Элементарные частицы и их основные характеристики. Стабильные элементарные частицы Другие существующие и гипотетические частицы

1. Элементарные частицы - это микрообъекты, размеры которых не превышают размеров атомных ядер. К элементарным частицам относятся протоны, нейтроны, электро­ны, мезоны, нейтрино, фотоны и др.

Выражение элементарные частицы не следует понимать как бесструктурные части­цы, не способные к превращениям. Содержание любого научного термина по мере развития науки постепенно уходит от его этимологии. Так, атом оставался в представлениях людей неделимым вплоть до возникновения в начале XIX в. химической атомистики, В современ­ном научном знании атом - это сложная динамическая система, способная к многообразным перестройкам. Так и элементарные частицы по мере открытия их новых свойств обнаружи­вают все более сложную их структуру.

Наиболее важным свойством элементарных частиц является их способность рож­даться и взаимопревращаться друг в друга при столкновениях. Для протекания таких про­цессов необходимо, чтобы сталкивающиеся частицы обладали большой энергией. Поэтому физику элементарных частиц называют также физикой высоких энергий.

По времени жизни все элементарные частицы делятся на три группы: стабильные, не­стабильные и резонансы.

Стабильные частицы существуют в свободном состоянии неограниченно долго Та­ких частиц всего 11: протон р, электрон е, электронное нейтрино ν 0 , мюонное нейтрино νμ , таонное нейтрино ντ , их античастицы р, е, ν e , νμ, ντ, и плюс фотон γ. Опытные факты спон­танного распада этих частиц пока неизвестны.

Нестабильные частицы имеют среднее время жизни τ. которое очень велико по сравнению с характерным временем ядерного пролёта 10 -23 с (времени прохождения светом поперечника ядер). Например, у нейтрона τ =16 мин, у мюона τ=10 -6 с, у наряженного пиона τ= 10 -8 с, у гиперонов и каонов τ=10 -4 с.

Резонансы имеют времена жизни, соизмеримые с пролётным временем 10 -23 с. Регистрируются они по резонансам на кривых зависимости сечений реакции от энергии. Многие резонансы толкуются как возбужденные состояния нуклонов и других частиц.

2. Фундаментальные взаимодействия . Вес многообразие взаимодействий, наблюдающихся между элементарными частицами и в природе в целом, сводится к 4 основным ти­пам: сильному, электромагнитному, слабому и гравитационному. Сильное взаимодействие удерживает нуклоны в атомных ядрах и присуще адронам (протонам, нейтронам, мезонам, гиперонам и др.). К электромагнитному сводятся взаимодействия, проявляющиеся на макро­уровне- упругие, вязкие, молекулярные, химические и др. Слабые взаимодействия вызыва­ют β -распад ядер и наряду с электромагнитными силами управляют поведением пептонов -элементарных частиц с полуцелым спином, не участвующих в сильных взаимодействиях. Гравитационное взаимодействие присуще всем материальным объектам.

Сравнивают фундаментальные взаимодействия между собой но их интенсивности. Однозначного определения этого понятия и метода сравнения интенсивностей нет. Поэтому используются сравнения по совокупности явлений.

Например, отношение силы гравитационного притяжения между двумя протонами к силе кулоновского отталкивания составляет G (m p m p /r 2) /(e 2 /4πε 0 r 2) = 4πε 0 G(m p 2 /e 2) =10 -36 . Это число и берется в качестве меры отношения гравитационного и электромагнитного взаимодействий.

Соотношение между сильным и электромагнитным взаимодействиями, определяемое по сечениям и энергиям ядерных реакций, оценивается как 10 4: 1. Подобным же образом сравниваются интенсивности сильного и слабого взаимодействий.

Наряду с интенсивностью в качестве меры сравнения взаимодействий используют также время и расстояние взаимодействия. Обычно для сравнения времен берут скорости процессов при кинетических энергиях сталкивающихся частиц Е= 1 ГэВ. При таких энерги­ях процессы, вызываемые сильными взаимодействиями, совершаются за время ядерного пролёта 10 -23 с, процессы, вызываемые электромагнитными взаимодействиями, - за время порядка 10 -19 с, слабыми - за время порядка 10 -9 с, гравитационными - 10 +16 с.

B качестве расстояний для сравнения взаимодействий берут обычно длину свободно­го пробега частицы в веществе. Сильно взаимодействующие частицы с Е= 1 ГэВ задержи­ваются слоем тяжёлого металла толщиной до 1 м. Тогда как нейтрино, способное участво­вать только в слабом взаимодействии, при энергии в 100 раз меньше (Е= 10 МэВ) может за­держаться слоем 10 9 км!

а. Сильное взаимодействие не только самое интенсивное, но и самое короткодействующее в природе. На расстояниях, превышающих 10 -15 м, его роль становится ничтожной. Обеспечивая стабильность ядер, это взаимодействие не влияет практически на атомные явления. Сильное взаимодействие не универсально. Оно присуще не всем частицам, а только адронам - нуклонам, мезонам, гиперонам и др. Существуют частицы - фотоны, электроны, мюоны, нейтрино, не подверженные сильному взаимодействию и не рождающиеся за его счёт при столкновениях.

б. Электромагнитное взаимодействие по интенсивности на 4 порядка уступает сильному. Главной областью его проявления являются расстояния, начиная от поперечника ядра 10 -15 м и вплоть примерно до 1 м. Сюда входят структура атомов, молекул, кристаллов, химические реакции, деформации, трение, свет, радиоволны и многие другие физические явления, доступные восприятию человека.

Наиболее сильно электромагнитное взаимодействие у электрически заряженных час­тиц. У нейтральных частиц с ненулевым спином оно проявляется слабее и лишь благодаря тому, что такие частицы имеют магнитный момент порядка М=eћ/2m. Ещё слабее электромагнитное взаимодействие проявляется у нейтральных пионов π 0 и у нейтрино.

