В физике элементарными частицами называли физические объекты в масштабах ядра атома, которые невозможно разделить на составные части. Однако, на сегодня, ученым все же удалось расщепить некоторые из них. Структуру и свойства этих мельчайших объектов изучает физика элементарных частиц.
О наименьших частицах, составляющих всю материю, было известно еще в древности. Однако, основоположниками так званого «атомизма» принято считать философа Древней Греции Левкиппа и его более известного ученика — Демокрита. Предполагается, что второй и ввел термин «атом». С древнегреческого «atomos» переводится как «неделимый», что определяет взгляды древних философов.
Позднее стало известно, что атом все же можно разделить на два физических объекта – ядро и электрон. Последний впоследствии и стал первой элементарной частицей, когда в 1897-м году англичанин Джозеф Томсон провел эксперимент с катодными лучами и выявил, что они представляют собой поток одинаковых частиц с одинаковыми массой и зарядом.
Параллельно с работами Томсона, занимающийся исследованием рентгеновского излучения Анри Беккерель проводит опыты с ураном и открывает новый вид излучения. В 1898 году французская пара физиков – Мария и Пьер Кюри изучают различные радиоактивные вещества, обнаруживая то же самое радиоактивное излучение. Позже будет установлено, что оно состоит из альфа (2 протона и 2 нейтрона) и бета-частиц (электроны), а Беккерель и Кюри получат Нобелевскую премию. Проводя свои исследования с такими элементами как уран, радий и полоний, Мария Склодовская-Кюри не предпринимала никаких мер безопасности, в том числе не использовала даже перчатки. Как следствие в 1934 году ее настигла лейкемия. В память о достижениях великого ученого, открытый парой Кюри элемент, полоний, был назван в честь родины Марии – Polonia, с латинского – Польша.
Фотография с V Сольвеевского конгресса 1927 год. Попробуйте найди всех ученых из этой статьи на данном фото.
Начиная с 1905-го года, Альберт Эйнштейн посвящает свои публикации несовершенству волновой теории света, постулаты которой расходились с результатами экспериментов. Что впоследствии привело выдающегося физика к идее о «световом кванте» — порции света. Позже, в 1926-м году, он был назван как «фотон», в переводе с греческого «phos» («свет»), американским физиохимиком — Гилбертом Н. Льюисом.
В 1913 году Эрнест Резерфорд, британский физик, основываясь на результатах уже проведенных на то время экспериментов, отметил, что массы ядер многих химических элементов кратны массе ядра водорода. Поэтому он предположил, что ядро водорода является составляющей ядер других элементов. В своем эксперименте Резерфорд облучал альфа-частицами атом азота, который в результате излучил некую частицу, названную Эрнестом как «протон», с др. греческого «протос» (первый, основной). Позже было экспериментально подтверждено, что протон – это ядро водорода.
Очевидно, протон, не единственная составная часть ядер химических элементов. К такой мысли приводит тот факт, что два протона в ядре отталкивались бы, и атом мгновенно распадался. Поэтому Резерфорд выдвинул гипотезу о наличии еще одной частицы, которая имеет массу, равную массе протона, но является незаряженной. Некоторые опыты ученых по взаимодействию радиоактивных и более легких элементов, привели их к открытию еще одного нового излучения. В 1932-м году Джеймс Чедвик определил, что оно состоит из тех самых нейтральных частиц, которые назвал нейтронами.
Таким образом, были открыты наиболее известные частицы: фотон, электрон, протон и нейтрон.
Далее открытия новых субъядерных объектов становились все более частым событием, и на данный момент известно около 350 частиц, которые принято полагать «элементарными». Те из них, которые до сих пор не удалось расщепить, считаются бесструктурными и называются «фундаментальными».
Что такое спин?
Прежде чем переходить к дальнейшим инновациям в области физики, следует определиться с характеристиками всех частиц. К наиболее известным, не считая массы и электрического заряда, относится также и спин. Данная величина называется иначе как «собственный момент импульса» и никоим образом не связана с перемещением субъядерного объекта как целого. Ученым удалось обнаружить частицы со спином 0, ½, 1, 3/2 и 2. Чтобы представить наглядно, хоть и упрощенно, спин, как свойство объекта, рассмотрим следующий пример.
Пусть у предмета имеется спин равный 1. Тогда такой объект при повороте на 360 градусов возвратится в исходное положение. На плоскости этим предметом может быть карандаш, который после разворота на 360 градусов окажется в исходном положении. В случае с нулевым спином, при любом вращении объекта он будет выглядеть всегда одинаково, к примеру, одноцветный мячик.
