К физике атомного ядра тесно прилегает физика элементарных частиц. Эта область современной науки базируется на квантовых представлениях и в своем развитии всё дальше проникает в глубину материи, открывая загадочный мир ее первооснов. В физике элементарных частиц чрезвычайно велика роль теории. В силу невозможности прямого наблюдения таких материальных объектов их образы ассоциируются с математическими уравнениями, с наложенными на них запрещающими и разрешающими правилами.
По определению элементарные частицы — это первичные, неразложимые образования, из которых, по предположению, состоит вся материя. На самом же деле этот термин употребляется в более широком смысле — для обозначения обширной группы микрочастиц материи, структурно не объединенных в ядра и атомы. Большинство объектов исследования физики элементарных частиц не отвечают строгому определению элементарности, поскольку представляют собой составные системы. Поэтому частицы, удовлетворяющие этому требованию, принято называть истинно элементарными.
Первой элементарной частицей, открытой в процессе изучения микромира еще в конце XIX в., был электрон. Следующим был открыт протон (1919), затем пришла очередь нейтрона, открытого в 1932 г. Существование позитрона теоретически было предсказано П. Дираком в 1931 г., и в 1932 г. этот положительно заряженный «двойник» электрона был обнаружен в космических лучах Карлом Андерсоном. Предположение о существовании в природе нейтрино было выдвинуто В. Паули в 1930 г., а экспериментально оно было обнаружено только в 1953 г. В составе космических лучей в 1936 г. были найдены мю-мезоны (мюоны) — частицы обоих знаков электрического заряда с массой около 200 масс электрона. Во всем остальном свойства мюонов очень близки к свойствам электрона и позитрона. Также в космических лучах в 1947 г. были открыты положительный и отрицательный пи-мезоны, существование которых было предсказано японским физиком Хидэки Юкавой в 1935 г. В дальнейшем выяснилось, что существует также нейтральный пи-мезон.
В начале 50-х гг. была открыта большая группа частиц с весьма необычными свойствами, что побудило назвать их «странными». Первые частицы этой группы были обнаружены в космических лучах, это К-мезо- ны обоих знаков и К-гиперон (лямбда-гиперон). Отметим, что мезоны получили свое название от греч. «средний, промежуточный» в силу того, что массы первых открытых частиц этого типа (пи-мезоны, мю-мезоны) имеют массу, промежуточную между массой нуклона и электрона. Гипероны же ведут свое название от греч. «сверх, выше», поскольку их массы превышают массу нуклона. Последующие открытия странных частиц делались уже на ускорителях заряженных частиц, которые стали основным инструментом изучения элементарных частиц.
Так были открыты антипротон, антинейтрон и ряд гиперонов. В 60-е гг. было обнаружено значительное число частиц с крайне малым временем жизни, которые получили названиерезонансов. Как выяснилось, к резонансам относится большинство известных элементарных частиц. В середине 70-х гг. было открыто новое семейство элементарных частиц, получивших романтическое название «очарованных», а в начале 80-х — семейства «красивых» частиц и так называемых промежуточных векторных бозонов. Открытие этих частиц явилось блестящим подтверждением теории, основанной на кварковой модели элементарных частиц, которая предсказала существование новых частиц задолго до их обнаружения.
Таким образом, за время после открытия первой элементарной частицы — электрона — в природе выявлено множество (около 400) микрочастиц материи, и процесс открытия новых частиц продолжается. Оказалось, что мир элементарных частиц устроен весьма и весьма сложно, а их свойства разнообразны и зачастую крайне неожиданны.
Все элементарные частицы являются материальными образованиями чрезвычайно малых масс и размеров. Большинство из них имеют массы порядка массы протона (~10 -24 г) и размеры порядка 10 -13 м. Это определяет сугубо квантовую специфику их поведения. Важное квантовое свойство всех элементарных частиц (включая и относящийся к ним фотон) состоит в том, что все процессы с ними происходят в виде последовательности актов их испускания и поглощения (способность рождаться и уничтожаться при взаимодействии с другими частицами). Процессы с участием элементарных частиц относятся ко всем четырем видам фундаментального взаимодействия, сильному, электромагнитному, слабому и гравитационному. Сильным взаимодействием обусловлена связь нуклонов в атомном ядре. Электромагнитное взаимодействие обеспечивает связь электронов с ядрами в атоме, а также связь атомов в молекулах. Слабое взаимодействие вызывает, в частности, распад квазистабильных (т. е. относительно долгоживущих) частиц, имеющих время жизни в пределах 10 -12 -г 10 -14 с. Гравитационное взаимодействие на характерных для элементарных частиц расстояниях ~10 -13 см, в силу малости их массы, имеет крайне малую интенсивность, однако может оказаться существенным на сверхмалых расстояниях. Интенсивности взаимодействий, сильного, электромагнитного, слабого и гравитационного — при умеренной энергии процессов относятся соответственно как 1 , 10 -2 , 10 -10 , 10 -38 . Вообще же с ростом энергии частиц это соотношение изменяется.