Исключительно важным свойством ЭМ-взаимодействия является наличие как отталкивания между одноимённо заряженными, так и притяжения между разноименно заряжен­ными частицами. Благодаря этому ЭМ-взаимодействие между атомами и любыми другими объектами с нулевым суммарным зарядом имеет относительно короткий радиус действия, хотя кулоновские силы между заряженными частицами являются дальнодействующими.

е. Слабое взаимодействие ничтожно мало по сравнению с сильным и электромагнит­ным. Но с уменьшением расстояний оно стремительно нарастает. Если допустить, что дина­мика нарастания сохраняется достаточно глубоко, то при расстояниях порядка 10 -20 м слабое взаимодействие сравняется с сильным. Но экспериментальному исследованию такие рас­стояния пока недоступны.

Слабое взаимодействие обуславливает некоторые процессы взаимопревращений час­тиц. Например, частица сигма - плюс - гиперон только под влиянием слабого взаимодейст­вия распадается на протон и нейтральный пион, Σ + => р + π 0 . Благодаря слабому взаимодей­ствию идетβ - распад. Такие частицы как гипероны, каоны, мюоны при отсутствии слабого взаимодействия были бы стабильными.

г. Гравитационное взаимодействие самое слабое. Но оно характерно дальнодейст­вием, абсолютной универсальностью (гравитируют все тела) и одинаковым знаком между любой парой частиц. Последнее свойство приводит к тому, что гравитационные силы всегда растут с увеличением массы тел. Поэтому гравитация, несмотря на всё ничтожную относи­тельную интенсивность, во взаимодействиях космических тел - планет, звёзд, галактик -приобретает решающую роль

В мире элементарных частиц роль гравитации ничтожна. Поэтому в физике атома, яд­ра и элементарных частиц гравитационное взаимодействие не принимается во внимание.

3. Характеристики элементарных частиц . До начала 50-х годов XX в., пока коли­чество открытых частиц было относительно невелико, для описания частиц использовались общефизические величины - масса m, кинетическая энергия Е, импульс р и одно квантовое число - спин s, позволявший судить о величине механического и магнитного моментов час­тицы. Для нестабильных частиц добавлялось сюда ещё среднее время жизни τ.

Но постепенно в закономерностях рождений и распада определённых частиц удава­лось выделить некоторые признаки, специфические для этих частиц. Для обозначения этих свойств пришлось вводить новые квантовые числа. Некоторые из них были названы заряда­ми.

Например, выяснилось, что при распаде тяжёлых частиц, например, нейтрона, нико­гда не бывает так, чтобы образовались одни лёгкие, например, электроны е - , е + и нейтрино. И наоборот, при столкновении электронов и позитронов нельзя получить нейтрон, хотя зако­ны сохранения энергии и импульса выполняются. Для отражения этой закономерности было введено квантовое число барионныи заряд В. Стали полагать, что у таких тяжёлых частиц -бариоиов В = 1, у их античастиц В =-1. У лёгких частиц B = 0. В результате открытая зако­номерность приняла форму закона сохранения барионного заряда.

Аналогично для лёгких частиц эмпирически были введены квантовые числа - лептонные заряды L - признаки запретности некоторых превращений. Условились Считать, что лептонные заряды L е = +1 для электронов е - и электронных нейтрино ν e ,L µ = + 1 для отрица­тельных мюонов µ - и мюонных нейтрино ν µ ,L τ = +1 для отрицательных таонов τ - и таонных нейтрино v τ . Для соответствующих античастиц L= -1. Как и барионныи, лептонные заряды сохраняются во всех взаимодействиях.

При открытии гиперонов, рождающихся в сильных взаимодействиях, оказалось, что их время жизни не равно времени пролёта 10 -23 с, что характерно для сильно взаимодейст­вующих частиц, а в 10 13 раз больше. Это представлялось неожиданным и странным и могло быть объяснено лишь тем, что частицы, родившиеся в сильных взаимодействиях, распадают­ся в слабых взаимодействиях. Для отражения такого свойства частиц ввели квантовое число странность S. У странных частицS = + 1, у их античастиц S=- 1, у других частиц S = 0.

Электрический заряд Q микрочастиц выражается через его отношение к положитель­ному элементарному заряду е + . Поэтому электрический заряд Q частиц также целочислен­ное квантовое число. У протона Q = + 1, у электрона Q = -1, у нейтрона, нейтрино и других нейтральных частицQ = 0.

Кроме названных параметров элементарные частицы имеют и другие характеристи­ки, которые здесь не рассматриваются.

4. Законы сохранения в физике элементарных частиц можно разделить на три труппы: всеобщие законы сохранения, точные законы сохранения зарядов и приближённые законы сохранения.

а. Всеобщие законы сохранения выполняются точно независимо от масштаба явле­ний - в микро-, макро- и мегамире. Эти законы вытекают из геометрии пространства - вре­мени. Однородность времени приводит к закону сохранения энергии, однородность про­странства - к закону сохранения импульса, изотропность пространства - к закону сохранения момента импульса, равноправие ИСО - к закону сохранения центра инерции. Кроме этих 4-х законов сюда входят ещё два, связанные с симметрией пространства - времени относитель­но зеркальных отражений координатных осей. Из зеркальной симметрии координатных осей следует, что право-левые симметрии пространства тождественны (закон сохранения чёт­ности). Закон, связанный с зеркальной симметрией времени, говорит о тождественности явлений в микромире относительно изменения знака времени.

б. Точные законы сохранения зарядов . Любой физической системе приписывается целочисленный заряд каждого сорта. Каждый заряд аддитивен и сохраняется. Таких заря­дов 5: электрический Q, барионныи В, три леигонных - электронный L e , мюониый L µ тон­ный L τ . Все заряды целочисленны и могут иметь как положительные, так и отрицательные значения в нуль.

Электрический заряд имеет двойное значение. Он представляет собой не только квантовое число, но и является источником силового поля. Барионный и лептонные заряды не являются источниками силового поля. Для сложной системы полный заряд любого сорта ра­вен сумме соответствующих зарядов входящих в систему элементарных частиц.

