Główne problemy pojawiające się w badaniu cząstek elementarnych. Koncepcje makroświata fizyki klasycznej i koncepcje mikroświata nauki współczesnej

Obecnie znanych jest około 400 cząstek elementarnych. Niektóre z nich „żyją” bardzo krótko, szybko zamieniając się w inne cząstki, potrafiąc w czasie swojego istnienia latać na odległości równe promieniowi jądra atomowego (10–12–10–13 cm). Minimalny czas dostępny na pomiar eksperymentalny charakteryzuje się wartością około 10 -26 s. Niektóre cząstki elementarne okazały się nieoczekiwanie ciężkie – nawet cięższe od pojedynczych atomów.

Współcześni fizycy dużą wagę przywiązują do usystematyzowania cząstek elementarnych, ujawniając wewnętrzną jedność zarówno między nimi, jak i między odpowiadającymi im podstawowymi rodzajami interakcji - silnymi, słabymi, elektromagnetycznymi i grawitacyjnymi.

Intensywność słabego oddziaływania jest o 10-11 rzędów wielkości (10 10 -10 11 razy) mniejsza niż intensywność sił jądrowych. Dlatego nazwano go słabym, jego promień działania jest mniejszy niż 10 -15 cm, a oddziaływanie elektromagnetyczne na odległościach proporcjonalnych do promienia działania sił jądrowych jest tylko 10 2 -10 3 razy słabsze. Najsłabsze na tych odległościach jest oddziaływanie grawitacyjne, którego intensywność jest o wiele rzędów wielkości mniejsza od oddziaływania słabego.

Nawet słabe oddziaływanie jest o wiele rzędów wielkości większe niż oddziaływanie grawitacyjne. A siła kulombowskiego odpychania elektrycznego dwóch elektronów jest 10 42 razy większa niż wielkość ich przyciągania grawitacyjnego. Jeśli wyobrazimy sobie, że siły elektromagnetyczne „przyciągające” elektrony do jądra atomowego osłabną do poziomu sił grawitacyjnych, wówczas atom wodoru stałby się większy niż widoczna dla nas część Wszechświata. Siły grawitacyjne rosną bardzo powoli wraz ze zmniejszaniem się odległości. Dominują one jedynie w fantastycznie małych odstępach mniejszych niż 10 -32 cm, które pozostają niedostępne dla badań eksperymentalnych. Za pomocą eksperymentu możliwe jest obecnie „przeglądanie” odległości bliskich 10 -16 cm.

Te cztery rodzaje podstawowych (leżących u podstaw materii) oddziaływań zachodzą poprzez wymianę odpowiednich cząstek, które służą jako swego rodzaju nośniki tych oddziaływań. Promień działania sił zależy od masy cząstek. Oddziaływanie elektromagnetyczne przenoszone jest przez fotony (masa spoczynkowa wynosi zero), oddziaływanie grawitacyjne przenoszone jest przez grawitony (choć hipotetyczne, nie ustalone eksperymentalnie cząstki, których masa również powinna wynosić zero). Te dwa oddziaływania, przenoszone przez cząstki bezmasowe, mają duży, prawdopodobnie nieskończony zakres działania. Co więcej, tylko oddziaływanie grawitacyjne generuje przyciąganie pomiędzy identycznymi cząstkami, pozostałe trzy rodzaje oddziaływań determinują odpychanie cząstek o tej samej nazwie. Nośnikami oddziaływania silnego, które wiąże protony i neutrony w jądrach atomowych, są gluony. To oddziaływanie jest charakterystyczne dla ciężkich cząstek zwanych hadronami. Oddziaływanie słabe przenoszone jest przez bozony wektorowe. To oddziaływanie jest charakterystyczne dla cząstek lekkich - leptonów (elektronów, pozytonów itp.).

Różnorodność mikroświata zakłada jego jedność poprzez wzajemną przekształcalność cząstek i pól. Szczególnie istotne jest przekształcenie „pary” – cząstki i antycząstki – w cząstki innego „typu”. Jako pierwsze odkryto przemianę elektronów i pozytonów w kwanty pola elektromagnetycznego – fotony i odwrotny proces „generowania” par z fotonów o odpowiednio dużej energii.

Obecnie rozwój problemu systematyzacji cząstek elementarnych wiąże się z ideą istnienia kwarki - cząstki posiadające ułamkowy ładunek elektryczny. Obecnie uważa się je za „najbardziej elementarne” w tym sensie, że można z nich „zbudować” wszystkie silnie oddziałujące cząstki – hadrony. Z punktu widzenia teorii kwarków poziom cząstek elementarnych to obszar obiektów składających się z kwarków i antykwarków. Co więcej, chociaż te ostatnie są uważane na tym poziomie wiedzy za najprostsze, najbardziej elementarne ze znanych cząstek, same w sobie mają złożone właściwości - ładunek, „urok” („urok”), „kolor” i inne niezwykłe właściwości fizyki kwantowej. Tak jak w chemii nie można obejść się bez pojęć „atom” i „cząsteczka”, tak fizyka cząstek elementarnych nie może obejść się bez pojęcia „kwark”.

A więc lista hadrony - cząstki ciężkie charakteryzujące się silnym oddziaływaniem - składają się z trzech cząstek: kwark, antyk i łączenie ich gluon. Wraz z nimi jest około dziesięciu lekkich cząstek - leptony (elektrony, pozytony, neutrina itp.) - które odpowiadają oddziaływaniom słabym. Znany także foton - nośnik oddziaływań elektromagnetycznych. I nadal pozostaje hipotetyczny, przewidywany tylko teoretycznie grawiton, co jest związane z oddziaływaniem grawitacyjnym. Nic nie wiadomo jeszcze na temat wewnętrznej struktury leptonów, fotonów i grawitonów. Teraz istnieje już mniej lub bardziej specyficzna koncepcja syntezy, związek słabych, silnych i elektromagnetycznych typów interakcji. Odkryto, że możliwe jest wyjaśnienie ich związku z oddziaływaniem grawitacyjnym. Wszystko to świadczy o stopniowym urzeczywistnianiu się w rzeczywistości zasadniczo nieograniczonej możliwości myślenia teoretycznego w rozumieniu jedności świata, który pozostaje nieskończenie różnorodny w swoich przejawach w ramach jedności.

Odniesienia do rozdziału 10

Baraszenkow V. S. Czy istnieją granice nauki: ilościowa i jakościowa niewyczerpaność świata materialnego. - M., 1982.

Heisenberg W. Fizyka i filozofia: część i całość. - M., 1989.

Zeldovich Ya.B., Khlopov M.Yu. Dramat idei w poznaniu przyrody: Cząstki, pola, ładunki. - M., 1988.

Markov MA O naturze materii. - M., 1976.

Pakhomov B.Ya. Kształtowanie się współczesnego fizycznego obrazu świata. -M., 1985.

Saczkow Yu.V. Wprowadzenie do świata prawdopodobieństwa. - M., 1971.

ROZDZIAŁ 11

Ministerstwo Federacji Rosyjskiej

Instytut Prawa w Saratowie

Oddział Samara

Katedra PI i PCTRP

Praca pisemna

Na temat: ” Cząstki elementarne ”

Ukończyli: grupa szkoleniowa kadetów 421

policja prywatna

Sizonenko A.A.

Sprawdził: nauczyciel wydziału

Kuzniecow S.I.

Samara 2002

Plan

1) Wstęp.

2)

3) Podstawowe właściwości cząstek elementarnych. Zajęcia interakcyjne .

4)

5)

a) Jednolita symetria.

b) Kwarkowy model hadronów

6)

7) Wniosek. Niektóre ogólne problemy teorii cząstek elementarnych.

Wstęp .

mi . h. w ścisłym znaczeniu tego terminu - pierwotne, dalsze nierozkładalne cząstki, z których z założenia składa się cała materia. W koncepcji „E. h.” we współczesnej fizyce wyraża się idea pierwotnych bytów, które określają wszystkie znane właściwości świata materialnego, idea, która powstała na wczesnych etapach rozwoju nauk przyrodniczych i zawsze odgrywała ważną rolę w jej rozwoju.

Pojęcie „E.h.” powstały w ścisłym związku z ustaleniem dyskretnego charakteru struktury materii na poziomie mikroskopowym. Odkrycie na przełomie XIX i XX wieku. najmniejsze nośniki właściwości materii - cząsteczki i atomy - oraz ustalenie faktu, że cząsteczki zbudowane są z atomów, po raz pierwszy umożliwiły opisanie wszystkich znanych substancji jako kombinacji skończonej, choć dużej liczby strukturalnych składniki - atomy. Dalsza identyfikacja obecności atomów składowych - elektronów i jąder, ustalenie złożonej natury jąder, które okazały się zbudowane tylko z dwóch rodzajów cząstek (protonów i neutronów) , znacznie zmniejszyło liczbę dyskretnych elementów tworzących właściwości materii i dało podstawy do przypuszczenia, że ​​łańcuch części składowych materii kończy się dyskretnymi formacjami bez struktury - E. ch. Takie założenie, ogólnie rzecz biorąc, jest ekstrapolacją znanych faktów i nie może być w sposób rygorystyczny uzasadniony. Nie można z całą pewnością stwierdzić, że istnieją cząstki elementarne w rozumieniu powyższej definicji. Na przykład protony i neutrony, które przez długi czas uważano za elektrony, jak się okazało, mają złożoną budowę. Nie można wykluczyć, że kolejność składników strukturalnych materii jest zasadniczo nieskończona. Może się też okazać, że stwierdzenie „składa się z…” na którymś etapie badania materii okaże się pozbawione treści. W takim wypadku trzeba będzie porzucić podaną powyżej definicję słowa „elementarny”. Istnienie pierwiastka elektronowego jest swego rodzaju postulatem, a sprawdzenie jego zasadności jest jednym z najważniejszych zadań fizyki.

Termin „E.h.” często używane we współczesnej fizyce nie w jego ścisłym znaczeniu, ale mniej ściśle - aby nazwać dużą grupę najmniejszych cząstek materii, pod warunkiem, że nie są to atomy lub jądra atomowe (wyjątek stanowi najprostsze jądro atomu wodoru - proton). Badania wykazały, że ta grupa cząstek jest niezwykle szeroka. Oprócz wspomnianego protonu (p), neutronu (n) i elektronu (e -) obejmuje: foton (g), pi-mezony (p), miony (m), neutrina trzech typów (elektronowe w e, mion w m i związane z tzw. ciężki lepton w t), tzw dziwne cząstki (K-mezony i hiperony) , różne rezonanse odkryte w latach 1974-77: cząstki y, cząstki „czarowane”, cząstki upsilon (¡) i ciężkie leptony (t + , t -) - w sumie ponad 350 cząstek, w większości niestabilnych. Liczba cząstek zaliczanych do tej grupy stale rośnie i najprawdopodobniej jest nieograniczona; Co więcej, większość wymienionych cząstek nie spełnia ścisłej definicji elementarności, ponieważ według współczesnych koncepcji są to układy złożone (patrz poniżej). Użycie nazwy „E.h.” wszystkich tych cząstek ma podłoże historyczne i wiąże się z tamtym okresem badań (początek lat 30. XX w.), kiedy jedynymi znanymi przedstawicielami tej grupy byli proton, neutron, elektron oraz cząstka pola elektromagnetycznego – foton. Naturalne było wówczas uznanie tych czterech cząstek za elementarne, gdyż posłużyły one jako podstawa do budowy otaczającej nas materii i oddziałującego z nią pola elektromagnetycznego, a złożona budowa protonu i neutronu nie była znana.

Odkrycie nowych mikroskopijnych cząstek materii stopniowo burzyło ten prosty obraz. Jednakże nowo odkryte cząstki były pod wieloma względami zbliżone do pierwszych czterech znanych cząstek. Ich jednoczącą właściwością jest to, że wszystkie są specyficznymi formami istnienia materii, niezwiązanymi z jądrami i atomami (czasami z tego powodu nazywane są „cząstkami subjądrowymi”). Choć liczba takich cząstek nie była zbyt duża, utrzymywało się przekonanie, że odgrywają one zasadniczą rolę w budowie materii i zaliczono je do cząstek E. Wzrost liczby cząstek podjądrowych, identyfikacja złożonej struktury w wielu z nich wykazano, że z reguły nie mają one elementarnych właściwości, ale tradycyjną nazwę „E. ch.” dla nich zachowane.

Zgodnie z ustaloną praktyką termin „E.h.” będzie używana poniżej jako nazwa ogólna. cząstki podjądrowe. W przypadkach, gdy mówimy o cząstkach, które twierdzą, że są pierwotnymi pierwiastkami materii, w razie potrzeby zostanie użyty termin „prawdziwa cząstka E”.

Krótka informacja historyczna.

Odkrycie cząstek elektronowych było naturalnym następstwem ogólnych sukcesów w badaniu struktury materii, jakie osiągnęła fizyka pod koniec XIX wieku. Został on przygotowany w wyniku kompleksowych badań widm optycznych atomów, badania zjawisk elektrycznych w cieczach i gazach, odkrycia fotoelektryczności, promieni rentgenowskich i naturalnej radioaktywności, które wskazywały na istnienie złożonej struktury materii.

Historycznie rzecz biorąc, pierwszym odkrytym pierwiastkiem elektronowym był elektron, nośnik ujemnego elementarnego ładunku elektrycznego w atomach. W 1897 roku J. J. Thomson ustalił, że tzw. promienie katodowe powstają ze strumienia maleńkich cząstek zwanych elektronami. W 1911 r. E. Rutherford, przepuszczając cząstki alfa z naturalnego źródła promieniotwórczego przez cienkie folie różnych substancji, odkrył, że ładunek dodatni w atomach koncentruje się w zwartych formacjach - jądrach, aw 1919 r. odkrył protony - cząstki o jednostkowym ładunku dodatnim i masę 1840 razy większą niż masa elektronu. Inną cząstkę wchodzącą w skład jądra, neutron, odkrył w 1932 roku J. Chadwick podczas badania interakcji cząstek alfa z berylem. Neutron ma masę zbliżoną do protonu, ale nie ma ładunku elektrycznego. Odkrycie neutronu zakończyło identyfikację cząstek – elementów strukturalnych atomów i ich jąder.

Wniosek o istnieniu cząstki pola elektromagnetycznego – fotonu – wywodzi się z prac M. Plancka (1900). Zakładając, że energia promieniowania elektromagnetycznego ciała absolutnie czarnego jest skwantowana, Planck uzyskał prawidłowy wzór na widmo promieniowania. Rozwijając koncepcję Plancka, A. Einstein (1905) postulował, że promieniowanie elektromagnetyczne (światło) jest w rzeczywistości przepływem pojedynczych kwantów (fotonów) i na tej podstawie wyjaśnił prawa efektu fotoelektrycznego. Bezpośrednie eksperymentalne dowody na istnienie fotonu przedstawili R. Millikan (1912-1915) i A. Compton (1922; patrz efekt Comptona).

Odkrycie neutrina, cząstki prawie nie oddziałującej z materią, wywodzi się z teoretycznych przypuszczeń W. Pauliego (1930), które dzięki założeniu o narodzinach takiej cząstki pozwoliły wyeliminować trudności z prawem zasady zachowania energii w procesach rozpadu beta jąder promieniotwórczych. Istnienie neutrin zostało potwierdzone eksperymentalnie dopiero w 1953 roku (F. Reines i K. Cowan, USA).

Od lat 30. do początku lat 50. Badanie cząstek elektronów było ściśle powiązane z badaniem promieni kosmicznych. W 1932 roku K. Anderson odkrył w promieniach kosmicznych pozyton (e+) – cząstkę o masie elektronu, ale o dodatnim ładunku elektrycznym. Pozyton był pierwszą odkrytą antycząstką (patrz poniżej). Istnienie e+ wynika bezpośrednio z relatywistycznej teorii elektronu, opracowanej przez P. Diraca (1928-31) na krótko przed odkryciem pozytonu. W 1936 roku amerykańscy fizycy K. Anderson i S. Neddermeyer odkryli, badając promienie osmiczne, miony (oba oznaki ładunku elektrycznego) - cząstki o masie około 200 mas elektronów, ale poza tym zaskakująco podobne pod względem właściwości do e -, e + .

W 1947 roku także w promieniowaniu kosmicznym grupa S. Powella odkryła mezony p+ i p - o masie 274 mas elektronów, które odgrywają ważną rolę w oddziaływaniach protonów z neutronami w jądrach. Istnienie takich cząstek zasugerował H. Yukawa w 1935 roku.

Późne lata 40-te - początek 50-tych. zaznaczyły się odkryciem dużej grupy cząstek o niezwykłych właściwościach, zwanych „dziwnymi”. Pierwsze cząstki tej grupy, K+ - i K - -mezony, L-, S+ -, S - -, X - - hiperony odkryto w promieniowaniu kosmicznym, kolejnych odkryć dziwnych cząstek dokonano przy akceleratorach - instalacjach, które wytwarzają intensywne przepływy szybkich protonów i elektronów. Kiedy przyspieszone protony i elektrony zderzają się z materią, rodzą się nowe cząstki elektronowe, które stają się przedmiotem badań.

Od początku lat 50. Głównym narzędziem do badania cząstek elektronowych stały się akceleratory.W latach 70. XX w. Energie cząstek przyspieszanych w akceleratorach sięgały dziesiątek i setek miliardów elektronowoltów ( Gaw). Chęć zwiększenia energii cząstek wynika z faktu, że wysokie energie otwierają możliwość badania struktury materii na krótszych dystansach, im większa jest energia zderzających się cząstek. Akceleratory znacząco zwiększyły tempo pozyskiwania nowych danych oraz w krótkim czasie poszerzyły i wzbogaciły naszą wiedzę o właściwościach mikroświata. Zastosowanie akceleratorów do badania dziwnych cząstek umożliwiło dokładniejsze zbadanie ich właściwości, w szczególności cech ich rozpadu, i wkrótce doprowadziło do ważnego odkrycia: wyjaśnienia możliwości zmiany charakterystyki niektórych mikroprocesów podczas działania zwierciadła odbicie (patrz Inwersja przestrzenna ) - tak zwana naruszenie spacji. parytet (1956). Uruchomienie akceleratorów protonów o miliardowych energiach ew pozwoliło na odkrycie ciężkich antycząstek: antyprotonu (1955), antyneutronu (1956), antysigmy hiperonów (1960). W 1964 roku odkryto najcięższy hiperon W - (o masie około dwóch mas protonów). W 1960 roku W akceleratorach odkryto dużą liczbę wyjątkowo niestabilnych (w porównaniu do innych niestabilnych cząstek elektronów) cząstek, zwanych „rezonansami”. Masy większości rezonansów przekraczają masę protonu. Pierwszy z nich, D 1 (1232), znany jest od 1953 roku. Okazało się, że główną część częstotliwości elektronów stanowią rezonanse.

W 1962 roku odkryto, że istnieją dwa różne neutrina: elektron i mion. W 1964 r. w rozpadach obojętnych K-mezonów. niezachowanie tzw parytet kombinowany (wprowadzony przez Li Tsung-dao i Yang Zhen-ninga oraz niezależnie przez LD Landau w 1956; patrz Inwersja kombinowana ) , co oznacza konieczność rewizji utartych poglądów na temat zachowania procesów fizycznych podczas działania odbicia czasu (patrz Twierdzenie CPT) .

W 1974 roku odkryto masywne (3-4 masy protonów), a jednocześnie stosunkowo stabilne cząstki y, o czasie życia niezwykle długim jak na rezonanse. Okazały się one blisko spokrewnione z nową rodziną cząstek elektronowych – „czarowanymi”, których pierwszych przedstawicieli (D 0, D +, L c) odkryto w 1976 r. W 1975 r. uzyskano pierwszą informację o istnienie ciężkiego analogu elektronu i mionu (ciężki lepton t). W 1977 roku odkryto cząstki β o masie około dziesięciu mas protonów.

Tak więc na przestrzeni lat od odkrycia elektronu zidentyfikowano ogromną liczbę różnych mikrocząstek materii. Świat E. h. okazał się dość skomplikowany. Właściwości odkrytych cząstek elektronów były pod wieloma względami nieoczekiwane. Aby je opisać, oprócz cech zapożyczonych z fizyki klasycznej, takich jak ładunek elektryczny, masa i moment pędu, konieczne było wprowadzenie wielu nowych właściwości specjalnych, w szczególności do opisu dziwnych cząstek elektronów - obcość (K. Nishijima, M. Gell-Man, 1953), „zafascynowany” E. . h. - „urok” (amerykańscy fizycy J. Bjorken, S. Glashow, 1964); Nazwy danych cech odzwierciedlają już niezwykły charakter właściwości opisywanych przez nie elementów.

Badaniu wewnętrznej struktury materii i właściwości elektronów od pierwszych kroków towarzyszyła radykalna rewizja wielu ustalonych koncepcji i idei. Prawa rządzące zachowaniem się materii w małych cząsteczkach okazały się tak odmienne od praw mechaniki klasycznej i elektrodynamiki, że do ich opisu potrzebne były zupełnie nowe konstrukcje teoretyczne. Takimi nowymi, podstawowymi konstrukcjami teoretycznymi były szczególna (szczególna) i ogólna teoria względności (A. Einstein, 1905 i 1916; zob. Teoria względności, Grawitacja) i mechanika kwantowa (1924-27; N. Bohr, L. de Broglie, V. Heisenberg, E. Schrödinger, M. Born) . Teoria względności i mechanika kwantowa dokonały prawdziwej rewolucji w nauce przyrody i położyły podwaliny pod opis zjawisk mikroświata. Mechanika kwantowa okazała się jednak niewystarczająca do opisania procesów zachodzących w cząstkach elektronów. Konieczny był kolejny krok – kwantyzacja pól klasycznych (tzw. kwantyzacja wtórna) i rozwój kwantowej teorii pola. Najważniejszymi etapami na drodze jej rozwoju były: sformułowanie elektrodynamiki kwantowej (P. Dirac, 1929), kwantowa teoria rozpadu b (E. Fermi, 1934), która położyła podwaliny pod współczesną teorię słabych oddziaływania, mezodynamika kwantowa (Yukawa, 1935). Bezpośrednim poprzednikiem tego ostatniego był tzw. b-teoria sił nuklearnych (I.E. Tamm, D.D. Ivanenko, 1934; patrz Silne interakcje). Okres ten zakończył się powstaniem spójnego aparatu obliczeniowego elektrodynamiki kwantowej (S. Tomonaga, R. Feynman, J. Schwinger; 1944-49), opartego na zastosowaniu techniki renormalizacji (patrz Kwantowa teoria pola). Technikę tę następnie uogólniono na inne warianty kwantowej teorii pola.

Kwantowa teoria pola wciąż się rozwija i doskonali, stanowiąc podstawę opisu oddziaływań cząstek elektronowych.Teoria ta ma na swoim koncie szereg znaczących sukcesów, lecz wciąż jest bardzo odległa od ukończenia i nie może pretendować do miana kompleksowej teorii cząstek elektronowych. Pochodzenie wielu właściwości elektronów h. i natura ich nieodłącznych interakcji pozostają w dużej mierze niejasne. Możliwe, że zanim zbudowana zostanie teoria cząstek elektronowych, konieczna będzie więcej niż jedna restrukturyzacja wszystkich idei i znacznie głębsze zrozumienie związku pomiędzy właściwościami mikrocząstek a geometrycznymi właściwościami czasoprzestrzeni.

Podstawowe właściwości cząstek elementarnych. Zajęcia interakcyjne.

Wszystkie cząstki elektronów są obiektami o niezwykle małych masach i rozmiarach. Większość z nich ma masy rzędu masy protonu równe 1,6×10 -24 g (tylko masa elektronu jest zauważalnie mniejsza: 9×10 -28 g). Wyznaczone eksperymentalnie rozmiary protonu, neutronu i p-mezonu są rzędu wielkości rzędu 10 -13 cm, wielkości elektronu i mionu nie udało się ustalić, wiadomo jedynie, że są mniejsze niż 10 -15 cm Mikroskopijne masy i rozmiary cząstek elektronów stanowią podstawę kwantowej specyficzności ich zachowania. Charakterystyczne długości fal, które w teorii kwantowej należy przypisać cząstkom elektronowym (gdzie jest stała Plancka, m to masa cząstki, c to prędkość światła) są o rząd wielkości zbliżone do typowych wymiarów, przy których zachodzi ich oddziaływanie ( np. dla p- mezonu 1,4×10 -13 cm). Prowadzi to do tego, że dla cząstek elektronowych decydujące znaczenie mają prawa kwantowe.