Элементарные частицы классифицируют по различным признакам, и надо сказать, что в целом принятая их классификация достаточно сложна.
В зависимости от участия в различных видах взаимодействия все известные частицы делят на две основные группы: адроны и лептоны.
Адроны участвуют во всех видах взаимодействия, включая сильное. Они получили свое название от греч. «большой, сильный».
Лептоны не участвуют в сильном взаимодействии. Их название происходит от греч. «легкий, тонкий», поскольку массы известных до середины 70-х гг. частиц этого класса были заметно меньше масс всех других частиц (кроме фотона).
К адронам относятся все барионы (группа частиц с массой не меньше массы протона, названных так от греч. «тяжелый») и мезоны. Самым легким барионом является протон.
Лептонами являются, в частности, электрон и позитрон, мюоны обоих знаков, нейтрино трех видов (легкие, электрически нейтральные частицы, участвующие только в слабом и гравитационном взаимодействиях). Предполагается, что нейтрино столь же распространены в природе, как и фотоны, к их образованию приводит множество различных процессов. Отличительной особенностью нейтрино является его огромная проникающая способность, особенно при низких энергиях. Завершая классификацию по видам взаимодействия, следует отметить, что фотон принимает участие только в электромагнитном и гравитационном взаимодействиях. Кроме того, в соответствии с теоретическими моделями, направленными на объединение всех четырех видов взаимодействия, существует гипотетическая частица, переносящая гравитационное поле, которая получила название гравитон. Особенность гравитона состоит в том, что он (согласно теории) участвует только в гравитационном взаимодействии. Заметим, что теория связывает с квантовыми процессами гравитационного взаимодействия еще две гипотетические частицы — гра- витино и гравифотон. Экспериментальное обнаружение гравитонов, т. е., по сути, гравитационного излучения, крайне затруднено из-за его чрезвычайно слабого взаимодействия с веществом.
В зависимости от времени жизни элементарные частицы разделяют на стабильные, квазистабильные и нестабильные (резонансы).
Стабильными частицами являются электрон (его время жизни t > 10 21 лет), протон (t > 10 31 лет), нейтрино и фотон. Квазистабильными считаются частицы, распадающиеся за счет электромагнитного и слабого взаимодействий, их время жизни t > 10 -20 c. Резонансы — частицы, распадающиеся в результате сильного взаимодействия, их время жизни находится в интервале 10 -22 ^10 -24 с.
Распространенным является еще один вид подразделения элементарных частиц. Системы частиц с нулевым и целым спином подчиняются статистике Бозе-Эйнштейна, поэтому такие частицы принято называть бозонами. Совокупность же частиц с полуцелым спином описывается статистикой Ферми-Дирака, отсюда и название таких частиц — фермионы.
Каждая элементарная частица характеризуется определенным набором дискретных физических величин — квантовых чисел. Общими для всех частиц характеристиками являются масса m, время жизни t, спин J и электрический заряд Q. Спин элементарных частиц принимает значения, равные целым или полуцелым кратным постоянной Планка. Электрические заряды частиц являются целыми кратными величине заряда электрона, считающегося элементарным электрическим зарядом.
Кроме того, элементарные частицы дополнительно характеризуются так называемыми внутренними квантовыми числами. Лептонам приписывается специфический лептонный заряд L = ±1, адроны с полуцелым спином несут барионный заряд В =±1 (адроны с В = 0 образуют подгруппу мезонов).
Важной квантовой характеристикой адронов является внутренняя четность Р, принимающая значение ±1 и отражающая свойство симметрии волновой функции частицы относительно пространственной инверсии (зеркального отображения). Несмотря на несохранение четности при слабом взаимодействии, частицы с хорошей точностью принимают значения внутренней четности, равные либо +1, либо -1.
Адроны, кроме того, подразделяются на обычные частицы (протон, нейтрон, пи-мезоны), странные частицы (^-мезоны, гипероны, некоторые резонансы), «очарованные» и «красивые» частицы. Им соответствуют особые квантовые числа: странность S, очарование С и красота b. Эти квантовые числа введены в соответствии с кварковой моделью для истолкования специфических процессов, характерных для этих частиц.
Среди адронов имеются группы (семейства) частиц с близкими массами, одинаковыми внутренними квантовыми числами, но различающиеся электрическим зарядом. Такие группы называются изотопическими мулътипле- тами и характеризуются общим квантовым числом — изотопическим спином, принимающим, как и обычный спин, целые и полуцелые значения.
В чем состоит уже неоднократно упоминавшаяся кварковая модель адронов?
Обнаружение закономерности группировки адронов в мультиплеты послужило основанием для предположения о существовании особых структурных образований, из которых построены адроны, — кварков. Допуская существование таких частиц, можно считать, что все адроны являются комбинациями кварков. Эта смелая и эвристически продуктивная гипотеза была выдвинута в 1964 г. американским физиком Марри Гелл-Маном. Суть ее состояла в предположении о наличии трех фундаментальных частиц с полуцелым спином, являющихся материалом для построения адронов, u-, d- и s-кварков. В дальнейшем на основе новых экспериментальных данных кварковая модель строения адронов пополнилась еще двумя кварками, «оча- рованным» (с) и «красивым» (b). Считается возможным существование и других типов кварков. Отличительная особенность кварков состоит в том, что они обладают дробными значениями электрического и барионного зарядов, не встречающимися ни у одной из известных частиц. С кварковой моделью согласуются все экспериментальные результаты по изучению элементарных частиц.
