенную теорию сильного взаимодействия, тем не менее ее достижения многообещающи.

Заключение.

Происхождение многих свойств элементарных частиц и природа присущих им взаимодействий в значительной мере остаются неясными. Возможно, понадобится ещё не одна перестройка всех представлений и гораздо более глубокое понимание взаимосвязи свойств микрочастиц и геометрических свойств пространства-времени, прежде чем теория элементарных частиц будет построена.

ЛИТЕРАТУРА

Алексеев В.П. Становление человечества. М.,1984. Бор Н. Атомная физика и человеческое познание. М.,1961 Борн М. Эйнштейновская теория относительности.М.,1964.

Дорфман Я.Г. Всемирная история физики с начала 19 века до середины 20 века. М.,1979.

Кемпфер Ф. Путь в современную физику. М.,1972.

Найдыш В.М. Концепции современного естествознания. Учебное пособие. М.,1999.

Баженов Л.Б. Строение и функции естественнонаучной теории. М.,1978.

Розенталь И.Л. Элементарные частицы и структура Вселенной. М, 1984.

Представление о том, что мир состоит из фундаментальных частиц, имеет долгую историю. Впервые мысль о существовании мельчайших невидимых частиц, из которых состоят все окружающие предметы, была высказана за 400 лет до нашей эры греческим философом Демокритом. Он назвал эти частицы атомами, т. е. неделимыми частицами. Наука начала использовать представление об атомах только в начале XIX века, когда на этой основе удалось объяснить целый ряд химических явлений. В 30-е годы XIX века в теории электролиза, развитой М. Фарадеем, появилось понятие иона и было выполнено измерение элементарного заряда. Но примерно с середины XIX века стали появляться экспериментальные факты, которые ставили под сомнение представления о неделимости атомов. Результаты этих экспериментов наводили на мысль о том, что атомы имеют сложную структуру и что в их состав входят электрически заряженные частицы. Это подтвердил французский физик Анри Беккерель, который в 1896 году открыл явление радиоактивности.

Затем последовало открытие первой элементарной частицы английским физиком Томсоном в 1897 году. Это был электрон, который окончательно обрел статус реального физического объекта и стал первой известной элементарной частицей в истории человечества. Его масса примерно в 2000 раз меньше массы атома водорода и равна:

m = 9.11*10^(-31) кг.

Отрицательный электрический заряд электрона называется элементарным и равен:

e = 0.60*10^(-19) Кл.

Анализ атомных спектров показывает, что спин электрона равен 1/2, а его магнитный момент равен одному магнетону Бора. Электроны подчиняются статистике Ферми, так как они обладают полуцелым спином. Это согласуется с экспериментальными данными о структуре атомов и о поведении электронов в металлах. Электроны участвуют в электромагнитных, слабых и гравитационных взаимодействиях.

Второй открытой элементарной частицей был протон (от греч. protos - первый). Эту элементарную частицу открыл в 1919 году Резерфорд, исследуя продукты расщепления ядер атомов различных химических элементов. В буквальном смысле протон – ядро атома самого легкого изотопа водорода - протия. Спин протона равен 1/2. Протон обладает положительным элементарным зарядом +e. Его масса равна:

m = 1.67*10^(-27) кг.

или примерно 1836 масс электрона. Протоны входят в состав ядер всех атомов химических элементов. После этого в 1911 году Резерфордом была предложена планетарная модель атома, которая помогла ученым в дальнейших исследованиях состава атомов.

В 1932 году Дж. Чедвик открыл третью элементарную частицу нейтрон (от лат. neuter - ни тот, ни другой), который не имеет электрического заряда и обладает массой примерно 1839 масс электрона. Спин нейтрона также равен 1/2.

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

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

Но в веществе состоят не только частицы. Также существуют античастицы - элементарные частицы, имеющие те же массу, спин, время жизни и некоторые другие внутренние характеристики, что и их «двойники»-частицы, но отличающиеся от частиц знаками электрического заряда и магнитного момента, барионного заряда, лептонного заряда, странности и др. Все элементарные частицы, кроме абсолютно нейтральных, имеют свои античастицы.