Najważniejszą właściwością kwantową wszystkich cząstek elektronów jest ich zdolność do tworzenia i niszczenia (emisji i absorpcji) podczas interakcji z innymi cząstkami. Pod tym względem są całkowicie analogiczne do fotonów. E. cząstki to specyficzne kwanty materii, a dokładniej kwanty odpowiednich pól fizycznych (patrz niżej). Wszystkie procesy z udziałem cząstek elektronów przebiegają poprzez sekwencję aktów absorpcji i emisji. Tylko na tej podstawie można zrozumieć np. proces narodzin mezonu p+ w zderzeniu dwóch protonów (p + p ® p + n+ p +) czy proces anihilacji elektronu i pozytonu, gdy zamiast znikających cząstek pojawiają się na przykład dwa kwanty g ( e + +e - ® g + g). Ale procesy elastycznego rozpraszania cząstek, na przykład e - +p ® e - + p, są również związane z absorpcją cząstek początkowych i narodzinami cząstek końcowych. Rozpad niestabilnych cząstek elektronów na cząstki lżejsze, któremu towarzyszy wyzwolenie energii, przebiega według tego samego schematu i jest procesem, w którym produkty rozpadu powstają w momencie samego rozpadu i do tego momentu nie istnieją. Pod tym względem rozpad cząstki elektronu jest podobny do rozpadu wzbudzonego atomu na atom w stanie podstawowym i foton. Przykłady rozpadów elektrochemicznych obejmują: ; p + ® m + + v m ; К + ® p + + p 0 (znak „tylda” nad symbolem cząstki oznacza w dalszej części odpowiednie antycząstki).

Różne procesy z E. h. różnią się znacznie intensywnością ich występowania. Zgodnie z tym oddziaływania cząstek elektromagnetycznych można fenomenologicznie podzielić na kilka klas: oddziaływania silne, elektromagnetyczne i słabe. Wszystkie cząstki elektronów podlegają również oddziaływaniu grawitacyjnemu.

Silne interakcje identyfikuje się jako interakcje, które powodują procesy, które zachodzą z największą intensywnością spośród wszystkich innych procesów. Prowadzą także do najsilniejszego wiązania elektronów.To właśnie oddziaływania silne decydują o wiązaniu protonów i neutronów w jądrach atomów i zapewniają wyjątkową wytrzymałość tych formacji, co leży u podstaw stabilności materii w warunkach ziemskich.

Oddziaływania elektromagnetyczne charakteryzują się oddziaływaniami, które opierają się na połączeniu z polem elektromagnetycznym. Wywoływane przez nie procesy są mniej intensywne niż procesy oddziaływań silnych, a powiązanie pomiędzy generowanymi przez nie siłami elektronowymi jest zauważalnie słabsze. W szczególności oddziaływania elektromagnetyczne odpowiadają za łączenie elektronów atomowych z jądrami oraz łączenie atomów w cząsteczkach.

Oddziaływania słabe, jak sama nazwa wskazuje, powodują bardzo wolno zachodzące procesy z cząstkami elektronów, których małą intensywność można zilustrować faktem, że neutrina, które oddziałują jedynie słabo, bez przeszkód przenikają np. przez grubość Ziemi i Słońca . Oddziaływania słabe powodują także powolne zaniki tzw. quasi-stabilne cząstki elektronowe Czasy życia tych cząstek mieszczą się w przedziale 10 -8 -10 -10 sek., podczas gdy typowe czasy silnych oddziaływań cząstek elektronowych wynoszą 10 -23 -10 -24 sek.

Oddziaływania grawitacyjne, dobrze znane ze swoich makroskopowych przejawów, w przypadku cząstek elektronowych w charakterystycznych odległościach ~10 -13 cm dają niezwykle małe efekty ze względu na małe masy cząstek elektronów.

Siłę różnych klas oddziaływań można w przybliżeniu scharakteryzować za pomocą bezwymiarowych parametrów związanych z kwadratami stałych odpowiednich oddziaływań. Dla oddziaływań silnych, elektromagnetycznych, słabych i grawitacyjnych protonów o średniej energii procesu ~1 GeV parametry te korelują jako 1:10 -2:l0 -10:10 -38. Konieczność wskazania średniej energii procesu wynika z faktu, że dla oddziaływań słabych parametr bezwymiarowy zależy od energii. Ponadto same intensywności różnych procesów zależą w różny sposób od energii. Prowadzi to do tego, że względna rola różnych oddziaływań, ogólnie rzecz biorąc, zmienia się wraz ze wzrostem energii oddziałujących cząstek, tak że podział oddziaływań na klasy, na podstawie porównania natężeń procesów, jest rzetelnie przeprowadzany przy nie zbyt wysokie energie. Różne klasy oddziaływań mają jednak także inne specyficzne cechy związane z różnymi właściwościami ich symetrii (patrz Symetria w fizyce), co przyczynia się do ich separacji przy wyższych energiach. Nie jest jasne, czy ten podział oddziaływań na klasy zostanie zachowany w granicy najwyższych energii.

W zależności od ich udziału w określonych rodzajach oddziaływań, wszystkie badane cząstki elektronów, z wyjątkiem fotonu, dzielą się na dwie główne grupy: hadrony (z greckiego hadros – duży, silny) i leptony (z greckiego leptos – mały, cienki, lekki). . Hadrony charakteryzują się przede wszystkim tym, że podlegają oddziaływaniom silnym, obok oddziaływań elektromagnetycznych i słabym, natomiast leptony uczestniczą jedynie w oddziaływaniach elektromagnetycznych i słabych. (Sugeruje się obecność oddziaływań grawitacyjnych wspólnych dla obu grup.) Masy hadronów są o rząd wielkości zbliżone do masy protonu (mp); P-mezon ma minimalną masę wśród hadronów: t p "m 1/7×t p. Znane przed latami 1975-76 masy leptonów były niewielkie (0,1 m p), jednak najnowsze dane najwyraźniej wskazują na możliwość istnienia ciężkie leptony o takich samych masach jak hadrony.Pierwszymi zbadanymi przedstawicielami hadronów był proton i neutron, a leptony – elektron.Foton, który podlega jedynie oddziaływaniom elektromagnetycznym, nie może być zaliczony ani do hadronów, ani do leptonów i należy go rozdzielić na Według koncepcji opracowanych w latach 70. foton (cząstka o zerowej masie spoczynkowej) zaliczany jest do tej samej grupy, w której znajdują się cząstki bardzo masywne – tzw. bozony wektorów pośrednich, które odpowiadają za oddziaływania słabe i mają nie zostało jeszcze zaobserwowane eksperymentalnie (patrz sekcja Cząstki elementarne i kwantowa teoria pola).

Charakterystyka cząstek elementarnych.

Każdy element wraz z właściwymi mu interakcjami jest opisany zbiorem dyskretnych wartości określonych wielkości fizycznych lub jego cech. W niektórych przypadkach te dyskretne wartości są wyrażane za pomocą liczb całkowitych lub ułamkowych i pewnego wspólnego czynnika - jednostki miary; Liczby te nazywane są liczbami kwantowymi liczb E. i tylko je określa się, pomijając jednostki miary.

Wspólnymi cechami wszystkich cząstek elektronów są masa (m), czas życia (t), spin (J) i ładunek elektryczny (Q). Nadal nie ma wystarczającego zrozumienia prawa, według którego rozkładają się masy cząstek elektronów i tego, czy istnieje dla nich jakakolwiek jednostka miary.

W zależności od czasu życia cząstki elektronów dzielą się na stabilne, quasi-stabilne i niestabilne (rezonanse). Stabilne, w granicach dokładności współczesnych pomiarów, są elektron (t > 5×10 21 lat), proton (t > 2×10 30 lat), foton i neutrino. Cząstki quasi-stabilne obejmują cząstki, które rozpadają się w wyniku oddziaływań elektromagnetycznych i słabych. Ich czas życia wynosi > 10 -20 s (dla swobodnego neutronu nawet ~ 1000 s). Cząstki elementarne, które rozpadają się w wyniku silnych oddziaływań, nazywane są rezonansami. Ich charakterystyczny czas życia wynosi 10 -23 -10 -24 sek. W niektórych przypadkach zanik ciężkich rezonansów (o masie ³ 3 GeV) na skutek silnych oddziaływań jest tłumiony, a czas życia wzrasta do wartości ~10 -20 sek.

Spin E. h. jest liczbą całkowitą lub półcałkowitą wielokrotnością wartości. W tych jednostkach spin mezonów p i K wynosi 0, dla protonu, neutronu i elektronu J = 1/2, dla fotonu J = 1. Istnieją cząstki o wyższym spinie. Wielkość spinu cząstki elektronu determinuje zachowanie zespołu identycznych (identycznych) cząstek lub ich statystykę (W. Pauli, 1940). Cząstki o spinie półcałkowitym podlegają statystyce Fermiego-Diraca (stąd nazwa fermiony), która wymaga antysymetrii funkcji falowej układu względem permutacji pary cząstek (lub nieparzystej liczby par) oraz dlatego „zabrania” przebywania dwóch cząstek o spinie półcałkowitym w tym samym stanie (zasada Pauliego). Cząstki o spinie całkowitym podlegają statystyce Bosego-Einsteina (stąd nazwa bozony), która wymaga symetrii funkcji falowej względem permutacji cząstek i pozwala na przebywanie dowolnej liczby cząstek w tym samym stanie. Statystyczne właściwości cząstek elektronowych okazują się istotne w przypadkach, gdy podczas narodzin lub rozpadu powstaje kilka identycznych cząstek. Statystyka Fermiego-Diraca odgrywa również niezwykle ważną rolę w budowie jąder i określa wzorce wypełniania powłok atomowych elektronami, które leżą u podstaw okresowego układu pierwiastków D. I. Mendelejewa.

Ładunki elektryczne badanych cząstek E. są całkowitymi wielokrotnościami wartości e „1,6×10 -19 k i nazywane są elementarnym ładunkiem elektrycznym. Dla znanych cząstek E. Q = 0, ±1, ±2.

Oprócz wskazanych wielkości cząstki energii charakteryzują się dodatkowo szeregiem liczb kwantowych i nazywane są wewnętrznymi. Leptony niosą specyficzny ładunek leptonowy L dwojakiego rodzaju: elektroniczny (L e) i mionowy (L m); L e = +1 dla elektronu i neutrina elektronowego, L m = +1 dla ujemnego mionu i neutrina mionowego. Ciężki lepton t; i związane z nim neutrino najwyraźniej są nośnikami nowego typu ładunku leptonowego L t.

Dla hadronów L = 0 i jest to kolejny przejaw ich odmienności od leptonów. Z kolei znaczną część hadronów należy przypisać specjalnemu ładunkowi barionowemu B (|E| = 1). Hadrony z B = +1 tworzą podgrupę barionów (obejmuje to proton, neutron, hiperony, rezonanse barionowe), a hadrony z B = 0 tworzą podgrupę mezonów (mezony p i K, rezonanse bozonowe). Nazwa podgrup hadronów pochodzi od greckich słów barýs – ciężki i mésos – średni, co na początkowym etapie badań nad cząstkami elektronowymi odzwierciedlało porównawcze wartości znanych wówczas mas barionów i mezonów. Późniejsze dane wykazały, że masy barionów i mezonów są porównywalne. Dla leptonów B = 0. Dla fotonów B = 0 i L = 0.

Bariony i mezony dzielimy na wspomniane już agregaty: cząstki zwykłe (niedziwne) (proton, neutron, p-mezony), cząstki dziwne (hiperony, K-mezony) oraz cząstki powabne. Podział ten odpowiada obecności w hadronach specjalnych liczb kwantowych: dziwności S i uroku (angielski urok) Ch o dopuszczalnych wartościach: 151 = 0, 1, 2, 3 i |Ch| = 0, 1, 2, 3. Dla cząstek zwykłych S = 0 i Ch = 0, dla cząstek obcych |S| ¹ 0, Ch = 0, dla cząstek zaczarowanych |Ch| ¹ 0 i |S| = 0, 1, 2. Zamiast dziwności często stosuje się hiperładunek liczby kwantowej Y = S + B, który najwyraźniej ma bardziej fundamentalne znaczenie.

Już pierwsze badania zwykłych hadronów wykazały obecność wśród nich rodzin cząstek o podobnej masie, o bardzo podobnych właściwościach w zakresie oddziaływań silnych, ale o różnej wartości ładunku elektrycznego. Pierwszym przykładem takiej rodziny były proton i neutron (nukleony). Później podobne rodziny odkryto wśród hadronów dziwnych i (w 1976 r.) wśród hadronów zaczarowanych. Wspólność właściwości cząstek zaliczanych do takich rodzin jest odzwierciedleniem istnienia w nich tej samej wartości specjalnej liczby kwantowej – spinu izotopowego I, który podobnie jak spin zwykły przyjmuje wartości całkowite i półcałkowite. Same rodziny nazywane są zwykle multipletami izotopowymi. Liczbę cząstek w multiplecie (n) wiąże się z I zależnością: n = 2I + 1. Cząstki jednego multipletu izotopowego różnią się między sobą wartością „rzutu” spinu izotopowego I 3 oraz

Ważną cechą hadronów jest także parzystość wewnętrzna P, związana z działaniem przestrzeni, inwersja: P przyjmuje wartości ±1.

Dla wszystkich cząstek elektronowych o niezerowych wartościach co najmniej jednego z ładunków O, L, B, Y (S) i uroku Ch istnieją antycząstki o takich samych wartościach masy m, czasu życia t, spinu J i dla hadronów o spinie izotopowym 1, ale o przeciwnych znakach wszystkich ładunków i dla barionów o przeciwnym znaku parzystości wewnętrznej P. Cząstki, które nie mają antycząstek, nazywane są absolutnie (prawdziwie) obojętnymi. Całkowicie neutralne hadrony mają specjalną liczbę kwantową - parzystość ładunku (tj. parzystość w odniesieniu do operacji sprzęgania ładunku) C o wartościach ±1; przykładami takich cząstek są foton i p 0 .

Liczby kwantowe elektronów dzielą się na dokładne (to znaczy takie, które są związane z wielkościami fizycznymi, które są zachowywane we wszystkich procesach) i nieprecyzyjne (dla których odpowiednie wielkości fizyczne nie są zachowane w niektórych procesach). Spin J jest powiązany ze ścisłym prawem zachowania momentu pędu i dlatego jest dokładną liczbą kwantową. Inne dokładne liczby kwantowe: Q, L, B; Według współczesnych danych zachowują się one podczas wszystkich przemian pierwiastka elektronowego.Stabilność protonu jest bezpośrednim wyrazem zachowania B (na przykład nie ma rozpadu p ® e + + g). Jednakże większość liczb kwantowych hadronów jest nieprecyzyjna. Spin izotopowy, choć zachowany w oddziaływaniach silnych, nie jest zachowany w oddziaływaniach elektromagnetycznych i słabych. Dziwność i urok zachowują się w oddziaływaniach silnych i elektromagnetycznych, ale nie w oddziaływaniach słabych. Słabe interakcje zmieniają również parytet wewnętrzny i ładunkowy. Łączna parzystość CP jest zachowywana ze znacznie większym stopniem dokładności, ale w niektórych procesach jest również naruszana na skutek słabych oddziaływań. Przyczyny niezachowania wielu liczb kwantowych hadronów są niejasne i najwyraźniej mają związek zarówno z naturą tych liczb kwantowych, jak i z głęboką strukturą oddziaływań elektromagnetycznych i słabych. Zachowanie lub niezachowanie pewnych liczb kwantowych jest jednym z istotnych przejawów różnic w klasach oddziaływań cząstek elektronowych.

Klasyfikacja cząstek elementarnych.

Jednolita symetria. Klasyfikacja leptonów nie nastręcza jeszcze żadnych problemów, duża liczba hadronów, znana już na początku lat 50. XX w., dała podstawę do poszukiwania wzorców rozkładu mas i liczb kwantowych barionów i mezonów, które mogłyby stanowić podstawę do ich klasyfikacji. Pierwszym krokiem na tej drodze była identyfikacja multipletów izotopowych hadronów. Z matematycznego punktu widzenia grupowanie hadronów w multiplety izotopowe odzwierciedla obecność symetrii związanej z grupą rotacyjną (patrz Grupa) , bardziej formalnie, z grupą SU(2) - grupa przekształceń unitarnych w złożonej przestrzeni dwuwymiarowej. Zakłada się, że przekształcenia te zachodzą w jakiejś określonej przestrzeni wewnętrznej – „przestrzeni izotopowej”, innej niż zwykle. Istnienie przestrzeni izotopowej objawia się jedynie w obserwowalnych właściwościach symetrii. W języku matematycznym multiplety izotopowe są nieredukowalnymi reprezentacjami grupy symetrii SU (2).

Pojęcie symetrii jako czynnika decydującego o istnieniu różnych grup i rodzin cząstek elektronowych we współczesnej teorii dominuje w klasyfikacji hadronów i innych cząstek elektronowych.Przyjmuje się, że wewnętrzne liczby kwantowe cząstek elektronowych, które umożliwiają wyróżnić pewne grupy cząstek, wiążą się ze szczególnymi typami symetrii wynikającymi ze swobody przekształceń w specjalnych przestrzeniach „wewnętrznych”. Stąd wzięła się nazwa „wewnętrzne liczby kwantowe”.

Dokładne badanie pokazuje, że dziwne i zwyczajne hadrony tworzą razem szersze asocjacje cząstek o podobnych właściwościach niż multiplety izotopowe. Nazywa się je supermultipletami. Liczba cząstek wchodzących w skład obserwowanych supermultipletów wynosi 8 i 10. Z punktu widzenia symetrii pojawienie się supermultipletów interpretowane jest jako przejaw istnienia grupy symetrii w hadronach szerszych od grupy SU(2), a mianowicie: SU(3) - grupy transformacji unitarnych w trójwymiarowej przestrzeni złożonej (M. Gell-Man i niezależnie Y. Neeman, 1961). Nazywa się odpowiednią symetrię jednolita symetria. Grupa SU(3) ma w szczególności nieredukowalne reprezentacje z liczbą składowych 8 i 10, odpowiadających obserwowanym supermultipletom: oktetowi i decypletowi. Przykłady obejmują następujące grupy cząstek o tych samych wartościach JP:

Wspólne dla wszystkich cząstek w supermultiplecie są wartości dwóch wielkości, które w swojej matematycznej naturze są bliskie spinowi izotopowemu i dlatego często nazywane są spinem unitarnym. Dla oktetu wartości liczb kwantowych związanych z tymi wielkościami są równe (1, 1), dla dekletu - (3, 0).

Symetria jednostkowa jest mniej precyzyjna niż symetria izotopowa. Zgodnie z tym różnica w masach cząstek wchodzących w skład oktetów i dekupletów jest dość znaczna. Z tego samego powodu podział hadronów na supermultiplety jest stosunkowo prosty w przypadku cząstek elektronowych o niezbyt dużych masach. Przy dużych masach, gdy istnieje wiele różnych cząstek o podobnych masach, podział ten jest mniej niezawodny. Jednak we właściwościach cząstek elementarnych istnieje wiele różnych przejawów jednolitej symetrii.

Włączenie zaczarowanych hadronów do systematyki cząstek elementarnych pozwala mówić o supersupermultipletach i istnieniu jeszcze szerszej symetrii związanej z grupą unitarną SU(4). Nie ma jeszcze przykładów całkowicie wypełnionych supersupermultipletów. SU(4)-symetria jest łamana jeszcze silniej niż SU(3)-symetria, a jej przejawy są mniej wyraźne.

Odkrycie właściwości symetrii w hadronach związanych z grupami unitarnymi oraz wzorców podziału na multiplety odpowiadające ściśle określonym reprezentacjom tych grup było podstawą do wniosku o istnieniu w hadronach specjalnych elementów strukturalnych – kwarków.

Kwarkowy model hadronów. Od pierwszych kroków rozwojowi prac nad klasyfikacją hadronów towarzyszyły próby wyodrębnienia spośród nich cząstek bardziej fundamentalnych od pozostałych, które mogłyby stać się podstawą konstrukcji wszystkich hadronów. Ten kierunek badań zapoczątkowali E. Fermi i Yang Chen-ning (1949), którzy zasugerowali, że cząstkami podstawowymi są nukleon (N) i antynukleon (), a p-mezony to ich stany związane (). Wraz z dalszym rozwojem tej idei do cząstek elementarnych zaliczono także dziwne bariony (M. A. Markov, 1955; japoński fizyk S. Sakata, 1956; L. B. Okun, 1957). Zbudowane na tej podstawie modele dobrze opisywały multiplety mezonowe, natomiast nie zapewniały prawidłowego opisu multipletów barionowych. Najważniejszy element tych modeli – wykorzystanie niewielkiej liczby fermionów do „konstruowania” hadronów – został organicznie włączony do modelu, który najskuteczniej rozwiązuje problem opisu wszystkich hadronów – modelu kwarkowego (austriacki fizyk G. Zweig i niezależnie M. Gell-Man, 1964).

W pierwotnej wersji model opierał się na założeniu, że wszystkie znane hadrony zbudowane są z trzech rodzajów cząstek o spinie 1/2, tzw. p-, n-, l-kwarki, które nie należą do liczby obserwowanych hadronów i mają bardzo nietypowe właściwości. Nazwa „kwarki” została zapożyczona z powieści J. Joyce’a (patrz Kwarki) . Współczesna wersja modelu zakłada istnienie co najmniej czterech typów kwarków. Czwarty kwark jest niezbędny do opisu zaczarowanych hadronów.

Ideę kwarków sugeruje symetria jednostkowa. Struktura matematyczna grup unitarnych otwiera możliwość opisu wszystkich reprezentacji tej grupy SU (N) (a co za tym idzie wszystkie multiplety hadronów) w oparciu o najprostszą reprezentację grupową zawierającą N część. W przypadku grupy SU(3) istnieją trzy takie elementy. Należy jedynie założyć istnienie cząstek powiązanych z tą najprostszą reprezentacją. Cząstki te to kwarki. Skład kwarkowy mezonów i barionów wywnioskowano z faktu, że supermultiplety mezonów zawierają z reguły 8 cząstek, a bariony - 8 i 10 cząstek. Wzór ten można łatwo odtworzyć, jeśli założymy, że mezony składają się z kwarków Q i antykwark - symbolicznie: , oraz bariony trzech kwarków - symbolicznie: W = (qqq). Ze względu na właściwości grupy SU(3) 9 mezonów dzieli się na supermultiplety składające się z 1 i 8 cząstek, a 27 barionów dzieli się na supermultiplety zawierające 1, 10 i dwukrotnie 8 cząstek, co wyjaśnia obserwowaną separację oktetów i decupletów.

Dodanie do schematu czwartego kwarku (oraz w razie potrzeby nowych dodatkowych kwarków) odbywa się przy zachowaniu podstawowych założeń modelu kwarkowego o budowie hadronów:

B = (qqq).

Wszystkie dane doświadczalne są w dobrej zgodzie z podanym składem kwarkowym hadronów. Pozornie występują jedynie niewielkie odchylenia od tej struktury, które nie wpływają znacząco na właściwości hadronów.

Wskazana budowa hadronów i właściwości matematyczne kwarków, jako obiektów związanych z pewną (najprostszą) reprezentacją grupy SU(4), prowadzą do następujących kwestii. liczby kwantowe kwarków (tabela 2). Na uwagę zasługują niezwykłe – ułamkowe – wartości ładunku elektrycznego. Q, I B, S I Y, nie występujący w żadnej z obserwowanych cząstek elektronowych, z indeksem a dla każdego typu kwarku qi (ja = 1, 2, 3, 4) wiąże się ze szczególną cechą kwarków – „kolorem”, którego nie ma w badanych hadronach. Indeks a przyjmuje wartości 1, 2, 3, czyli każdy rodzaj kwarka qi prezentowane w trzech odmianach qi a (N.N. Bogolyubov i współpracownicy, 1965; amerykańscy fizycy I. Nambu i M. Khan, 1965; japoński fizyk I. Miyamoto, 1965). Liczby kwantowe każdego rodzaju kwarków nie zmieniają się, gdy zmienia się „kolor”, a zatem tabela. 2 dotyczy kwarków dowolnego „koloru”.