Согласно кварковой модели, барионы состоят из трех кварков, мезоны — из кварка и антикварка. Поскольку некоторые барионы являются комбинацией трех кварков в одном и том же состоянии, что запрещено принципом Паули (см. выше), каждому типу («аромату») кварка было приписано дополнительное внутреннее квантовое число «цвет». Кварк каждого типа («аромата» — u, d, s, c, b) может находиться в трех «цветовых» состояниях. В связи с использованием цветовых понятий теория сильного взаимодействия кварков получила название квантовой хромодинамики (от греч. «цвет»).
Можно считать, что кварки являются новыми элементарными частицами, причем они претендуют на роль истинно элементарных частиц для адронной формы материи. Однако остается неразрешенной проблема наблюдения свободных кварков и глюонов. Несмотря на систематические поиски в космических лучах, на ускорителях высокой энергии, обнаружить их в свободном состоянии пока так и не удалось. Имеются веские основания считать, что здесь физика столкнулась с особым явлением природы — так называемым удержанием кварков.
Дело в том, что существуют серьезные теоретические и экспери- ментальные доводы в пользу предположения о том, что силы взаимодействия кварков с расстоянием не ослабевают. Это означает, что для разделения кварков требуется бесконечно большая энергия, следовательно, появление кварков в свободном состоянии невозможно. Это обстоятельство придает кваркам статус совершенно особых структурных единиц вещества. Возможно, именно начиная с кварков принципиально невозможно опытное наблюдение ступеней дробления материи. Признание кварков в качестве реально существующих объектов материального мира не только олицетворяет собой яркий случай первичности идеи по отношению к существованию материальной сущности. Встает вопрос о пересмотре таблицы фундаментальных мировых постоянных, ибо заряд кварка втрое меньше заряда протона, а следовательно, и электрона.
Начиная с открытия позитрона наука встретилась с частицами антивещества. Сегодня очевидным является то, что для всех элементарных частиц с ненулевыми значениями хотя бы одного из квантовых чисел, таких как электрический заряд Q, лептонный заряд L, барионный заряд В, странность S, очарование С и красота b, существуют античастицы с теми же значениями массы, времени жизни, спина, но с противоположными знаками вышеуказанных квантовых чисел. Известны частицы, тождественные своим античастицам, они называются истинно нейтральными. Примерами истинно нейтральных частиц служат фотон и один из трех пи-мезонов (два других являются по отношению друг к другу частицей и античастицей).
Характерной особенностью взаимодействия частиц и античастиц является их аннигиляция при столкновении, т. е. взаимоуничтожение с образованием других частиц и выполнением законов сохранения энергии, импульса, заряда и т. п. Типичным примером аннигиляции пары является процесс превращения электрона и его античастицы — позитрона — в электромагнитное излучение (в фотоны или гамма-кванты). Аннигиляция пар происходит не только при электромагнитном взаимодействии, но и при сильном взаимодействии. При высоких энергиях легкие частицы могут аннигилировать с образованием более тяжелых частиц — при условии, что полная энергия аннигилирующих частиц превышает порог рождения тяжелых частиц (равный сумме их энергий покоя).
При сильном и электромагнитном взаимодействиях имеет место полная симметрия между частицами и их античастицами, т. е. все процессы, происходящие между первыми, возможны и для вторых. Поэтому антипротоны и антинейтроны могут образовывать ядра атомов антивещества, т. е. из античастиц в принципе вполне может быть построено антивещество. Возникает очевидный вопрос: если каждая частица имеет античастицу, то почему же в изученной области Вселенной отсутствуют скопления антивещества? Действительно, о наличии их во Вселенной, даже где-то «вблизи» Вселенной, можно было бы судить по мощному аннигиляционно- му излучению, приходящему к Земле из области соприкосновения вещества и антивещества. Однако современная астрофизика не располагает данными, которые позволили бы хотя бы предположить наличие во Вселенной областей, заполненных антивеществом.
Как же произошел во Вселенной выбор в пользу вещества и в ущерб антивеществу, хотя законы симметрии в основном выполняются? Причиной этого феномена, скорее всего, стало именно нарушение симметрии, т. е. флуктуация на уровне основ материи.
Ясно одно: если бы такой флуктуации не возникло, участь Вселенной была бы печальной — вся ее материя существовала бы в виде бесконечного облака фотонов, появившихся в результате аннигиляции частиц вещества и антивещества.
– материальные объекты, которые нельзя разделить на составные части.
В соответствии с этим определением к элементарным частицам не могут быть
отнесены молекулы, атомы и атомные ядра, которые поддаются делению на составные
части – атом делится на ядро и орбитальные электроны, ядро – на нуклоны.