Для спина ½ потребуется предмет, сохраняющий свой вид при развороте на 180 градусов. Им может быть все тот же карандаш, только симметрично наточенный с обеих сторон. Спин равный 2 потребует сохранения формы при повороте на 720 градусов, а 3/2 – 540.
Данная характеристика имеет очень большое значение для физики элементарных частиц.
Стандартная модель частиц и взаимодействий
Имея внушительный набор микрообъектов, составляющих окружающий мир, ученые решили их структурировать, так образовалась известная всем теоретическая конструкция под названием «Стандартная модель». Она описывает три взаимодействия и 61 частицу при помощи 17-ти фундаментальных, некоторые из которых были ею предсказаны задолго до открытия.
Три взаимодействия таковы:
- Электромагнитное. Оно происходит между электрически заряженными частицами. В простом случае, известном со школы, — разноименно заряженные объекты притягиваются, а одноименно – отталкиваются. Происходит это посредством, так называемого переносчика электромагнитного взаимодействия – фотона.
- Сильное, иначе – ядерное взаимодействие. Как ясно из названия, его действие распространяется на объекты порядка ядра атома, оно отвечает за притяжение протонов, нейтронов и прочих частиц, также состоящих из кварков. Сильное взаимодействие переносится при помощи глюонов.
- Слабое. Действует на расстояниях в тысячу меньших размера ядра. В таком взаимодействии принимают участия лептоны и кварки, а также их античастицы. При этом в случае слабого взаимодействия они могут перевоплощаться друг в друга. Переносчиками являются бозоны W+, W− и Z0.
Так Стандартная модель сформировалась следующим образом. Она включает шесть кварков, из которых состоят все адроны (частицы, подверженные сильному взаимодействию):
- Верхний (u);
- Очарованный (c);
- Истинный (t);
- Нижний (d);
- Странный (s);
- Прелестный (b).
Видно, что эпитетов физикам не занимать. Другие 6 частиц – лептоны. Это фундаментальные частицы со спином ½, которые не принимают участие в сильном взаимодействии.
- Электрон;
- Электронное нейтрино;
- Мюон;
- Мюонное нейтрино;
- Тау-лептон;
- Тау-нейтрино.
А третьей группой Стандартной модели являются калибровочные бозоны, которые имеют спин равный 1 и представляются переносчиками взаимодействий:
- Глюон – сильное;
- Фотон – электромагнитное;
- Z-бозон — слабое;
- W-бозон – слабое.
К ним также относится и недавно обнаруженный , частица со спином 0, которая, упрощенно говоря, наделяет все другие субъядерные объекты инертной массой.
В результате, согласно Стандартной модели, наш мир выглядит таким образом: все вещество состоит из 6 кварков, образующих адроны, и 6 лептонов; все эти частицы могут участвовать в трех взаимодействиях, переносчиками которых являются калибровочные бозоны.
Недостатки Стандартной модели
Однако, еще до открытия бозона Хиггса – последней частицы, предсказываемой Стандартной моделью, ученые вышли за ее пределы. Ярким примером тому есть т.н. «гравитационное взаимодействие», которое сегодня находится наравне с другими. Предположительно, переносчиком его есть частица со спином 2, которая не имеет массы, и которую физикам еще не удалось обнаружить — «гравитон».
Мало того, Стандартная модель описывает 61 частицу, а на сегодняшний день человечеству известно уже более 350 частиц. Это означает, что на достигнутом работа физиков-теоретиков не окончена.
Классификация частиц
Чтобы упростить себе жизнь, физики сгруппировали все частицы в зависимости от особенностей их строения и прочих характеристик. Классификация бывает по следующим признакам:
- Время жизни.
- Стабильные. В их числе протон и антипротон, электрон и позитрон, фотон, а также гравитон. Существование стабильных частиц не ограничено временем, до тех пор, пока они находятся в свободном состоянии, т.е. не взаимодействуют с чем-либо.
- Нестабильные. Все остальные частицы спустя некоторое время распадаются на свои составные части, потому называются нестабильными. Например, мюон живет всего лишь 2,2 микросекунды, а протон — 2,9 10*29 лет, после чего может распасться на позитрон и нейтральный пион.
- Масса.
- Безмассовые элементарные частицы, которых всего три: фотон, глюон и гравитон.
- Массивные частицы – все остальные.
- Значение спина.
- Целый спин, в т.ч. нулевой, имеют частицы, которые называются бозоны.
- Частицы с полуцелым спином — фермионы.
- Участие во взаимодействиях.