Cała różnorodność hadronów powstaje w wyniku różnych kombinacji R -, P-, g- i Z-kwarki tworzące stany związane. Zwykłe hadrony odpowiadają stanom związanym zbudowanym tylko z R- I N-kwarki [dla mezonów z możliwym udziałem kombinacji i ]. Obecność w stanie związanym wraz z R- I N-kwarki jednego g- lub Z-kwark oznacza, że ​​odpowiadający mu hadron jest dziwny ( S= -1) lub zaczarowany ( Ch =+ 1). Barion może zawierać dwa i trzy kwarki g (odpowiednio Z-kwark), tj. możliwe są podwójne i potrójne dziwne (czarujące) bariony. Kombinacje różnych liczb g- i Z- kwarki (szczególnie w barionach), które odpowiadają „hybrydowym” formom hadronów („dziwny urok”). Oczywiście, im większe g- lub Z-kwarki zawierają hadron, tym są cięższe. Jeśli porównamy stany podstawowe (niewzbudzone) hadronów, otrzymamy dokładnie taki obraz (patrz tabela 1 oraz tabele 3 i 5).

Ponieważ spin kwarków jest równy 1/2, powyższa struktura kwarkowa hadronów daje spin całkowity dla mezonów i spin półcałkowity dla barionów, w pełnej zgodności z eksperymentem. Ponadto w stanach odpowiadających pędowi orbitalnemu l= 0, w szczególności w stanach podstawowych spin mezonów powinien wynosić 0 lub 1 (dla antyrównoległej orientacji spinów kwarków ─ i równoległej ─ ─ ─), a spin barionów powinien wynosić 1/2 lub 3/2 ( dla konfiguracji wirowania ¯``` i ```hin”). Biorąc pod uwagę, że wewnętrzna parzystość układu kwark-antykwark jest ujemna, wartości JP dla mezonów przy l= 0 są równe 0 - i 1 - , dla barionów - 1 / 2 + i 3 / 2 + . To są wartości JP obserwowane w hadronach mających najmniejszą masę przy danych wartościach I I Y(patrz tabela 1).

Ponieważ indeksy ja, k, l we wzorach strukturalnych wartości przebiegają przez 1, 2, 3, 4, liczbę mezonów Mik przy danym spinie powinno być równe 16. Dla barionów Rower maksymalna możliwa liczba stanów dla danego spinu (64) nie jest realizowana, gdyż na mocy zasady Pauliego dla danego spinu całkowitego dopuszczalne są tylko stany trójkwarkowe, które mają dobrze określoną symetrię względem permutacji indeksy ja, k, 1, mianowicie: w pełni symetryczna dla spinu 3/2 i mieszana symetria dla spinu 1/2. Ten warunek jest l = 0 wybiera 20 stanów barionowych dla spinu 3/2 i 20 dla spinu 1/2.

Bardziej szczegółowe badania pokazują, że wartość składu kwarkowego i właściwości symetrii układu kwarkowego pozwala wyznaczyć wszystkie podstawowe liczby kwantowe hadronu ( J, P, B, Q, I, Y, Ch), z wyłączeniem masy; określenie masy wymaga wiedzy o dynamice oddziaływania kwarków i masie kwarków, która nie jest jeszcze dostępna.

Prawidłowe oddanie specyfiki hadronów o najniższych masach i spinach przy zadanych wartościach Y I Ch, Model kwarkowy w naturalny sposób wyjaśnia także ogólną dużą liczbę hadronów i przewagę między nimi rezonansów. Duża liczba hadronów jest odzwierciedleniem ich złożonej budowy i możliwości istnienia różnych stanów wzbudzonych układów kwarkowych. Możliwe jest, że liczba takich stanów wzbudzonych jest nieograniczona. Wszystkie stany wzbudzone układów kwarkowych są niestabilne pod względem szybkich przejść z powodu silnych interakcji ze stanami podstawowymi. Stanowią większość rezonansów. Niewielki ułamek rezonansów składa się również z układów kwarkowych o równoległych orientacjach spinów (z wyjątkiem W -). Konfiguracje kwarków o antyrównoległej orientacji spinu, powiązane z konfiguracją podstawową. stany, tworzą quasi-stabilne hadrony i stabilny proton.

Wzbudzenia układów kwarkowych zachodzą zarówno na skutek zmian ruchu obrotowego kwarków (wzbudzenia orbitalne), jak i na skutek zmian w ich przestrzeniach. lokalizacja (wzbudzenia promieniowe). W pierwszym przypadku wzrostowi masy układu towarzyszy zmiana całkowitego spinu J i parytet R układu, w drugim przypadku przyrost masy następuje bez zmian JP. Na przykład mezony z JP= 2 + to pierwsze wzbudzenie orbitalne ( l = 1) mezony z JP = 1 - . Zgodność mezonów 2 + i 1 - mezonów o identycznych strukturach kwarkowych widać wyraźnie na przykładzie wielu par cząstek:

Mezony r” i y” są przykładami promieniowych wzbudzeń odpowiednio mezonów r i y (patrz.

Wzbudzenia orbitalne i radialne generują sekwencje rezonansów odpowiadające tej samej początkowej strukturze kwarku. Brak wiarygodnych informacji o oddziaływaniu kwarków nie pozwala na razie na ilościowe obliczenia widm wzbudzenia i wyciąganie wniosków na temat możliwej liczby takich stanów wzbudzonych.Formułując model kwarków, kwarki traktowano jako hipotetyczne elementy strukturalne, które otwierają się daje możliwość bardzo wygodnego opisu hadronów. Następnie przeprowadzono eksperymenty, które pozwalają mówić o kwarkach jako o rzeczywistych formacjach materialnych wewnątrz hadronów. Pierwszą z nich były eksperymenty dotyczące rozpraszania elektronów przez nukleony pod bardzo dużymi kątami. Eksperymenty te (1968), przypominające klasyczne eksperymenty Rutherforda dotyczące rozpraszania cząstek alfa na atomach, ujawniły obecność naładowanych formacji punktowych wewnątrz nukleonu. Porównanie danych z tych eksperymentów z podobnymi danymi dotyczącymi rozpraszania neutrin na nukleonach (1973-75) pozwoliło wyciągnąć wniosek o średniej kwadratowej wartości ładunku elektrycznego tych formacji punktowych. Wynik okazał się zaskakująco bliski wartości 1/2 [(2/3 mi) 2 +(1 / 3 mi) 2 ]. Badanie procesu powstawania hadronów podczas anihilacji elektronu i pozytonu, który rzekomo przebiega przez sekwencję procesów: ® hadronów, wskazało na obecność dwóch grup hadronów genetycznie spokrewnionych z każdym z powstałych kwarków i sprawiło, że możliwe jest określenie spinu kwarków. Okazało się, że jest to 1/2. Całkowita liczba hadronów powstałych w tym procesie wskazuje również, że kwarki trzech odmian pojawiają się w stanie pośrednim, czyli są trójkolorowe.

Tym samym wprowadzone na podstawie rozważań teoretycznych liczby kwantowe kwarków zostały potwierdzone w szeregu eksperymentów. Kwarki stopniowo zyskują status nowych cząstek elektronowych.Jeśli dalsze badania potwierdzą ten wniosek, to kwarki są poważnymi pretendentami do roli prawdziwych cząstek elektronowych dla hadronowej formy materii. Do długości ~ 10 -15 cm kwarki działają jak bezstrukturalne formacje punktowe. Liczba znanych typów kwarków jest niewielka. W przyszłości może to się oczywiście zmienić: nie można zagwarantować, że przy wyższych energiach hadrony o nowych liczbach kwantowych, wynikające z istnienia nowych typów kwarków, nie zostaną odkryte. Wykrycie Y-mezony potwierdzają ten punkt widzenia. Jest jednak całkiem możliwe, że wzrost liczby kwarków będzie niewielki i że ogólne zasady narzucają ograniczenia na całkowitą liczbę kwarków, chociaż te ograniczenia nie są jeszcze znane. Być może brak struktury kwarków odzwierciedla jedynie osiągnięty poziom badań nad tymi formacjami materialnymi. Jednak szereg specyficznych cech kwarków daje pewne podstawy do przyjęcia, że ​​kwarki są cząstkami, które uzupełniają łańcuch składników strukturalnych materii.

Kwarki różnią się od wszystkich innych cząstek elektronów tym, że nie zaobserwowano ich jeszcze w stanie wolnym, chociaż istnieją dowody na ich istnienie w stanie związanym. Jedną z przyczyn braku obserwacji kwarków może być ich bardzo duża masa, która uniemożliwia ich wytwarzanie przy energiach współczesnych akceleratorów. Możliwe jest jednak, że kwarki zasadniczo, ze względu na specyfikę swojego oddziaływania, nie mogą znajdować się w stanie swobodnym. Istnieją argumenty teoretyczne i eksperymentalne przemawiające za tym, że siły działające pomiędzy kwarkami nie słabną wraz z odległością. Oznacza to, że do oddzielenia kwarków od siebie potrzeba nieskończenie więcej energii, w przeciwnym razie pojawienie się kwarków w stanie swobodnym jest niemożliwe. Brak możliwości wyodrębnienia kwarków w stanie swobodnym czyni z nich zupełnie nowy rodzaj jednostek strukturalnych materii. Nie jest jasne na przykład, czy można podnosić kwestię części składowych kwarków, jeśli samych kwarków nie można obserwować w stanie swobodnym. Możliwe, że w tych warunkach części kwarków w ogóle nie manifestują się fizycznie, dlatego kwarki pełnią rolę ostatniego etapu fragmentacji materii hadronowej.

Cząstki elementarne i kwantowa teoria pola.

Aby opisać właściwości i interakcje cząstek elektronów we współczesnej teorii, niezbędne jest pojęcie fizyki. pole, które jest przypisane do każdej cząstki. Pole jest specyficzną formą materii; jest on opisany funkcją określoną we wszystkich punktach ( X)przestrzeni i posiadające pewne właściwości transformacyjne w odniesieniu do transformacji grupy Lorentza (skalar, spinor, wektor itp.) oraz grup o „wewnętrznych” symetrii (skalar izotopowy, spinor izotopowy itp.). Pole elektromagnetyczne o właściwościach wektora czterowymiarowego A m (x) (m = 1, 2, 3, 4) jest historycznie pierwszym przykładem pola fizycznego. Pola porównywane z cząstkami E. mają charakter kwantowy, to znaczy ich energia i pęd składają się z wielu części. części - kwanty, a energia E k i pęd p k kwantu powiązane są zależnością szczególnej teorii względności: E k 2 = p k 2 do 2 + m 2 do 2 . Każdy taki kwant jest cząstką elektronu o danej energii E k, pędzie p k i masie m. Kwanty pola elektromagnetycznego to fotony, kwanty pozostałych pól odpowiadają wszystkim innym znanym cząstkom elektronów. Pole jest zatem ciałem fizycznym odzwierciedlenie istnienia nieskończonych zbiorów cząstek – kwantów. Specjalny aparat matematyczny kwantowej teorii pola umożliwia opisanie narodzin i zniszczenia cząstki w każdym punkcie x.

Właściwości transformacyjne pola determinują wszystkie liczby kwantowe cząstek E. Właściwości transformacyjne w odniesieniu do transformacji czasoprzestrzennych (grupa Lorentza) determinują spin cząstek. Zatem skalar odpowiada spinowi 0, spinorowi - spinowi 1/2, wektorowi - spinowi 1 itd. Istnienie takich liczb kwantowych jak L, B, 1, Y, Ch oraz dla kwarków i gluonów wynika z "koloru" z właściwości transformacyjnych pól w odniesieniu do transformacji „przestrzeni wewnętrznych” („przestrzeni ładunkowej”, „przestrzeni izotopowej”, „przestrzeni unitarnej” itp.). W szczególności istnienie „koloru” w kwarkach wiąże się ze specjalną „kolorową” przestrzenią jednostkową. Wprowadzenie „przestrzeni wewnętrznych” do aparatu teoretycznego jest w dalszym ciągu zabiegiem czysto formalnym, co jednak może służyć jako wskazówka, że ​​wymiar czasoprzestrzeni fizycznej, odzwierciedlony we właściwościach E. Ch., jest w rzeczywistości większy niż cztery - wymiar czasoprzestrzeni charakterystyczny dla wszystkich makroskopowych procesów fizycznych. Masa elektronu nie jest bezpośrednio związana z właściwościami transformacyjnymi pól; to jest ich dodatkowa cecha.

Aby opisać procesy zachodzące z cząstkami elektronów, należy wiedzieć, w jaki sposób różne pola fizyczne są ze sobą powiązane, czyli znać dynamikę pól. We współczesnym aparacie kwantowej teorii pola informacja o dynamice pól zawarta jest w specjalnej wielkości wyrażonej poprzez pola - Lagrangianu (a dokładniej gęstości Lagrangianu) L. Znajomość L pozwala w zasadzie obliczyć prawdopodobieństwa przejścia z jednego zestawu cząstek do drugiego pod wpływem różnych oddziaływań. Prawdopodobieństwa te dane są przez tzw. macierz rozpraszania (W. Heisenberg, 1943), wyrażona za pomocą L. Lagrangianu L składa się z Lagrangianu L, który opisuje zachowanie wolnych pól, oraz Lagrangianu interakcji, L, zbudowanego z pól różnych cząstek i odzwierciedlającego możliwość ich wzajemne przemiany. Znajomość Lz jest decydująca dla opisu procesów za pomocą E. h.

Postać L3 jest jednoznacznie określona przez właściwości transformacyjne pól względnej grupy Lorentza i wymóg niezmienności względem tej grupy (niezmienniczość relatywistyczna). Przez długi czas nie były jednak znane kryteria znalezienia L3 (z wyjątkiem oddziaływań elektromagnetycznych), a informacje o oddziaływaniach cząstek elektromagnetycznych uzyskane z eksperymentów w większości przypadków nie pozwalały na miarodajny wybór pomiędzy różnymi możliwościami. W tych warunkach rozpowszechniło się fenomenologiczne podejście do opisu interakcji, polegające albo na wyborze najprostszych form L in, prowadzących do obserwowalnych procesów, albo na bezpośrednim badaniu charakterystycznych właściwości elementów macierzy rozpraszania. Na tej ścieżce osiągnięto znaczny sukces w opisywaniu procesów z cząstkami elektronowymi dla różnych wybranych obszarów energii. Jednak wiele parametrów teorii zostało zapożyczonych z eksperymentu, a samo podejście nie mogło rościć sobie prawa do uniwersalności.

W latach 50-70. Dokonano znacznego postępu w zrozumieniu struktury L3, co umożliwiło znaczne udoskonalenie jego formy dla oddziaływań silnych i słabych. Decydującą rolę w tym postępie odegrało wyjaśnienie ścisłego związku pomiędzy właściwościami symetrii oddziaływań cząstek elektronowych a kształtem Lv.

Symetria oddziaływań cząstek elektronowych znajduje odzwierciedlenie w istnieniu praw zachowania pewnych wielkości fizycznych, a co za tym idzie, w zachowaniu liczb kwantowych cząstek elektronowych z nimi związanych (patrz Prawa zachowania). Dokładna symetria, która występuje dla wszystkich klas oddziaływań, odpowiada obecności dokładnych liczb kwantowych w elektronach; przybliżona symetria, charakterystyczna tylko dla niektórych klas oddziaływań (silnych, elektromagnetycznych), prowadzi do niedokładnych liczb kwantowych. Wskazana powyżej różnica klas oddziaływań w odniesieniu do zachowania liczb kwantowych elektronów odzwierciedla różnice we właściwościach ich symetrii.

Znana forma L vz el. m. dla oddziaływań elektromagnetycznych jest konsekwencją istnienia oczywistej symetrii Lagrangianu L w odniesieniu do mnożenia zespolonych pól j cząstek naładowanych w nim zawartych w kombinacjach typu j*j (tu *oznacza koniugację zespoloną) przez współczynnik e ia, gdzie a jest dowolną liczbą rzeczywistą. Z tej symetrii wynika z jednej strony prawo zachowania ładunku elektrycznego, z drugiej strony, jeśli wymagamy spełnienia symetrii pod warunkiem, że a arbitralnie zależy od punktu x czasoprzestrzeni, to jednoznacznie prowadzi do Lagrangianu interakcji:

L w górę el. m. = jm el. m. (x) A m (x) (1)

gdzie jm el. m. - czterowymiarowy prąd elektromagnetyczny (patrz Oddziaływania elektromagnetyczne). Jak się okazuje, wynik ten ma znaczenie ogólne. We wszystkich przypadkach, gdy oddziaływania wykazują symetrię „wewnętrzną”, tj. Lagrangian jest niezmienniczy przy przekształceniach „przestrzeni wewnętrznej”, a odpowiadające im liczby kwantowe powstają w liczbach E., należy wymagać, aby niezmienność zachodziła dla dowolnej zależności parametry transformacji w punkcie x (tzw. niezmienność cechowania lokalnego; Yang Zhen-ning, amerykański fizyk R. Mills, 1954). Fizycznie wymóg ten wynika z faktu, że interakcji nie można natychmiast przenieść z punktu do punktu. Warunek ten jest spełniony, gdy wśród pól wchodzących w skład Lagrangianu znajdują się pola wektorowe (analogi Am (x)), które zmieniają się podczas transformacji „wewnętrznej” symetrii i oddziałują z polami cząstek w bardzo specyficzny sposób, a mianowicie:

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

gdzie j m r (x) to prądy złożone z pól cząsteczkowych, V m r (x) to pola wektorowe, często nazywane polami cechowania. Zatem wymóg lokalności „wewnętrznej” symetrii ustala postać L i identyfikuje pola wektorowe jako uniwersalne nośniki oddziaływań. Właściwości pól wektorowych i ich liczba „n” są określone przez właściwości „wewnętrznej” grupy symetrii. Jeśli symetria jest dokładna, to masa kwantu pola V m r jest równa 0. Dla przybliżonej symetrii masa kwantu pola wektorowego jest różna od zera. Rodzaj prądu j m r wyznaczają pola cząstek o niezerowych liczbach kwantowych, związane z „wewnętrzną” grupą symetrii.

W oparciu o zarysowane powyżej zasady okazało się możliwe podejście do zagadnienia oddziaływania kwarków w nukleonie. Eksperymenty z rozpraszaniem neutrin i antyneutrin przez nukleony wykazały, że pęd nukleonu tylko częściowo (około 50%) przenoszony jest przez kwarki, a pozostałą część przez inny rodzaj materii, która nie oddziałuje z neutrinami. Prawdopodobnie ta część materii składa się z cząstek, które podlegają wymianie pomiędzy kwarkami i dzięki temu są utrzymywane w nukleonie. Cząsteczki te nazywane są „gluonami” (od angielskiego kleju – klej). Z powyższego punktu widzenia oddziaływań naturalne jest traktowanie tych cząstek jako cząstek wektorowych. We współczesnej teorii ich istnienie wiąże się z symetrią, która decyduje o pojawieniu się „koloru” w kwarkach. Jeśli ta symetria jest dokładna (symetria koloru SU (3)), to gluony są cząstkami bezmasowymi, a ich liczba wynosi osiem (amerykański fizyk I. Nambu, 1966). Oddziaływanie kwarków z gluonami jest określone przez L vz ze strukturą (2), gdzie prąd j m r składa się z pól kwarkowych. Istnieją również podstawy, aby przypuszczać, że oddziaływanie kwarków, spowodowane wymianą bezmasowych gluonów, prowadzi do powstania sił między kwarkami, które nie zmniejszają się wraz z odległością, ale nie zostało to rygorystycznie udowodnione.

W zasadzie wiedza o oddziaływaniach pomiędzy kwarkami mogłaby być podstawą do opisu oddziaływań wszystkich hadronów między sobą, czyli wszystkich oddziaływań silnych. Ten kierunek w fizyce hadronów szybko się rozwija.

Zastosowanie zasady wyznaczającej rolę symetrii (w tym przybliżonej) w tworzeniu struktury oddziaływań umożliwiło także postęp w zrozumieniu natury Lagrangianu oddziaływań słabych. Jednocześnie odkryto głębokie wewnętrzne powiązanie pomiędzy oddziaływaniami słabymi i elektromagnetycznymi. W tym podejściu obecność par leptonów o tym samym ładunku leptonowym: e - , ve i m - , v m , ale o różnych masach i ładunkach elektrycznych, uważa się nie za przypadkową, ale za odzwierciedlającą istnienie złamanej symetrii układu izotonicznego typ (grupa SU (2)). Zastosowanie zasady lokalności do tej „wewnętrznej” symetrii prowadzi do charakterystycznego Lagrangianu (2), w którym powstają jednocześnie człony odpowiedzialne za oddziaływania elektromagnetyczne i słabe (amerykański fizyk S. Weinberg, 1967; A. Salam, 1968):

L powietrze = j m el. m. + A m + j m sl. H. W m + + jot m sl. H. W m - + j m sl. N. Z m 0 (3)

Tutaj j m sl. H. , j m sl. N. - naładowane i neutralne prądy oddziaływań słabych, zbudowane z pól leptonów, W m +, W m -, Z m 0 - pola masywnych (w wyniku łamania symetrii) cząstek wektorowych, które w tym schemacie są nośnikami słabych oddziaływań ( tzw. bozony pośrednie), A m – pole fotonowe. Pomysł istnienia naładowanego bozonu pośredniego wysunięto już dawno temu (H. Yukawa, 1935). Ważne jest jednak, że w tym modelu jednolitej teorii oddziaływań magnetycznych i słabych elektronów, naładowany bozon pośredni występuje na równi z fotonem i obojętnym bozonem pośrednim. Procesy oddziaływań słabych wywołane prądami neutralnymi odkryto w 1973 roku, co potwierdza słuszność zarysowanego powyżej podejścia do formułowania dynamiki oddziaływań słabych. Możliwe są również inne opcje zapisu Lagrangianu L z dużą liczbą obojętnych i naładowanych bozonów pośrednich; Dane eksperymentalne nie są jeszcze wystarczające do ostatecznego wyboru Lagrangianu.

Bozony pośrednie nie zostały jeszcze odkryte eksperymentalnie. Z dostępnych danych wynika, że ​​masy W ± i Z 0 dla modelu Weinberga-Salama szacuje się na około 60 i 80 GeV.

Oddziaływania elektromagnetyczne i słabe kwarków można opisać w ramach modelu podobnego do modelu Weinberga-Salama. Uwzględnienie na tej podstawie oddziaływań elektromagnetycznych i słabych hadronów daje dobrą zgodność z obserwowanymi danymi. Częstym problemem przy konstruowaniu takich modeli jest wciąż nieznana całkowita liczba kwarków i leptonów, co nie pozwala na określenie rodzaju początkowej symetrii i charakteru jej naruszenia. Dlatego bardzo ważne są dalsze badania eksperymentalne.

Pojedyncze pochodzenie oddziaływań elektromagnetycznych i słabych oznacza, że ​​teoretycznie stała oddziaływania słabego zanika jako niezależny parametr. Jedyną stałą pozostaje ładunek elektryczny e. Tłumienie słabych procesów przy niskich energiach tłumaczy się dużą masą bozonów pośrednich. Przy energiach środka układu mas porównywalnych z masami bozonów pośrednich skutki oddziaływań elektromagnetycznych i słabych powinny być tego samego rzędu. Te ostatnie będą się jednak różnić niezachowaniem szeregu liczb kwantowych (P, Y, Ch itp.).

Podejmowane są próby ujednoliconego rozpatrywania nie tylko oddziaływań elektromagnetycznych i słabych, ale także oddziaływań silnych. Punktem wyjścia do takich prób jest założenie jednakowego charakteru wszystkich rodzajów oddziaływań cząstek elektronowych (bez oddziaływania grawitacyjnego). Uważa się, że zaobserwowane silne różnice między interakcjami wynikają ze znacznego złamania symetrii. Próby te nie są jeszcze dostatecznie rozwinięte i napotykają poważne trudności, zwłaszcza w wyjaśnieniu różnic we właściwościach kwarków i leptonów.

Opracowanie metody otrzymywania Lagrangianu oddziaływania, opartej na wykorzystaniu właściwości symetrii, było ważnym krokiem na drodze do dynamicznej teorii cząstek elementarnych.Istnieją podstawy sądzić, że teorie pola cechowania będą istotnym elementem dalszych konstrukcji teoretycznych.

