Интересная статья
Недавно физикам, наблюдавшим за очередным экспериментом, проходившем в Большом адронном коллайдере, наконец-то удалось найти следы бозона Хиггса, или, как его называют многие журналисты, "божественной частицы". Это значит, что постройка коллайдера себя полностью оправдала - ведь его сделали именно для того, чтобы поймать этот неуловимый бозон.
Физики, работающие на Большом адронном коллайдере с помощью детектора CMS впервые зафиксировали рождение двух Z-бозонов - один из типов событий, которые могут быть свидетельством существования "тяжелого" варианта бозона Хиггса. Если быть совсем точным, то 10 октября детектор CMS впервые обнаружил появление четырех мюонов. Предварительные результаты реконструкции позволили ученым интерпретировать это событие как кандидата в рождение двух нейтральных калибровочных Z-бозонов.
Думаю, сейчас нам следует немножко отвлечься и поговорить о том, что такое эти мюоны, бозоны и прочие элементарные частицы. Согласно стандартной модели квантовой механики весь мир состоит из различных элементарных частиц, которые, контактируя друг с другом, порождают все известные типы массы и энергии.
Все вещество, например, состоит из 12 фундаментальных частиц-фермионов: 6 лептонов, таких как электрон, мюон, тау-лептон, и три сорта нейтрино и 6 кварков (u, d, s, c, b, t), которые можно объединить в три поколения фермионов. Фермионы - это частицы, которые могут находиться в свободном состоянии, а кварки - нет, они входят в состав других частиц, например хорошо известных всем протонов и нейтронов.
При этом каждая из частиц участвует в определенном типе взаимодействий, которых, как мы помним, всего четыре: электромагнитное, слабое (взаимодействие частиц при β-распаде ядра атомов), сильное (оно как бы скрепляет атомное ядро) и гравитационное. Последнее, результатом которого является, например, земное притяжение, стандартной моделью не рассматривается, поскольку гравитон (частица, обеспечивающая его) до сих пор не найден.
С остальными типами все проще - частицы, которые в них участвуют, физики знают "в лицо". Так, например, кварки участвуют в сильных, слабых и электромагнитных взаимодействиях; заряженные лептоны (электрон, мюон, тау-лептон) - в слабых и электромагнитных; нейтрино - только в слабых взаимодействиях.
Однако кроме этих "массовых" частиц есть еще и так называемые виртуальные частицы, некоторые из которых (например, фотон) вообще не обладают массой. Честно говоря, виртуальные частицы - это в большей степени математическое явление, чем физическая реальность, поскольку их до сих пор никто никогда не "видел". Однако в разных экспериментах физики могут заметить следы их существования, поскольку оно, увы, весьма недолговечно.
Что же это за такие интересные частички? Они рождаются только в момент какого-нибудь взаимодействия (из описанных выше), после чего либо распадаются, либо поглощаются какой-нибудь из фундаментальных частиц. Считается, что они как бы "переносят" взаимодействие, то есть, контактируя с фундаментальными частицами, изменяют их характеристики, благодаря чему взаимодействие, собственно говоря, и происходит.
Так, например, при электромагнитных взаимодействиях, которые изучены лучше всего, электроны постоянно поглощают и испускают виртуальные безмассовые частицы фотоны, в результате чего свойства самих электронов несколько изменяются и они становятся способными на такие подвиги, как, например, направленное движение (то есть электрический ток), или "перескок" на другой энергетический уровень (как это происходит при фотосинтезе у растений). Так же виртуальные частицы работают и при других типах взаимодействий.
Современной физике кроме фотона известны также еще два типа виртуальных частиц, получивших название бозонов и глюонов. Для нас сейчас особенно интересны бозоны - считается, что при всех взаимодействиях фундаментальные частицы постоянно обмениваются ими и тем самым оказывают воздействие друг на друга. Сами бозоны при этом считаются безмассовыми частицами, хотя некоторые эксперименты показывают, что это не совсем так - W- и Z-бозоны могут получать массу на короткое время.
Одним из самых таинственных бозонов является тот самый бозон Хиггса, для обнаружения следов которого, собственно говоря, и был построен Большой адронный коллайдер. Считается, что эта загадочная частица является одной из самых распространенных и важных бозонов во Вселенной.
Еще в 1960-е годы английский профессор Питер Хиггс предложил гипотезу, согласно которой все вещество, имеющееся во Вселенной, создано при взаимодействии различных частиц с некоей исходной первоосновой (получившейся в результате Большого взрыва), которую позже назвали в честь него. Он выдвинул предположение, что Вселенная пронизана незримым полем, проходя сквозь которое некоторые элементарные частицы "обрастают" некоторыми бозонами, обретая тем самым массу, другие же, например фотоны, остаются не обремененными весом.