В то же время нуклоны, состоящие из более мелких и фундаментальных частиц
– кварков, нельзя разделить на эти кварки. Поэтому нуклоны относят к элементарным
частицам. Учитывая то обстоятельство, что нуклон и другие адроны имеют сложную
внутреннюю структуру, состоящую из более фундаментальных частиц – кварков,
более целесообразно адроны называть не элементарными частицами, а просто
частицами.
Частицы имеют размеры меньшие, чем атомные ядра. Размеры ядер
10 -13 − 10 -12 см. Наиболее “крупные” частицы (к ним
относятся и нуклоны) состоят из кварков (двух или трёх) и называются адронами.
Их размеры ≈ 10 -13 см. Существуют также бесструктурные (на современном
уровне знаний) точечноподобные (< 10 -17 см) частицы, которые
называют фундаментальными. Это кварки, лептоны, фотон и некоторые другие.
Всего известно несколько сот частиц. Это в подавляющем большинстве адроны.
Таблица 1
|
Фундаментальные фермионы |
|||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
|
Взаимодействия |
Поколения | Заряд
Q/e |
|||||
| лептоны | ν е | ν μ | ν τ | ||||
| e | μ | τ | |||||
| кварки | c | t | +2/3 | ||||
| s | b | -1/3 | |||||
Фундаментальными частицами являются 6 кварков и 6 лептонов (табл. 1), имеющих спин 1/2 (это фундаментальные фермионы) и несколько частиц со спином 1 (глюон, фотон, бозоны W ± и Z), а также гравитон (спин 2), называемые фундаментальными бозонами (табл. 2). Фундаментальные фермионы делятся на три группы (поколения), в каждой из которых 2 кварка и 2 лептона. Из частиц первого поколения (кварки u, d, электрон е −) состоит вся наблюдаемая материя: из кварков u и d состоят нуклоны, из нуклонов состоят ядра. Ядра с электронами на орбитах образуют атомы и т.д.
Таблица 2
| Фундаментальные взаимодействия | ||||
|---|---|---|---|---|
| Взаимодействие | Квант поля | Радиус, см | Константа
взаимодействия (порядок величины) |
Пример проявления |
| сильное | глюон | 10 -13 | 1 | ядро, адроны |
| электромагнитное | γ-квант | 10 -2 | атом | |
| слабое | W ± , Z | 10 -16 | 10 -6 | γ-распад |
| гравитационное | гравитон | ∞ | 10 -38 | сила тяжести |
Роль фундаментальных бозонов в том, что они реализуют
взаимодействие между частицами, являясь “переносчиками” взаимодействий.
В процессе различных взаимодействий частицы обмениваются фундаментальными
бозонами. Частицы участвуют в четырёх фундаментальных взаимодействиях –
сильном (1), электромагнитном (10 -2), слабом (10 -6)
и гравитационном (10 -38). В скобках указаны цифры, характеризующие
относительную силу каждого взаимодействия в области энергий меньше 1 ГэВ.
Кварки (и адроны) участвуют во всех взаимодействиях. Лептоны не участвуют
в сильном взаимодействии. Переносчиком сильного взаимодействия является
глюон (8 типов), электромагнитного – фотон, слабого – бозоны W ±
и Z, гравитационного – гравитон.
Подавляющее число частиц в свободном состоянии нестабильно, т.е.
распадается. Характерные времена жизни частиц 10 -24 –10 -6
сек. Время жизни свободного нейтрона около 900 сек. Электрон, фотон, электронное
нейтрино и возможно протон (и их античастицы) – стабильны.
Основой теоретического описания частиц является квантовая теория
поля. Для описания электромагнитных взаимодействий используется квантовая
электродинамика (КЭД), слабое и электромагнитное взаимодействие совместно
описываются объединённой теорией – электрослабой моделью (ЭСМ), сильное
взаимодействие – квантовой хромодинамикой (КХД). КХД и ЭСМ, совместно описывающие
сильное, электромагнитное и слабое взаимодействия кварков и лептонов, образуют
теоретическую схему, называемую Стандартной Моделью.
Мало кто не знает такого понятия как «электрон», а ведь именно он и означает «элементарная частица». Конечно, большинство людей слабо представляют, что это и зачем оно нужно. По телевизору, в книгах, в газетах и журналах эти частицы изображаются в виде маленьких точек или шариков. Из-за этого непросвещенные люди считают, что форма частиц и в самом деле шарообразна, и что они свободно летают, взаимодействуют, сталкиваются и т.д. Но такое суждение в корне неверно. Понятие элементарной частицы крайне сложное для осознания, но никогда не поздно постараться приобрести хотя бы весьма приблизительное представление о сущности этих частиц.
В начале прошедшего века ученые всерьез озадачились тем, почему электрон не падает на так как, согласно Ньютоновской механике, при отдаче всей своей энергии, он должен попросту упасть на ядро. К удивлению, этого не происходит. Как это объяснить?