Первой открытой античастицей стал позитрон (от лат. positivus - положительный) - частица с массой электрона, но положительным электрическим зарядом. Эта античастица была обнаружена в составе космических лучей американским физиком Карлом Дейвидом Андерсоном в 1932 году. Интересно то, что существование позитрона было теоретически предсказано английским физиком Полем Дираком почти за год до экспериментального открытия. Более того, Дирак предсказал так называемые процессы аннигиляции (исчезновения) и рождения электронно-позитронной пары. Сама по себе аннигиляция пары - один из видов превращений элементарных частиц, происходящий при столкновении частицы с античастицей. При аннигиляции частица и античастица исчезают, превращаясь в другие частицы, число и сорт которых лимитируются законами сохранения. Процесс, обратный аннигиляции, - рождение пары. Сам по себе позитрон стабилен, но в веществе из-за аннигиляции с электронами существует очень короткое время. Аннигиляция электрона и позитрона заключается в том, что они при встрече исчезают, превращаясь в γ- кванты (фотоны). А при столкновении γ- кванта с каким-либо массивным ядром происходит рождение электронно-позитронной пары.

В 1955 году была обнаружена еще одна античастица - антипротон, а несколько позже - антинейтрон. Антинейтрон, так же как и нейтрон, не имеет электрического заряда, но он, бесспорно, относится к античастицам, поскольку участвует в процессе аннигиляции и рождения пары нейтрон - антинейтрон.

Возможность получения античастиц привела ученых к идее о создании антивещества. Атомы антивещества должны быть построены таким образом: в центре атома - отрицательно заряженное ядро, состоящее из антипротонов и антинейтронов, а вокруг ядра обращаются позитроны, имеющие положительный заряд. В целом атом также получается нейтрален. Эта идея получила блестящее экспериментальное подтверждение. В 1969 году на ускорителе протонов в городе Серпухове советские физики получили ядра атомов антигелия. Также в 2002 году на ускорителе ЦЕРНа в Женеве было получено 50000 атомов антиводорода. Но, несмотря на это, скопления антивещества во Вселенной пока не обнаружены. Также становится ясно, что при малейшем взаимодействии антивещества с любым веществом произойдет их аннигиляция, которая будет сопровождаться огромным выбросом энергии, в несколько раз превосходящей энергию атомных ядер, что крайне небезопасно для людей и окружающей среды.

В настоящее время экспериментально обнаружены античастицы почти всех известных элементарных частиц.

Большую роль в физике элементарных частиц играют законы сохранения, устанавливающие равенство между определенными комбинациями величин, характеризующих начальное и конечное состояние системы. Арсенал законов сохранения в квантовой физике больше, чем в классической. Он пополнился законами сохранения различных четностей (пространственной, зарядовой), зарядов (лептонного, барионного и др.), внутренних симметрий, свойственных тому или иному типу взаимодействия.

Выделение характеристик отдельных субатомных частиц - важный, но только начальный этап познания их мира. На следующем этапе нужно еще понять, какова роль каждой отдельной частицы, каковы ее функции в и структуре материи.

Физики выяснили, что прежде всего свойства частицы определяются ее способностью (или неспособностью) участвовать в сильном взаимодействии. Частицы, участвующие в сильном взаимодействии, образуют особый класс и называются адронами. Частицы, участвующие в слабом взаимодействии и не участвующие в сильном, называются лептонами. Кроме того, существуют частицы-переносчики взаимодействий.

Лептоны.

Лептоны считаются истинно элементарными частицами. Хотя лептоны могут иметь электрический заряд, а могут и не иметь, спин у всех у них равен 1/2. Среди лептонов наиболее известен электрон. Электрон - это первая из открытых элементарных частиц. Как и все остальные лептоны, электрон, по-видимому, является элементарным (в собственном смысле этого слова) объектом. Насколько известно, электрон не состоит из каких-то других частиц.