Ученые сейчас рассматривают две возможности - существование "легкого" и "тяжелого" вариантов. "Легкий" Хиггс с массой от 135 до 200 гигаэлектронвольт должен распадается на пары W-бозонов, а если масса бозона составляет 200 гигаэлектронвольт или больше, то на пары Z-бозонов, которые, в свою очередь, порождают пары электронов или мюонов.
Получается, что таинственный бозон Хиггса является как бы "творцом" всего во Вселенной. Может быть, именно поэтому нобелевский лауреат Леон Ледерман как-то раз назвал его "частицей-богом". Но в средствах массовой информации это высказывание несколько исказили, и оно стало звучать как "частица Бога" или "божественная частица".
Как же можно получить следы присутствия "частицы-бога"? Считается, что бозон Хиггса может образовываться в ходе столкновений протонов с нейтрино в ускорительном кольце коллайдера. При этом, как мы помним, он должен сразу же распадаться на ряд других частиц (в частности, Z-бозонов), которые могут быть зарегистрированы.
Правда, сами Z-бозоны детекторы зафиксировать не могут из-за чрезвычайно короткого времени жизни этих элементарных частиц (около 3×10-25 секунды), однако они могут "поймать" мюоны, в которые превращаются Z-бозоны.
Напомню, что мюон - неустойчивая элементарная частица с отрицательным электрическим зарядом и спином ½. В обычных атомах он не встречается, до этого его находили лишь в космических лучах, имеющих скорости, близкие к скорости света. Время жизни мюона весьма невелико - он существует лишь 2,2 микросекунды, а потом распадается на электрон, электронное антинейтрино и мюонное нейтрино.
Искусственным способом мюоны можно получить, столкнув на больших скоростях протон и нейтрино. Однако долгое время не удавалось добиться подобных скоростей. Это удалось сделать лишь при постройке Большого адронного коллайдера.
И вот наконец первые результаты были получены. При эксперименте, который прошел 10 октября нынешнего года, в результате столкновения протона с нейтрино было зафиксировано рождение четырех мюонов. Это доказывает то, что появление двух нейтральных калибровочных Z-бозонов имело место быть (они всегда проявляются при подобных событиях). А значит, существование бозона Хиггса - это не миф, а реальность.
Правда, ученые отмечают, что само по себе это событие не обязательно указывает на рождение бозона Хиггса, поскольку к появлению четырех мюонов могут вести и другие события. Однако это первое из событий такого типа, которые в конце концов могут выдать хиггсовскую частицу. Чтобы с уверенностью говорить о существовании бозона Хиггса в том или ином диапазоне масс, необходимо накопить значительное число подобных событий и проанализировать, как распределены массы рождающихся частиц.
Однако, что ни говори, первый шаг к доказательству существования "частицы-бога" уже сделан. Возможно, дальнейшие эксперименты смогут дать еще больше информации о загадочном бозоне Хиггса. Если ученые смогут наконец-то "поймать" его, то у них получится воссоздать условия, существовавшие 13 миллиардов лет назад после Большого взрыва, то есть те, при которых зарождалась наша Вселенная.
| Поколение | Кварки с зарядом (+2/3) | Кварки с зарядом (−1/3) | ||||||
| Символ кварка/ антикварка | Масса (МэВ) | Название/ аромат кварка/ антикварка | Символ кварка/ антикварка | Масса (МэВ) | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | u-кварк (up-кварк) / анти-u-кварк | texvc не найден; См. math/README - справку по настройке.): u / \, \overline{u}
|
от 1,5 до 3 | d-кварк (down-кварк) / анти-d-кварк | Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файл texvc не найден; См. math/README - справку по настройке.): d / \, \overline{d}
|
4,79±0,07 | ||
| 2 | c-кварк (charm-кварк) / анти-c-кварк | Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файл texvc не найден; См. math/README - справку по настройке.): c / \, \overline{c}
|
1250 ± 90 | s-кварк (strange-кварк) / анти-s-кварк | Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файл texvc не найден; См. math/README - справку по настройке.): s / \, \overline{s}
|
95 ± 25 | ||
| 3 | t-кварк (top-кварк) / анти-t-кварк | Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файл texvc не найден; См. math/README - справку по настройке.): t / \, \overline{t}
|
174 200 ± 3300 | b-кварк (bottom-кварк) / анти-b-кварк | Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файл texvc не найден; См. math/README - справку по настройке.): b / \, \overline{b}
|
4200 ± 70 | ||
См. также
Напишите отзыв о статье "Фундаментальная частица"
Примечания
Ссылки
- С. А. Славатинский // Московский физико-технический институт (Долгопрудный , Московской обл.)
- Славатинский С.А. // СОЖ, 2001, No 2, с. 62–68 архив http://web.archive.org/web/20060116134302/http://journal.issep.rssi.ru/annot.php?id=S1176
- // nuclphys.sinp.msu.ru
- // second-physics.ru
- // physics.ru
- // nature.web.ru
- // nature.web.ru
- // nature.web.ru
| Наиболее известная формула из ОТО - закон сохранения энергии-массы | Это заготовка статьи по физике . Вы можете помочь проекту, дополнив её. |
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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 | ||||
| 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.