Wniosek

Niektóre ogólne problemy teorii cząstek elementarnych. Najnowsze osiągnięcia fizyki cząstek elektronowych wyraźnie odróżniają od wszystkich cząstek elektronowych grupę cząstek, które w istotny sposób determinują specyfikę procesów zachodzących w mikroświecie. Cząstki te są potencjalnymi kandydatami na rolę prawdziwych cząstek elektronowych.Należą do nich: cząstki o spinie 1/2 – leptony i kwarki, a także cząstki o spinie 1 – gluony, fotony, masywne bozony pośrednie, które przeprowadzają różnego rodzaju oddziaływania cząstek o spinie 12 . Do tej grupy najprawdopodobniej należy także cząstka o spinie 2 – grawiton; kwant pola grawitacyjnego, który łączy wszystkie cząstki elektronów.W tym schemacie wiele pytań wymaga jednak dalszych badań. Nie wiadomo, jaka jest całkowita liczba leptonów, kwarków i różnych cząstek wektorowych (przy J = 1) oraz czy istnieją zasady fizyczne określające tę liczbę. Powody podziału cząstek o spinie 1/2 na 2 różne grupy: leptony i kwarki są niejasne. Pochodzenie wewnętrznych liczb kwantowych leptonów i kwarków (L, B, 1, Y, Ch) oraz takich cech kwarków i gluonów jak „kolor” jest niejasne. Jakie stopnie swobody są powiązane z wewnętrznymi liczbami kwantowymi? Ze zwykłą czterowymiarową czasoprzestrzenią związane są tylko takie cechy cząstki elektronu, jak J i P. Jaki mechanizm determinuje masy prawdziwej cząstki elektronu? Jaka jest przyczyna występowania różnych klas oddziaływań w elektronach o różnych właściwościach symetrii? Te i inne pytania będą musiały zostać rozwiązane przez przyszłą teorię E. rozdz.

Jak zauważono, opis oddziaływań cząstek elektronów jest powiązany z teoriami pola cechowania. Teorie te mają rozwinięty aparat matematyczny, który pozwala na obliczenia procesów z cząstkami elektronowymi (przynajmniej w zasadzie) na tym samym poziomie rygorystyczności, co w elektrodynamice kwantowej. Ale w swojej obecnej formie teorie pola cechowania mają jedną poważną wadę, wspólną dla elektrodynamiki kwantowej - w procesie obliczeń pojawiają się w nich bezsensowne, nieskończenie duże wyrażenia. Stosując specjalną technikę redefinicji wielkości obserwowalnych (masy i ładunku) – renormalizację – możliwe jest wyeliminowanie nieskończoności z końcowych wyników obliczeń. W najlepiej poznanej elektrodynamice nie wpływa to jeszcze na zgodność przewidywań teoretycznych z eksperymentem. Procedura renormalizacyjna jest jednak czysto formalnym ominięciem trudności istniejącej w aparacie teoretycznym, która przy pewnym poziomie dokładności powinna wpływać na stopień zgodności obliczeń z pomiarami.

Pojawianie się nieskończoności w obliczeniach wynika z faktu, że w Lagrangianach oddziaływań pola różnych cząstek odnoszone są do jednego punktu x, czyli zakłada się, że cząstki są punktowe, a czterowymiarowa czasoprzestrzeń pozostaje płaska aż do najmniejsze odległości. W rzeczywistości założenia te są najwyraźniej błędne z kilku powodów: a) prawdziwe elementy E. najprawdopodobniej są obiektami materialnymi o skończonym zakresie; b) właściwości czasoprzestrzeni w małej (w skali wyznaczanej przez tzw. długość podstawową) najprawdopodobniej radykalnie różnią się od jej właściwości makroskopowych; c) w najmniejszych odległościach (~ 10 -33 cm) wpływa na zmianę właściwości geometrycznych czasoprzestrzeni pod wpływem grawitacji. Być może te przyczyny są ze sobą ściśle powiązane. Zatem uwzględnienie grawitacji w najbardziej naturalny sposób prowadzi do wielkości prawdziwej cząstki E. rzędu 10 -33 cm, a długość podstawy l 0 można powiązać ze stałą grawitacji f: "10 -33 cm Każdy z tych powodów powinien prowadzić do modyfikacji teorii i wyeliminowania nieskończoności, chociaż praktyczne wdrożenie tej modyfikacji może być dość złożone.

Bardzo interesujące wydaje się uwzględnienie wpływu grawitacji na krótkich dystansach. Oddziaływanie grawitacyjne może nie tylko wyeliminować rozbieżności w kwantowej teorii pola, ale także określić samo istnienie materii pierwotnej (M. A. Markov, 1966). Jeśli gęstość prawdziwej substancji E.H. jest wystarczająco duża, przyciąganie grawitacyjne może być czynnikiem determinującym stabilne istnienie tych formacji materialnych. Wymiary takich formacji powinny wynosić ~10 -33 cm, w większości eksperymentów będą zachowywać się jak obiekty punktowe, ich oddziaływanie grawitacyjne będzie znikome i będzie pojawiać się tylko w najmniejszych odległościach, w obszarze, w którym geometria przestrzeni zmienia się znacząco.

Zatem wyłaniającą się tendencję do jednoczesnego uwzględniania różnych klas oddziaływań cząstek elektronowych należy najprawdopodobniej logicznie dopełnić poprzez uwzględnienie w ogólnym schemacie oddziaływania grawitacyjnego. To właśnie na podstawie jednoczesnego uwzględnienia wszystkich rodzajów oddziaływań można najprawdopodobniej spodziewać się powstania przyszłej teorii cząstek elektronowych.

Bibliografia

1) Markov MA O naturze materii. M., 1976

2) Gaziorovich S. Fizyka cząstek elementarnych, przeł. z języka angielskiego, M. 1969

3) Kokkede Ya., Teoria kwarków, przeł. z języka angielskiego, M., 1971

4) I., Ioffe B.L., Okun L.B., Nowe cząstki elementarne, „Advances in Physical Sciences”, 1975, t. 117, t. 2. 2, s. 227

5) Bogolyubov N.N., Shirkov D.V., Wprowadzenie do teorii pól skwantowanych, wyd. 3, M., 1976;

6) Wiadomości z fizyki podstawowej, przeł. z języka angielskiego, M., 1977, s. 120-240 .

Federalna państwowa instytucja edukacyjna

wyższe wykształcenie zawodowe

„POŁUDNIOWY UNIWERSYTET FEDERALNY”

Wydział Ekonomii

Cząstki elementarne.

Ich klasyfikacja i podstawowe właściwości.

Wykonano

Studentka I roku, grupa 11

Bublikowa Ekaterina

Rostów nad Donem – 2009

Wstęp. Świat cząstek elementarnych.

Podstawowe interakcje fizyczne.

1. Powaga.

   Oddziaływanie elektromagnetyczne.

   Słaba interakcja.

   Silna interakcja.

Klasyfikacja cząstek elementarnych.

1. Charakterystyka cząstek subatomowych.

   Historia odkrycia cząstek elementarnych.

2.5. Teoria kwarków.

2.6. Cząstki są nośnikami oddziaływań.

3. Teorie cząstek elementarnych.

3.1. Elektrodynamika kwantowa.

3.2. Teoria oddziaływań elektrosłabych.

3.3. Chromodynamika kwantowa.

3.4. W drodze do... Wielkiego Zjednoczenia.

Wykaz używanej literatury.

Świat cząstek elementarnych.

W połowie i drugiej połowie XX wieku uzyskano naprawdę zdumiewające wyniki w tych gałęziach fizyki, które badają podstawową strukturę materii. Przede wszystkim przejawiło się to w odkryciu całego szeregu nowych cząstek subatomowych. Nazywa się je zwykle cząstkami elementarnymi, ale nie wszystkie z nich są naprawdę elementarne. Cząstki elementarne w ścisłym tego słowa znaczeniu to cząstki pierwotne, dalsze nierozkładalne, z których rzekomo składa się wszelka materia, ale wiele z nich z kolei składa się z jeszcze większej liczby cząstek elementarnych.

Świat cząstek subatomowych jest naprawdę różnorodny. Obecnie znanych jest ponad 350 cząstek elementarnych. Należą do nich protony i neutrony tworzące jądra atomowe, a także elektrony krążące wokół jąder. Ale są też cząstki, których praktycznie nigdy nie spotyka się w otaczającej nas materii. Jeśli średni czas życia neutronu znajdującego się poza jądrem atomowym wynosi 15 minut, to czas życia takich krótkotrwałych cząstek jest niezwykle krótki i wynosi najmniejsze ułamki sekundy. Po tym niezwykle krótkim czasie rozpadają się na zwykłe cząstki. Istnieje niesamowita liczba takich niestabilnych, krótkotrwałych cząstek: znanych jest już kilkaset z nich. Nie można jednak uważać, że niestabilne cząstki elementarne „składają się” ze stabilnych, choćby dlatego, że ta sama cząstka może rozpaść się na kilka sposobów na różne cząstki elementarne.

Każda cząstka elementarna (z wyjątkiem cząstek absolutnie obojętnych) ma swoją antycząstkę.

Fizycy odkryli istnienie cząstek elementarnych podczas badania procesów jądrowych, dlatego do połowy XX wieku fizyka cząstek elementarnych była gałęzią fizyki jądrowej. Obecnie fizyka cząstek elementarnych i fizyka jądrowa to bliskie, choć niezależne gałęzie fizyki, które łączy wspólność wielu rozpatrywanych problemów i stosowanych metod badawczych. Głównym zadaniem fizyki cząstek elementarnych jest badanie natury, właściwości i wzajemnych przemian cząstek elementarnych.

W latach sześćdziesiątych i siedemdziesiątych fizycy byli całkowicie zaskoczeni liczbą, różnorodnością i dziwnością nowo odkrytych cząstek subatomowych. Wydawało się, że nie mają końca. Nie jest całkowicie jasne, dlaczego jest tak wiele cząstek. Czy te cząstki elementarne są chaotycznymi i przypadkowymi fragmentami materii? A może kryją w sobie klucz do zrozumienia budowy Wszechświata? Rozwój fizyki w kolejnych dziesięcioleciach pokazał, że nie ma wątpliwości co do istnienia takiej konstrukcji. Pod koniec XX wieku fizyka zaczyna rozumieć znaczenie każdej z cząstek elementarnych.

Świat cząstek subatomowych charakteryzuje się głębokim i racjonalnym porządkiem. Porządek ten opiera się na podstawowych interakcjach fizycznych.

1. Podstawowe interakcje fizyczne.

W życiu codziennym człowiek styka się z wieloma siłami działającymi na jego ciało. Oto siła wiatru lub nadchodzącego strumienia wody, ciśnienie powietrza, potężne uwolnienie wybuchowych chemikaliów, siła mięśni człowieka, ciężar ciężkich przedmiotów, ciśnienie kwantów światła, przyciąganie i odpychanie ładunków elektrycznych, fale sejsmiczne które czasami powodują katastrofalne zniszczenia, erupcje wulkanów, które doprowadziły do ​​​​zagłady cywilizacji itp. Niektóre siły działają bezpośrednio w kontakcie z ciałem, inne, np. Grawitacja, działają na odległość, poprzez przestrzeń. Jednak, jak się okazało w wyniku rozwoju teoretycznych nauk przyrodniczych, pomimo tak dużej różnorodności, wszystkie siły działające w przyrodzie można sprowadzić do zaledwie czterech podstawowych oddziaływań: grawitacyjnego, elektromagnetycznego, słabego i silnego. To właśnie te interakcje są ostatecznie odpowiedzialne za wszelkie zmiany w świecie, są źródłem wszelkich przemian ciał i procesów. Cząstki elementarne dzielą się na grupy ze względu na ich zdolność do różnego rodzaju oddziaływań podstawowych. Badanie właściwości oddziaływań fundamentalnych jest głównym zadaniem współczesnej fizyki.

1.1. Powaga.

W historii fizyki grawitacja (grawitacja) stała się pierwszym z czterech podstawowych oddziaływań, które stały się przedmiotem badań naukowych. Po pojawieniu się w XVII w. Teoria grawitacji Newtona – prawo powszechnego ciążenia – po raz pierwszy zdołała uświadomić sobie prawdziwą rolę grawitacji jako siły natury. Grawitacja ma wiele cech, które odróżniają ją od innych podstawowych oddziaływań.

Najbardziej zaskakującą cechą grawitacji jest jej niski poziom intensywność. Wielkość oddziaływania grawitacyjnego pomiędzy składnikami atomu wodoru wynosi 10n, gdzie n = -39, w oparciu o siłę oddziaływania ładunków elektrycznych. Może wydawać się zaskakujące, że w ogóle odczuwamy grawitację, ponieważ jest ona tak słaba. Jak może stać się dominującą siłą we Wszechświecie?

Chodzi o drugą niesamowitą cechę grawitacji – jej uniwersalność. Nic we Wszechświecie nie jest wolne od grawitacji. Każda cząstka doświadcza działania grawitacji i sama jest jej źródłem. Ponieważ każda cząsteczka materii wywiera przyciąganie grawitacyjne, grawitacja wzrasta w miarę tworzenia się większych skupisk materii. W życiu codziennym odczuwamy grawitację, ponieważ wszystkie atomy Ziemi współpracują, aby nas przyciągnąć. I chociaż efekt przyciągania grawitacyjnego jednego atomu jest znikomy, wynikająca z tego siła przyciągania wszystkich atomów może być znacząca.

Grawitacja - dalekosiężna siła natury. Oznacza to, że chociaż intensywność oddziaływania grawitacyjnego maleje wraz z odległością, rozprzestrzenia się ono w przestrzeni i może oddziaływać na ciała bardzo odległe od źródła. W skali astronomicznej główną rolę odgrywają oddziaływania grawitacyjne. Dzięki działaniu dalekiego zasięgu grawitacja zapobiega rozpadowi Wszechświata: utrzymuje planety na orbitach, gwiazdy w galaktykach, galaktyki w gromadach, gromady w Metagalaktyce.

Siła grawitacji działająca pomiędzy cząsteczkami jest zawsze siłą przyciągającą: ma tendencję do zbliżania cząstek do siebie. Nigdy wcześniej nie zaobserwowano odpychania grawitacyjnego (choć w tradycji mitologii quasi-naukowej istnieje cała dziedzina zwana lewitacją – poszukiwaniem „faktów” antygrawitacji). Ponieważ energia zgromadzona w dowolnej cząstce jest zawsze dodatnia i nadaje jej dodatnią masę, cząstki pod wpływem grawitacji zawsze mają tendencję do zbliżania się.

Czym jest grawitacja, pewne pole lub przejaw krzywizny czasoprzestrzeni - wciąż nie ma jasnej odpowiedzi na to pytanie. Istnieją różne opinie i koncepcje fizyków na ten temat.

1.2. Oddziaływanie elektromagnetyczne.

Siły elektryczne są znacznie większe niż siły grawitacyjne. W przeciwieństwie do słabego oddziaływania grawitacyjnego, siły elektryczne działające pomiędzy ciałami o normalnej wielkości można łatwo zaobserwować. Elektromagnetyzm jest znany ludziom od niepamiętnych czasów (zorze, błyskawice itp.).

Przez długi czas badano procesy elektryczne i magnetyczne niezależnie od siebie. Decydujący krok w wiedzy o elektromagnetyzmie dokonał w połowie XIX wieku J. C. Maxwell, który połączył elektryczność i magnetyzm w jednolitą teorię elektromagnetyzmu – pierwszą zunifikowaną teorię pola.

Istnienie elektronu zostało mocno ugruntowane w latach 90. ubiegłego wieku. Obecnie wiadomo, że ładunek elektryczny dowolnej cząstki materii jest zawsze wielokrotnością podstawowej jednostki ładunku - rodzaju „atomu” ładunku. Dlaczego tak się dzieje, to niezwykle interesujące pytanie. Jednak nie wszystkie cząstki materialne są nośnikami ładunku elektrycznego. Na przykład foton i neutrino są elektrycznie obojętne. Pod tym względem elektryczność różni się od grawitacji. Wszystkie cząstki materialne tworzą pole grawitacyjne, natomiast jedynie cząstki naładowane są skojarzone z polem elektromagnetycznym. Nośnikiem oddziaływania elektromagnetycznego pomiędzy naładowanymi cząstkami jest pole elektromagnetyczne, czyli kwanty pola – fotony.

Podobnie jak ładunki elektryczne, tak jak bieguny magnetyczne odpychają się, a przeciwne przyciągają. Jednak w przeciwieństwie do ładunków elektrycznych, bieguny magnetyczne nie występują pojedynczo, lecz jedynie parami – biegun północny i biegun południowy. Od czasów starożytnych znane były próby uzyskania przez podzielenie magnesu tylko jednego izolowanego bieguna magnetycznego - monopolu. Ale wszystkie zakończyły się porażką. Być może wykluczone jest istnienie izolowanych biegunów magnetycznych w przyrodzie? Na to pytanie nie ma jeszcze jednoznacznej odpowiedzi. Niektóre koncepcje teoretyczne dopuszczają możliwość istnienia monopolu.

Podobnie jak oddziaływania elektryczne i grawitacyjne, oddziaływanie biegunów magnetycznych podlega prawu odwrotnych kwadratów. W rezultacie siły elektryczne i magnetyczne mają charakter „dalekiego zasięgu”, a ich działanie jest odczuwalne w dużych odległościach od źródła. Zatem ziemskie pole magnetyczne rozciąga się daleko w przestrzeń kosmiczną. Potężne pole magnetyczne Słońca wypełnia cały Układ Słoneczny. Istnieją również galaktyczne pola magnetyczne.

Oddziaływanie elektromagnetyczne determinuje budowę atomów i jest odpowiedzialne za zdecydowaną większość zjawisk i procesów fizycznych i chemicznych. Oddziaływanie elektromagnetyczne prowadzi również do emisji fal elektromagnetycznych.

1.3. Słaba interakcja.

Fizyka powoli zmierza w kierunku ustalenia istnienia oddziaływania słabego. Oddziaływanie słabe jest odpowiedzialne za rozpady cząstek, dlatego jego manifestację skonfrontowano z odkryciem radioaktywności i badaniem rozpadu beta.

Rozpad beta ujawnił niezwykle dziwną cechę. Badania doprowadziły do ​​wniosku, że rozpad ten narusza jedno z podstawowych praw fizyki – prawo zachowania energii. Wydawało się, że w tym rozpadzie część energii gdzieś zniknęła. Aby „uratować” prawo zachowania energii, W. Pauli zasugerował, że wraz z elektronem podczas rozpadu beta wylatuje kolejna cząstka. Jest neutralny i ma niezwykle wysoką zdolność penetracji, w wyniku czego nie można go było zaobserwować. E. Fermi nazwał niewidzialną cząstkę „neutrinem”.

Neutrino (neutrino włoskie, zdrobnienie od neutronu – neutron), stabilna, nienaładowana cząstka elementarna o spinie 1/2 i możliwie zerowej masie. Neutrina zaliczane są do leptonów. Uczestniczą jedynie w oddziaływaniach słabych i grawitacyjnych, przez co oddziałują niezwykle słabo z materią. Istnieją neutrina elektronowe, zawsze sparowane z elektronem lub pozytonem, neutrina mionowe, sparowane z mionem i neutrina taonowe, związane z ciężkim leptonem. Każdy typ neutrina ma swoją własną antycząstkę, która różni się od neutrin znakiem odpowiedniego ładunku leptonowego i helikalności: neutrina mają lewoskrętną helikalność (spin jest skierowany przeciwnie do ruchu cząstki), a antyneutrina mają prawoskrętną helikalność ( obrót jest zgodny z kierunkiem ruchu).

Ale przewidywanie i wykrywanie neutrin to dopiero początek problemu, jego sformułowanie. Trzeba było wyjaśnić naturę neutrin, ale pozostało tu wiele tajemnic. Faktem jest, że zarówno elektrony, jak i neutrina zostały wyemitowane przez niestabilne jądra. Jednak niezbicie udowodniono, że w jądrach nie ma takich cząstek. Jak powstały? Sugerowano, że elektrony i neutrina nie istnieją w jądrze w „gotowej formie”, ale powstają w jakiś sposób z energii radioaktywnego jądra. Dalsze badania wykazały, że neutrony zawarte w jądrze, pozostawione samym sobie, po kilku minutach rozpadają się na proton, elektron i neutrino, tj. zamiast jednej cząstki pojawiają się trzy nowe. Analiza doprowadziła do wniosku, że znane siły nie mogły spowodować takiego rozpadu. Najwyraźniej została wygenerowana przez jakąś inną, nieznaną siłę. Badania wykazały, że siła ta odpowiada jakiejś słabej interakcji.

Jest znacznie słabszy od elektromagnetycznego, choć silniejszy od grawitacyjnego. Rozprzestrzenia się na bardzo małe odległości. Promień słabego oddziaływania jest bardzo mały i wynosi około 2*10^(-16) cm. Oddziaływanie słabe zatrzymuje się w minimalnej odległości od źródła i dlatego nie może oddziaływać na obiekty makroskopowe, lecz ogranicza się do pojedynczych cząstek subatomowych. Wszystkie cząstki elementarne z wyjątkiem fotonu uczestniczą w oddziaływaniach słabych. Determinuje większość rozpadów cząstek elementarnych, oddziaływanie neutrin z materią itp. Oddziaływanie słabe charakteryzuje się naruszeniem parzystości, obcości i „uroku”. Jednolitą teorię oddziaływania słabego i elektromagnetycznego stworzyli pod koniec lat 60. XX wieku S. Weinberg, S. Glashow i A. Salam. Opisuje oddziaływania kwarków i leptonów, przeprowadzane poprzez wymianę czterech cząstek: bezmasowych fotonów (oddziaływanie elektromagnetyczne) i ciężkich bozonów wektorów pośrednich – cząstek W+, W- i Z°, które są nośnikami oddziaływania słabego (odkrytego doświadczalnie w 1983). Tę pojedynczą interakcję zaczęto nazywać elektrosłabą. Od czasu teorii pola elektromagnetycznego Maxwella stworzenie tej teorii było największym krokiem w kierunku jedności fizyki.

1.4. Silna interakcja.

Ostatnim z szeregu oddziaływań fundamentalnych jest oddziaływanie silne, będące źródłem ogromnej energii. Najbardziej typowym przykładem energii uwalnianej przez oddziaływanie silne jest nasze Słońce. W głębi Słońca i gwiazd, począwszy od pewnego czasu, w sposób ciągły zachodzą reakcje termojądrowe spowodowane silnym oddziaływaniem. Ale człowiek nauczył się także uwalniać oddziaływania silne: stworzono bombę wodorową, opracowano i udoskonalono technologie kontrolowanych reakcji termojądrowych.

Fizyka wpadła na pomysł istnienia silnego oddziaływania podczas badania struktury jądra atomowego. Pewna siła musi utrzymać protony w jądrze, zapobiegając ich rozproszeniu pod wpływem odpychania elektrostatycznego. Grawitacja jest na to za słaba; Oczywiście potrzebne jest jakieś nowe oddziaływanie, w dodatku silniejsze niż elektromagnetyczne. Później odkryto. Okazało się, że chociaż oddziaływanie silne znacznie przewyższa swoją wielkością wszystkie inne oddziaływania podstawowe, to nie jest ono odczuwalne poza jądrem. Promień działania nowej siły okazał się bardzo mały. Oddziaływanie silne gwałtownie maleje w odległości od protonu lub neutronu większej niż około 10^(-15) m.

Ponadto okazało się, że nie wszystkie cząstki ulegają silnym oddziaływaniom. Doświadczają go protony i neutrony, ale elektrony, neutrina i fotony nie podlegają temu. Oznacza to, że w oddziaływaniu silnym uczestniczą tylko hadrony.

Silne oddziaływanie przewyższa oddziaływanie elektromagnetyczne około 100 razy. Teoretyczne wyjaśnienie natury silnego oddziaływania było trudne do opracowania. Przełom nastąpił na początku lat 60., kiedy zaproponowano model kwarkowy. W tej teorii neutrony i protony są uważane nie za cząstki elementarne, ale jako układy złożone zbudowane z kwarków. Współczesna teoria oddziaływania silnego to chromodynamika kwantowa.

Zatem w podstawowych oddziaływaniach fizycznych wyraźnie widać różnicę pomiędzy siłami dalekiego i krótkiego zasięgu. Z jednej strony mamy do czynienia z oddziaływaniami o nieograniczonym zasięgu (grawitacja, elektromagnetyzm), z drugiej zaś oddziaływaniami o krótkim zasięgu (silnym i słabym). Świat elementów fizycznych jako całość rozwija się w jedności tych dwóch biegunów i jest ucieleśnieniem jedności niezwykle małego i niezwykle dużego - działania krótkiego zasięgu w mikroświecie i działania dalekiego zasięgu w całym Wszechświecie.

1,5. Problem jedności fizyki.

Wiedza jest uogólnieniem rzeczywistości, dlatego celem nauki jest poszukiwanie jedności w przyrodzie, łączenie odmiennych fragmentów wiedzy w jeden obraz. Aby stworzyć jednolity system, konieczne jest otwarcie ogniwa łączącego różne gałęzie wiedzy, jakiejś zasadniczej zależności. Poszukiwanie takich powiązań i relacji jest jednym z głównych zadań badań naukowych. Ilekroć możliwe jest nawiązanie takich nowych powiązań, zrozumienie otaczającego świata znacznie się pogłębia, powstają nowe sposoby poznawania, które wskazują drogę do nieznanych wcześniej zjawisk.