в. Приближённые законы сохранения выполняются лишь в некоторых видах фундаментальных взаимодействий. Они относятся к таким характеристикам, как странность S и др.

Все перечисленные законы сохранения сведены в таблицу 26.2.

5. Частицы и античастицы имеют одинаковую массу, но все заряды у них противо­положны Выбор из пары частицы и античастицы произволен. Например, в паре электрон + позитрон договорились считать электрон е - частицей, а позитрон е + - античастицей. Заряды электрона Q =-1, В = 0, Le = +1, Lµ= 0,Lτ =0. Заряды позитрона Q = +1, В = 0, Le=-1, Lµ= 0,Lτ =0

Все заряды системы частица + античастица равны нулю. Такие системы, у которых все заряды равны нулю, называются истинно нейтральными. Есть истинно нейтральные и частицы. Их две: γ - квант (фотон) и η - мезон. Частицы и античастицы здесь тождественны.

6. Классификация элементарных частиц не завершена до сих пор. В основу одной из классификаций в настоящее время положены среднее время жизни τ, масса m, спин s, пять видов зарядов, странность S и другие параметры частиц. Все частицы делятся на 4 класса.

1- й класс образует одна частица - фотон. У фотона равны нулю масса покоя и все за­ряды. Фотон-не подвержен сильным взаимодействиям. Его спин равен 1, то есть по статисти­ке он бозон.

2- й класс образуют лептоны. Это легкие частицы с нулевым барионным зарядом. У каждой частицы - лептопа один из лентонных зарядов не равен нулю. Лептоны не подверже­ны сильным взаимодействиям. Спин всех лептонов 1/2, то есть по статистике они фермионы.

3- й класс образуют мезоны. Это частицы с нулевыми барионным и лептонными заря­дами, участвующие в сильных взаимодействиях. Все мезоны имеют целый спин, то есть по статистике они бозоны.

4- й класс составляют барионы. Это тяжёлые частицы с отличным от нуля барионным зарядом В ≠ О и с нулевыми лептонными, Le,Lµ,Lτ = 0. Они имеют полуцелый спин (фермио­ны) и участвуют в сильных взаимодействиях. По способности частиц 3-го и 4-го классов участвовать в сильных взаимодействиях их называют еще адронами.

В таблице 26. 3 приведены хорошо известные частицы - не резонансы с их основными характеристиками. Приведены частицы и античастицы. Истинно нейтральные частицы, не имеющие античастиц, помещены посредине столбца. Названия приведены только для час­тиц. Соответствующая античастица получается просто прибавлением к названию Частицы приставки «анти». Например, протон - антипротон, нейтрон - антинейтрон.

Антиэлектрон е + имеет исторически сложившееся название позитрон. По отношению к заряженным пионам и каонам термин «античастица» практически не применяется. Они от­личаются лишь Электрическим зарядом.Поэтому просто говорят о положительных или от­рицательных пионах и каонах.

Верхний знак заряда относится к частице, нижний к античастице. Например, для пары электрон - позитрон Le= ± 1. Это значит, что у электрона Le= + 1, а у позитрона Le= -1.

В таблице приняты обозначения: Q - электрический заряд, В барионный заряд Le,Lµ,Lτ, - соответственно, электронный, мюонный, таонный лептопные заряды, S - странность, s- спин, τ - среднее время жизни.

Масса покоя т указана в мегаэлектронвольтах. Из релятивистского уравнения mc 2 =еU следует m=eU/c 2 . Энергии частицы 1 МэВ соответствует масса m=eU/c 2 =1,6 *10 -19 /9*10 16 =17,71*10 -31 кг. Это около двух электронных масс. Разделив на массу электрона m e = 9, 11*10 -31 кг, получаем m = 1,94 m е.

Масса электрона, выраженная через энергию, составляет m е =0,511 МэВ.

7. Кварковая модель адронов . Адронами называются элементарные частицы, участ­вующие в сильных взаимодействиях. Это мезоны и барионы. В 1964 г. американцы Мюррей Гелл-Ман и Джордж Цвейг выдвинули гипотезу, что структура и свойства адронов могут быть поняты глубже, если предположить, что адроны состоят из более фундаментальных частиц, названных Гелл-Маном кварками. Кварковая гипотеза оказалась очень плодотвор­ной и является сейчас общепринятой.

Число предполагаемых кварков постоянно увеличивается. К настоящему времени наиболее хорошо изучены 5 разновидностей (ароматов) кварков: кварк u с массой m u = 5 МэВ, кварк d с массой m d = 7 МэВ, кварк s с ms= 150 МэВ, кварк c с mc = 1300 МэВ и кварк b с mb=5000 МэВ. У каждого кварка имеется свой антикварк.

Все перечисленные кварки имеют одинаковый спин 1/2 и одинаковый барионный заряд В = 1/3. Кварки u, c имеют дробный положительный заряд Q = + 2/3, кварки d, s,b имеют

дробный отрицательный заряд Q = - 1/3. Кварк s является носителем странности, кварк с -носителем очарования, кварк b - красоты (таблица 26.4).

Каждый адрон может быть представлен как ком­бинация нескольких квар­ков. Квантовые числа Q, В, S адронов получаются как сумма соответствующих чи­сел составляющих адрон кварков. Если в адрон входят два одинаковых кварка то их спины противоположны.

Барионы имеют полуцелый спин, поэтому могут состоять из нечетного числа кварков. Например, протон состоит из трех кварков, р => uud. Электрический заряд протона Q =+ 2/3+2/3 – 1/3 = 1, барионный заряд протона B = 1/3+ 1/3 + 1/3 = 1, странность S = О, спин s = 1/2 – 1/2 +1/2=1/2.

Нейтрон состоит также из трёх кварков, n => udd. Q =2/3-1/3- 1/3 =О, B = 1/3+1/3+1/3=1, S = 0, s = 1/2 – 1/2 + 1/2 = 1/2. Комбинацией из трёх кварков удаётся представить следующие барионы: Λ 0 (uds), Σ + (uus), Σ 0 (uds), Σ - (dds),Ξ 0 (uss), Ξ - (dss),Ω - (sss)a°(uss). В последнем случае спины всех кварков направлены в одну сторону. Поэтому Ω - - гиперон имеет спин 3/2.