Единицы измерения физических величин при описании явлений,
происходящих в микромире, подразделяются на основные и производные, которые
определяются через математическую запись законов физики.
В связи с тем, что все физические явления происходят в
пространстве и времени, за основные единицы принимают в первую очередь единицы
длины и времени, к ним присоединяется единица массы. Основные единицы: длины l
, времени t, массы m −
получают определенную размерность. Размерности производных единиц определяются
формулами, выражающими определенные физические законы.
Размеры основных физических единиц
подбирают так, чтобы на практике было удобно ими пользоваться.
В системе СИ приняты следующие
размерности: длины [l
] = м (метр), времени [t]
= с (секунда), массы [т] = кг (килограмм).
В системе СГС для основных единиц приняты следующие размерности: длины [/] =
см (сантиметр), времени [t] = с (секунда) и массы [т] = г (грамм). Для описания
явлений, происходящих в микромире, можно использовать обе системы единиц СИ и СГС.
Оценим порядки величин длины, времени и массы в явлениях микромира.
Кроме общепринятых международных систем единиц СИ и СГС используются также
"естественные системы единиц", опирающиеся на универсальные физические
константы. Эти системы единиц особенно уместны и используются в различных
физических теориях. В естественной системе единиц за основные единицы приняты
фундаментальные постоянные: скорость света в вакууме − с, постоянная Планка − ћ,
гравитационная постоянная G N , постоянная Больцмана − k: число
Авогадро − N A , и
др. В естественной системе единиц Планка принято с = ћ = G N = k = 1. Этой
системой единиц пользуются в космологии для описания процессов, в которых
одновременно существенны квантовые и гравитационные эффекты (теории Черных дыр,
теории ранней Вселенной).
В естественной системе единиц решена проблема естественной единицы длины.
Таковой можно считать комптоновскую длину волны λ 0 , которая определяется массой
частицы М: λ 0 = ћ/Мс.
Длина
характеризует размер объекта. Так, для электрона классический радиус
r 0 = e 2 /m e c 2 = 2.81794·10 -13 см (е, m е − заряд и масса электрона). Классический радиус
электрона имеет смысл радиуса заряженного шара с зарядом е (распределение
сферически симметрично), при котором энергия электростатического поля шара ε = γе 2 /r 0 равна энергии покоя электрона
m e c 2 (используется при рассмотрении томпсоновского рассеяния света).
Используется также радиус боровской орбиты. Он определяется как расстояние от
ядра, на котором с наибольшей вероятностью можно обнаружить электрон в
невозбужденном атоме водорода
a 0 = ћ 2 /m e e 2 (в СГС-системе) и
a 0 = (α/4π)R =
0.529·10 -10 м (в СИ-системе), α = 1/137.
Размер нуклона r ≈ 10 -13 см (1 фемтометр). Характерные размеры атомных систем
− 10 -8 , ядерных систем − 10 -12 ÷ 10 -13 см.
Время
изменяется в широком интервале и определяется как отношение расстояния R к скорости объекта v. Для микрообъектов τ яд = R/v = 5·10 -12
см/10 9 см/с ~ 5·10 -22 с;
τ элем ч = 10 -13
см/3·10 10 см/с = 3·10 -24 с.
Массы
объектов изменяются от 0 до М. Так, масса электрона m е ≈ 10 -27 г, масса
протона
m р ≈ 10 -24 г (СГС-система). Одна атомная единица массы, использующаяся в
атомной и ядерной физике, 1 а.е.м. = М(С)/12 в единицах массы атома углерода.
К фундаментальным характеристикам микрообъектов следует отнести электрический
заряд, а также характеристики, необходимые для идентификации элементарной
частицы.
Электрический заряд
частиц Q измеряется обычно в единицах заряда электрона.
Заряд электрона е = 1.6·10 -19 кулон. Для частиц в свободном
состоянии Q/e = ±1, 0, а для кварков, входящих в состав адронов, Q/e = ±2/3 и
±1/3.
В ядрах заряд определяется количеством протонов Z, содержащихся в ядре.
Заряд протона по абсолютной величине равен заряду электрона.
Для идентификации элементарной частицы необходимо знать:
I − изотопический спин;
J − собственный момент количества движения − спин;
Р − пространственную четность;
С − зарядовую четность;
G − G-четность.
Эти сведения записываются в виде формулы I G (J PC).
Спин
− одна из важнейших характеристик частицы, для измерения которой
используется фундаментальная константа Планка h или ћ = h/2π = 1.0544·10 -27 [эрг-с].
Бозоны имеют целый спин в единицах ћ: (0,1, 2,...)ћ, фермионы − полуцелый (1/2,
3/2,.. .)ћ. В классе суперсимметричных частиц значения спинов фермионов и
бозонов меняются местами.