Tworzenie głębokich powiązań pomiędzy różnymi obszarami przyrody jest zarówno syntezą wiedzy, jak i metodą ukierunkowującą badania naukowe na nowe, nieprzejezdne drogi. Odkrycie przez Newtona związku między przyciąganiem ciał w warunkach ziemskich a ruchem planet zapoczątkowało narodziny mechaniki klasycznej, na podstawie której budowane są podstawy technologiczne współczesnej cywilizacji. Ustalenie związku pomiędzy termodynamicznymi właściwościami gazu i chaotycznym ruchem cząsteczek stanowi solidną podstawę atomowo-molekularnej teorii materii. W połowie ubiegłego wieku Maxwell stworzył ujednoliconą teorię elektromagnetyczną, która obejmowała zarówno zjawiska elektryczne, jak i magnetyczne. Następnie, w latach 20. XX wieku, Einstein podejmował próby połączenia elektromagnetyzmu i grawitacji w jednej teorii.

Ale w połowie XX wieku sytuacja w fizyce zmieniła się radykalnie: odkryto dwie nowe fundamentalne interakcje - silną i słabą, tj. tworząc ujednoliconą fizykę, należy wziąć pod uwagę nie dwie, ale cztery podstawowe interakcje. To nieco ostudziło zapał tych, którzy liczyli na szybkie rozwiązanie tego problemu. Ale sam pomysł nie był poważnie kwestionowany, a entuzjazm dla idei pojedynczego opisu nie minął.

Istnieje pogląd, że wszystkie cztery (lub co najmniej trzy) oddziaływania reprezentują zjawiska o tej samej naturze i należy znaleźć ich jednolity opis teoretyczny. Perspektywa stworzenia jednolitej teorii świata elementów fizycznych, opartej na jednej fundamentalnej interakcji, pozostaje bardzo atrakcyjna. To główne marzenie fizyków XX wieku. Ale przez długi czas był to tylko sen, i to bardzo niejasny.

Jednak w drugiej połowie XX wieku pojawiły się przesłanki realizacji tego marzenia i pewność, że nie jest to kwestia odległej przyszłości. Wygląda na to, że już niedługo może to stać się rzeczywistością. Zdecydowany krok w stronę jednolitej teorii nastąpił w latach 60. i 70. XX wieku wraz z utworzeniem najpierw teorii kwarków, a następnie teorii oddziaływań elektrosłabych. Istnieją podstawy, by sądzić, że stoimy u progu potężniejszego i głębszego zjednoczenia niż kiedykolwiek wcześniej. Wśród fizyków rośnie przekonanie, że zaczynają wyłaniać się zarysy jednolitej teorii wszystkich podstawowych interakcji – Wielkiego Zjednoczenia.

2. Klasyfikacja cząstek elementarnych.

2.1. Charakterystyka cząstek subatomowych.

Odkrycie na przełomie XIX i XX wieku najmniejszych nośników właściwości materii – cząsteczek i atomów – oraz ustalenie faktu, że cząsteczki zbudowane są z atomów, po raz pierwszy umożliwiło opisanie wszystkich znanych substancji jako kombinacje skończonej, choć dużej liczby elementów strukturalnych - atomów. Dalsza identyfikacja obecności atomów składowych - elektronów i jąder, ustalenie złożonej natury jąder, które okazały się zbudowane tylko z dwóch rodzajów cząstek (protonów i neutronów) , znacznie zmniejszyło liczbę dyskretnych elementów tworzących właściwości materii. Nie można z całą pewnością stwierdzić, że istnieją cząstki elementarne w rozumieniu powyższej definicji. Na przykład protony i neutrony, które przez długi czas uważano za elementarne, jak się okazało, mają złożoną budowę. Nie można wykluczyć, że kolejność składników strukturalnych materii jest zasadniczo nieskończona. Może się też okazać, że stwierdzenie „składa się z…” na którymś etapie badania materii okaże się pozbawione treści. W takim wypadku trzeba będzie porzucić podaną powyżej definicję słowa „elementarny”. Istnienie cząstek elementarnych (subatomowych) jest swego rodzaju postulatem, a sprawdzenie jego zasadności jest jednym z najważniejszych zadań fizyki.

Cechami cząstek subatomowych są masa, ładunek elektryczny, spin (wewnętrzny moment pędu), czas życia cząstki, moment magnetyczny, parzystość przestrzenna, parzystość ładunku, ładunek leptonowy, ładunek barionowy, dziwność, „urok” itp.

Kiedy mówią o masie cząstki, mają na myśli jej masę spoczynkową, ponieważ masa ta nie zależy od stanu ruchu. Cząstka o zerowej masie spoczynkowej porusza się z prędkością światła (foton). Żadne dwie cząstki nie mają tej samej masy. Elektron jest najlżejszą cząstką o niezerowej masie spoczynkowej. Proton i neutron są prawie 2000 razy cięższe od elektronu. A najcięższa znana cząstka elementarna (cząstka Z) ma masę 200 000 razy większą od masy elektronu.

Ładunek elektryczny zmienia się w dość wąskim zakresie i zawsze jest wielokrotnością podstawowej jednostki ładunku - ładunku elektronu (-1). Niektóre cząstki, takie jak foton i neutrino, nie mają żadnego ładunku.

Ważną cechą cząstki jest spin. Nie ma klasycznego odpowiednika i oczywiście wskazuje na „wewnętrzną złożoność” mikroobiektu. To prawda, że ​​​​czasami próbują porównać z koncepcją spinu model obiektu obracającego się wokół własnej osi (samo słowo „spin” jest tłumaczone jako „wrzeciono”). Ten model jest wizualny, ale niepoprawny. W każdym razie nie można tego brać dosłownie. W literaturze spotykane określenie „obracający się mikroobiekt” nie oznacza obrotu mikroobiektu, a jedynie występowanie określonego wewnętrznego momentu pędu. Aby moment ten „zamienił się” w klasyczny moment pędu (a tym samym obiekt faktycznie zaczął się obracać), konieczne jest spełnienie warunku s >> 1 (znacznie więcej niż jeden). Jednak ten warunek nigdy nie jest spełniony. Spin jest zawsze wielokrotnością jakiejś podstawowej jednostki, którą wybiera się jako ½. Wszystkie cząstki tego samego typu mają ten sam spin. Zazwyczaj spiny cząstek mierzy się w jednostkach stałej Plancka ћ. Może to być liczba całkowita (0, 1, 2,...) lub półliczba całkowita (1/2, 3/2,...). Zatem proton, neutron i elektron mają spin S, a spin fotonu jest równy 1. Znane są cząstki o spinie 0, 3/2, 2. Cząstka o spinie 0 wygląda tak samo pod dowolnym kątem obrotu. Cząstki o spinie 1 przyjmują tę samą postać po pełnym obrocie o 360°. Cząstka o spinie 1/2 przyjmuje swój poprzedni wygląd po obrocie o 720° itd. Cząstka o spinie 2 powraca do poprzedniego położenia po pół obrotu (180°). Cząstek o spinie większym niż 2 nie odkryto, a być może w ogóle ich nie ma. Znajomość spinu mikroobiektu pozwala nam ocenić charakter jego zachowania w grupie własnego rodzaju (innymi słowy, pozwala nam ocenić właściwości statystyczne mikroobiektu). Okazuje się, że zgodnie ze swoimi właściwościami statystycznymi wszystkie mikroobiekty w przyrodzie dzielą się na dwie grupy: grupę mikroobiektów o spinie całkowitym i grupę mikroobiektów o spinie półcałkowitym.

Mikroobiekty z pierwszej grupy są w stanie „zapełnić” ten sam stan w nieograniczonej liczbie, przy czym im silniej ten stan jest „zapełniony”, tym liczba ta jest większa. Mówi się, że takie mikroobiekty spełniają statystyki Bosego-Einsteina. W skrócie nazywa się je po prostu bozonami. Mikroobiekty drugiej grupy mogą „zapełniać” stany tylko jeden po drugim. A jeśli dany stan jest zajęty, to żaden mikroobiekt tego typu nie może się do niego przedostać. Mówi się, że takie mikroobiekty podlegają statystyce Fermiego-Diraca i dla uproszczenia nazywane są fermionami. Spośród cząstek elementarnych bozony obejmują fotony i mezony, a fermiony obejmują leptony (w szczególności elektrony), nukleony i hiperony.

Cząstki charakteryzują się także czasem życia. Na podstawie tego kryterium cząstki dzieli się na stabilne i niestabilne. Cząstki trwałe to elektron, proton, foton i neutrino. Neutron jest stabilny, gdy znajduje się w jądrze atomu, ale wolny neutron rozpada się w ciągu około 15 minut. Wszystkie inne znane cząstki są niestabilne, ich czas życia waha się od kilku mikrosekund do 10 n sekund (gdzie n = -23). Oznacza to, że po upływie tego czasu samoistnie, bez żadnych wpływów zewnętrznych, rozpadają się, zamieniając się w inne cząstki. Na przykład neutron spontanicznie rozpada się na proton, elektron i antyneutrino elektronowe. Nie da się dokładnie przewidzieć, kiedy nastąpi wskazany rozpad konkretnego neutronu, ponieważ każde konkretne zdarzenie rozpadu jest losowe. Każda niestabilna cząstka elementarna charakteryzuje się własnym czasem życia. Im krótszy czas życia, tym większe prawdopodobieństwo rozpadu cząstek. Niestabilność jest nieodłączną cechą nie tylko cząstek elementarnych, ale także innych mikroobiektów. Zjawisko radioaktywności (spontaniczne przekształcenie izotopów jednego pierwiastka chemicznego w izotopy drugiego, któremu towarzyszy emisja cząstek) pokazuje, że jądra atomowe mogą być niestabilne. Atomy i cząsteczki w stanach wzbudzonych również okazują się niestabilne: samoistnie przechodzą w stan podstawowy lub mniej wzbudzony.

Niestabilność, określona prawami probabilistycznymi, jest obok obecności spinu drugą wysoce specyficzną właściwością mikroobiektów. Można to również uznać za przejaw pewnej „wewnętrznej złożoności” mikroobiektu.

Jednak niestabilność jest specyficzną, choć w żadnym wypadku nieobowiązkową właściwością mikroobiektu. Oprócz niestabilnych istnieje wiele mikroobiektów stabilnych: foton, elektron, proton, neutrino, stabilne jądra atomowe, a także atomy i cząsteczki w stanie podstawowym.

Ładunek leptonowy (liczba leptonowa) jest wewnętrzną cechą leptonów. Jest on oznaczony literą L. Dla leptonów jest to +1, a dla antyleptonów -1. Wyróżnia się: ładunek leptonu elektronowego, który posiadają wyłącznie elektrony, pozytony, neutrina i antyneutrina elektronowe; mionowy ładunek leptonowy, który posiadają tylko miony oraz neutrina i antyneutrina mionowe; ładunek leptonowy ciężkich leptonów i ich neutrin. Suma algebraiczna ładunku leptonowego każdego typu jest zachowywana z bardzo dużą dokładnością we wszystkich interakcjach.

Ładunek barionowy (liczba barionowa) jest jedną z wewnętrznych cech barionów. Oznaczone literą B. Wszystkie bariony mają B = +1, a ich antycząstki mają B = -1 (dla pozostałych cząstek elementarnych B = 0). Suma algebraiczna ładunków barionowych wchodzących w skład układu cząstek jest zachowana przy wszystkich oddziaływaniach.

Dziwność to liczba całkowita (zero, dodatnia lub ujemna) charakteryzująca hadrony. Dziwność cząstek i antycząstek ma przeciwny znak. Hadrony, w których S jest równe 0, nazywane są dziwnymi. Obcość zostaje zachowana w oddziaływaniach silnych i elektromagnetycznych, ale zostaje naruszona w oddziaływaniach słabych.

„Urok” (urok) to liczba kwantowa charakteryzująca hadrony (lub kwarki). Zachowuje się w oddziaływaniach silnych i elektromagnetycznych, natomiast zostaje naruszona przez oddziaływanie słabe. Cząsteczki o niezerowej wartości uroku nazywane są cząsteczkami „czarowanymi”.

Magneton jest jednostką miary momentu magnetycznego w fizyce atomu, jądra atomowego i cząstek elementarnych. Moment magnetyczny, wywołany ruchem orbitalnym elektronów w atomie i ich spinem, mierzony jest w magnetonach Bohra. Moment magnetyczny nukleonów i jąder mierzy się w magnetonach jądrowych.

Parzystość to kolejna cecha cząstek subatomowych. Parzystość to liczba kwantowa charakteryzująca symetrię funkcji falowej układu fizycznego lub cząstki elementarnej pod pewnymi dyskretnymi przekształceniami: jeśli podczas takiego przekształcenia funkcja nie zmienia znaku, to parzystość jest dodatnia, jeśli tak, to parytet jest ujemny. Dla całkowicie obojętnych cząstek (lub układów), które są identyczne ze swoimi antycząstkami, oprócz parzystości przestrzennej, można wprowadzić pojęcia parzystości ładunku i parzystości złożonej (w przypadku innych cząstek zastąpienie ich antycząstkami zmienia samą funkcję falową).

Parzystość przestrzenna to cecha mechaniki kwantowej, która odzwierciedla właściwości symetrii cząstek elementarnych lub ich układów podczas odbicia lustrzanego (inwersja przestrzenna). Ta parzystość jest oznaczona literą P i jest zachowana we wszystkich interakcjach z wyjątkiem słabych.

Parzystość ładunku - parzystość absolutnie neutralnej cząstki elementarnej lub układu, odpowiadająca działaniu koniugacji ładunku. Parytet ładunku jest również zachowany we wszystkich interakcjach z wyjątkiem słabych.

Połączona parzystość to parzystość absolutnie neutralnej cząstki (lub układu) w stosunku do połączonej inwersji. Złożona parzystość jest zachowana we wszystkich oddziaływaniach, z wyjątkiem rozpadów długożyciowego neutralnego mezonu K, spowodowanych oddziaływaniem słabym (przyczyna tego naruszenia połączonej parzystości nie została jeszcze wyjaśniona).

2.2. Historia odkrycia cząstek elementarnych.

Pomysł, że świat składa się z cząstek elementarnych, ma długą historię. Po raz pierwszy ideę istnienia najmniejszych niewidzialnych cząstek tworzących wszystkie otaczające obiekty wyraził grecki filozof Demokryt 400 lat p.n.e. Cząstki te nazwał atomami, czyli cząstkami niepodzielnymi. Nauka zaczęła posługiwać się ideą atomów dopiero na początku XIX wieku, kiedy na tej podstawie udało się wyjaśnić szereg zjawisk chemicznych. W latach 30. XIX wieku w teorii elektrolizy opracowanej przez M. Faradaya pojawiło się pojęcie jonu i zmierzono ładunek elementarny. Jednak mniej więcej od połowy XIX wieku zaczęły pojawiać się fakty eksperymentalne, które podają w wątpliwość ideę niepodzielności atomów. Wyniki tych eksperymentów sugerują, że atomy mają złożoną strukturę i zawierają cząstki naładowane elektrycznie. Potwierdził to francuski fizyk Henri Becquerel, który odkrył zjawisko radioaktywności w 1896 roku.

Następnie w 1897 roku angielski fizyk Thomson odkrył pierwszą cząstkę elementarną. To właśnie elektron uzyskał w końcu status prawdziwego obiektu fizycznego i stał się pierwszą znaną cząstką elementarną w historii ludzkości. Jego masa jest około 2000 razy mniejsza od masy atomu wodoru i wynosi:

m = 9,11*10^(-31) kg.

Ujemny ładunek elektryczny elektronu nazywa się elementarnym i jest równy:

e = 0,60*10^(-19) kl.

Z analizy widm atomowych wynika, że ​​spin elektronu wynosi 1/2, a jego moment magnetyczny jest równy jednemu magnetonowi Bohra. Elektrony podlegają statystyce Fermiego, ponieważ mają spin półcałkowity. Jest to zgodne z danymi eksperymentalnymi dotyczącymi struktury atomów i zachowania elektronów w metalach. Elektrony biorą udział w oddziaływaniach elektromagnetycznych, słabych i grawitacyjnych.

Drugą odkrytą cząstką elementarną był proton (z greckiego protos – pierwsza). Tę cząstkę elementarną odkrył w 1919 roku Rutherford podczas badania produktów rozszczepienia jąder atomowych różnych pierwiastków chemicznych. Dosłownie proton to jądro atomu najlżejszego izotopu wodoru - protium. Spin protonu wynosi 1/2. Proton ma dodatni ładunek elementarny +e. Jego masa wynosi:

m = 1,67*10^(-27) kg.

lub około 1836 mas elektronów. Protony są częścią jąder wszystkich atomów pierwiastków chemicznych. Następnie w 1911 roku Rutherford zaproponował planetarny model atomu, który pomógł naukowcom w dalszych badaniach nad składem atomów.

W 1932 roku J. Chadwick odkrył trzecią cząstkę elementarną, neutron (od łacińskiego słowa nijaki – ani jedna, ani druga), która nie ma ładunku elektrycznego i ma masę około 1839 mas elektronu. Spin neutronu również wynosi 1/2.

Wniosek o istnieniu cząstki pola elektromagnetycznego – fotonu – wywodzi się z prac M. Plancka (1900). Zakładając, że energia promieniowania elektromagnetycznego ciała absolutnie czarnego jest skwantowana (tj. składa się z kwantów), Planck uzyskał prawidłowy wzór na widmo promieniowania. Rozwijając koncepcję Plancka, A. Einstein (1905) postulował, że promieniowanie elektromagnetyczne (światło) jest w rzeczywistości przepływem pojedynczych kwantów (fotonów) i na tej podstawie wyjaśnił prawa efektu fotoelektrycznego. Bezpośrednie eksperymentalne dowody na istnienie fotonu przedstawili R. Millikan w latach 1912 - 1915 i A. Compton w 1922.

Odkrycie neutrina, cząstki prawie nie oddziałującej z materią, datuje się od domysłu teoretycznego W. Pauliego z 1930 r., który dzięki założeniu o narodzinach takiej cząstki pozwolił na wyeliminowanie trudności z prawem zachowania energii w procesach rozpadu beta jąder promieniotwórczych. Istnienie neutrin zostało eksperymentalnie potwierdzone dopiero w 1953 roku przez F. Reinesa i K. Cowana.

Ale materia składa się z czegoś więcej niż tylko cząstek. Istnieją również antycząstki - cząstki elementarne, które mają tę samą masę, spin, czas życia i inne cechy wewnętrzne co ich „bliźniaki” - cząstki, ale różnią się od cząstek znakami ładunku elektrycznego i momentu magnetycznego, ładunku barionowego, ładunku leptonowego, obcości i itp. Wszystkie cząstki elementarne, z wyjątkiem całkowicie obojętnych, mają swoje własne antycząstki.

Pierwszą odkrytą antycząstką był pozyton (od łacińskiego positivus – dodatni) – cząstka o masie elektronu, ale o dodatnim ładunku elektrycznym. Tę antycząstkę odkrył w promieniowaniu kosmicznym amerykański fizyk Carl David Anderson w 1932 roku. Co ciekawe, istnienie pozytonu teoretycznie przepowiedział angielski fizyk Paul Dirac prawie rok przed eksperymentalnym odkryciem. Ponadto Dirac przewidział tzw. procesy anihilacji (zanikania) i narodziny pary elektron-pozyton. Anihilacja pary jest jednym z rodzajów transformacji cząstek elementarnych zachodzącym podczas zderzenia cząstki z antycząstką. Podczas anihilacji cząstka i antycząstka znikają, zamieniając się w inne cząstki, których liczba i rodzaj są ograniczone prawami zachowania. Odwrotnym procesem anihilacji są narodziny pary. Sam pozyton jest stabilny, jednak w materii istnieje bardzo krótko na skutek anihilacji z elektronami. Anihilacja elektronu i pozytonu polega na tym, że kiedy się spotkają, znikają, zamieniając się w γ- kwanty (fotony). I w kolizji γ- Kiedy kwant pojawia się w dowolnym masywnym jądrze, rodzi się para elektron-pozyton.

W 1955 roku odkryto kolejną antycząstkę - antyproton, a nieco później - antyneutron. Antyneutron, podobnie jak neutron, nie ma ładunku elektrycznego, niewątpliwie jednak należy do antycząstek, gdyż bierze udział w procesie anihilacji i narodzinach pary neutron-antyneutron.

Możliwość otrzymania antycząstek skłoniła naukowców do pomysłu stworzenia antymaterii. Atomy antymaterii powinny być zbudowane w ten sposób: w środku atomu znajduje się ujemnie naładowane jądro, składające się z antyprotonów i antyneutronów, a wokół jądra krążą pozytony o ładunku dodatnim. Ogólnie rzecz biorąc, atom również okazuje się obojętny. Pomysł ten otrzymał znakomite potwierdzenie eksperymentalne. W 1969 roku w akceleratorze protonów w mieście Serpuchow radzieccy fizycy uzyskali jądra atomów antyhelu. Również w 2002 roku w akceleratorze CERN w Genewie wyprodukowano 50 000 atomów antywodoru. Mimo to nie odkryto jeszcze nagromadzeń antymaterii we Wszechświecie. Staje się także jasne, że przy najmniejszym oddziaływaniu antymaterii z jakąkolwiek substancją nastąpi ich anihilacja, której będzie towarzyszyć ogromne uwolnienie energii, kilkakrotnie większej niż energia jąder atomowych, co jest wyjątkowo niebezpieczne dla ludzi i środowiska .

Obecnie odkryto eksperymentalnie antycząstki prawie wszystkich znanych cząstek elementarnych.

Główną rolę w fizyce cząstek elementarnych odgrywają prawa zachowania, które ustanawiają równość między pewnymi kombinacjami wielkości charakteryzujących stan początkowy i końcowy układu. Arsenał praw zachowania w fizyce kwantowej jest większy niż w fizyce klasycznej. Uzupełniono go prawami zachowania różnych parytetów (przestrzennych, ładunków), ładunków (leptonowych, barionowych itp.), Symetrii wewnętrznych charakterystycznych dla tego lub innego rodzaju interakcji.

Wyodrębnienie cech poszczególnych cząstek subatomowych jest ważnym, ale jedynie początkowym etapem zrozumienia ich świata. Na kolejnym etapie musimy jeszcze zrozumieć, jaka jest rola każdej pojedynczej cząstki, jakie pełni jej funkcje w strukturze materii.

Fizycy odkryli, że przede wszystkim o właściwościach cząstki decyduje jej zdolność (lub niezdolność) do uczestniczenia w oddziaływaniach silnych. Cząstki uczestniczące w oddziaływaniach silnych tworzą specjalną klasę i nazywane są hadronami. Cząstki, które biorą udział w oddziaływaniu słabym i nie biorą udziału w oddziaływaniu silnym, nazywane są leptonami. Ponadto istnieją cząstki, które przenoszą interakcje.

2.3. Leptony.

Leptony są uważane za prawdziwie elementarne cząstki. Chociaż leptony mogą mieć ładunek elektryczny lub nie, wszystkie mają spin 1/2. Wśród leptonów najbardziej znany jest elektron. Elektron jest pierwszą z odkrytych cząstek elementarnych. Podobnie jak wszystkie inne leptony, elektron wydaje się być obiektem elementarnym (we właściwym tego słowa znaczeniu). O ile wiadomo, elektron nie składa się z żadnych innych cząstek.

Innym dobrze znanym leptonem jest neutrino. Neutrina są najpowszechniejszymi cząstkami we Wszechświecie. Wszechświat można sobie wyobrazić jako nieograniczone morze neutrin, w którym czasami można znaleźć wyspy w postaci atomów. Jednak pomimo tak dużej przewagi neutrin, bardzo trudno jest je badać. Jak już zauważyliśmy, neutrina są prawie nieuchwytne. Nie uczestnicząc w oddziaływaniach silnych ani elektromagnetycznych, przenikają przez materię tak, jakby jej w ogóle nie było. Neutrina to swego rodzaju „duchy świata fizycznego”.

Miony są dość powszechne w przyrodzie i odpowiadają za znaczną część promieniowania kosmicznego. Pod wieloma względami mion przypomina elektron: ma ten sam ładunek i spin, uczestniczy w tych oddziaływaniach, ale ma dużą masę (około 207 mas elektronów) i jest niestabilny. W ciągu około dwóch milionowych sekundy mion rozpada się na elektron i dwa neutrina. Pod koniec lat siedemdziesiątych odkryto trzeci naładowany lepton, zwany leptonem tau. To bardzo ciężka cząsteczka. Jego masa wynosi około 3500 mas elektronów. Ale pod wszystkimi innymi względami zachowuje się jak elektron i mion.