Античастицы барионов образуются из соответствующих антикварков.

Мезоны состоят из двух любых кварка и антикварка. Например, положительный пион π + (ud). Его заряд Q = +2/3- (-1/3) = 1, В = 1/3-1/3= О, S = 0, спин 1/2 – 1/2= 0.

Кварковая модель предполагает, что внутри адронов кварки существуют, а опыт пока­зывает, что вылететь из адронов они не могуг. Но крайней мере, при тех энергиях, которые достижимы на современных ускорителях. Велика вероятность, что кварки вообще не могут существовать в свободном состоянии.

Современная физика высоких энергий полагает, что взаимодействие между кварками осуществляется посредством особых частиц - глюонов. Масса покоя глюонов равна нулю, спин равен единице. Допускается существование около десятка разных видов глюонов.

Эти три частицы (как и другие описываемые ниже) взаимно притягиваются и отталкиваются соответственно своим зарядам , которых всего четыре вида по числу фундаментальных сил природы. Заряды можно расположить в порядке уменьшения соответствующих сил следующим образом: цветовой заряд (силы взаимодействия между кварками); электрический заряд (электрические и магнитные силы); слабый заряд (силы в некоторых радиоактивных процессах); наконец, масса (силы тяготения, или гравитационного взаимодействия). Слово «цвет» здесь не имеет ничего общего с цветом видимого света; это просто характеристика сильного заряда и самых больших сил.

Заряды сохраняются , т.е. заряд, входящий в систему, равен заряду, из нее выходящему. Если суммарный электрический заряд некоторого числа частиц до их взаимодействия равен, скажем, 342 единицам, то он и после взаимодействия независимо от его результата будет равен 342 единицам. Это относится и к другим зарядам: цветовому (заряду сильного взаимодействия), слабому и массовому (массе). Частицы различаются своими зарядами: в сущности, они и «есть» эти заряды. Заряды – это как бы «справка» о праве отвечать на соответствующую силу. Так, только на цветные частицы действуют цветовые силы, только на электрически заряженные частицы действуют электрические силы и т.д. Свойства частицы определяются наибольшей силой, действующей на нее. Только кварки являются носителями всех зарядов и, следовательно, подвержены действию всех сил, среди которых доминирующей является цветовая. Электроны имеют все заряды, кроме цветового, а доминирующей для них является электромагнитная сила.

Наиболее устойчивыми в природе оказываются, как правило, нейтральные комбинации частиц, в которых заряд частиц одного знака компенсируется суммарным зарядом частиц другого знака. Это отвечает минимуму энергии всей системы. (Точно так же два стержневых магнита располагаются в линию, причем северный полюс одного из них обращен к южному полюсу другого, что соответствует минимуму энергии магнитного поля.) Гравитация же является исключением из этого правила: отрицательной массы не существует. Нет тел, которые падали бы вверх.

ВИДЫ МАТЕРИИ

Обычная материя образуется из электронов и кварков, группирующихся в объекты, нейтральные по цветовому, а затем и по электрическому заряду. Цветовая сила нейтрализуется, о чем подробнее будет сказано ниже, когда частицы объединяются в триплеты. (Отсюда и сам термин «цвет», взятый из оптики: три основных цвета при смешении дают белый.) Таким образом, кварки, для которых цветовая сила является главной, образуют триплеты. Но кварки, а они подразделяются на u -кварки (от англ. up – верхний) и d -кварки (от англ. down – нижний), имеют еще и электрический заряд, равный для u -кварка и для d -кварка. Два u -кварка и один d -кварк дают электрический заряд +1 и образуют протон, а один u -кварк и два d -кварка дают нулевой электрический заряд и образуют нейтрон.

Стабильные протоны и нейтроны, притягиваемые друг к другу остаточными цветовыми силами взаимодействия между составляющими их кварками, образуют нейтральное по цвету ядро атома. Но ядра несут положительный электрический заряд и, притягивая отрицательные электроны, вращающиеся вокруг ядра наподобие планет, обращающихся вокруг Солнца, стремятся образовать нейтральный атом. Электроны на своих орбитах удалены от ядра на расстояния, в десятки тысяч раз превышающие радиус ядра, – свидетельство того, что удерживающие их электрические силы гораздо слабее ядерных. Благодаря силе цветового взаимодействия 99,945% массы атома заключено в его ядре. Масса u - и d -кварков примерно в 600 раз больше массы электрона. Поэтому электроны намного легче и подвижнее ядер. Их движением в веществе обусловлены электрические явления.

Существует несколько сот природных разновидностей атомов (включая изотопы), различающихся числом нейтронов и протонов в ядре и соответственно числом электронов на орбитах. Самый простой – атом водорода, состоящий из ядра в виде протона и обращающегося вокруг него единственного электрона. Вся «видимая» материя в природе состоит из атомов и частично «разобранных» атомов, которые называются ионами. Ионы – это атомы, которые, потеряв (или приобретя) несколько электронов, стали заряженными частицами. Материя, состоящая почти из одних ионов, называется плазмой. Звезды, горящие за счет идущих в центрах термоядерных реакций, состоят в основном из плазмы, а поскольку звезды – самая распространенная форма материи во Вселенной, можно сказать, что и вся Вселенная состоит в основном из плазмы. Точнее, звезды – это преимущественно полностью ионизованный газообразный водород, т.е. смесь отдельных протонов и электронов, а стало быть, из нее и состоит почти вся видимая Вселенная.

Это – видимая материя. Но во Вселенной есть еще невидимая материя. И есть частицы, выступающие в роли носителей сил. Существуют античастицы и возбужденные состояния некоторых частиц. Все это приводит к явно чрезмерному изобилию «элементарных» частиц. В этом изобилии можно найти указание на действительную, истинную природу элементарных частиц и сил, действующих между ними. Согласно самым последним теориям, частицы в своей основе могут представлять собой протяженные геометрические объекты – «струны» в десятимерном пространстве.