Дело в том, что физика в своем классическом толковании и элементарная частица - вещи малосовместимые. Она не подчиняется никаким законам обычной физики, так как действует согласно принципам Основополагающим принципом при этом является неопределенность. Он говорит, что невозможно точно и одновременно определить две взаимосвязанные величины. Чем в большей мере определена первая из них, тем меньше можно определить вторую. Из этого определения следуют квантовые корреляции, корпускулярно-волновой дуализм, волновая функция и многое другое.
Первый важный фактор - это неопределенность координаты-импульса. Исходя из основ классической механики можно вспомнить, что понятия импульса и траектории тела неразделимы и всегда четко определяются. Попробуем перенести эту закономерность в микроскопический мир. К примеру, элементарная частица имеет точный импульс. Тогда при попытке определить траекторию передвижения мы столкнемся в неопределимостью координаты. Это значит, что электрон обнаруживается сразу во всех точках небольшого объема пространства. Если постараться сосредоточиться именно на траектории его движения, то импульс приобретает размытое значение.
Из этого следует, что как бы ни старались определить какую-либо конкретную величину, вторая сразу же становится неопределенной. Этот принцип заложен в основу волнового свойства частиц. Электрон не имеет четкой координаты. Можно сказать, что он одновременно расположен во всех точках пространства, которое ограничено длиной волны. Такое представление позволяет нам более четко понять, что представляет собой элементарная частица.
Примерно такая же неопределенность возникает в соотношении энергия-время. Частица постоянно взаимодействует, даже при наличии Такое взаимодействие длится на протяжении некоторого времени. Если представить, что данный показатель более-менее определен, то энергия при этом становится неопределимой. Это нарушает принятые в заложенных небольших промежутках.
Представленная закономерность порождает низкоэнергетические частицы - кванты фундаментальных полей. Такое поле представляет собой не непрерывную субстанцию. Оно состоит из мельчайших частиц. Взаимодействие между ними обеспечивается благодаря испусканию фотонов, которые поглощаются другими частицами. Это поддерживает уровень энергии и образуются стабильные элементарные частицы, которые не могут упасть на ядро.
Элементарные частицы по сути своей неразделимы, хотя отличаются друг от друга своей массой и определенными характеристиками. Поэтому были разработаны определенные классификации. К примеру, по типу взаимодействия можно выделить лептоны и адроны. Адроны, в свою очередь, делятся на мезоны, которые состоят из двух кварков, и барионы, в составе которых имеется три кварка. Наиболее известные барионы - это нейтроны и протоны.
Элементарные частицы и их свойства позволяют выделить еще два класса: бозоны (с целочисленным и нулевым спином), фермионы (с полуцелым спином). Каждая частица имеет свою античастицу с противоположными характеристиками. Устойчивыми являются только протоны, лептоны и нейтроны. Все другие частицы подвержены распаду и превращаются в стабильные частички.
Открыто более 350 элементарных частиц. Из них стабильны фотон, электронное и мюонное нейтрино, электрон, протон и их античастицы. Остальные элементарные частицы самопроизвольно распадаются по экспоненциальному закону с постоянной времени от приблизительно 1000 секунд (для свободного нейтрона) до ничтожно малой доли секунды (от 10 −24 до 10 −22 с для резонансов).
Строение и поведение элементарных частиц изучается физикой элементарных частиц .
Все элементарные частицы подчиняются принципу тождественности (все элементарные частицы одного вида во Вселенной полностью одинаковы по всем своим свойствам) и принципу корпускулярно-волнового дуализма (каждой элементарной частице соответствует волна де-Бройля).
Все элементарные частицы обладают свойством взаимопревращаемости, являющегося следствием их взаимодействий: сильного, электромагнитного, слабого, гравитационного. Взаимодействия частиц вызывают превращения частиц и их совокупностей в другие частицы и их совокупности, если такие превращения не запрещены законами сохранения энергии , импульса, момента количества движения, электрического заряда, барионного заряда и др.
Основные характеристики элементарных частиц: масса, спин, электрический заряд, время жизни , чётность, G-чётность, магнитный момент, барионный заряд, лептонный заряд, странность, изотопический спин, CP-чётность, зарядовая чётность.
Энциклопедичный YouTube
1 / 5
✪ Элементарные частицы
✪ CERN: Стандартная модель физики элементарных частиц
✪ Урок 473. Элементарные частицы. Позитрон. Нейтрино
✪ Кирпичики вселенной: Элементарные частицы из которых состоит мир. Лекция профессора Дэвида Тонга.
✪ Мир элементарных частиц (рассказывает академик Валерий Рубаков)
Субтитры
Классификация
По времени жизни
- Стабильные элементарные частицы - частицы, имеющие бесконечно большое время жизни в свободном состоянии (протон , электрон , нейтрино , фотон , гравитон и их античастицы).
- Нестабильные элементарные частицы - частицы, распадающиеся на другие частицы в свободном состоянии за конечное время (все остальные частицы).
По массе
Все элементарные частицы делятся на два класса:
- Безмассовые частицы - частицы с нулевой массой (фотон , глюон , гравитон и их античастицы).