- Адроны (структурные частицы) – субъядерные объекты, что принимают участие во всех четырех типах взаимодействий. Ранее упоминалось, что они складываются с кварков. Адроны делятся на два подтипа: мезоны (целый спин, являются бозонами) и барионы (полуцелый спин — фермионы).
- Фундаментальные (бесструктурные частицы). К ним относятся лептоны, кварки и калибровочные бозоны (читайте ранее – «Стандартная модель..»).
Ознакомившись с классификацией всех частиц, можно, к примеру, точно определить некоторые из них. Так нейтрон является фермионом, адроном, а точнее барионом, и нуклоном, то есть имеет полуцелый спин, состоит из кварков и участвует в 4-х взаимодействиях. Нуклон же – это общее название для протонов и нейтронов.
- Интересно, что противники атомизма Демокрита, который предсказывал существование атомов, заявляли, что любое вещество в мире делится до бесконечности. В какой-то мере они могут оказаться правыми, так как ученым уже удалось разделить атом на ядро и электрон, ядро на протон и нейтрон, а их в свою очередь на кварки.
- Демокрит предполагал, что атомы имеют четкую геометрическую форму, и потому «острые» атомы огня – обжигают, шершавые атомы твердых тел крепко скрепляются своими выступами, а гладкие атомы воды проскальзывают при взаимодействии, иначе – текут.
- Джозеф Томсон составил собственную модель атома, который представлялся ему как положительно заряженное тело, в которое как бы «воткнуты» электроны. Его модель получила название «пудинг с изюмом» (Plum pudding model).
- Кварки получили свое название благодаря американскому физику Мюррею Гелл-Манну. Ученый хотел использовать слово, похожее на звук кряканья утки (kwork). Но в романе Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану» встретил слово «quark», в строке «Три кварка для мистера Марка!», смысл которого точно не определен и возможно, что Джойс использовал его просто для рифмы. Мюррей решил назвать частицы этим словом, так как на то время было известно лишь три кварка.
- Хотя фотоны, частицы света, являются безмассовыми, вблизи черной дыры, кажется, что они меняют свою траекторию, притягиваясь к ней при помощи гравитационного взаимодействия. На самом же деле сверхмассивное тело искривляет пространство-время, из-за чего любые частицы, в том числе и не имеющие массы, меняют свою траекторию в сторону черной дыры (см. ).
- Большой адронный коллайдер именно потому «адронный», что сталкивает два направленных пучка адронов, частиц размерами порядка ядра атома, которые участвуют во всех взаимодействиях.
Ниже перечислены все элементарные частицы из пяти букв. К каждому из определений дано краткое описание.
Если вам есть что добавить, то ниже к вашим услугам — форма комментирования, в которой вы можете высказать свое мнение или дополнить статью.
Список элементарных частиц
Фотон
Представляет собой квант электромагнитного излучения, к примеру света. Свет, в свою очередь, это явление, которое состоит из потоков света. Фотон это элементарная частица. У фотона нейтральный заряд и нулевая масса. Спин фотона равен единице. Фотон переносит электромагнитное взаимодействие между заряженными частицами. Термин фотон произошел от греческого phos, что означает свет.
Фонон
Является квазичастицей, квантом упругих колебаний и смещений атомов и молекул кристаллической решетки из положения равновесия. В кристаллических решетках атомы и молекулы постоянно взаимодействуют, делясь друг с другом энергией. В связи с этим, изучить в них явления, подобные колебаниям отдельных атомов, практически невозможно. Поэтому беспорядочные колебания атомов, принято рассматривают, по типу распространения звуковых волн, внутри кристаллической решетки. Квантами этих волн и являются фононы. Термин фонон произошел от греческого phone-звук.
Фазон
Фазон флуктуон, это квазичастица, которая представляет из себя возбуждение в сплавах, либо в другой гетерофазной системе, образующее вокруг заряженной частицы, допустим электрона, потенциальную яму (ферромагнитную область), и захватывает его.
Ротон
Является квазичастицей, которая соответствует элементарному возбуждению в сверхтекучем гелии,в области больших импульсов, связанное с возникновением вихревого движения в сверхтекучей жидкости. Ротон, в переводе с латинского означает — вращаюсь, верчусь. Ротон проявляется при температуре большей 0,6К и обуславливают экспоненциально зависящие от температуры свойства теплоемкости, такие как энтропия нормальной плотности и прочие.
Мезон
Является неустойчивой не-элементарной частицей. Мезон является тяжелым электроном в космических лучах.
Масса мезона больше чем масса электрона и меньше массы протона.
Мезоны имеют четное число кварков и антикварков. К мезонам относят Пионы, Каоны и другие тяжелые мезоны.