Невидимый мир.

Во Вселенной имеется не только видимая материя (а также черные дыры и «темная материя», например холодные планеты, которые станут видимыми, если их осветить). Существует и подлинно невидимая материя, пронизывающая всех нас и всю Вселенную ежесекундно. Она представляет собой быстро движущийся газ из частиц одного сорта – электронных нейтрино.

Электронное нейтрино является партнером электрона, но не имеет электрического заряда. Нейтрино несут лишь так называемый слабый заряд. Их масса покоя, по всей вероятности, равна нулю. Но с гравитационным полем они взаимодействуют, поскольку обладают кинетической энергией E , которой соответствует эффективная масса m , согласно формуле Эйнштейна E = mc 2 , где c – скорость света.

Ключевая роль нейтрино заключается в том, что оно способствует превращению и -кварков в d -кварки, в результате чего протон превращается в нейтрон. Нейтрино играет роль «иглы карбюратора» для звездных термоядерных реакций, в которых четыре протона (ядра водорода) объединяются, образуя ядро гелия. Но поскольку ядро гелия состоит не из четырех протонов, а из двух протонов и двух нейтронов, для такого ядерного синтеза нужно, чтобы два и -кварка превратились в два d -кварка. От интенсивности превращения зависит, насколько быстро будут гореть звезды. А процесс превращения определяется слабыми зарядами и силами слабого взаимодействия между частицами. При этом и -кварк (электрический заряд +2/3, слабый заряд +1/2), взаимодействуя с электроном (электрический заряд - 1, слабый заряд –1/2), образует d -кварк (электрический заряд –1/3, слабый заряд –1/2) и электронное нейтрино (электрический заряд 0, слабый заряд +1/2). Цветовые заряды (или просто цвета) двух кварков в этом процессе компенсируются без нейтрино. Роль нейтрино состоит в том, чтобы уносить нескомпенсированный слабый заряд. Поэтому скорость превращения зависит от того, насколько слабы слабые силы. Если бы они были слабее, чем они есть, то звезды вообще не горели бы. Если же они были бы более сильными, то звезды давно бы выгорели.

А что же нейтрино? Поскольку эти частицы крайне слабо взаимодействуют с другим веществом, они почти сразу уходят из звезд, в которых родились. Все звезды сияют, испуская нейтрино, а нейтрино днем и ночью просвечивают наши тела и всю Землю. Так они странствуют по Вселенной, пока не вступят, может быть, в новое взаимодействие ЗВЕЗДЫ) .

Переносчики взаимодействий.

За счет чего возникают силы, действующие между частицами на расстоянии? Современная физика отвечает: за счет обмена другими частицами. Представьте себе двух конькобежцев, перебрасывающихся мячом. Сообщая мячу импульс при броске и получая импульс с принятым мячом, оба получают толчок в направлении друг от друга. Так можно объяснить возникновение сил отталкивания. Но в квантовой механике, рассматривающей явления в области микромира, допускаются необычные растяжение и делокализация событий, что приводит, казалось бы, к невозможному: один из конькобежцев бросает мяч в направлении от другого, но тот тем не менее может этот мяч поймать. Нетрудно сообразить, что, будь такое возможно (а в мире элементарных частиц это возможно), между конькобежцами возникло бы притяжение.

Частицы, благодаря обмену которыми возникают силы взаимодействия между четырьмя рассмотренными выше «частицами материи», называются калибровочными частицами. Каждому из четырех взаимодействий – сильному, электромагнитному, слабому и гравитационному – соответствует свой набор калибровочных частиц. Частицами-переносчиками сильного взаимодействия являются глюоны (их всего восемь). Фотон – переносчик электромагнитного взаимодействия (он один, а фотоны мы воспринимаем как свет). Частицами-переносчиками слабого взаимодействия являются промежуточные векторные бозоны (в 1983 и 1984 были открыты W + -, W - -бозоны и нейтральный Z -бозон). Частицей-переносчиком гравитационного взаимодействия является пока еще гипотетический гравитон (он должен быть один). Все эти частицы, кроме фотона и гравитона, которые могут пробегать бесконечно большие расстояния, существуют лишь в процессе обмена между материальными частицами. Фотоны заполняют Вселенную светом, а гравитоны – гравитационными волнами (пока еще с достоверностью не обнаруженными).

О частице, способной испускать калибровочные частицы, говорят, что она окружена соответствующим полем сил. Так, электроны, способные испускать фотоны, окружены электрическими и магнитными полями, а также слабыми и гравитационными полями. Кварки тоже окружены всеми этими полями, но еще и полем сильного взаимодействия. На частицы с цветовым зарядом в поле цветовых сил действует цветовая сила. То же самое относится к другим силам природы. Поэтому можно сказать, что мир состоит из вещества (материальных частиц) и поля (калибровочных частиц). Об этом подробнее ниже.

Антивещество.

Каждой частице отвечает античастица, с которой частица может взаимно уничтожиться, т.е. «аннигилировать», в результате чего высвобождается энергия. «Чистой» энергии самой по себе, однако, не существует; в результате аннигиляции возникают новые частицы (например, фотоны), уносящие эту энергию.

Античастица в большинстве случаев обладает противоположными по отношению к соответствующей частице свойствами: если частица под действием сильного, слабого или электромагнитного полей движется влево, то ее античастица будет двигаться вправо. Короче говоря, античастица имеет противоположные знаки всех зарядов (кроме массового заряда). Если частица составная, как, например, нейтрон, то ее античастица состоит из компонент с противоположными знаками зарядов. Так, антиэлектрон имеет электрический заряд +1, слабый заряд +1/2 и называется позитроном. Антинейтрон состоит из и -антикварков с электрическим зарядом –2/3 и d -антикварков с электрическим зарядом +1/3. Истинно нейтральные частицы являются своими собственными античастицами: античастица фотона – фотон.