- Частицы с ненулевой массой (все остальные частицы).
По величине спина
Все элементарные частицы делятся на два класса:
По видам взаимодействий
Элементарные частицы делятся на следующие группы:
Составные частицы
- Адроны - частицы, участвующие во всех видах фундаментальных взаимодействий . Они состоят из кварков и подразделяются, в свою очередь, на:
- мезоны - адроны с целым спином , то есть являющиеся бозонами ;
- барионы - адроны с полуцелым спином, то есть фермионы . К ним, в частности, относятся частицы, составляющие ядро атома , - протон и нейтрон .
Фундаментальные (бесструктурные) частицы
- Лептоны - фермионы, которые имеют вид точечных частиц (то есть не состоящих ни из чего) вплоть до масштабов порядка 10 −18 м. Не участвуют в сильных взаимодействиях. Участие в электромагнитных взаимодействиях экспериментально наблюдалось только для заряженных лептонов (электроны , мюоны , тау-лептоны) и не наблюдалось для нейтрино . Известны 6 типов лептонов.
- Кварки - дробнозаряженные частицы, входящие в состав адронов. В свободном состоянии не наблюдались (для объяснения отсутствия таких наблюдений предложен механизм конфайнмента). Как и лептоны, делятся на 6 типов и считаются бесструктурными, однако, в отличие от лептонов, участвуют в сильном взаимодействии.
- Калибровочные бозоны - частицы, посредством обмена которыми осуществляются взаимодействия:
- фотон - частица, переносящая электромагнитное взаимодействие ;
- восемь глюонов - частиц, переносящих сильное взаимодействие ;
- три промежуточных векторных бозона W + , W − и Z 0 , переносящие слабое взаимодействие ;
- гравитон - гипотетическая частица, переносящая гравитационное взаимодействие . Существование гравитонов, хотя пока не доказано экспериментально в связи со слабостью гравитационного взаимодействия, считается вполне вероятным; однако гравитон не входит в Стандартную модель элементарных частиц .
Размеры элементарных частиц
Несмотря на большое разнообразие элементарных частиц, их размеры укладываются в две группы. Размеры адронов (как барионов, так и мезонов) составляют около 10 −15 м , что близко к среднему расстоянию между входящими в них кварками. Размеры фундаментальных, бесструктурных частиц - калибровочных бозонов, кварков и лептонов - в пределах погрешности эксперимента согласуются с их точечностью (верхний предел диаметра составляет около 10 −18 м ) (см. пояснение ). Если в дальнейших экспериментах окончательные размеры этих частиц не будут обнаружены, то это может свидетельствовать о том, что размеры калибровочных бозонов, кварков и лептонов близки к фундаментальной длине (которая весьма вероятно может оказаться планковской длиной , равной 1,6·10 −35 м).
Следует отметить, однако, что размер элементарной частицы является достаточно сложной концепцией, не всегда согласующейся с классическими представлениями. Во-первых, принцип неопределённости не позволяет строго локализовать физическую частицу. Волновой пакет , представляющий частицу как суперпозицию точно локализованных квантовых состояний , всегда имеет конечные размеры и определённую пространственную структуру, причём размеры пакета могут быть вполне макроскопическими - например, электрон в эксперименте с интерференцией на двух щелях «чувствует» обе щели интерферометра, разнесённые на макроскопическое расстояние. Во-вторых, физическая частица меняет структуру вакуума вокруг себя, создавая «шубу» из кратковременно существующих виртуальных частиц - фермион-антифермионных пар (см. Поляризация вакуума) и бозонов-переносчиков взаимодействий. Пространственные размеры этой области зависят от калибровочных зарядов , которыми обладает частица, и от масс промежуточных бозонов (радиус оболочки из массивных виртуальных бозонов близок к их комптоновской длине волны , которая, в свою очередь, обратно пропорциональна их массе). Так, радиус электрона с точки зрения нейтрино (между ними возможно только слабое взаимодействие) примерно равен комптоновской длине волны W-бозонов , ~3×10 −18 м , а размеры области сильного взаимодействия адрона определяются комптоновской длиной волны легчайшего из адронов, пи-мезона (~10 −15 м ), выступающего здесь как переносчик взаимодействия.
История
Первоначально термин «элементарная частица» подразумевал нечто абсолютно элементарное, первокирпичик материи . Однако, когда в 1950-х и 1960-х годах были открыты сотни адронов с похожими свойствами, стало ясно, что по крайней мере адроны обладают внутренними степенями свободы, то есть не являются в строгом смысле слова элементарными. Это подозрение в дальнейшем подтвердилось, когда выяснилось, что адроны состоят из кварков .
Таким образом, физики продвинулись ещё немного вглубь строения вещества: самыми элементарными, точечными частями вещества сейчас считаются лептоны и кварки. Для них (вместе с калибровочными бозонами) применяется термин «фундаментальные частицы» .
В активно разрабатываемой примерно с середины 1980-х теории струн предполагается, что элементарные частицы и их взаимодействия являются следствиями различных видов колебаний особо малых «струн».