Другой хорошо известный лептон - нейтрино. Нейтрино являются наиболее распространенными частицами по Вселенной. Вселенную можно представить безбрежным нейтринным морем, в котором изредка встречаются острова в виде атомов. Но несмотря на такую распространенность нейтрино, изучать их очень сложно. Как мы уже отмечали, нейтрино почти неуловимы. Не участвуя ни в сильном, ни в электромагнитном взаимодействиях, они проникают через вещество, как будто его вообще нет. Нейтрино - это некие "призраки физического мира".

Достаточно широко распространены в природе мюоны, на долю которых приходится значительная часть космического излучения. Во многих отношениях мюон напоминает электрон: имеет тот же заряд и спин, участвует в тех те взаимодействиях, но имеет большую массу (около 207 масс электрона) и нестабилен. Примерно за две миллионные доли секунды мюон распадается на электрон и два нейтрино. В конце 70-х годов был обнаружен третий заряженный лептон, получивший название "тау-лептон". Это очень тяжелая частица. Ее масса около 3500 масс электрона. Но во всем остальном он ведет себя подобно электрону и мюону.

В 60-х годах список лептонов значительно расширился. Было установлено, что существует несколько типов нейтрино: электронное нейтрино, мюонное нейтрино и тау-нейтрино. Таким образом, общее число разновидностей нейтрино равно трем, а общее число лептонов - шести. Разумеется, у каждого лептона есть своя античастица; таким образом, общее число различных лептонов равно двенадцати. Нейтральные лептоны участвуют только в слабом взаимодействии; заряженные - в слабом и электромагнитном. Все лептоны участвуют в гравитационном взаимодействии, но не способны к сильным.

Адроны.

Если лептонов существует чуть свыше десятка, то адронов сотни. Такое множество адронов наводит на мысль, что адроны не элементарные частицы, а построены из более мелких частиц. Все адроны встречаются в двух разновидностях - электрически заряженные и нейтральные. Среди адронов наиболее известны и широко распространены нейтрон и протон, которые в свою очередь относятся к классу нуклонов. Остальные адроны короткоживущие и быстро распадаются. Адроны участвуют во всех фундаментальных взаимодействиях. Они делятся на барионы и мезоны. К барионам относятся нуклоны и гипероны.

Для объяснения существования ядерных сил взаимодействия между нуклонами квантовая теория требовала существования особых элементарных частиц с массой больше массы электрона, но меньше массы протона. Эти предсказанные квантовой теорией частицы позже были названы мезонами. Мезоны были обнаружены экспериментально. Их оказалось целое семейство. Все они оказались короткоживущими нестабильными частицами, живущими в сободном состоянии миллиардные доли секунды. Например, заряженный пи-мезон или пион, имеет массу покоя 273 электронных массы и время жизни:

t = 2.6*10^(-8) с.

Далее при исследованиях на ускорителях заряженных частиц были обнаружены частицы с массами, превосходящими массу протона. Эти частицы были названы гиперонами. Их обнаружилось даже больше, чем мезонов. К семейству гиперонов относятся: лямбда-, сигма-, кси- и омега-минус-гипероны.

Существование и свойства большинства известных адронов были установлены в опытах на ускорителях. Открытие множества разнообразных адронов в 50-60-x годах крайне озадачило физиков. Но со временем адроны удалось классифицировать по массе, заряду и спину. Постепенно стала выстраиваться более или менее четкая картина. Появились конкретные идеи о том, как систематизировать хаос эмпирических данных, раскрыть тайну адронов в научной теории. Решающий шаг здесь был сделан в 1963 году, когда была предложена теория кварков.

Теория кварков.