Согласно современным теоретическим представлениям, своя античастица должна быть для каждой существующей в природе частицы. И многие античастицы, в том числе позитроны и антинейтроны, действительно были получены в лаборатории. Следствия этого исключительно важны и лежат в основе всей экспериментальной физики элементарных частиц. Согласно теории относительности, масса и энергия эквивалентны, и в определенных условиях энергия может быть превращена в массу. Поскольку заряд сохраняется, а заряд вакуума (пустого пространства) равен нулю, из вакуума, как кролики из шляпы фокусника, могут возникать любые пары частиц и античастиц (с нулевым суммарным зарядом), лишь бы энергия была достаточной для создания их массы.

Поколения частиц.

Эксперименты на ускорителях показали, что четверка (квартет) материальных частиц по крайней мере дважды повторяется при более высоких значениях массы. Во втором поколении место электрона занимает мюон (с массой, примерно в 200 раз большей массы электрона, но с прежними значениями всех остальных зарядов), место электронного нейтрино – мюонное (которое сопутствует в слабых взаимодействиях мюону так же, как электрону сопутствует электронное нейтрино), место и -кварка занимает с -кварк (очарованный ), а d -кварка – s -кварк (странный ). В третьем поколении квартет состоит из тау-лептона, тау-нейтрино, t -кварка и b -кварка.

Масса t -кварка примерно в 500 раз больше массы самого легкого – d -кварка. Экспериментально установлено, что существуют только три типа легких нейтрино. Таким образом, четвертое поколение частиц или не существует вовсе, или соответствующие нейтрино являются очень тяжелыми. Это согласуется с космологическими данными, в соответствии с которыми могут существовать не более четырех типов легких нейтрино.

В экспериментах с частицами высоких энергий электрон, мюон, тау-лептон и соответствующие нейтрино выступают как обособленные частицы. Они не несут цветового заряда и вступают только в слабые и электромагнитные взаимодействия. В совокупности они называются лептонами .

Таблица 2. ПОКОЛЕНИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ ЧАСТИЦ
Частица	Масса покоя, МэВ/с 2	Электрический заряд	Цветовой заряд	Слабый заряд
ВТОРОЕ ПОКОЛЕНИЕ
с -кварк	1500	+2/3	Красный, зеленый или синий	+1/2
s -кварк	500	–1/3	То же	–1/2
Мюонное нейтрино		0	0	+1/2
Мюон	106	0	0	–1/2
ТРЕТЬЕ ПОКОЛЕНИЕ
t -кварк	30000–174000	+2/3	Красный, зеленый или синий	+1/2
b -кварк	4700	–1/3	То же	–1/2
Тау-нейтрино		0	0	+1/2
Тау	1777	–1	0	–1/2

Кварки же под действием цветовых сил объединяются в сильно взаимодействующие частицы, преобладающие в большинстве экспериментов физики высоких энергий. Такие частицы называются адронами . В них входят два подкласса: барионы (например, протон и нейтрон), которые состоят из трех кварков, и мезоны , состоящие из кварка и антикварка. В 1947 в космических лучах был открыт первый мезон, названный пионом (или пи-мезоном), и некоторое время считалось, что обмен этими частицами – главная причина ядерных сил. Особой известностью в физике элементарных частиц пользовались также адроны омега-минус, открытые в 1964 в Брукхейвенской национальной лаборатории (США), и джей-пси-частица (J /y -мезон), открытая одновременно в Брукхейвене и в Стэнфордском центре линейных ускорителей (тоже в США) в 1974. Существование омега-минус-частицы было предсказано М.Гелл-Манном в его так называемой «SU 3 -теории» (другое название – «восьмеричный путь»), в которой впервые было высказано предположение о возможности существования кварков (и было дано им это название). Десятилетие спустя открытие частицы J /y подтвердило существование с -кварка и заставило, наконец, всех поверить и в кварковую модель, и в теорию, объединившую электромагнитные и слабые силы (см. ниже) .

Частицы второго и третьего поколения не менее реальны, чем первого. Правда, возникнув, они за миллионные или миллиардные доли секунды распадаются на обычные частицы первого поколения: электрон, электронное нейтрино, а также и - и d -кварки. Вопрос о том, почему в природе существуют несколько поколений частиц, до сих пор остается загадкой.

О разных поколениях кварков и лептонов часто говорят (что, конечно, несколько эксцентрично) как о разных «ароматах» частиц. Необходимость их объяснения называется проблемой «аромата».

БОЗОНЫ И ФЕРМИОНЫ, ПОЛЕ И ВЕЩЕСТВО

Одним из принципиальных различий между частицами является различие между бозонами и фермионами. Все частицы делятся на эти два основных класса. Одинаковые бозоны могут налагаться друг на друга или перекрываться, а одинаковые фермионы – нет. Наложение происходит (или не происходит) в дискретных энергетических состояниях, на которые квантовая механика делит природу. Эти состояния представляют собой как бы отдельные ячейки, в которые можно помещать частицы. Так вот, в одну ячейку можно поместить сколько угодно одинаковых бозонов, но только один фермион .

В качестве примера рассмотрим такие ячейки, или «состояния», для электрона, вращающегося вокруг ядра атома. В отличие от планет Солнечной системы, электрон по законам квантовой механики не может обращаться по любой эллиптической орбите, для него существует только дискретный ряд разрешенных «состояний движения». Наборы таких состояний, группируемые в соответствии с расстоянием от электрона до ядра, называются орбиталями . В первой орбитали имеются два состояния с разными моментами импульса и, следовательно, две разрешенные ячейки, а в более высоких орбиталях – восемь и более ячеек.

Поскольку электрон относится к фермионам, в каждой ячейке может находиться только один электрон. Отсюда вытекают очень важные следствия – вся химия, поскольку химические свойства веществ определяются взаимодействиями между соответствующими атомами. Если идти по периодической системе элементов от одного атома к другому в порядке увеличения на единицу числа протонов в ядре (число электронов тоже будет соответственно увеличиваться), то первые два электрона займут первую орбиталь, следующие восемь расположатся на второй и т.д. Этим последовательным изменением электронной структуры атомов от элемента к элементу и обусловлены закономерности в их химических свойствах .