Рис. 4 иллюстрирует физический смысл спина J по аналогии с классическим
представлением о моменте количества движения частицы с массой m = 1 г, движущейся со скоростью v = 1 см/с по окружности с радиусом
r = 1 см. В
классической физике момент количества движения J = mvr = L (L − орбитальный
момент). В квантовой механике J = = 10 27 ћ = 1 эрг·с для тех же параметров движущегося по окружности объекта, где ћ = 1.05·10 -27 эрг·с.
Проекция спина элементарной частицы на направление ее импульса называется
спиральностью. Спиральность безмассовой частицы с произвольным спином принимает
только два значения: по или против направления импульса частицы. Для фотона
возможные значения спиральности равны ±1, для безмассового нейтрино спиральность
равна ±1/2.
Спиновый момент количества движения атомного ядра определяется как векторная
сумма спинов элементарных частиц, образующих квантовую систему, и орбитальных
моментов этих частиц, обусловленных их движением внутри системы. Орбитальный
момент ||, и спиновый момент
|| приобретают дискретное значение. Орбитальный
момент || = ћ[l
(l
+1)] 1/2 , где l
− орбитальное квантовое число (может принимать значения 0,
1,2,...), собственный момент количества движения || = ћ 1/2 где s −
спиновое квантовое число (может принимать нулевые, целые или полуцелые значенияJ, полный момент количества движения равен сумме
+
=
.
К производным единицам следует отнести: энергию частицы, быстроту, заменяющую
скорость для релятивистских частиц, магнитный момент и др.
Энергия
покоящейся частицы:
Е = mc 2 ; движущейся частицы: Е = m 2 c 4 + p 2 c 2 .
Для нерелятивистских частиц: Е = mс 2 + р 2 /2m; для релятивистских частиц, с
массой m = 0: Е = ср.
Единицы измерения энергии − эВ, кэВ, МэВ, ГэВ, ТэВ, ... 1 ГэВ = 10 9 эВ, 1 ТэВ
= 10 12 эВ,
1 эВ = 1.6·10 -12 эрг.
Скорость частицы
β = v/c, где с = 3·10 10 см/с
− скорость света. Скорость
частицы определяет такую важнейшую характеристику как Лоренц-фактор частицы γ =
1/(1-β 2) 1/2 = E/mc 2 . Всегда γ > 1- Для нерелятивистских частиц 1 < γ < 2, а для релятивистских частиц γ > 2.
В физике высоких энергий скорость частицы β близка к 1 и для релятивистских
частиц ее трудно определить. Поэтому вместо скорости используется быстрота y, которая связана со скоростью соотношением у =
(1/2)ln[(1+β)/(1-β)] = (1/2)ln[(E+p)/(E-p)]. Быстрота
изменяется от 0 до ∞.
Функциональная связь между скоростью частицы и быстротой показана на рис. 5.
Для релятивистских частиц при β → 1, Е → р, тогда вместо быстроты можно
использовать псевдобыстроту η, которая определяется углом вылета частицы θ, η =
(1/2)ln tan(θ/2). В отличие от скорости быстрота − аддитивная величина, т.е. у 2 = y 0 + y 1
для любой системы отсчета и для любых релятивистских и нерелятивистских частиц.
Магнитный момент
μ = Iπr 2 /c, где ток
I = ev/2πr, возникает из-за вращения
электрического заряда. Таким образом, любая заряженная частица имеет магнитный
момент. При рассмотрении магнитного момента электрона используется магнетон Бора
μ B =
eћ/2m e c = 0.5788·10 -14 МэВ/Гс, магнитный момент электрона
= g·μ B ·. Коэффициент
g называется гиромагнитным отношением. Для электрона g =
/μ B · = 2, т.к. J = ћ/2,
= μ B при условии, что электрон
− точечная бесструктурная
частица. Гиромагнитное отношение g содержит информацию о структуре частицы.
Величина (g − 2) измеряется в экспериментах, направленных на изучение структуры
частиц, отличных от лептонов. Для лептонов эта величина свидетельствует о роли
более высоких электромагнитных поправок (см. далее п. 7.1).
В ядерной физике используется ядерный магнетон μ я = eћ/2m p c, где m p − масса протона.
2.1.1. Система Хэвисайда и ее связь с системой СГС
В системе Хэвисайда скорость света с и постоянная Планка ћ полагаются равными единице, т.е. с = ћ = 1. Основными единицами измерения являются энергетические единицы − МэВ или МэВ -1 , в то время как в системе СГС основные единицы измерения − [г, см, с]. Тогда, воспользовавшись соотношениями: Е = mc 2 = m = МэВ, l = ћ/mc = МэВ -1 , t = ћ/mc 2 = МэВ -1 , получим связь между системой Хэвисайда и системой СГС в виде:- m(г) = m(МэВ)·2·10 -27 ,
- l (см) = l (МэВ -1)·2·10 -11 ,
- t (с) = t (МэВ -1)·б.б·10 -22 .