W latach 60. lista leptonów znacznie się poszerzyła. Stwierdzono, że istnieje kilka rodzajów neutrin: neutrina elektronowe, neutrina mionowe i neutrina taonowe. Zatem całkowita liczba odmian neutrin wynosi trzy, a całkowita liczba leptonów wynosi sześć. Oczywiście każdy lepton ma swoją własną antycząstkę; zatem całkowita liczba różnych leptonów wynosi dwanaście. Leptony neutralne uczestniczą tylko w oddziaływaniach słabych; naładowany - słaby i elektromagnetyczny. Wszystkie leptony uczestniczą w oddziaływaniach grawitacyjnych, ale nie są zdolne do silnych.

2.4. Hadrony.

Jeśli istnieje nieco kilkanaście leptonów, to istnieją setki hadronów. Taka mnogość hadronów sugeruje, że hadrony nie są cząstkami elementarnymi, lecz zbudowane są z mniejszych cząstek. Wszystkie hadrony występują w dwóch odmianach – naładowanej elektrycznie i neutralnej. Wśród hadronów najbardziej znane i rozpowszechnione są neutron i proton, które z kolei należą do klasy nukleonów. Pozostałe hadrony są krótkotrwałe i szybko się rozpadają. Hadrony uczestniczą we wszystkich podstawowych interakcjach. Dzielą się na bariony i mezony. Bariony obejmują nukleony i hiperony.

Aby wyjaśnić istnienie sił jądrowych oddziaływania pomiędzy nukleonami, teoria kwantowa wymagała istnienia specjalnych cząstek elementarnych o masie większej niż masa elektronu, ale mniejszej niż masa protonu. Cząstki te, przewidywane przez teorię kwantową, nazwano później mezonami. Mezony odkryto eksperymentalnie. Okazało się, że jest ich cała rodzina. Wszystkie okazały się krótkotrwałymi, niestabilnymi cząsteczkami, żyjącymi w stanie wolnym przez miliardowe części sekundy. Na przykład naładowany pi-mezon lub pion ma masę spoczynkową wynoszącą 273 masy elektronów i czas życia:

t = 2,6*10^(-8) s.

Ponadto podczas badań w akceleratorach cząstek naładowanych odkryto cząstki o masach przekraczających masę protonu. Cząstki te nazwano hiperonami. Odkryto ich nawet więcej niż mezonów. Do rodziny hiperonów zaliczamy hiperony lambda-, sigma-, xi- i omega-minus.

Istnienie i właściwości większości znanych hadronów ustalono w eksperymentach akceleratorowych. Odkrycie wielu różnych hadronów w latach 50. i 60. XX wieku wielce zaintrygowało fizyków. Jednak z biegiem czasu hadrony zostały sklasyfikowane według masy, ładunku i spinu. Stopniowo zaczął się wyłaniać mniej więcej jasny obraz. Pojawiły się konkretne pomysły, jak usystematyzować chaos danych empirycznych i odkryć tajemnicę hadronów w teorii naukowej. Decydujący krok w tym kierunku został zrobiony w 1963 roku, kiedy zaproponowano teorię kwarków.

2.5. Teoria kwarków.

Teoria kwarków jest teorią budowy hadronów. Główna idea tej teorii jest bardzo prosta. Wszystkie hadrony składają się z mniejszych cząstek zwanych kwarkami. Oznacza to, że kwarki są bardziej cząstkami elementarnymi niż hadrony. Kwarki są cząstkami hipotetycznymi, ponieważ w stanie wolnym nie zaobserwowano. Ładunek barionowy kwarków wynosi 1/3. Niosą ułamkowy ładunek elektryczny: mają ładunek, którego wartość wynosi -1/3 lub +2/3 podstawowej jednostki - ładunku elektronu. Kombinacja dwóch i trzech kwarków może mieć całkowity ładunek wynoszący zero lub jeden. Wszystkie kwarki mają spin S, dlatego zalicza się je do fermionów. Twórcy teorii kwarków Gell-Mann i Zweig, chcąc uwzględnić wszystkie hadrony znane w latach 60. XX wieku, wprowadzili trzy typy (kolory) kwarków: u (od góry – góra), d (od dołu – niższy) i s (od dziwnego - dziwnego) .

Kwarki mogą łączyć się ze sobą na jeden z dwóch możliwych sposobów: albo w trójki, albo w pary kwark-antykwark. Stosunkowo ciężkie cząstki – bariony – składają się z trzech kwarków. Najbardziej znane bariony to neutron i proton. Lżejsze pary kwark-antykwark tworzą cząstki zwane mezonami – „cząstkami pośrednimi”. Na przykład proton składa się z dwóch kwarków u i jednego kwarku d (uud), a neutron składa się z dwóch kwarków d i jednego kwarku u (udd). Aby to „trio” kwarków nie uległo rozkładowi, potrzebna jest siła trzymająca, swoisty „klej”.

Okazuje się, że powstałe oddziaływanie pomiędzy neutronami i protonami w jądrze jest po prostu efektem resztkowym silniejszego oddziaływania pomiędzy samymi kwarkami. To wyjaśniało, dlaczego silne interakcje wydają się tak złożone. Kiedy proton „przykleja się” do neutronu lub innego protonu, w interakcji bierze udział sześć kwarków, z których każdy oddziałuje ze wszystkimi pozostałymi. Znaczna część siły jest zużywana na mocne sklejenie trio kwarków, a niewielka część na sklejenie ze sobą dwóch trio kwarków. Ale później okazało się, że kwarki biorą także udział w oddziaływaniach słabych. Oddziaływanie słabe może zmienić kolor kwarka. W ten sposób następuje rozpad neutronów. Jeden z kwarków d w neutronie zamienia się w kwark u, a nadmiar ładunku zabiera elektron, który rodzi się w tym samym czasie. Podobnie, zmieniając smak, słabe oddziaływanie prowadzi do rozpadu innych hadronów.

Fakt, że wszystkie znane hadrony można było otrzymać z różnych kombinacji trzech cząstek podstawowych, był triumfem teorii kwarków. Jednak w latach 70. odkryto nowe hadrony (cząstki psi, mezon upsilon itp.). Zadawało to cios pierwszej wersji teorii kwarków, ponieważ nie było już w niej miejsca na ani jedną nową cząstkę. Wszystkie możliwe kombinacje kwarków i ich antykwarków zostały już wyczerpane.

Problem rozwiązano wprowadzając trzy nowe kolory. Nazywano je c - kwark (urok), b - kwark (od dołu do dołu, a częściej piękno - piękno lub urok), a następnie wprowadzono inny kolor - t (od góry do góry).

Do tej pory nie obserwowano kwarków i antykwarków w postaci wolnej. Jednak praktycznie nie ma wątpliwości co do realności ich istnienia. Ponadto trwają poszukiwania „prawdziwych” cząstek elementarnych podążających za kwarkami – gluonami, które są nośnikami oddziaływań między kwarkami, gdyż Kwarki spajają się dzięki oddziaływaniu silnemu, a gluony (ładunki barwne) są nośnikami oddziaływania silnego. Dziedzina fizyki cząstek elementarnych badająca oddziaływanie kwarków i gluonów nazywa się chromodynamiką kwantową. Tak jak elektrodynamika kwantowa jest teorią oddziaływania elektromagnetycznego, tak chromodynamika kwantowa jest teorią silnego oddziaływania. Chromodynamika kwantowa jest kwantową teorią pola dotyczącą silnego oddziaływania kwarków i gluonów, które odbywa się poprzez wymianę między nimi - gluony (analogi fotonów w elektrodynamice kwantowej). W odróżnieniu od fotonów, gluony oddziałują ze sobą, co w szczególności prowadzi do wzrostu siły oddziaływania pomiędzy kwarkami i gluonami w miarę ich oddalania się od siebie. Zakłada się, że to właśnie ta właściwość determinuje krótkotrwałe działanie sił jądrowych i brak wolnych kwarków i gluonów w przyrodzie.

Według współczesnych koncepcji hadrony mają złożoną strukturę wewnętrzną: bariony składają się z 3 kwarków, mezony - z kwarka i antykwarka.

Chociaż istnieje pewne niezadowolenie ze schematu kwarków, większość fizyków uważa kwarki za prawdziwie elementarne cząstki - punktowe, niepodzielne i pozbawione wewnętrznej struktury. Pod tym względem przypominają leptony i od dawna zakładano, że pomiędzy tymi dwiema odrębnymi, ale strukturalnie podobnymi rodzinami musi istnieć głęboki związek.

Zatem najbardziej prawdopodobna liczba cząstek prawdziwie elementarnych (nie licząc nośników oddziaływań fundamentalnych) pod koniec XX wieku wynosi 48. W tym: leptony (6x2) = 12 i kwarki (6x3)x2 = 36.

2.6. Cząstki są nośnikami oddziaływań.

Lista znanych cząstek nie ogranicza się do wymienionych cząstek – leptonów i hadronów, które stanowią budulec materii. Na tej liście nie ma np. fotonu. Istnieje również inny rodzaj cząstek, które nie są bezpośrednio budulcem materii, ale zapewniają wszystkie cztery podstawowe oddziaływania, tj. tworzą rodzaj „kleju”, który zapobiega rozpadowi świata. Cząstki takie nazywane są nośnikami oddziaływań, a określony rodzaj cząstek przenosi swoje oddziaływania.

Nośnikiem oddziaływania elektromagnetycznego pomiędzy naładowanymi cząstkami jest foton. Foton to kwant promieniowania elektromagnetycznego, cząstka neutralna o zerowej masie. Spin fotonu wynosi 1.

Teorię oddziaływań elektromagnetycznych wprowadziła elektrodynamika kwantowa.

Nośnikami oddziaływania silnego są gluony. Są to hipotetyczne elektrycznie obojętne cząstki o zerowej masie i spinie 1. Podobnie jak kwarki, gluony mają kwantową charakterystykę „koloru”. Gluony są nośnikami interakcji między kwarkami, ponieważ połącz je w pary lub trójki.

Nośnikami oddziaływania słabego są trzy cząstki - bozony W+, W- i Z°. Odkryto je dopiero w 1983 roku. Promień oddziaływania słabego jest niezwykle mały, więc jego nośnikami muszą być cząstki o dużych masach spoczynkowych. Zgodnie z zasadą nieoznaczoności czas życia cząstek o tak dużej masie spoczynkowej powinien być niezwykle krótki – tylko około 10n s (gdzie n = -26). Promień oddziaływania tych cząstek jest bardzo mały, ponieważ tak krótkotrwałe cząstki nie mają czasu na przemieszczenie się na duże odległości.

Sugeruje się, że istnienie nośnika pola grawitacyjnego – grawitonu – jest również możliwe (w tych teoriach grawitacji, które uważają je nie (tylko) za konsekwencję zakrzywienia czasoprzestrzeni, ale jako pole). Teoretycznie grawiton jest kwantem pola grawitacyjnego mającym zerową masę spoczynkową, zerowy ładunek elektryczny i spin 2. W zasadzie grawitony można wykryć eksperymentalnie. Ponieważ jednak oddziaływanie grawitacyjne jest bardzo słabe i praktycznie nie objawia się w procesach kwantowych, bezpośrednie wykrycie grawitonów jest bardzo trudne i jak dotąd żadnemu naukowcowi się to nie udało.

Klasyfikacja cząstek na leptony, hadrony i nośniki oddziaływań wyczerpuje znany nam świat cząstek subatomowych. Każdy rodzaj cząstek odgrywa swoją rolę w kształtowaniu struktury materii i Wszechświata.

3. Teorie cząstek elementarnych.

3.1. Elektrodynamika kwantowa (QED).

Teoria kwantowa łączy mechanikę kwantową, statystykę kwantową i kwantową teorię pola.

Mechanika kwantowa (mechanika falowa) jest teorią ustalającą sposób opisu i prawa ruchu mikrocząstek w danych polach zewnętrznych. Pozwala opisać ruch cząstek elementarnych, ale nie ich powstawanie czy niszczenie, tzn. służy jedynie do opisu układów o stałej liczbie cząstek. Mechanika kwantowa jest jedną z głównych gałęzi teorii kwantowej. Mechanika kwantowa po raz pierwszy pozwoliła opisać budowę atomów i zrozumieć ich widma, ustalić naturę wiązań chemicznych, wyjaśnić okresowy układ pierwiastków itp. Ponieważ o właściwościach ciał makroskopowych decyduje ruch i oddziaływanie tworzących je cząstek, prawa mechaniki kwantowej leżą u podstaw zrozumienia większości zjawisk makroskopowych. W ten sposób mechanika kwantowa umożliwiła zrozumienie wielu właściwości ciał stałych, wyjaśnienie zjawisk nadprzewodnictwa, ferromagnetyzmu, nadciekłości itp. Prawa mechaniki kwantowej leżą u podstaw energii jądrowej, elektroniki kwantowej itp. W przeciwieństwie do teorii klasycznej wszystkie cząstki działają w mechanice kwantowej jako nośniki właściwości zarówno korpuskularnych, jak i falowych, które nie wykluczają się, a wręcz uzupełniają. Falową naturę elektronów, protonów i innych cząstek potwierdzają eksperymenty dyfrakcyjne cząstek. Stan układu kwantowego opisuje funkcja falowa, której kwadrat modułu określa prawdopodobieństwo danego stanu, a co za tym idzie, prawdopodobieństwa wartości charakteryzujących go wielkości fizycznych. Z mechaniki kwantowej wynika, że ​​nie wszystkie wielkości fizyczne mogą jednocześnie mieć dokładne wartości. Funkcja falowa podlega zasadzie superpozycji, która wyjaśnia w szczególności dyfrakcję cząstek. Charakterystyczną cechą teorii kwantów jest dyskretność możliwych wartości wielu wielkości fizycznych: energii elektronów w atomach, momentu pędu i jego rzutu na dowolny kierunek itp.; w teorii klasycznej wszystkie te wielkości mogą się zmieniać jedynie w sposób ciągły. Zasadniczą rolę w mechanice kwantowej odgrywa stała Plancka – jedna z głównych skal przyrody, oddzielająca obszary zjawisk, które daje się opisać fizyka klasyczna, od obszarów, do prawidłowej interpretacji, których konieczna jest teoria kwantowa. Stała Plancka nosi imię M. Plancka. Jest równe:

Ћ = h/2π ≈ 1,0546. 10 ^(-34) J. s

Uogólnieniem mechaniki kwantowej jest kwantowa teoria pola - jest to kwantowa teoria układów o nieskończonej liczbie stopni swobody (pól fizycznych). Kwantowa teoria pola jest głównym aparatem fizyki cząstek elementarnych, ich oddziaływań i wzajemnych konwersji. Potrzeba takiej teorii wynika z dualizmu kwantowo-falowego, czyli istnienia właściwości falowych we wszystkich cząstkach. W kwantowej teorii pola interakcja jest reprezentowana w wyniku wymiany kwantów pola. Do teorii tej zalicza się teorię oddziaływań elektromagnetycznych (elektrodynamika kwantowa) i oddziaływań słabych, które we współczesnej teorii występują jako jedną całość (oddziaływanie elektrosłabe) oraz teorię oddziaływań silnych (jądrowych) (chromodynamika kwantowa).

Statystyka kwantowa to fizyka statystyczna układów kwantowych składających się z dużej liczby cząstek. W przypadku cząstek o spinie całkowitym jest to statystyka Bosego Einsteina, a dla cząstek o spinie półcałkowitym jest to statystyka Fermiego-Diraca.

W połowie XX wieku powstała teoria oddziaływania elektromagnetycznego – elektrodynamika kwantowa QED – jest to przemyślana w najdrobniejszych szczegółach i wyposażona w doskonały aparat matematyczny teoria oddziaływania fotonów i elektronów. QED opiera się na opisie oddziaływań elektromagnetycznych z wykorzystaniem koncepcji wirtualnych fotonów – ich nośników. Teoria ta spełnia podstawowe zasady zarówno teorii kwantowej, jak i teorii względności.

W centrum teorii znajduje się analiza aktów emisji lub absorpcji jednego fotonu przez jedną naładowaną cząstkę, a także anihilacja pary elektron-pozyton w foton lub wygenerowanie takiej pary przez fotony.

Jeśli w klasycznym opisie elektrony są przedstawiane jako kula punktowa, to w QED pole elektromagnetyczne otaczające elektron jest traktowane jako chmura wirtualnych fotonów, które nieubłaganie podążają za elektronem, otaczając go kwantami energii. Gdy elektron wyemituje foton, wytwarza (wirtualną) parę elektron-pozyton, która może anihilować, tworząc nowy foton. Ten ostatni może zostać zaabsorbowany przez oryginalny foton, ale może wygenerować nową parę itp. W ten sposób elektron zostaje pokryty chmurą wirtualnych fotonów, elektronów i pozytonów, które znajdują się w stanie równowagi dynamicznej. Fotony pojawiają się i znikają bardzo szybko, a elektrony nie poruszają się w przestrzeni po ściśle określonych trajektoriach. Nadal możliwe jest w ten czy inny sposób określenie punktów początkowych i końcowych ścieżki - przed i po rozproszeniu, ale sama ścieżka w przedziale między początkiem a końcem ruchu pozostaje niepewna.

Opis oddziaływania za pomocą cząstki nośnej doprowadził do rozwinięcia pojęcia fotonu. Wprowadzono pojęcia fotonu rzeczywistego (kwant światła, który widzimy) i fotonu wirtualnego (ulotnego, widmowego), który „widzią” jedynie naładowane cząstki ulegające rozproszeniu.

Aby sprawdzić, czy teoria jest zgodna z rzeczywistością, fizycy skupili się na dwóch efektach, które wzbudziły szczególne zainteresowanie. Pierwsza dotyczyła poziomów energetycznych atomu wodoru, najprostszego atomu. Według QED poziomy powinny być nieznacznie przesunięte w stosunku do pozycji, jaką zajmowałyby w przypadku braku wirtualnych fotonów. Drugi decydujący test QED dotyczył niezwykle małej korekty własnego momentu magnetycznego elektronu. Teoretyczne i eksperymentalne wyniki testów QED pokrywają się z najwyższą dokładnością - więcej niż dziewięć miejsc po przecinku. Tak uderzająca zgodność daje prawo uznać QED za najbardziej zaawansowaną z istniejących teorii nauk przyrodniczych.

Po tym triumfie QED przyjęto jako model kwantowego opisu pozostałych trzech podstawowych interakcji. Oczywiście pola związane z innymi oddziaływaniami muszą odpowiadać innym cząstkom nośnika.

3.2. Teoria oddziaływań elektrosłabych.

W latach 70. XX wieku w naukach przyrodniczych miało miejsce niezwykłe wydarzenie: dwa fundamentalne oddziaływania z czterech fizyki zostały połączone w jedno. Obraz podstawowych zasad przyrody stał się nieco prostszy. Oddziaływania elektromagnetyczne i słabe, pozornie bardzo odmienne w naturze, w rzeczywistości okazały się dwiema odmianami pojedynczego oddziaływania elektrosłabego. Teoria oddziaływań elektrosłabych miała decydujący wpływ na dalszy rozwój fizyki cząstek elementarnych pod koniec XX wieku.

Główną ideą konstruowania tej teorii było opisanie oddziaływania słabego w języku koncepcji pola cechowania, według którego kluczem do zrozumienia natury oddziaływań jest symetria. Jedną z podstawowych idei fizyki drugiej połowy XX wieku jest przekonanie, że wszelkie interakcje istnieją tylko po to, aby zachować pewien zestaw abstrakcyjnych symetrii w przyrodzie. Co symetria ma wspólnego z fundamentalnymi interakcjami? Na pierwszy rzut oka samo założenie o istnieniu takiego związku wydaje się paradoksalne i niezrozumiałe.

Przede wszystkim o tym, co rozumiemy pod pojęciem symetrii. Ogólnie przyjmuje się, że obiekt ma symetrię, jeśli obiekt pozostaje niezmieniony w wyniku tej czy innej operacji mającej na celu jego przekształcenie. Zatem kula jest symetryczna, ponieważ wygląda tak samo po obróceniu pod dowolnym kątem w stosunku do jej środka. Prawa elektryczności są symetryczne, jeśli chodzi o zamianę ładunków dodatnich na ujemne i odwrotnie. Zatem przez symetrię rozumiemy niezmienność w ramach określonej operacji.

Istnieją różne rodzaje symetrii: geometryczna, lustrzana, niegeometryczna. Do niegeometrycznych zalicza się tzw. symetrie cechowania. Symetrie mierników mają charakter abstrakcyjny i nie są bezpośrednio ustalone. Są one związane ze zmianą poziomu odniesienia, skali lub wartości jakiejś wielkości fizycznej. Układ ma symetrię cechowania, jeśli jego natura pozostaje niezmieniona pod wpływem tego rodzaju transformacji. I tak na przykład w fizyce praca zależy od różnicy wysokości, a nie od wysokości bezwzględnej; napięcie - z różnicy potencjałów, a nie z ich wartości bezwzględnych itp. Symetrie, na których opiera się rewizja rozumienia czterech podstawowych oddziaływań, są właśnie tego rodzaju. Transformacje mierników mogą być globalne lub lokalne. Transformacje cechowania, które zmieniają się w zależności od punktu, nazywane są „lokalnymi” transformacjami cechowania. W przyrodzie istnieje wiele lokalnych symetrii cechowania i potrzebna jest odpowiednia liczba pól, aby skompensować te przekształcenia cechowania. Pola siłowe można uznać za środek, za pomocą którego natura tworzy swój nieodłączny lokalny miernik symetria. Znaczenie koncepcji symetrii cechowania polega na tym, że teoretycznie modeluje ona wszystkie cztery podstawowe interakcje występujące w przyrodzie. Wszystkie z nich można uznać za pola miernikowe.

Przedstawiając oddziaływanie słabe jako pole cechowania, fizycy wychodzą z faktu, że wszystkie cząstki uczestniczące w oddziaływaniu słabym służą jako źródła nowego rodzaju pola - pola sił słabych. Słabo oddziałujące cząstki, takie jak elektrony i neutrina, niosą „słaby ładunek”, który jest analogiczny do ładunku elektrycznego i wiąże te cząstki ze słabym polem.

Aby przedstawić słabe pole interakcji jako pole cechowania, należy najpierw ustalić dokładną postać odpowiedniej symetrii cechowania. Faktem jest, że symetria oddziaływania słabego jest znacznie bardziej złożona niż elektromagnetyczna. Wszak sam mechanizm tej interakcji okazuje się bardziej złożony. Po pierwsze, na przykład podczas rozpadu neutronu oddziaływanie słabe obejmuje cząstki co najmniej czterech różnych typów (neutron, proton, elektron i neutrino). Po drugie, działanie słabych sił prowadzi do zmiany ich natury (przekształcenia jednych cząstek w inne na skutek słabego oddziaływania). Wręcz przeciwnie, oddziaływanie elektromagnetyczne nie zmienia natury uczestniczących w nim cząstek.

To determinuje fakt, że oddziaływaniu słabemu odpowiada bardziej złożona symetria cechowania związana ze zmianą charakteru cząstek. Okazało się, że do zachowania symetrii potrzebne są tu trzy nowe pola siłowe, a nie jedno pole elektromagnetyczne. Uzyskano także kwantowy opis tych trzech pól: powinny powstać trzy nowe typy cząstek – nośniki oddziaływania, po jednym na każde pole. Łącznie nazywane są one ciężkimi bozonami wektorowymi o spinie 1 i są nośnikami oddziaływań słabych.

Cząstki W+ i W- są nośnikami dwóch z trzech pól związanych z oddziaływaniem słabym. Trzecie pole odpowiada elektrycznie obojętnej cząstce nośnej, zwanej cząstką Z. Istnienie cząstki Z oznacza, że ​​oddziaływaniu słabemu nie może towarzyszyć przenoszenie ładunku elektrycznego.

W tworzeniu teorii oddziaływania elektrosłabego kluczową rolę odegrała koncepcja spontanicznego łamania symetrii: nie każde rozwiązanie problemu musi posiadać wszystkie właściwości swojego pierwotnego poziomu. Zatem cząstki zupełnie różne przy niskich energiach mogą w rzeczywistości okazać się jedną i tą samą cząstką przy wysokich energiach, ale w różnych stanach. Opierając się na idei spontanicznego łamania symetrii, autorom teorii oddziaływań elektrosłabych, Weinbergowi i Salamowi, udało się rozwiązać wielki problem teoretyczny - połączyli pozornie niezgodne rzeczy: z jednej strony znaczną masę nośników oddziaływań słabych strony, a z drugiej strony koncepcja niezmienności cechowania, która zakłada dalekosiężny charakter pola cechowania i oznacza zerową masę spoczynkową cząstek nośnika. W ten sposób elektromagnetyzm i oddziaływanie słabe połączono w jednolitą teorię pola cechowania.