Если бы электроны были бозонами, то все электроны атома могли бы занимать одну и ту же орбиталь, соответствующую минимальной энергии. При этом свойства всего вещества во Вселенной были бы совершенно другими, и в том виде, в котором мы ее знаем, Вселенная была бы невозможна.

Все лептоны – электрон, мюон, тау-лептон и соответствующие им нейтрино – являются фермионами. То же можно сказать о кварках. Таким образом, все частицы, которые образуют «вещество», основной наполнитель Вселенной, а также невидимые нейтрино, являются фермионами. Это весьма существенно: фермионы не могут совмещаться, так что то же самое относится к предметам материального мира.

В то же время все «калибровочные частицы», которыми обмениваются взаимодействующие материальные частицы и которые создают поле сил (см. выше ), являются бозонами, что тоже очень важно. Так, например, много фотонов могут находиться в одном состоянии, образуя магнитное поле вокруг магнита или электрическое поле вокруг электрического заряда. Благодаря этому же возможен лазер .

Спин.

Различие между бозонами и фермионами связано с еще одной характеристикой элементарных частиц – спином . Как это ни удивительно, но все фундаментальные частицы имеют собственный момент импульса или, проще говоря, вращаются вокруг своей оси. Момент импульса – характеристика вращательного движения, так же как суммарный импульс – поступательного. В любых взаимодействиях момент импульса и импульс сохраняются.

В микромире момент импульса квантуется, т.е. принимает дискретные значения. В подходящих единицах измерения лептоны и кварки имеют спин, равный 1/2, а калибровочные частицы – спин, равный 1 (кроме гравитона, который экспериментально пока не наблюдался, а теоретически должен иметь спин, равный 2). Поскольку лептоны и кварки – фермионы, а калибровочные частицы – бозоны, можно предположить, что «фермионность» связана со спином 1/2, а «бозонность» – со спином 1 (или 2). Действительно, и эксперимент, и теория подтверждают, что если у частицы полуцелый спин, то она – фермион, а если целый – то бозон.

КАЛИБРОВОЧНЫЕ ТЕОРИИ И ГЕОМЕТРИЯ

Во всех случаях силы возникают вследствие обмена бозонами между фермионами. Так, цветовая сила взаимодействия между двумя кварками (кварки – фермионы) возникает за счет обмена глюонами. Подобный обмен постоянно происходит в протонах, нейтронах и атомных ядрах. Точно так же фотоны, которыми обмениваются электроны и кварки, создают электрические силы притяжения, удерживающие электроны в атоме, а промежуточные векторные бозоны, которыми обмениваются лептоны и кварки, создают силы слабого взаимодействия, ответственные за превращение протонов в нейтроны при термоядерных реакциях в звездах.

Теория такого обмена изящна, проста и, вероятно, правильна. Она называется калибровочной теорией . Но в настоящее время существуют лишь независимые калибровочные теории сильного, слабого и электромагнитного взаимодействий и сходная с ними, хотя кое в чем и отличающаяся, калибровочная теория гравитации. Одной из важнейших физических проблем является сведение этих отдельных теорий в единую и вместе с тем простую теорию, в которой все они стали бы разными аспектами единой реальности – как грани кристалла.

Таблица 3. НЕКОТОРЫЕ АДРОНЫ

Таблица 3. НЕКОТОРЫЕ АДРОНЫ
Частица	Символ	Кварковый состав *	Масса покоя, МэВ/с 2	Электрический заряд
БАРИОНЫ
Протон	p	uud	938	+1
Нейтрон	n	udd	940	0
Омега-минус	W –	sss	1672	–1
МЕЗОНЫ
Пи-плюс	p +	u	140	+1
Пи-минус	p –	du	140	–1
Фи	f	sє	1020	0
Джей-пси	J /y	cў	3100	0
Ипсилон	Ў	b	9460	0
* Кварковый состав: u – верхний; d – нижний; s – странный; c – очарованный; b – красивый. Чертой над буквой обозначены антикварки.

Простейшей и самой старой из калибровочных теорий является калибровочная теория электромагнитного взаимодействия. В ней заряд электрона сравнивается (калибруется) с зарядом другого электрона, удаленного от него. Как можно сравнивать заряды? Можно, например, приблизить второй электрон к первому и сравнивать их силы взаимодействия. Но не меняется ли заряд электрона при его перемещении в другую точку пространства? Единственный способ проверки – послать от ближнего электрона к дальнему сигнал и посмотреть, как он среагирует. Сигналом является калибровочная частица – фотон. Чтобы можно было проверить заряд на удаленных частицах, необходим фотон.

В математическом отношении эта теория отличается чрезвычайной точностью и красотой. Из описанного выше «калибровочного принципа» вытекает вся квантовая электродинамика (квантовая теория электромагнетизма), а также теория электромагнитного поля Максвелла – одно из величайших научных достижений 19 в.

Почему же столь простой принцип оказывается столь плодотворным? Видимо, он выражает некую соотнесенность разных частей Вселенной, позволяя проводить измерения во Вселенной. В математическом плане поле интерпретируется геометрически как кривизна некоторого мыслимого «внутреннего» пространства. Измерение же заряда – это измерение полной «внутренней кривизны» вокруг частицы. Калибровочные теории сильного и слабого взаимодействий отличаются от электромагнитной калибровочной теории только внутренней геометрической «структурой» соответствующего заряда. На вопрос о том, где именно находится это внутреннее пространство, пытаются ответить многомерные единые теории поля, которые здесь не рассматриваются.