Стандартная модель
Стандартная модель элементарных частиц включает в себя 12 ароматов фермионов, соответствующие им античастицы, а также калибровочные бозоны (фотон , глюоны , W - и Z -бозоны), которые переносят взаимодействия между частицами, и обнаруженный в 2012 году бозон Хиггса , отвечающий за наличие инертной массы у частиц. Однако Стандартная модель в значительной степени рассматривается скорее как теория временная, а не действительно фундаментальная, поскольку она не включает в себя гравитацию и содержит несколько десятков свободных параметров (массы частиц и т. д.), значения которых не вытекают непосредственно из теории. Возможно, существуют элементарные частицы, которые не описываются Стандартной моделью - например, такие, как гравитон (частица, переносящая гравитационные силы) или суперсимметричные партнёры обычных частиц. Всего модель описывает 61 частицу .
Фермионы
12 ароматов фермионов разделяются на 3 семейства (поколения) по 4 частицы в каждом. Шесть из них - кварки . Другие шесть - лептоны , три из которых являются нейтрино , а оставшиеся три несут единичный отрицательный заряд: электрон , мюон и тау-лептон .
| Первое поколение | Второе поколение | Третье поколение |
|---|---|---|
Элементарные частицы, в точном значении этого термина, - это первичные, далее неразложимые частицы, из которых, по предположению, состоит вся материя.
Элементарные частицы современной физики не удовлетворяют строгому определению элементарности, поскольку большинство из них по современным представлениям являются составными системами. Общее свойство этих систем заключается в том. Что они не являются атомами или ядрами (исключение составляет протон). Поэтому иногда их называют субъядерными частицами.
Частицы, претендующие на роль первичных элементов материи, иногда называют "истинно элементарные частицы".
Первой открытой элементарной частицей был электрон. Его открыл английский физик Томсон в 1897 году.
Первой открытой антицастицей был позитрон - частица с массой электрона, но положительным электрическим зарядом. Это античастица была обнаружена в составе космических лучей американским физиком Андерсоном в 1932 году.
В современном физике в группу элементарных относятся более 350 частиц, в основном нестабильных, и их число продолжает расти.
Если раньше элементарные частицы обычно обнаруживали в космических лучах, то с начала 50-х годов ускорители превратились в основной инструмент для исследования элементарных частиц.
Микроскопические массы и размеры элементарных частиц обусловливают квантовую специфику их поведения: квантовые закономерности являются определяющими в поведении элементарных частиц.
Наиболее важное квантовое свойство всех элементарных частиц - это способность рождаться и уничтожаться (испускаться и поглощаться) при взаимодействии с другими частицами. Все процессы с элементарными частицами протекают через последовательность актов их поглощения и испускания.
Различные процессы с элементарными частицами заметно отличаются по интенсивности протекания.
В соответствии с различной интенсивностью протекания взаимодействия элементарных частиц феноменологически делят на несколько классов: сильное, электромагнитное и слабое. Кроме того, все элементарные частицы обладают гравитационным взаимодействием.
Сильное взаимодействие элементарных частиц вызывает процессы, протекающие с наибольшей по сравнению с другими процессами интенсивностью и приводит к самой сильной связи элементарных частиц. Именно оно обусловливает связь протонов и нейтронов в ядрах атомов.
Электромагнитное взаимодействие отличается от других участием электромагнитного поля. Электромагнитное поле (в квантовой физике - фотон) либо излучается, либо поглощается при взаимодействии, либо переносит взаимодействие между телами.
Электромагнитное взаимодействие обеспечивает связь ядер и электронов в атомах и молекулах вещества, и тем самым определяет (на основе законов квантовой механики) возможность устойчивого состояния таких микросистем.
Слабое взаимодействие элементарных частиц вызывает очень медленно протекающие процессы с элементарными частицами, в том числе распады квазистабильных частиц.
Слабое взаимодействие гораздо слабее не только сильного, но и электромагнитного взаимодействия, но гораздо сильнее гравитационного.
Гравитационное взаимодействие элементарных частиц является наиболее слабым из всех известных. Гравитационное взаимодействие на характерных для элементарных частиц расстояниях дает чрезвычайно малые эффекты из-за малости масс элементарных частиц.
Слабое взаимодействие гораздо сильнее гравитационного, но в повседневной жизни роль гравитационного взаимодействия гораздо заметнее роли слабого взаимодействия. Это происходит потому, что гравитационное взаимодействие (как, впрочем, и электромагнитное) имеет бесконечно большой радиус действия. Поэтому, например, на тела, находящиеся на поверхности Земли, действует гравитационное притяжение со стороны всех атомов, из которых состоит Земля. Слабое же взаимодействие обладает настолько малым радиусом действия, что он до сих пор не измерен.