Система Хэвисайда применяется в физике высоких энергий для описания явлений,
происходящих в микромире, и основана на использовании естественных констант с и
ћ, которые являются определяющими в релятивистской и квантовой механике.
Числовые значения соответствующих величин в системе СГС для электрона и
протона приводятся в табл. 3 и могут быть использованы для перехода из одной системы в другую.
Таблица 3. Числовые значения величин в системе СГС для электрона и протона
2.1.2. Планковские (естественные) единицы
При рассмотрении гравитационных эффектов для измерения энергии, массы, длины и времени вводится планковская шкала. Если гравитационная энергия объекта равна его полной энергии, т.е.
то
длина
= 1.6·10 -33 см,
масса
= 2.2 ·10 -5 г = 1.2·10 19 ГэВ,
время
= 5.4·10 -44 с,
где
= 6.67·10 -8 см 2 ·г -1 ·с -2 .
Гравитационные эффекты существенны, когда гравитационная энергия объекта сравнима с его полной энергией.
2.2. Классификация элементарных частиц
Понятие "элементарная частица" сформировалось с установлением дискретного характера строения вещества на микроскопическом уровне.
Атомы → ядра → нуклоны → партоны (кварки и глюоны)
В современной физике термин "элементарные частицы" употребляется для
наименования большой группы мельчайших наблюдаемых
частиц материи. Эта группа
частиц весьма обширна: протоны р, нейтроны
n, π- и K-мезоны, гипероны,
очарованные частицы (J/ψ...) и множество резонансов (всего
~ 350 частиц). Эти
частицы получили название "адроны".
Выяснилось, что эти частицы не элементарны, а представляют собой составные
системы, конституентами которых являются истинно элементарные или, как их стали
называть, "фундаментальные
" частицы −
партоны
, открытые при изучении
структуры протона. Изучение свойств партонов позволило отождествить их с
кварками
и
глюонами
, введенными в рассмотрение Гелл-Манном и Цвейгом при
классификации наблюдаемых элементарных частиц. Кварки оказались фермионами со
спином J = 1/2. Им были приписаны дробные электрические заряды и барионное
число В = 1/3 поскольку барион, у которого В = 1, состоит из трех кварков. Кроме
того, для объяснения свойств некоторых барионов возникла необходимость введения
нового квантового числа − цвета. Каждый кварк имеет три цветовых состояния,
обозначаемые индексами 1, 2, 3 или словами красный (R), зеленый (G) и синий (В).
Цвет никак не проявляет себя у наблюдаемых адронов и работает только внутри них.
К настоящему времени открыто 6 ароматов (типов) кварков.
В табл. 4 приведены свойства кварков для одного цветового состояния.
Таблица 4. Свойства кварков
| Аромат | Масса, МэВ/с 2 | I | I 3 | Q q /e | s | с | b | t |
| u up | 330; (5) | 1/2 | 1/2 | 2/3 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| d down | 340; (7) | 1/2 | -1/2 | -1/3 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| s strange | 450; (150) | 0 | 0 | -1/3 | -1 | 0 | 0 | 0 |
| с charm | 1500 | 0 | 0 | 2/3 | 0 | 1 | 0 | 0 |
| b beauty | 5000 | 0 | 0 | -1/3 | 0 | 0 | -1 | 0 |
| t truth | 174000 | 0 | 0 | 2/3 | 0 | 0 | 0 | 1 |
Для каждого аромата кварка указаны его масса (приводятся массы конституентных
кварков и в скобках массы токовых кварков), изотопический спин I и 3-я проекция изотопического спина
I 3 , заряд кварка Q q /e и квантовые числа s, с, b, t. Наряду
с этими квантовыми числами часто используется квантовое число гиперзаряд Y = В +
s + с + b+ t. Существует связь между проекцией
изотопического спина I 3 ,
электрического заряда Q и гиперзаряда Y: Q = I 3 + (1/2)Y.
Поскольку каждый кварк имеет 3 цвета, в рассмотрении должны участвовать 18
кварков. Кварки не имеют структуры.
Вместе с тем, среди элементарных частиц оказался целый класс частиц,
получивших название "лептоны
". Они
также являются фундаментальными частицами, т.е. не имеют структуры. Их шесть:
три заряженных е, μ, τ и три нейтральных ν e , ν μ ,
ν τ . Лептоны участвуют только в электромагнитных и слабых взаимодействиях.
Лептоны и кварки с полуцелым спином J = (n+1/2)ћ, n = 0, 1,... . относятся к
фундаментальным фермионам. Наблюдается удивительная симметрия между лептонами и
кварками: шесть лептонов и шесть кварков.
В табл. 5 приведены свойства фундаментальных фермионов: электрический заряд
Q i в единицах заряда электрона и масса частиц m. Лептоны и кварки объединяются в
три поколения (I, II и III). Для каждого поколения сумма электрических зарядов ∑Q i = 0 с учетом 3 цветовых зарядов у каждого кварка. Каждому фермиону
сответствует антифермион.