Теория кварков - это теория строения адронов. Основная идея этой теории очень проста. Все адроны построены из более мелких частиц, называемых кварками. Значит, кварки - это более элементарные частицы, чем адроны. Кварки являются гипотетическими частицами, т.к. не наблюдались в свободном состоянии. Барионный заряд кварков равен 1/3. Они несут дробный электрический заряд: они обладают зарядом, величина которого составляет либо -1/3 или +2/3 фундаментальной единицы - заряда электрона. Комбинация из двух и трех кварков может иметь суммарный заряд, равный нулю или единице. Все кварки имеют спин Ѕ, поэтому они относятся к фермионам. Основоположники теории кварков Гелл-Манн и Цвейг, чтобы учесть все известные в 60-е годы адроны ввели три сорта (цвета) кварков: u (от up - верхний), d (от down - нижний) и s (от strange - странный).

Кварки могут соединяться друг с другом одним из двух возможных способов: либо тройками, либо парами кварк - антикварк. Из трех кварков состоят сравнительно тяжелые частицы - барионы. Наиболее известны из барионов нейтрон и протон. Более легкие пары кварк - антикварк образуют частицы, получившие название мезоны - "промежуточные частицы". Например, протон состоит из двух u-кварков и одного d-кварков (uud), а нейтрон - из двух d-кварков и одного u-кварка (udd). Чтобы это "трио" кварков не распадалось, необходима удерживающая их сила, некий "клей".

Оказалось, что результирующее взаимодействие между нейтронами и протонами в ядре представляет собой просто остаточный эффект более мощного взаимодействия между самими кварками. Это объяснило, почему сильное взаимодействие кажется столь сложным. Когда протон "прилипает" к нейтрону или другому протону, во взаимодействии участвуют шесть кварков, каждый из которых взаимодействует со всеми остальными. Значительная часть сил тратится на прочное склеивание трио кварков, а небольшая - на скрепление двух трио кварков друг с другом. Но позднее выяснилось, что кварки участвуют и в слабом взаимодействии. Слабое взаимодействие может изменять цвет кварка. Именно так происходит распад нейтрона. Один из d-кварков в нейтроне превращается в u-кварк, а избыток заряда уносит рождающийся одновременно электрон. Аналогичным образом, изменяя аромат, слабое взаимодействие приводит к распаду и других адронов.

То обстоятельство, что из различных комбинаций трех основных частиц можно получить все известные адроны, стало триумфом теории кварков. Но в 70-е годы были открыты новые адроны (пси-частицы, ипсилон-мезон и др.). Этим был нанесен удар первому варианту теории кварков, поскольку в ней уже не было места ни для одной новой частицы. Все возможные комбинации из кварков и их антикварков были уже исчерпаны.

Проблему удалось решить за счет введения трех новых цветов. Они получили название - с - кварк (charm - очарование), b - кварк (от bottom - дно, а чаще beauty - красота, или прелесть), и впоследствии был введен еще один цвет - t (от top - верхний).

До настоящего времени кварки и антикварки в свободном виде не наблюдались. Однако сомнений в реальности их существования практически не осталось. Более того, ведутся поиски следующих за кварками «настоящих» элементарных частиц - глюонов, которые являются носителями взаимодействий между кварками, т.к. кварки скрепляются между собой сильным взаимодействием, а глюоны (цветовые заряды) являются переносчиками сильного взаимодействия. Область физики элементарных частиц, изучающая взаимодействие кварков и глюонов, носит название квантовой хромодинамики. Как квантовая электродинамика - теория электромагнитного взаимодействия, так квантовая хромодинамика - теория сильного взаимодействия. Квантовая хромодинамика - квантовополевая теория сильного взаимодействия кварков и глюонов, которое осуществляется путем обмена между ними - глюонами (аналогами фотонов в квантовой электродинамике). В отличие от фотонов, глюоны взаимодействуют друг с другом, что приводит, в частности, к росту силы взаимодействия между кварками и глюонами при удалении их друг от друга. Предполагается, что именно это свойство определяет короткодействие ядерных сил и отсутствие в природе свободных кварков и глюонов.

По современным представлениям, адроны имеют сложную внутреннюю структуру: барионы состоят из 3 кварков, мезоны - из кварка и антикварка.