В современной физике фундаментальную роль играет релятивистская квантовая теория физических систем с бесконечным числом степеней свободы - квантовая теория поля. Эта теория построена для описания одного из самых общих свойств микромира - универсальной взаимной превращаемости элементарных частиц. Для описания такого рода процессов требовался переход к квантовому волновому полю. Квантовая теория поля с необходимостью является релятивистской, поскольку если система состоит из медленно движущихся частиц, то их энергия может оказаться недостаточной для образования новых частиц с ненулевой массой покоя. Частицы же с нулевой массой покоя (фотон, возможно нейтрино) всегда релятивистские, т.е. всегда движутся со скоростью света.
Универсальный способ ведения всех взаимодействий, основанный на калибровочной симметрии, дает возможность их объединения.
Квантовая теория поля оказалась наиболее адекватным аппаратом для понимания природы взаимодействия элементарных частиц и объединения всех видов взаимодействий.
Квантовая электродинамика - та часть квантовой теории поля, в которой рассматривается взаимодействие электромагнитного поля и заряженных частиц (или электронно-позитронного поля).
В настоящее время квантовая электродинамика рассматривается как составная часть единой теории слабого и электромагнитного взаимодействий.
В зависимости от участия в тех или иных видах взаимодействия все изученные элементарные частицы, за исключением фотона, разбиваются на две основные группы - адроны и лептоны.
Адроны (от греч. - большой, сильный) - класс элементарных частиц, участвующих в сильном взаимодействии (наряду с электромагнитным и слабым). Лептоны (от греч. - тонкий, легкий) - класс элементарных частиц, не обладающих сильным взаимодействием, участвующих только в электромагнитном и слабом взаимодействии. (Наличие гравитационного взаимодействия у всех элементарных частиц, включая фотон, подразумевается).
Законченная теория адронов, сильного взаимодействия между ними пока отсутствует, однако имеется теория, которая, не являясь ни законченной, ни общепризнанной, позволяет объяснить их основные свойства. Эта теория - квантовая хромодинамика, согласно которой адроны состоят из кварков, а силы между кварками обусловлены обменом глюонами. Все обнаруженные адроны состоят из кварков пяти различных типов ("ароматов"). Кварк каждого "аромата" может находиться в трех "цветовых" состояниях, или обладать тремя различными "цветовыми зарядами".
Если законы, устанавливающие соотношение между величинами, характеризующими физическую систему, или определяющие изменение этих величин со временем, не меняются при определенных преобразованиях, которым может быть подвергнута система, то говорят, что эти законы обладают симметрией (или инвариантны) относительно данных преобразований. В математическом отношении преобразования симметрии составляют группу.
В современной теории элементарных частиц концепция симметрии законов относительно некоторых преобразований является ведущей. Симметрия рассматривается как фактор, определяющий существование различных групп и семейств элементарных частиц.
Сильное взаимодействие симметрично относительно поворотов в особом "изотопическом пространстве". С математической точки зрения изотопическая симметрия отвечает преобразованиям группы унитарной симметрии SU(2). Изотопическая симметрия не является точной симметрией природы, т.к. она нарушается электромагнитным взаимодействием и различием в массах кварков.
Изотопическая симметрия представляет собой часть более широкой приближенной симметрии сильного взаимодействия - унитарной SU(3)- симметрии. Унитарная симметрия оказывается значительно более нарушенной, чем изотопическая. Однако высказывается предположение, что эти симметрии, которые оказываются очень сильно нарушенными при достигнутых энергиях, будут восстанавливаться при энергиях, отвечающих так называемому "великому объединению".
Для класса внутренних симметрий уравнений теории поля (т.е. симметрий, связанных со свойствами элементарных частиц, а не со свойствами пространства-времени), применяется общее название - калибровочная симметрия.
Калибровочная симметрия приводит к необходимости существования векторных калибровочных полей, обмен квантами которых обусловливает взаимодействия частиц.
Идея калибровочной симметрии оказалась наиболее плодотворной в единой теории слабого и электромагнитного взаимодействий.
Интересной проблемой квантовой теории поля является включение в единую калибровочную схему и сильного взаимодействия ("великое объединение").
Другим перспективным направлением объединения считается суперкалибровочная симметрия, или просто суперсимметрия.
В 60-х годах американскими физиками С.Вайнбергом, Ш.Глэшоу, пакистанским физиком А.Саламом и др. была создана единая теория слабого и электромагнитного взаимодействий, позднее получившая название стандартной теории электрослабого взаимодействия. В этой теории наряду с фотоном, осуществляющим электромагнитное взаимодействие, появляются промежуточные векторные бозоны - частицы, переносящие слабое взаимодействие. Эти частицы были экспериментально обнаружены в 1983 году в ЦЕРНе.
Открытие на опыте промежуточных векторных бозонов подтверждает правильность основной (калибровочной) идеи стандартной теории электрослабого взаимодействия.
Однако для проверки теории в полном объеме необходимо также экспериментально исследовать механизм спонтанного нарушения симметрии. Если этот механизм действительно осуществляется в природе, то должны существовать элементарные скалярные бозоны - так называемые хиггсовы бозоны. Стандартная теория электрослабого взаимодействия предсказывает существование, как минимум, одного скалярного бозона.