Кроме характеристик частиц, указанных в таблице, важную роль для лептонов
играют лептонные числа: электронное L e , равное +1 для е - и ν e , мюонное L μ ,
равное +1 для μ - и ν μ и таонное L τ , равное +1 для τ - и ν τ , которые соответствуют
ароматам лептонов, участвующих в конкретных реакциях, и являются сохраняющимися
величинами. Для лептонов барионное число В = 0.
Таблица 5. Свойства фундаментальных фермионов
Окружающее нас вещество состоит из фермионов первого поколения ненулевой
массы. Влияние частиц второго и третьего поколений проявилось в ранней
Вселенной. Среди фундаментальных частиц особую роль играют фундаментальные калибровочные
бозоны, имеющие целочисленное внутреннее квантовое число спин J = nћ, n = 0, 1,
.... Калибровочные бозоны ответственны за четыре типа фундаментальных
взаимодействий: сильное (глюон g), электромагнитное (фотон γ), слабое (бозоны
W ± , Z 0), гравитационное (гравитон G). Они также являются бесструктурными,
фундаментальными частицами.
В табл. 6 приведены свойства фундаментальных бозонов, являющихся полевыми
квантами в калибровочных теориях.
Таблица 6. Свойства фундаментальных бозонов
| Название | Заряд | Масса | Спин | Взаимодействия |
| Гравитон, G | 0 | 0 | 2 | Гравитационное |
| Фотон, γ | 0 | < 3·10 -27 эВ | 1 | Электромагнитное |
| Заряженные векторные бозоны, W ± | ±1 | 80.419 ГэВ/с 2 | 1 | Слабое |
| Нейтральный векторный бозон, Z 0 | 0 | 91.188 ГэВ/с 2 | 1 | Слабое |
| Глюоны, g 1 , ... , g 8 | 0 | 0 | 0 | Сильное |
| Хиггсы, Н 0 , H ± | 0 | > 100 ГэВ/с 2 | 0 |
Помимо свойств открытых калибровочных бозонов γ,
W ± , Z 0 , g 1 ,... , g 8
в таблице
показаны свойства неоткрытых пока бозонов: гравитона G и Хиггс-бозонов Н 0 ,
H ± .
Рассмотрим теперь наиболее многочисленную группу элементарных
сильновзаимодействующих частиц − адронов, для объяснения структуры которых было
введено представление о кварках.
Адроны подразделяются на мезоны и барионы. Мезоны построены из кварка и антикварка (q). Барионы состоят из трех кварков (q 1 q 2 q 3).
В табл. 7 приводится перечень свойств основных адронов. (Подробные таблицы см. The European Physical Journal C, Rev. of Particle
Phys., v.15, №1 - 4, 2000.)
Таблица 7. Свойства адронов
| Название | Масса, МэВ/с 2 | Время жизни, с | Моды распада | Кварковый состав | |||||||||||
|
Пион
π ± 1 - (0 -+) π 0 |
139.567 134.965 |
2.6·10 -8 |
π ± → μ ± + ν π 0 → γ + γ |
(u), (d) (u − d)/√2 |
|||||||||||
|
η-мезон η 0 0 + (0 -+) |
548.8 | Г=1.18±0.11 кэВ |
η 0 → γ + γ; 3π 0 →π + + π -0 + π -- |
с 1 (u + d) + c 2 (s) | |||||||||||
|
|||||||||||||||
|
D ± D 0 |
1869.3 1864.5 |
10.69·10 -13 4.28·10 -13 |
D ± → е ± + X |
(c),
(d)
(c) |
|||||||||||
| F ± = | 1969.3 | 4.36·10 -13 | → ρ 0 + π ± | (c, s) | |||||||||||
|
B ± В 0 |
5277.6 5279.4 |
13.1·10 -13 13.1·10 -13 |
B ± → +
π ± В 0 →+ π -0 + |
(u), (b)
(d), (b) |
|||||||||||
| б |
Протон р Нейтрон n |
938.3 939.5 |
> 10 33 лет 898 ±16 |
n → р + е - + |
uud udd |
||||||||||
| Λ | 2.63·10 -10 | Λ→p + π - | uds | ||||||||||||
|
Σ + Σ 0 Σ - |
1189.4 1192 1197 |
0.8·10 -10 5.8·10 -20 1.48·10 -10 |
Σ + →p
+ π 0 Σ 0 → Λ+ γ Σ - →n + π - |
uus uds dds |
|||||||||||
|
Ξ 0 Ξ - |
1314.9 1321 |
2.9·10 -10 1.64·10 -10 |
Ξ 0 → Λ+ π 0 Ξ - → Λ + π - |
uss dss |
|||||||||||
| Ω - | 1672 | 0.8·10 -10 | Ω - → Λ+ K - | sss | |||||||||||
|
|
|
Кварковая структура адронов позволяет выделить в этой многочисленной группе
частиц нестранные адроны, которые состоят из нестранных кварков (и, d), странные
адроны, в состав которых входит странный кварк s, чармированные адроны,
содержащие с-кварк, прелестные адроны (боттом-адроны) с b-кварком.