Кварк
Является элементарной частицей материи, но пока только гипотетически. Кварками принято называть шесть частиц и их античастиц (антикварков), которые в свою очередь составляют группу особых элементарных частиц адронов.
Считается, что частицы, которые участвуют в сильных взаимодействиях, такие как протоны, нейроны и некоторые другие состоят из крепко между собой соединенных кварков. Кварки постоянно существуют в различных сочетаниях. Есть теория, что кварки могли существовать в свободном виде, в первые моменты после большого взрыва.
Глюон
Элементарная частица. По одной из теорий глюоны как бы склеивают кварки, те в свою очередь образуют такие частицы как протоны и нейроны. Во общем глюоны являются мельчайшими частицами, которые образуют материю.
Бозон
Бозон-квазичастица или бозе-частица. Бозон имеет нулевое или целое значение спин. Название дано в честь физика Шатьендраната Бозе. Бозон отличается тем, что неограниченное количество их могут иметь одно и то же квантовое состояние.
Адрон
Адрон-это элементарная частица, которая не является истинно элементарной. Состоит из кварков, антикварков и глюонов. Адрон не имеет цветового заряда, и участвует в сильном взаимодействии, в том числе и ядерном. Термин адрон, от греческого adros — означает крупный, массивный.
В начале 30-х годов ХХ столетия физика нашла приемлемое описание строения вещества на основе четырех типов элементарных частиц – протонов, нейтронов, электронов и фотонов. Добавление пятой частицы – нейтрино – позволило объяснить также процессы радиоактивного распада. Казалось, что названные элементарные частицы являются первокирпичиками мироздания.
Но эта кажущаяся простота вскоре исчезла. Вскоре был обнаружен позитрон. В 1936 г. среди продуктов взаимодействия космических лучей с веществом был открыт первый мезон. После этого удалось наблюдать мезоны иной природы, а также другие необычные частицы. Эти частицы рождались под действием космических лучей довольно редко. Однако после того, как были построены ускорители, позволяющие получать частицы больших энергий, удалось открыть более 300 новых частиц.
Что же тогда понимать под словом "элементарная "? "Элементарная" логический антипод "сложной". Элементарные частицы значит первичные, далее неразложимые частицы, из которых состоит вся материя. К сороковым годам был известен уже ряд превращений "элементарных" частиц. Число частиц продолжает расти. Большая их часть нестабильна. Среди десятков известных микрочастиц всего несколько устойчивых, неспособных к самопроизвольным превращениям. Не является ли устойчивость по отношению к самопроизвольным превращениям признаком элементарности?
Ядро дейтерия (дейтрон) состоит из протона и нейтрона. Как частица, дейтрон совершенно устойчив. В то же время составная часть дейтрона, нейтрон, радиоактивен, т.е. неустойчив. Этот пример показывает, что понятия устойчивости и элементарности не тождественны. В современной физике термин «Элементарные частицы» обычно употребляется для наименования большой группы мельчайших частиц материи (которые не являются атомами, или атомными ядрами ).
Все
элементарные частицы обладают
исключительно малыми массами и размерами.
У большинства из них масса порядка
массы протона
(заметно меньше лишь масса электрона
).
Микроскопические размеры и массы
элементарных частиц обусловливают
квантовые закономерности их поведения.
Наиболее важное квантовое свойство
всех элементарных частиц – способность
рождаться и уничтожаться (испускаться
и поглощаться) при взаимодействии с
другими частицами.
Известны четыре типа различных по своей природе взаимодействий между частицами: гравитационное, электромагнитное, ядерное, а также взаимодействие во всех процессах с участием нейтрино. Каковы особенности четырех перечисленных видов взаимодействия?
Наиболее сильным является взаимодействие между ядерными частицами ("ядерные силы"). Это взаимодействие принято называть сильным . Уже отмечалось, что ядерные силы действуют лишь при весьма малых расстояниях между частицами: радиус действия порядка 10 -13 см.
Следующим по величине является электромагнитное взаимодействие. Оно меньше сильного на два порядка. Но с расстоянием оно меняется медленнее, как 1/r 2 , так что радиус действия электромагнитных сил бесконечен.
Далее следует взаимодействие, обусловленное участием в реакциях нейтрино. По порядку величины эти взаимодействия меньше сильных взаимодействий в 10 14 раз. Эти взаимодействия принято называть слабыми . По-видимому, радиус действия здесь такой же, как и в случае сильного взаимодействия.
Самое малое из известных взаимодействии – гравитационное. Оно меньше сильного на 39 порядков в 10 39 раз! С расстоянием гравитационные силы убывают столь же медленно, как и электромагнитные, так что их радиус действия также бесконечен.