Таблица 4. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
Взаимо-действие	Относительная интенсивность на расстоянии 10 –13 см	Радиус действия	Переносчик взаимодействия	Масса покоя переносчика, МэВ/с 2	Спин переносчика
Сильное	1		Глюон	0	1
Электро- магнитное	0,01	Ґ	Фотон	0	1
Слабое	10 –13		W +	80400	1
			W –	80400	1
			Z 0	91190	1
Гравита- ционное	10 –38	Ґ	Гравитон	0	2

Физика элементарных частиц пока не завершена. Еще далеко не ясно, достаточно ли имеющихся данных для полного понимания природы частиц и сил, а также истинной природы и размерности пространства и времени. Нужны ли нам для этого эксперименты с энергиями 10 15 ГэВ или же будет достаточно усилий мысли? Ответа пока нет. Но можно сказать с уверенностью, что окончательная картина будет проста, изящна и красива. Возможно, что принципиальных идей окажется не так много: калибровочный принцип, пространства высших размерностей, коллапс и расширение, а прежде всего – геометрия.

13.1. Понятие «элементарные частицы»

В точном значении термина «элементарные» - это первичные неделимые простейшие частицы без внутренней структуры, из которых состоит материя.

К 1932 году были известны четыре типа частиц: электроны, протоны, нейтроны и фотоны. Эти частицы (за исключением фотона) действительно являются составными частями наблюдаемой материи.

К 1956 году было обнаружено уже около 30 элементарных частиц. Так, в составе космического излучения, были открыты позитроны (1932 г.), мюоны (1936 г.), p(пи) - мезоны (1947 г.), странные частицы К (ка) - мезоны и гипероны. Последующие открытия в этой области сделаны с помощью больших ускорителей, сообщающих частицам энергии порядка сотен и тысяч МэВ. Так были открыты антипротоны (1955 г.) и антинейтроны (1956 г.), тяжёлые гипероны и резонансы (60-е годы), «очарованные» и «прелестные» частицы (70-е годы), t(тау) - лептон (1975 г.), n(ипсилон) - частица с массой порядка десяти(!) протонных масс, «красивые» частицы (1981 г.), промежуточные векторные бозоны (1983 г.). Сейчас известно несколько сотен частиц и их число продолжает расти.

Общее свойство всех этих элементарных частиц - они являются специфическими формами существования материи, не ассоциированной в ядра и атомы. По этой причине к элементарным частицам больше подходит термин «субъядерные частицы» . Большинство таких частиц не удовлетворяют строгому определению элементарности, поскольку (по современным представлениям) они являются составными системами , то есть имеют внутреннюю структуру. Однако, в соответствии со сложившейся практикой термин «элементарные частицы» сохраняется. Частицы же, претендующие на роль первичных элементов материи (например, электрон), называются «истинно элементарные» .

13.1.1. Основные свойства элементарных частиц

Все элементарные частицы, имеют очень малые массы: от 10 -22 (у промежуточных бозонов) до ~ 10 -27 (у электрона). Самые лёгкие частицы - нейтрино (предполагается, что её масса в 10 тысяч раз меньше массы электрона). Размер элементарных частиц тоже исключительно мал: от 10 -13 см (у адронов) до < 10 -16 см у электронов и мюонов.

Микроскопические массы и размеры обуславливают квантовую специфику поведения элементарных частиц. Наиболее важное квантовое свойство - способность рождаться и уничтожаться (испускаться и поглощаться) при взаимодействии с другими частицами.

Большинство элементарных частиц нестабильны : рождаясь в космических лучах или ускорителях, они живут доли секунды, а затем претерпевают распад. Мерой стабильности частицы служит среднее время жизни t. Электрон, протон, фотон и нейтрино - абсолютно стабильные частицы (t®¥), во всяком случае их распад экспериментально не обнаружен. Нейтрон квазистабилен (t=(898±16)с. Существуют группы нестабильных частиц со средними временами жизни порядка 10 -6 , 10 -8 , 10 -10 , 10 -13 , 10 -16 , 10 -20 с. Самые кротко живущие частицы – резонансы: t~(10 -22 ¸10 -23)с.

Общими характеристиками элементарных частиц являются также спин , электрический заряд q и собственный магнитный момент . Спин обычно выражается в единицах и принимает только целые или полуцелые значения. Он определяет количество возможных спиновых состояний частицы, а также тип статистики, которой подчиняются данные частицы. По этому признаку все частицы делятся на фермионы (частицы с полуцелым спином) и бозоны (частицы с целым спином). Электрический заряд частицы является целым кратным элементарному заряду |e| = 1,6 × 10 -19 Кл. У известных элементарных частиц электрический заряд в единицах e принимает значения: q = 0, ±1, ±2 . Частицы с дробным зарядом - кварки - в свободном состоянии не встречаются (см. п.5.3.2).

Собственный магнитный момент характеризует взаимодействие покоящейся частицы с внешним магнитным полем. Векторы и

параллельны или антипараллельны.

Кроме перечисленных, элементарные частицы характеризуются ещё целым рядом квантовых характеристик, называемых «внутренними» (лептонный заряд, барионный заряд, странность и др.).

13.1.2 Частицы и античастицы

Практически каждой частице соответствует античастица - частица с такой же массой, временем жизни, спином; остальные характеристики у них равны по модулю, но противоположны по знаку (электрический заряд, магнитный момент, внутренние квантовые характеристики). Некоторые частицы (например, фотон) не обладают никакими внутренними квантовыми числами и, потому, тождественны своим античастицам - это истинно нейтральные частицы .

Вывод о существовании античастиц впервые сделал П. Дирак (1930 г.). Он вывел релятивистское квантовое уравнение, описывающее состояние частицы с полуцелым спином. Для свободной частицы уравнение Дирака приводит к релятивистскому соотношению между импульсом (p), энергией (Е) и массой (m) частицы:

Для покоящегося электрона (p e =0) возможны следующие энергетические уровни: и , интервал энергий «запрещён».

В квантовой теории поля состояние частицы с отрицательной энергией трактуется как состояние античастицы, обладающей положительной энергией, но противоположным электрическим зарядом. Все возможные отрицательные уровни энергии заполнены, но не наблюдаемы. Фотон с энергией способен перевести электрон из состояния с отрицательной энергией в состояние с положительной энергией (см. рис. 5.1) - электрон становится наблюдаемым.