В таблице представлены свойства только незначительной части адронов: мезонов
и барионов. Показаны их масса, время жизни, основные моды распада и кварковый
состав. Для мезонов барионное число В = О и лептонное число L = 0. Для барионов
барионное число В = 1, лептон-ное число L = 0. Мезоны относятся к бозонам (целый
спин), барионы − к фермионам (спин полуцелый).
Дальнейшее рассмотрение свойств адронов позволяет объединить их в
изотопические мультиплеты, состоящие из частиц с одинаковыми квантовыми числами
(барионным числом, спином, внутренней четностью, странностью) и близкими по
значению массами, но с различными электрическими зарядами. Каждый изотопический
мультиплет характеризуется изотопическим спином I, который определяет полное
число частиц, входящих в мультиплет, равное 2I
+ 1. Изоспин может принимать
значения 0, 1/2, 1, 3/2, 2, . .., т.е. возможно существование изотопических
синглетов, дублетов, триплетов, квартетов и т.д. Так, протон и нейтрон
составляют изотопический дублет, π + -, π - -, π 0 -мезоны рассматриваются как
изотопический триплет.
Более сложными объектами в микромире являются атомные ядра. Атомное ядро
состоит из Z протонов и N нейтронов. Сумма Z + N = А − число нуклонов в данном
изотопе. Часто в таблицах приводится усредненная по всем изотопам величина,
тогда она становится дробной. Известны ядра, для которых указанные величины
находятся в пределах: 1 < А < 289, 1 < Z < 116.
Перечисленные выше частицы рассматриваются в рамках Стандартной Модели.
Предполагается, что за пределами Стандартной Модели может существовать еще одна
группа фундаментальных частиц − суперсимметричные частицы (SUSY). Они должны
обеспечить симметрию между фермионами и бозонами. В табл. 8 приводятся
предполагаемые свойства этой симметрии.
2.3. Полевой подход к проблеме взаимодействий
2.3.1 Свойства фундаментальных взаимодействий
Огромное многообразие физических явлений, происходящих при столкновениях
элементарных частиц, определяется всего лишь четырьмя типами взаимодействий:
электромагнитным, слабым, сильным и гравитационным. В квантовой теории
взаимодействие описывается в терминах обмена специфическими квантами (бозонами),
ассоциированными с данным типом взаимодействия.
Для наглядного представления взаимодействия частиц американский физик
Р. Фейнман предложил использовать диаграммы, которые получили его имя. Диаграммы
Фейнмана описывают любой процесс взаимодействия при столкновении двух частиц.
Каждая частица, участвующая в процессе, на диаграмме Фейнмана изображается
линией. Свободный левый или правый конец линии обозначает нахождение частицы в
начальном или конечном состоянии соответственно. Внутренние линии на диаграммах
(т.е. линии, не имеющие свободных концов) соответствуют так называемым
виртуальным частицам. Это частицы, рождающиеся и поглощающиеся в процессе
взаимодействия. Их нельзя зарегистрировать, в отличие от реальных частиц.
Взаимодействие частиц на диаграмме изображается узлами (или вершинами). Тип
взаимодействия характеризуется константой связи α которая может быть записана в
виде: α = g 2 /ћc, где
g − заряд источника взаимодействия, а является основной
количественнои характеристикой силы, действующей между частицами. В
электромагнитном взаимодействии α е = e 2 /ћc
=
1/137.
 Рис.6. Диаграмма Фейнмана. |
Процесс a +
b →с + d
в виде диаграммы Фейнмана (рис. 6) выглядит следующим образом: R − виртуальная частица, которой обмениваются
частицы а и b при взаимодействии, определяемом
константой взаимодействия α = g 2 /ћc, характеризующей силу взаимодействия на расстоянии, равном радиусу
взаимодействия.
Виртуальная частица может иметь массу М х и при обмене этой частицей
происходит передача 4-импульса t = −q 2 = Q 2 .
В табл. 9 представлены характеристики разных типов взаимодействий.
Электромагнитные взаимодействия
. Наиболее полно и последовательно изучены
электромагнитные взаимодействия, которым подвержены все заряженные частицы и
фотоны. Переносчиком взаимодействия является фотон. Для электромагнитных сил
константа взаимодействия численно равна постоянной тонкой структуры α е = e 2 /ћc =
1/137.
Примерами простейших электромагнитных процессов являются фотоэффект,
комптон-эффект, образование электрон-позитронных пар, а для заряженных частиц −
ионизационное рассеяние и тормозное излучение. Теория этих взаимодействий −
квантовая электродинамика − является наиболее точной физической теорией.
Слабые взаимодействия.
Впервые слабые взаимодействия наблюдались при β-распаде атомных ядер. И, как оказалось, эти распады связаны с превращениями
протона в нейтрон в ядре и обратно:
р → n + е + + ν e , n → р + е - +
e .