Teoria ta przedstawia tylko cztery pola: pole elektromagnetyczne i trzy pola odpowiadające oddziaływaniom słabym. Dodatkowo w całej przestrzeni wprowadzono stałe pole skalarne (rodzaj pola Higgsa), z którym cząstki oddziałują w różny sposób, co determinuje różnicę w ich masach. Kwanty pola skalarnego to nowe cząstki elementarne o zerowym spinie. Nazywa się je Higgs (na cześć fizyka P. Higgsa, który zasugerował ich istnienie). Liczba takich bozonów Higgsa może sięgać kilkudziesięciu. Takich bozonów nie odkryto jeszcze eksperymentalnie. Co więcej, wielu fizyków uważa ich istnienie za niepotrzebne, ale jak dotąd nie znaleziono doskonałego modelu teoretycznego bez bozonów Higgsa. Początkowo kwanty W i Z nie mają masy, ale złamanie symetrii powoduje, że niektóre cząstki Higgsa łączą się z cząstkami W i Z, nadając im masę.

Teoria wyjaśnia różnice we właściwościach oddziaływań elektromagnetycznych i słabych poprzez łamanie symetrii. Gdyby symetria nie została naruszona, wówczas obie interakcje byłyby porównywalne pod względem wielkości. Złamanie symetrii pociąga za sobą gwałtowny spadek oddziaływania słabego. Można powiedzieć, że oddziaływanie słabe jest tak małe, ponieważ cząstki W i Z są bardzo masywne. Leptony rzadko spotykają się na tak krótkich dystansach (r 10n cm, gdzie n = -16). Ale przy wysokich energiach ( > 100 GeV), gdy można swobodnie wytwarzać cząstki W i Z, wymiana bozonów W i Z zachodzi równie łatwo, jak wymiana fotonów (cząstek bezmasowych). Zaciera się różnica między fotonami i bozonami.W tych warunkach powinna istnieć pełna symetria pomiędzy oddziaływaniami elektromagnetycznymi i słabymi - oddziaływaniami elektrosłabymi.

Testowanie nowej teorii polegało na potwierdzeniu istnienia hipotetycznych cząstek W i Z. Ich odkrycie stało się możliwe dopiero dzięki stworzeniu bardzo dużych akceleratorów najnowszego typu. Odkrycie cząstek W i Z w 1983 roku oznaczało triumf teorii oddziaływań elektrosłabych. Nie było już potrzeby mówić o czterech podstawowych interakcjach. Zostało ich trzech.

3.3. Chromodynamika kwantowa.

Kolejnym krokiem na drodze do Wielkiej Unifikacji oddziaływań fundamentalnych jest połączenie oddziaływania silnego z oddziaływaniem elektrosłabym. Aby to zrobić, konieczne jest nadanie silnym oddziaływaniom cech pola cechowania i wprowadzenie uogólnionej idei symetrii izotopowej. O oddziaływaniu silnym można myśleć jako o wyniku wymiany gluonów, która zapewnia wiązanie kwarków (w parach lub trójkach) w hadrony.

Pomysł jest następujący. Każdy kwark ma odpowiednik ładunku elektrycznego, który służy jako źródło pola gluonowego. Nazywano to kolorem (oczywiście nazwa ta nie ma nic wspólnego ze zwykłym kolorem). Jeśli pole elektromagnetyczne jest generowane przez ładunek tylko jednego rodzaju, wówczas do wytworzenia bardziej złożonego pola gluonowego potrzebne były trzy ładunki o różnych kolorach. Każdy kwark jest „zabarwiany” na jeden z trzech możliwych kolorów, które dość arbitralnie nazwano czerwonym, zielonym i niebieskim. I odpowiednio, antyki są anty-czerwone, antyzielone i antyniebieskie.

W kolejnym etapie rozwijana jest teoria oddziaływania silnego według tego samego schematu, co teoria oddziaływania słabego. Wymóg lokalnej symetrii cechowania (czyli niezmienności względem zmian barwy w każdym punkcie przestrzeni) prowadzi do konieczności wprowadzenia kompensacyjnych pól sił. W sumie potrzebnych jest osiem nowych pól sił kompensacyjnych. Cząstkami nośnikowymi tych pól są gluony, a zatem z teorii wynika, że ​​musi być aż osiem różnych typów gluonów, podczas gdy nośnikiem siły elektromagnetycznej jest tylko jeden (foton), a nośnikami oddziaływania słabego są trzy . Gluony mają zerową masę spoczynkową i spin 1. Gluony również mają różne kolory, ale nie czyste, ale mieszane (na przykład niebieski-anty-zielony). Dlatego emisji lub absorpcji gluonu towarzyszy zmiana koloru kwarku („gra kolorów”). I tak na przykład czerwony kwark, tracąc czerwony-anty-niebieski gluon, zamienia się w niebieski kwark, a zielony kwark, pochłaniając niebiesko-anty-zielony gluon, zamienia się w niebieski kwark. Na przykład w protonie trzy kwarki stale wymieniają gluony, zmieniając ich kolor. Zmiany te nie mają jednak charakteru arbitralnego, lecz podlegają ścisłej zasadzie: w dowolnym momencie „całkowitym” kolorem trzech kwarków musi być światło białe, tj. suma „czerwony + zielony + niebieski”. Dotyczy to również mezonów składających się z pary kwark-antykwark. Ponieważ antykwark charakteryzuje się antykolorem, to takie połączenie jest oczywiście bezbarwne („białe”), np. kwark czerwony w połączeniu z kwarkiem antyczerwonym tworzy bezbarwny mezon.

Z punktu widzenia chromodynamiki kwantowej (kwantowej teorii koloru) silne oddziaływanie to nic innego jak chęć zachowania pewnej abstrakcyjnej symetrii natury: utrzymanie białego koloru wszystkich hadronów przy jednoczesnej zmianie koloru ich części składowych. Chromodynamika kwantowa doskonale wyjaśnia zasady rządzące wszelkimi kombinacjami kwarków, oddziaływaniem gluonów między sobą, złożoną strukturą hadronu składającego się z kwarków „ubranych” w chmury itp.

Ocena chromodynamiki kwantowej jako ostatecznej i kompletnej teorii silnego oddziaływania może być przedwczesna, niemniej jednak jej osiągnięcia są obiecujące.

3.4. W drodze do... Wielkiego Zjednoczenia.

Wraz z powstaniem chromodynamiki kwantowej pojawiła się nadzieja na stworzenie jednolitej teorii wszystkich (lub co najmniej trzech z czterech) podstawowych interakcji. Modele, które w ujednolicony sposób opisują co najmniej trzy z czterech podstawowych interakcji, nazywane są modelami Wielkiego Ujednolicenia. Schematy teoretyczne łączące wszystkie znane rodzaje oddziaływań (silne, słabe, elektromagnetyczne i grawitacyjne) nazywane są modelami supergrawitacji.

Doświadczenie skutecznego łączenia oddziaływań słabych i elektromagnetycznych w oparciu o ideę pól cechowania zasugerowało możliwe drogi dalszego rozwoju zasady jedności fizyki i ujednolicenia podstawowych oddziaływań fizycznych. Jedna z nich opiera się na zadziwiającym fakcie, że stałe oddziaływania elektromagnetycznego, słabego i silnego zrównują się przy tej samej energii. Energię tę nazwano energią zjednoczenia. Przy energiach powyżej 10n GeV, gdzie n = 14, lub w odległości r 10n cm, gdzie n = -29, oddziaływania mocne i słabe opisane są jedną stałą, czyli mają wspólną naturę. Kwarki i leptony są tu praktycznie nie do odróżnienia.

W latach 70. i 90. powstało kilka konkurencyjnych teorii Wielkiego Zjednoczenia. Wszystkie opierają się na tej samej idei. Jeśli siły elektrosłabe i silne są w rzeczywistości tylko dwiema stronami wielkiej zunifikowanej siły, wówczas ta ostatnia powinna również mieć powiązane pole cechowania z pewną złożoną symetrią. Musi ona (symetria) być wystarczająco ogólna, zdolna objąć wszystkie symetrie cechowania zawarte zarówno w chromodynamice kwantowej, jak i teorii oddziaływań elektrosłabych. Znalezienie takiej symetrii jest głównym zadaniem w kierunku stworzenia jednolitej teorii oddziaływań silnych i elektrosłabych. Istnieją różne podejścia, które prowadzą do konkurencyjnych wersji teorii Wielkiego Zjednoczenia.

Jednak wszystkie te hipotetyczne wersje Wielkiego Zjednoczenia mają wiele cech wspólnych:

Po pierwsze, we wszystkich hipotezach kwarki i leptony – nośniki oddziaływań silnych i elektrosłabych – ujęte są w jednym schemacie teoretycznym. Do tej pory uważano je za zupełnie różne obiekty.

Po drugie, zastosowanie abstrakcyjnych symetrii cechowania prowadzi do odkrycia nowych typów pól, które mają nowe właściwości, np. zdolność do przekształcania kwarków w leptony. W najprostszej wersji Wielkiej Zunifikowanej Teorii do przekształcenia kwarków w leptony potrzebne są dwadzieścia cztery pola. Znanych jest już dwanaście kwantów tych pól: foton, dwie cząstki W, cząstka Z i osiem gluonów. Pozostałe dwanaście kwantów to nowe superciężkie bozony pośrednie, zjednoczone pod wspólną nazwą X i Y - cząstki (o ładunku elektrycznym 1/3 i 4/3). Kwanty te odpowiadają polom, które zachowują szerszą symetrię cechowania i mieszają kwarki z leptonami. W konsekwencji kwanty tych pól (tj. cząstki X i Y) mogą przekształcić kwarki w leptony (i odwrotnie).

W oparciu o teorie Wielkiej Unifikacji przewiduje się co najmniej dwa ważne wzorce, które można i należy przetestować eksperymentalnie: niestabilność protonów i istnienie monopoli magnetycznych. Eksperymentalne wykrywanie rozpadu protonów i monopoli magnetycznych mogłoby stanowić mocny argument na rzecz teorii Wielkiej Unifikacji. Wysiłki eksperymentalne mają na celu przetestowanie tych przewidywań. Jednak nadal nie ma solidnych danych eksperymentalnych na ten temat. Faktem jest, że teorie Wielkiej Unifikacji zajmują się energiami cząstek powyżej 10n GeV, gdzie n = 14. Jest to bardzo wysoka energia. Trudno powiedzieć, kiedy będzie możliwe uzyskanie w akceleratorach cząstek o tak wysokich energiach. Wyjaśnia to w szczególności trudność w wykryciu bozonów X i Y. Dlatego głównym obszarem zastosowania i testowania teorii Wielkiej Unifikacji jest kosmologia. Bez tych teorii nie da się opisać wczesnego etapu ewolucji Wszechświata, kiedy temperatura pierwotnej plazmy osiągnęła 10n K, gdzie n = 27. W takich warunkach mogły powstawać i anihilować superciężkie cząstki.

Staje się zatem jasne, że udowodnienie teorii Wielkiej Unifikacji jest dziś głównym zadaniem fizyków, ponieważ teoria ta nie tylko pomoże połączyć odmienne fragmenty ludzkiej wiedzy w jeden obraz, ale także zrobi krok w kierunku zrozumienia pochodzenia Wszechświata.

Bibliografia.

Podręcznik ucznia szkoły. 5-11 klas. 2004

Encyklopedia komputerowa Cyryla i Metodego. 2005

I. L. Rosenthal „Cząstki elementarne i budowa Wszechświata”. 1984

Strona 8

W przyrodzie między cząstkami elementarnymi działa nie jeden, ale czasami kilka rodzajów wzajemnego oddziaływania i właściwości, a strukturę cząstek określa wspólność wszystkich rodzajów wzajemnego oddziaływania. Na przykład proton, należący do cząstek elementarnych typu hadronowego, bierze udział we wzajemnym silnym oddziaływaniu oraz we wzajemnym oddziaływaniu elektromagnetycznym, ponieważ jest cząstką naładowaną elektrycznie. Natomiast proton może powstać w procesie rozpadu b neutronu, czyli przy słabych wzajemnych oddziaływaniach, stąd wiąże się to ze słabymi wzajemnymi wpływami. I wreszcie proton, jako formacja materialna posiadająca masę, bierze udział we wzajemnych oddziaływaniach grawitacyjnych. W przeciwieństwie do protonu wiele cząstek elementarnych bierze udział we wszystkich rodzajach wzajemnego oddziaływania, ale tylko w niektórych ich typach. Przykładowo neutron ze względu na to, że jest cząstką nienaładowaną, nie bierze udziału we wzajemnych oddziaływaniach elektromagnetycznych, zaś elektron i mu-mezony nie uczestniczą w silnych wzajemnych oddziaływaniach. Zasadnicze wzajemne oddziaływanie jest przyczyną przemian cząstek – ich niszczenia i powstawania. Na przykład zderzenie neutronu i protonu powoduje powstanie dwóch neutronów i jednego dodatniego pimezonu.

Okres transformacji cząstek elementarnych zależy od wzajemnie oddziałujących sił. Reakcje jądrowe związane z silnymi wzajemnymi wpływami zachodzą w ciągu 10-24 - 10-23 sekund. Jest to okres, w którym cząstka elementarna przekształca się w cząstkę wysokoenergetyczną i uzyskuje prędkość bliską prędkości światła, o wymiarach rzędu 10-13 cm. Zmiany wywołane wzajemnym oddziaływaniem elektromagnetycznym zachodzą w czasie 10-21 - 10- 19 sekund, ze względu na słabe wzajemne oddziaływanie zmiany (np. proces rozpadu cząstek elementarnych) – w 10-10 sekund.

Do okresu różnorodnych zmian zachodzących w mikrokosmosie można podejść z punktu widzenia rozumowania o tworzeniu się wzajemnych wpływów.

Kwanty wzajemnego oddziaływania cząstek elementarnych realizowane są poprzez odpowiadające tym cząstkom pola fizyczne. We współczesnej teorii kwantowej pole jest rozumiane jako układ cząstek zmieniających się pod względem liczby (kwanty płci). Stan, w którym pole i w ogóle kwanty pola istnieją o najniższej energii, nazywa się próżnią. Cząsteczki pola elektromagnetycznego (fotony) w próżni w stanie wzbudzenia tracą właściwości mechaniczne, które zawierają, a które są właściwe materii korpuskularnej (na przykład podczas ruchu ciało nie odczuwa tarcia).

Próżnia nie zawiera prostych rodzajów materii, mimo to nie jest pustką w pełnym tego słowa znaczeniu, dlatego w próżni powstają kwanty wzbudzenia pola elektromagnetycznego – fotony, które realizują wzajemne oddziaływanie elektromagnetyczne. W próżni, oprócz pola elektromagnetycznego, istnieją inne pola fizyczne, w tym pole grawitacyjne, które nie zostało dotychczas odnotowane w tzw. eksperymentach grawitonowych.

Pole kwantowe jest zbiorem kwantów i ma charakter dyskretny. Zatem wzajemne oddziaływanie cząstek elementarnych, ich wzajemne przemiany, emisja i absorpcja fotonów ma charakter dyskretny i zachodzi tylko w sytuacji kwantyzacji. W rezultacie pojawia się pytanie: w czym właściwie przejawia się ciągłość pola, jego ciągłość? Zarówno w elektrodynamice kwantowej, jak i mechanice kwantowej stan pola opisywany jest jednoznacznie nie przez obserwowalne zjawiska rzeczywiste, a jedynie przez funkcję falową związaną z pojęciem odwrotności. Kwadrat modułu tej funkcji pokazuje możliwość obserwacji rozpatrywanych zjawisk fizycznych.

Głównym problemem kwantowej teorii pola jest opis różnego rodzaju wzajemnych wpływów cząstek w odpowiednich równaniach. Problem ten znalazł dotychczas rozwiązanie jedynie w elektrodynamice kwantowej, która opisuje wzajemne oddziaływanie elektronów, pozytonów i fotonów. Nie stworzono jeszcze kwantowej teorii pola dla silnych i słabych wzajemnych wpływów. Obecnie tego typu wzajemne oddziaływanie nie jest opisywane ścisłymi metodami. Chociaż wiadomo, że nie da się zrozumieć cząstek elementarnych, jeśli nie mieszczą się one w odpowiedniej teorii fizycznej, nie da się zrozumieć ich budowy, wyznaczonej przez strukturę tych teorii. Dlatego problem budowy cząstek elementarnych nie został jeszcze w pełni rozwiązany.1 Współczesna fizyka dowodzi istnienia cząstek złożonych, których wewnętrzną strukturę cząstek uważa się za „elementarną”. Wiadomo było, że proton i neutron w wyniku zachodzących w nich procesów wirtualnych ulegają wewnętrznym przemianom. W wyniku eksperymentów prowadzonych w celu zbadania struktury protonów ustalono, że proton, który do niedawna uważany był za niepodzielny, najprostszy i najbardziej pozbawiony struktury, w rzeczywistości jest cząstką złożoną. W jego centrum znajduje się gęsty rdzeń zwany „rdzeniem”, otoczony jest on dodatnimi mezonami pi.

Złożoność struktury cząstek „elementarnych” udowodniła hipoteza kwarkowa wysunięta w 1964 roku przez amerykańskiego naukowca Hel-Manna i niezależnie przez szwedzkiego naukowca Zweiga. Zgodnie z tą hipotezą cząstki elementarne powiązane ze sobą związkami charakteryzującymi się silnym wzajemnym oddziaływaniem (hadrony: proton, neutron, hiperony) powinny powstawać z cząstek kwarkowych, których ładunek jest równy jednej trzeciej lub dwóm trzecim ładunku elektronu. Zatem teoria pokazuje, że ładunki elektryczne i barionowe zaznaczonych kwarków tworzących cząstki należy wyrazić jako liczbę ułamkową. Rzeczywiście, cząstki zwane kwarkami nie zostały jeszcze odkryte i pozostają hipotetycznymi mieszkańcami mikroświata na obecnym poziomie rozwoju nauki.

Zatem z jednej strony jasne jest, że cząstki elementarne mają specjalną strukturę, z drugiej strony charakter tej struktury wciąż pozostaje niejasny. Z powyższych danych wynika, że ​​cząstki elementarne wcale nie są elementarne, mają strukturę wewnętrzną i można je dzielić i przekształcać w siebie. Wciąż niewiele wiemy o obu konstrukcjach. Zatem dzisiaj, na podstawie szeregu faktów, można stwierdzić, że materia cząstek elementarnych jest nowym typem, jakościowo odmiennym od cząstek bardziej złożonych (jądro, atom, cząsteczka). Jednocześnie różnica ta jest na tyle znacząca, że ​​kategorie i wyrażenia, których używamy badając jądra, atomy, cząsteczki, ciała makroskopowe („proste” i „złożone”, „struktura wewnętrzna”, „uformowane”) można zastosować także do cząstki elementarne. Pojęcia „proste i złożone”, „części składowe”, „struktura”, „całość” są na ogół pojęciami względnymi. Na przykład, pomimo tego, że atom ma złożoną strukturę, a jego struktura składa się z warstw jądrowych i elektronicznych, jest prostszy w porównaniu z cząsteczką składową.

Wszystkie znane obecnie cząstki elementarne można podzielić na grupy ze względu na ich ogólne właściwości i związek z oddziaływaniem. W przyrodzie znane są cztery takie oddziaływania: silne, elektromagnetyczne, słabe i grawitacyjne.

Mocny interakcja ma największą intensywność w porównaniu do innych interakcji. Określa połączenie protonów i neutronów w jądrach atomów (poprzez wymianę wirtualnych n-mezonów), co zapewnia wyjątkową wytrzymałość tych formacji.

Elektromagnetyczny interakcja charakteryzuje procesy mniej intensywne. Określa połączenie elektronów atomowych z jądrami, połączenie atomów w cząsteczkach, a także oddziaływanie materii z polami elektromagnetycznymi.

Słaby oddziaływanie charakteryzuje procesy związane z samymi cząstkami, w szczególności z rozpadem β, a także rozpadami μ, π, K-mezonów i hiperonów. Okazało się, że oddziaływanie słabe ma charakter uniwersalny, w procesie uczestniczą wszystkie cząstki t. Czas życia większości tych cząstek mieści się w przedziale 10 -8 - 10 -10 s, natomiast typowy czas oddziaływań silnych to 10 -23 -10 -24 s. Ilustracją takiego oddziaływania jest fakt, że neutrina , zdolny jedynie do słabych oddziaływań, może bez przeszkód przemieszczać się w odległości ~10 14 km.

Grawitacyjny oddziaływanie, tak dobrze znane ze swoich makroskopowych przejawów, w przypadku cząstek elementarnych daje niezwykle nieistotne efekty ze względu na małe rozmiary ich mas. Jednakże efekty te znacznie wzrastają również w mikrokosmosie w odległościach rzędu 10 -33 cm, ponieważ zwiększa się masa generowanych cząstek. Interakcje te odgrywają dominującą rolę w megaświecie.

Porównanie tych czterech oddziaływań za pomocą bezwymiarowych parametrów związanych z kwadratami odpowiednich stałych interakcji daje następujące stosunki dla silnego, elektromagnetycznego, słabego i grawitacyjnego: 1:10 -3:10 -10:10 -38. Ogólnie rzecz biorąc, intensywność różnych procesów zależy w różny sposób od energii, więc wraz ze wzrostem energii oddziałujących cząstek zmienia się względna rola różnych interakcji.

W zależności od ich udziału w określonych rodzajach oddziaływań, wszystkie cząstki, jak już wskazaliśmy, można podzielić na cztery grupy.

Grupa I: e, μ, τ, ν e, ν μ, ν τ - leptony uczestniczyć w oddziaływaniach słabych i elektromagnetycznych; II grupa zbudowane są z silnie oddziałujących cząstek (obecnie jest ich ponad 300), tzw hadrony(uczestniczą także w oddziaływaniach słabych i elektromagnetycznych).

Badania hadronów doprowadziły do ​​wniosku, że mają one coś wspólnego w swojej budowie. W 1964 roku M. Gell-Mann i J. Zweig postawili hipotezę, że w strukturze wszystkich hadronów znajdują się obiekty egzotyczne w swojej charakterystyce, tzw. kwarki. Założono, że istnieją trzy rodzaje kwarków u, d, s, których ładunki są ułamkowe e u = + 2/3, e d = e s = - 1/3 ładunku elektronu, a masy m u = m d ~300 MeV, ms ~450 MeV. Następnie, jak wymagała logika rozwoju teorii, do opisu słabych oddziaływań hadronów (słabych rozpadów) konieczne było wprowadzenie innego rodzaju kwarków, tzw. c-kwarków o ładunku e c = e u = + 2 / 3 ładunki elektronowe. Kwark ten charakteryzuje się nową liczbą kwantową zwaną urokiem.

W listopadzie 1974 roku odkryto nową cząstkę J/ψ o niezwykłych właściwościach (masa 3,1 GeV, w przybliżeniu trzykrotność masy protonu), czasie życia ~10 -20 s (czyli 1000 razy dłużej niż jakiekolwiek znane wcześniej cząstki o tak dużej masa). Rozpada się na pary e + + e - lub μ + + μ - . Wkrótce odkryto także cząstkę zwaną ψ” (masa 3,7 GeV).

Doświadczenia wykazały, że cząstki J/ψ, ψ" należą do całej rodziny mezonów, co dobrze koresponduje z widmem chromium o masie efektywnej odpowiadającej przewidywanej masie kwarku c (m c ≈1,6 GeV). konieczne potwierdzenie istnienia kwarku c. Udało się odkryć hadrony posiadające oczywisty „wdzięk”. Obecnie odkryto zjawiska wskazujące na narodziny cząstek zaczarowanych.

Fizycy uważają, że istnienie kwarku c zostało potwierdzone eksperymentalnie. Ponieważ jednak istnienie c-kwarków opierało się na założeniu istnienia kwarków lekkich - u, d, s, odkrycie hadronów zaczarowanych ma fundamentalne znaczenie dla potwierdzenia prawdziwości całej hipotezy kwarków.