Возможны и обратные реакции: захват электрона е - + р → n + ν e или антинейтрино
e + р → е + +
n. Слабое взаимодействие было описано Энрико Ферми в 1934 г. в
терминах четырехфермионного контактного взаимодействия, определяемого константой
Ферми
G F = 1.4·10 -49 эрг·см 3 .
При очень высоких энергиях вместо фермиевского контактного взаимодействия
слабое взаимодействие описывается как обменное, при котором осуществляется обмен
квантом, наделенным слабым зарядом g w (по аналогии с электрическим зарядом) и
действующим между фермионами. Такие кванты были впервые обнаружены в 1983 г. на
SppS-коллайдере (ЦЕРН) коллективом под руководством Карла Руббиа. Это заряженные
бозоны − W ± и нейтральный бозон − Z 0 , их массы соответственно равны: m W± = 80 ГэВ/с 2
и m Z = 90 ГэВ/с 2 . Константа взаимодействия α W в этом случае выражается через
константу Ферми:
Таблица 9. Основные типы взаимодействий и их характеристики
Структуры микромира
Ранее элементарными частицами называли частицы, входящие в состав атома и неразложимые на более элементарные составляющие, а именно электроны и ядра.
Позднее было установлено, что ядра состоят из более простых частиц – нуклонов (протонов и нейтронов), которые в свою очередь состоят из других частиц. Поэтому элементарными частицами стали считать мельчайшие частицы материи , исключая атомы и их ядра .
На сегодняшний день открыты сотни элементарных частиц, что требует их классификации:
– по видам взаимодействий
– по временам жизни
– по величине спина
Элементарные частицы делятся на следующие группы:
Составные и фундаментальные (бесструктурные) частицы
Составные частицы
Адроны (тяжелые) – 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, т.е. нуклонов .
Фундаментальные (бесструктурные) частицы
Лептоны (легкие) – фермионы, которые имеют вид точечных частиц (т. е. 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.
Кварки – дробнозаряженные частицы, входящие в состав адронов. В свободном состоянии не наблюдались.
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.
По современным представлениям, к фундаментальным частицам (или «истинно» элементарным частицам), не имеющим внутренней структуры и конечных размеров, относятся :
Кварки и лептоны
Частицы, обеспечивающие фундаментальные взаимодействия: гравитоны, фотоны, векторные бозоны, глюоны.
Классификация элементарных частиц по временам жизни :
- стабильные: частицы, время жизни которых очень велико (в пределе стремится к бесконечности). К ним относятся электроны , протоны , нейтрино . Внутри ядер стабильны также нейтроны, но они нестабильны вне ядра
- нестабильные (квазистабильные): элементарные частицы – это такие частицы, которые распадаются за счет электромагнитного и слабого взаимодействий, и время жизни которых больше 10 –20 сек. К таким частицам относится свободный нейтрон (т.е. нейтрон вне ядра атома)
- резонансы (нестабильные, краткоживущие). К резонансам относятся элементарные частицы, распадающиеся за счет сильного взаимодействия. Время жизни для них меньше 10 -20 сек.
Классификация частиц по участию во взаимодействиях :
- лептоны : к их числу относятся и нейтроны. Все они не участвуют в водовороте внутриядерных взаимодействий, т.е. не подвержены сильному взаимодействию. Они участвуют в слабом взаимодействии, а имеющие электрический заряд участвуют и в электромагнитном взаимодействии
- адроны : частицы, существующие внутри атомного ядра и участвующие в сильном взаимодействии. Самые известные из них это протон и нейтрон .
На сегодня известны шесть лептонов :
К одному семейству с электроном относятся мюоны и тау-частицы, которые похожи на электрон, но массивнее его. Мюоны и тау-частицы нестабильны и со временем распадаются на несколько других частиц, включая электрон
Три электрически нейтральных частицы с нулевой (или близкой к нулю, на этот счет ученые пока не определились) массой, получившие название нейтрино . Каждое из трех нейтрино (электронное нейтрино, мюонное нейтрино, тау-нейтрино) парно одному из трех разновидностей частиц электронного семейства.
У самых известных адронов , протонов и нейтрино имеются сотни родственников, которые во множестве рождаются и тут же распадаются в процессе различных ядерных реакций. За исключением протона, все они нестабильны, и их можно классифицировать по составу частиц, на которые они распадаются:
Если среди конечных продуктов распада частиц имеется протон, то его называют барион
Если протона среди продуктов распада нет, то частица называется мезон .
Сумбурная картина субатомного мира, усложнявшаяся с открытием каждого нового адрона, уступила место новой картине, с появлением концепции кварков. Согласно кварковой модели, все адроны (но не лептоны) состоят из еще более элементарных частиц – кварков. Так барионы (в частности протон) состоят из трех кварков, а мезоны – из пары кварк – антикварк.