Fizycy-teoretycy doszli do wniosku, że kwarki każdego typu muszą znajdować się w jednym z trzech stanów, które obecnie charakteryzują się zwykle trzema kwiaty(na przykład żółty, niebieski, czerwony); sugerują, że oddziaływanie silne kwarków polega na oddziaływaniu ich koloru z nowym polem, tzw. gluonowy (od angielskiego kleju - klej, ponieważ to pole zdaje się „sklejać” kwarki w hadronie). Kwanty pola gluonowego - gluony- nie uczestniczą w oddziaływaniach elektromagnetycznych i słabych. Nie tylko zmieniają kolor kwarku, ale także same przenoszą kolor i oddziałują z polem gluonowym. Wszystko to dało początek, analogicznie do elektrodynamiki kwantowej, nowej gałęzi fizyki - tzw. Chromodynamiki kwantowej.

Należy podkreślić, że kwarków i gluonów nie obserwuje się w stanie wolnym, nie „wylatują” z hadronów.

Istnieją specjalne badania, które dowodzą zasadniczej niemożności istnienia kwarków w stanie swobodnym.

Fizycy od dawna próbują stworzyć spójną teorię oddziaływań słabych. W 1967 roku S. Weinberg i A. Salam zaproponowali wersję takiej teorii – zbudowali model w oparciu o wykorzystanie ogólnych zasad symetrii. Teoria ta przewidywała istnienie nieznanych wcześniej cząstek – kwantów specjalnych pól wektorowych odpowiedzialnych za przenoszenie zarówno oddziaływań słabych, jak i elektromagnetycznych.

Dwie z tych cząstek W ± muszą mieć ładunki i faktycznie można je zaobserwować, gdyż ich zdaniem to właśnie wymiana naładowanych mezonów W ± powoduje słabe oddziaływanie tzw. prądów naładowanych. Jeśli chodzi o dwie neutralne cząstki W°, B° – kwanty pól neutronowych, kwanty dowolnej ich kombinacji liniowej można zaobserwować fizycznie:

gdzie Θ W jest tzw. kątem Weinberga.

Wykazano, że jedna z ich kombinacji – tzw. pole A – utożsamiana jest z polem elektromagnetycznym, a wymiana obojętnych mezonów Z° powoduje powstanie nowego typu oddziaływań słabych – tzw. prądy neutralne, które odkryto w 1973 roku. Stały się pierwszym potwierdzeniem względnej prawdziwości modelu Weinberga-Salama. Obecnie cząstki W ± i Z° są otwarte.

Należy także zwrócić uwagę na odkrycie nowych leptonów. To niezwykle rzadkie wydarzenie. Wystarczy przypomnieć, że elektron (e) odkryto w 1897 r., a mion (μ) w latach 1936–1938. W latach 1975-1976 pojawiły się dowody na istnienie τ ±, tzw. ciężkiego leptonu o masie 1,8 GeV (2 Mr). Badanie leptonu τ dostarcza kolejnego argumentu na rzecz trzech stanów kwarków. Sugerowano także, że istnieje nowy lepton (v τ - nowe neutrino), τ-lepton ma nową leptonową liczbę kwantową, którą nazwano sekwalepton(z angielskiego sekwencyjnego - sekwencyjnego).

Dalsze badania doprowadziły do ​​wniosku, że dla przywrócenia symetrii konieczne byłoby zwiększenie liczby kwarków. Do opisu obiektów mikroświata nie wystarczyły już cztery, konieczne było wprowadzenie dwóch kolejnych kwarków. Faktem jest, że w maju - czerwcu 1977 roku grupa L. Ledermana uzyskała ważne wyniki, a mianowicie odkrycie nowej rodziny ciężkich cząstek o masach ~10 GeV.

Odkrycie tych cząstek (nazwano je γ-mezonami) urzeczywistniło potrzebę istnienia jeszcze cięższego kwarku „b” o masie efektywnej m b ~5 ​​GeV i nowej liczbie kwantowej, zwanej „pięknem”.

Nowe mezony γ to cząstki o ukrytym uroku. Zatem badanie hadronów i leptonów wzbogaciło naukę o wiedzę o nowych obiektach, ich cechach ilościowych i jakościowych oraz ich interakcjach. Wszystko to wskazuje na nadejście nowej ery w badaniu niewyczerpanych właściwości mikroobiektów, które wraz z różnymi polami stanowią fragment integralnego świata materialnego.

Teraz jest nadzieja na stworzenie jednolitej teorii interakcji. Kiedyś A. Einstein próbował stworzyć taką teorię pola. Wiele wysiłku włożył także W. Heisenberg w zbudowanie jednolitej (tzw. spinorowej) teorii „materii pierwotnej”. Teraz jesteśmy świadkami pojawienia się kolejnej wersji zunifikowanej teorii interakcji, zwanej Wielkim Zjednoczeniem.

Udało się już stworzyć jednolite oddziaływanie elektrosłabe, a zachęcające wyniki uzyskano w przypadku łączenia oddziaływań silnych i elektrosłabych; Co więcej, przejawem tego są same oddziaływania silne i słabe. Poza zjednoczeniem nadal pozostaje oddziaływanie grawitacyjne, ale istnieją już podejścia do włączenia go (supersymetrii) do ujednoliconej teorii interakcji.

Współczesny rozwój fizyki cząstek elementarnych pozwolił wykazać, że znane cząstki (leptony, hadrony, kwarki, gluony, fotony) w istotny sposób determinują specyfikę procesów zachodzących w mikroświecie. Najwyraźniej lista ta nie jest kompletna, podobnie jak sama teoria cząstek elementarnych.

Jak zauważono, fizyka cząstek elementarnych dysponuje bogactwem materiału empirycznego, a teoria ta dostarcza już racjonalnego wyjaśnienia znacznej jego części. Wciąż jednak pozostaje znacznie w tyle za eksperymentem i nie jest wewnętrznie zamkniętym systemem pewnych zasad i pojęć, choć jego aparat pojęciowy jest znacznie pojemniejszy i różni się od aparatu dotychczas istniejących teorii.

Rozważmy teraz z perspektywy czasu pewne próby zbudowania jednolitej teorii obejmującej wszystkie cząstki i pola. Mamy tu do czynienia z dwoma głównymi nurtami, ostatecznie ze sobą powiązanymi. Pierwszy z nich wywodzi się z pomysłu Louisa de Broglie, który polega na oparciu najprostszej funkcji falowej typu spinorowego, opisującej cząstkę o minimalnym niezanikającym momencie pędu, tj. spin S = 1/2 (w ułamkach godz./2π). Następnie, łącząc te funkcje falowe (docelowo mnożąc), pod pewnymi dodatkowymi warunkami otrzymujemy poprzez podobne „łączenie” wszystkie inne możliwe funkcje falowe cząstek o spinach 0,1; 3/2; 2... Łącząc dwa momenty pędu + 1/2 i - 1/2, otrzymujemy 0, łącząc dwa momenty pędu + 1/2 i + 1/2, otrzymujemy 1 (ponieważ spiny + 1/2 mogą być tylko zorientowane równolegle lub antyrównolegle). Stosując metodę termojądrową, można poprzez połączenie dwóch równań Diraca opisujących cząstki spinowe („fermiony”) otrzymać równania Kleina-Gordona i Procka, a w szczególnym przypadku zanikającej masy spoczynkowej – równania elektrodynamiki Maxwella. W ten sposób w zasadzie możliwa jest konstrukcja fotonów z par neutrino-antyneutrino. Idee neutrinowej teorii światła Louisa de Broglie rozwinęli Kronig, Jordan i A. Sokolov.

Słabym punktem metody łączenia jest brak jakichkolwiek sił determinujących samo łączenie. Nie jest jasne, co powoduje, że na przykład neutrina zamieniają się w kwanty pola elektromagnetycznego. Próbą odpowiedzi na to pytanie była tzw. nieliniowa, zunifikowana spinorowa teoria materii W. Heisenberga. Nazwa tej teorii jest wyraźnie niefortunna. Dyskusja dotyczyła stworzenia jednolitej teorii cząstek i pól elementarnych, a nie teorii materii, gdyż jedyną teorią materii jako obiektywnej rzeczywistości istniejącej na zewnątrz i niezależnie od podmiotu poznającego jest materializm dialektyczny. Jeśli za podstawę nowej teorii przyjmiemy jakieś zunifikowane pole spinorowe, wówczas jest ono zdolne do interakcji tylko ze sobą. Prowadzi to do pojawienia się w równaniach Diraca tzw. członów nieliniowych (po raz pierwszy wprowadzonych przez D. Iwanienkę już w 1938 r.), a następnie szerzej rozważonych przez W. Heisenberga (193, 441-485; 34).

Teoria ta nie podaje dokładnych wartości mas cząstek i stałych sprzężenia, ale niewątpliwie jest to jedna z prób zasługujących na uwagę, choć nie pozbawiona wad. Jest to jedynie program badawczy, którego nie należy przeceniać, co miało już miejsce w poszczególnych artykułach publikowanych w naszej prasie.

Należy pamiętać, że kilka lat temu ujawniono błędność matematycznej interpretacji teorii spinorowej Heisenberga, a także wykazano, że wprowadzona przez Heisenberga nieokreślona metryka prowadzi do naruszenia mikroprzyczynowości. Można nie bez powodu sądzić, że konkretna próba Heisenberga stworzenia jednolitej teorii cząstek elementarnych zakończyła się dotychczas niepowodzeniem, nie należy jednak lekceważyć obranego przez niego kierunku badań.W ostatnich latach można zaobserwować swoisty powrót do idei W. Heisenberga.

W 1958 roku w USA, kiedy Pauli relacjonował teorię Heisenberga, obecny podczas dyskusji N. Bohr poczynił uwagę: „Jak na nową teorię teoria Heisenberga nie jest wystarczająco szalona” (crasy) (23, 20). N. Bohr miał na myśli brak w tej teorii niezwykłej, dziwacznej idei. Naszym zdaniem fizycy nie mają jeszcze takiego pomysłu. Akademik I. Tamm za najbardziej obiecujący kierunek rozwoju teorii cząstek elementarnych uznał próby radykalnej rewizji naszych koncepcji czasoprzestrzeni w zastosowaniu do ultramałych skal. Odwołuje się do wypowiedzi akademika L. T. Mandelstama o niemożności zastosowania potocznych pojęć przestrzeni i czasu do skal nuklearnych, a także do prac X. Snydera (1947), który zaproponował metodę kwantyzacji przestrzeni i czasu, prowadzącą do wniosku, że przestrzeń jest dyskretna. Snyder pokazał, że przestrzeń skwantowana, czyli przestrzeń współrzędnych, które nie przecinają się ze sobą, jest dyskretna i jednocześnie izotropowa. Jednak idee Snydera prawie nie doczekały się dalszego rozwoju, z wyjątkiem dzieł Golfanda i Kadyszewskiego.

V. G. Kadyshevsky (50. 1961. 136. (1)) zaproponował wprowadzenie uniwersalnej długości „l” do teorii cząstek elementarnych opartej na zmianach geometrii czasoprzestrzeni. Uważał, że nowa geometria musi spełniać następujące warunki:

a) postać S 2 = X 2 0 - X 2 2 jest niezmiennicza dla transformacji współrzędnych, a grupa ruchów pozwalałaby na niższy stopień izotropii przestrzeni 4 niż grupa Lorentza;

b) niezmienność przedziału i istnienie długości uniwersalnej byłyby przyczyną niezachowania parzystości;

c) musi istnieć podgrupa, dla której S 2 jest niezmiennikiem, aby można było opisać symetrie dużych obszarów przestrzeni 4 - dużych w porównaniu z elementarną długością „l”. Autor łączy długość „l” z wartością C – uniwersalną stałą oddziaływania słabego. Po wybraniu mnożników „ H" i "C" dla "l" ma wartość 7 * 10 -17 cm. To i następująca po nim praca są bardzo interesujące, ale jak dotąd możliwości tej teorii pozostają niejasne.

W 1959 roku kanadyjski fizyk H. Coish i radziecki fizyk I. S. Shapiro w swoich badaniach rozważyli przestrzeń dyskretną składającą się ze skończonej liczby elementów i wykazali dobrą zgodność szeregu wniosków z danymi eksperymentalnymi. Jest to także jedna z możliwych ścieżek poszukiwań, która przybliża nas do stworzenia systematyki cząstek elementarnych, do nowej uogólniającej teorii fizycznej. Jednak I. S. Shapiro, przemawiając w 1962 roku na Spotkaniu o Filozoficznych Problemach Fizyki Cząstek Elementarnych, ocenił swoją pracę jako etap początkowy, bardzo odległy od stworzenia teorii umożliwiającej porównanie z doświadczeniem. Filozoficzną analizę tego problemu przedstawił R. A. Aronow (31.1957.3).

W fizyce rozważano zagadnienia dotyczące tzw. reprezentacji widmowych i relacji dyspersji. Zdaniem wielu fizyków był to swego rodzaju nowy etap w jego rozwoju, podczas którego badano właściwości analityczne wielkości fizycznych (na przykład amplitudę rozpraszania), gdy rozciągały się one od wartości rzeczywistych do obszaru złożonego. Zastosowanie teorii funkcji zmiennej zespolonej do tych wielkości dało niezwykle ważne wyniki. Mandelstam (99) wprowadził relacje podwójnej dyspersji, uwzględniając złożone wartości nie tylko energii, ale także pędu. Regge zaproponował uogólnienie formalizmu macierzy S i relacji dyspersji na zespolone wartości momentu pędu. W wyniku zastosowania „rejestru” wyznaczono zależności pomiędzy amplitudami prawdopodobieństwa różnych procesów rozpraszania: ππ, πN, NN itp. przy dużych energiach. Istnieją jednak dane (z zakresu fizyki ultrawysokich energii), które ograniczają twierdzenia „rejestrów” do kompleksowości ich pomysłów.

Akademik I. Tamm uważał teorię dyspersji za w pewnym stopniu fenomenologiczną, ponieważ bez wchodzenia w mechanizm elementarnych zjawisk fizycznych wydobywa z danych eksperymentalnych wartości liczbowe szeregu zawartych w niej parametrów, a następnie poprawnie przewiduje wyniki znacznie szerszego zakresu eksperymentów niż te, na podstawie których wyznaczono te parametry. W drugim wydaniu tej książki pisaliśmy (s. 194), że choć na pierwszy rzut oka istnieje ścisła jedność teorii i praktyki, wydaje nam się, że sama teoria ma charakter receptywny. Zgodziliśmy się z konkluzją I. Tamma, że ​​„sukcesy teorii dyspersji (zarówno obecne, jak i przyszłe) wcale nie rozwiązują głównego problemu stworzenia nowej teorii fizycznej opartej na ograniczonej liczbie ogólnych zasad i postulatów” (23, 21). . Późniejszy rozwój fizyki potwierdził te założenia. Było wiele innych prób skonstruowania teorii cząstek elementarnych. Przyjrzyjmy się pokrótce niektórym z nich.

Fermi i Young zaproponowali rozważenie n-mezonu jako utworzonego z nukleonu i antynukleonu za pomocą nieznanych jeszcze sił działających na niezwykle małe odległości p+¯p = π. Ogromna potencjalna energia wiązania „pożera” prawie całą masę obu nukleonów, pozostawiając jedynie masę pionu. Zainteresowanie wzbudziła propozycja S. Sakaty, który oparł teorię na p, π, λ i trzech odpowiadających im antycząstkach. Następnie, łącząc te cząstki elementarne, można otrzymać wszystkie piony, K-mezony i hiperony. „Model ten” – pisał S. Sakata – „przyciągnął uwagę, ponieważ nie tylko posłużył jako „istotna” podstawa do budowy oddziaływania silnego, ale także pozwolił wyjaśnić widmo masowe cząstek kompozytowych i przewidzieć istnienie odkrywanych wówczas cząstek rezonansowych” (74, 168). Jednakże charakter sił adhezji pozostał niejasny. Aby zapewnić obecność takich podstawowych właściwości, jak ładunek, izospin, obcość (reprezentowana przez hiperon λ), wymagane są co najmniej trzy cząstki podstawowe. Jasne jest znowu, że podstawą powinny być „obracające się” cząstki spinorowe, fermiony, ponieważ w przypadku braku „rotacji” nie byłoby skąd tego wziąć. Widzimy tu swego rodzaju odrodzenie teorii Helmholtza i Kelvina, którzy próbowali tego dokonać w połowie XIX wieku. budować materię z hipotetycznych eterycznych wirów.

Konstruując model „złożony”, Sakata wyszedł z następującego spojrzenia na cząstki elementarne: „... Cząstki elementarne uważam za jeden z nieskończonej liczby poziomów struktury materii, różniących się od siebie jakościowo i kolektywnie tworzących naturę. Mój punkt widzenia opiera się na postanowieniach dialektyki materialistycznej... należy przede wszystkim ustalić, czy trzydzieści kilka odkrytych dotychczas typów cząstek elementarnych należy do jednego, czy kilku różnych poziomów budowy materii” (31). 1962. 6, 134). Sakata i jego współpracownicy próbowali uwzględnić w swoim schemacie leptony. Podstawą są leptony e - , v, μ i część pola „barionowego” B (tzw. materia B). Łącząc jeden z leptonów z polem B, uzyskują cząstki podstawowe. Realizuje się zatem podobieństwo zauważone przez Marshaka – Gambę – Okuba (203) pomiędzy barionami (р, π, λ i leptonami v, e -, μ -). Ta sama symetria jest realizowana w nieliniowej teorii spinorowej cząstek.

Marshak nazwał swoje pomysły dotyczące symetrii „symetrią kijowską”, ponieważ narodziły się one na sympozjach Kijowskiej Konferencji Fizyki Wysokich Energii latem 1959 roku. Mówimy (jak już wspomnieliśmy) o pewnej analogii, która istniała pomiędzy trójkami bariony (p, π, λ) i leptony (v, e - , μ -). Dowolny wyraz oddziaływania czterech fermionów, z udziałem operatorów tych cząstek, można skontrastować z podobnym wyrazem otrzymanym z pierwszego, zastępując λ przez μ -, π przez e -, p przez v. Następnie, jeśli proces jest dozwolony/zakazany przed wymianą, pozostaje dozwolony/zakazany po zastąpieniu jednej cząstki z triady barion/lepton „symmetrofaktorem” z triady lepton/barion. Marshak zaznacza, że ​​dokładnie przeanalizował wszystkie dane eksperymentalne i nie znalazł ani jednego przypadku sprzecznego z określoną „symetrią”, jednak natura tej symetrii pozostaje niejasna. Teraz, gdy model kwarkowy został już stworzony, możliwa stała się interpretacja symetrii kijowskiej jako przynależności czterech kwarków - u, c, d, s do czterech leptonów - v e, v μ, e, μ, ale natura ta symetria nie jest jeszcze dobrze znana.

Wiemy, że każda, nawet najbardziej udana próba stworzenia jednolitej teorii materii i pola będzie nieuchronnie tymczasowa, przejściowa. Dalsza teoretyczna i eksperymentalna penetracja w głąb mikrokosmosu oraz coraz szersze badania zjawisk w przestrzeni, nieuchronnie zaburzając pojedynczy obraz, doprowadzą do jej rozpadu na poszczególne elementy, aż na wyższym poziomie ponownie pojawią się tendencje do unifikacji.

Wprowadzenie różnych pojęć odzwierciedlających rzeczywiste właściwości cząstek (spin izotopowy, obcość, ładunek barionowy itp.) przybliżyło nas do prawidłowej klasyfikacji cząstek. Ogromną rolę w klasyfikacji mikrocząstek pełni zasada symetrii. Łatwo zauważyć, że cząstki elementarne każdej klasy (fotony, leptony, mezony, hiperony) mają pewne wspólne dla nich właściwości symetrii, ale tę kwestię omówimy szerzej w toku dalszej prezentacji.

J. Chu, M. Gell-Mann i I. Neeman (21, 5E) zaproponowali nową klasyfikację silnie oddziałujących cząstek materii, w której podział cząstek na elementarne i złożone (złożone) traci swoje znaczenie. Autorzy ci zaproponowali rozważenie cząstek połączonych w grupy (supermultiplety), tak aby cząstki o różnych masach spoczynkowych w każdej grupie można było uznać za różne stany wzbudzone tego samego układu. Widmo masowe cząstek na tym schemacie jest bardzo podobne do widma stanów energetycznych atomu. Każdą z cząstek można rozpatrywać z równym uzasadnieniem zarówno jako prostą, jak i złożoną. Do wyznaczenia widma masowego proponuje się dwie metody: jedna opiera się na własnościach symetrii i teorii grup, druga opiera się na wykorzystaniu tzw. trajektorii Regge’a, czyli krzywych łączących masę cząstki z jej wewnętrzną moment pędu (spin) w każdej grupie.

Wielu fizyków uważa obecnie, że schemat oktetów Gell-Manna jest najbardziej skuteczny. Opiera się to na zasadzie SU(3) symetria. Uważa się, że osiem znanych barionów jest supermultipletem odpowiadającym wyższej symetrii; ta symetria zostaje złamana i supermultiplet dzieli się na izotopowe multiplety spinowe. Silnie oddziałujące cząstki opisano w przestrzeni „spinu jednostkowego”, który ma osiem składowych: pierwsze trzy to składowe izospinowe, kolejne cztery działają jak operatory modyfikujące dziwność, a ostatnia jest proporcjonalna do hiperładowania. Kiedy wyższa symetria („jednostkowa”) zostaje naruszona, izospina i hiperładunek zostają zachowane, a składniki jednostkowego spinu odpowiadające dziwności ulegają zmianie; W rezultacie supermultiplet rozpada się na multiplety spinu izotopowego. Zatem teoria Gell-Manna w pewnym stopniu uwzględnia głęboką dialektyczną jedność symetrii i asymetrii w świecie cząstek elementarnych. To właśnie pozwoliło tej teorii zjednoczyć silnie oddziałujące cząstki według harmonijnego schematu i jednocześnie oddać ich specyfikę (asymetria właściwości). Schemat oktetów Gell-Manna po raz kolejny demonstruje ogromną heurystyczną moc zasady symetrii. W ramach hipotezy „ośmiokrotnej ścieżki”, bazującej na koncepcjach symetrii i praw zachowania, przewidywano istnienie hiperonu Ω, który odkryto w akceleratorze Brookhaven w USA (214). Kiedyś pisaliśmy, że sukcesy, jakie wyniknęły z uwzględnienia w teorii właściwości symetrii unitarnej, dają nadzieję, że badania eksperymentalne doprowadzą do odkrycia innych cząstek o przewidywanym przez teorię ułamkowym ładunku elektrycznym (± 1/ 3 i ± 2/3 ładunku elektronu), tak zwane kwarki. Późniejszy rozwój fizyki uzasadnił te nadzieje.

Wskażmy jeszcze kilka prób usystematyzowania cząstek elementarnych. Dlatego kilka lat temu M.A. Markov (204) zaproponował oryginalny model Maksymonow. Opierając się na ideach ogólnej teorii względności pokazał, że makro- i mikroświaty mogą się ze sobą ściśle przecinać. Formalną podstawą wprowadzenia nowych elementów hipotetycznych był fakt, że z najważniejszych stałych światowych współczesnej teorii fizycznej można dokonać dwóch kombinacji z wymiarem masy. Jedna z tych wielkości ma wartość liczbową równą jednej milionowej grama, a druga ma wartość liczbową dziesięciokrotnie większą. Wprowadzone w ten sposób maksimony mają masę 10 19 razy większą od rzeczywistych hadronów (cząstek silnie oddziałujących). Maksymony są tak ciężkie jak na swoje wymiary przestrzenne, że "cząstek tych nie da się wykryć w żadnym naczyniu na powierzchni Ziemi. Opadają one do środka planety pod wpływem grawitacji... Ponieważ do narodzin Maksimona potrzebna jest energia 10 28 eV, możliwość narodzin maksimmonów jest wykluczona nawet na akceleratorach odległej przyszłości” (53.1966.51, 878).

Analiza istniejących modeli wskazuje na pewne różnice w podejściu ich autorów do problemu systematyzacji mikroobiektów. Niektórzy wychodzą z pewnych właściwości cząstek i pól elementarnych i próbują rozwiązać problem struktury mikroobiektów poprzez wprowadzenie nowych właściwości symetrii czasoprzestrzennej, inni wręcz przeciwnie, zachowują znane właściwości przestrzeni i czasu, ale aby wyjaśniają strukturę mikrocząstek, wprowadzają nowe cechy właściwości materialnych mikroobiektów i pól. Taka różnica w podejściu do rozwiązania tego samego problemu jest w pełni uzasadniona.

Usługa montażu okien plastikowych w Tomsku w atrakcyjnej cenie od firmy BFK.