В космосе основная роль принадлежит гравитационным взаимодействиям, т.к. радиус действия сильных и слабых взаимодействий ничтожен. Электромагнитные взаимодействия играют ограниченную роль потому, что электрические заряды противоположных знаков стремятся к образованию нейтральных систем. Гравитационные силы всегда силы притяжения. Их нельзя скомпенсировать силой обратного знака, от них нельзя экранироваться. Отсюда их доминирующая роль в космосе.
Величине сил взаимодействия соответствует и время, необходимое для осуществления реакции, обусловленной этим взаимодействием. Так процессы, обусловленные сильным взаимодействием, требуют времени порядка 10 -23 сек. (успевает произойти реакция при столкновении частиц больших энергий). Время, необходимое для осуществления процесса, обусловленного электромагнитным взаимодействием, требует ~10 -21 сек., слабым взаимодействием ~10 -9 сек. В реакциях, обусловленных взаимодействиями частиц, гравитационные силы практически никакой роли не играют.
Перечисленные взаимодействия имеют, по-видимому, разную природу, т. е. не сводятся одно к другому. В настоящее время нет возможности судить, исчерпывают ли указанные взаимодействия все имеющиеся в природе.
Класс элементарных частиц, участвующих в сильном взаимодействии, называется адронами (протон, нейтрон и др.). Класс частиц, не обладающих сильным взаимодействием, называется лептонами. К лептонам относятся электрон, мюон, нейтрино, тяжелый лептон и соответствующие им античастицы. Античастицы, совокупность элементарных частиц, имеющих те же значения масс и прочих физических характеристик, что и их «двойники», но отличающиеся от них знаком некоторых характеристик взаимодействий (например, электрического заряда, магнитного момента): электрон и позитрон, нейтрино и антинейтрино. По современным представлениям нейтрино и антинейтрино отличаются друг от друга одной из квантовых характеристик – спиральностью, определяемой как проекция спина частицы на направления ее движения (импульс). У нейтрино спин S ориентирован антипараллельно импульсу Р , т.е. направления Р и S образуют левый винт и нейтрино обладает левой спиральностью (рис. 6.2). У антинейтрино эти направления образуют правый винт, т.е. антинейтрино обладает правой спиральностью.
При столкновении частицы и античастицы они могут взаимно уничтожиться "аннигилировать". На рис. 6.3 изображен процесс аннигиляции электрона и позитрона с возникновением двух гамма-квантов. При этом соблюдаются все известные законы сохранения энергии, импульса, момента импульса, закон сохранения зарядов. Для рождения пары электрон позитрон необходимо израсходовать энергию, не меньшую суммы собственных энергий этих частиц, т.е. ~ 10 6 эВ. При аннигиляции такой пары эта энергия отдается либо с порождаемым при аннигиляции излучением, либо распределяется среди других частиц.
.
(6.9)
Электрический заряд при этом превращении сохраняется. Точно так же сохраняется он при превращении фотона в пару электронпозитрон или при рождении такой же пары в результате столкновения двух электронов.
Существует гипотеза, что все элементарные частицы являются комбинациями трех основных частиц, называемых кварками , и их античастиц. В свободном состоянии кварки не были обнаружены (несмотря на многочисленные их поиски на ускорителях высоких энергий, в космических лучах и окружающей среде).
Невозможно описать свойства и превращения микрочастиц без какой-либо их систематизации. Систематизации, построенной на основе строгой теории, нет.
Две основные группы элементарных частиц составляют сильно взаимодействующие (адроны ) и слабо взаимодействующие (лептоны ) частицы. Адроны делятся на мезоны и барионы . Барионы подразделяются на нуклоны и гипероны . К лептонам относятся электроны, мюоны и нейтрино. Ниже приведены величины, с помощью которых систематизируют микрочастицы.
1. Массовое или барионное число А . Многочисленные факты, наблюдаемые в процессе деления ядер, рождения пары нуклон и антинуклон, позволяют утверждать, что в любом процессе число нуклонов остается постоянным. Всем барионам приписывают число А = +1, каждой античастице А = –1. Закон сохранения барионного заряда выполняется точно во всех ядерных процессах. Кратными значениями барионного числа обладают сложные частицы. У всех мезонов и лептонов барионное число равно нулю.
2. Электрический заряд q представляет собой число единиц электрического заряда (в единицах положительного заряда протона), присущего частице.
3. Изотопический спин (не имеет отношения к реальному спину). Силы, действующие между нуклонами в ядре, почти не зависят от типа нуклонов, т.е. ядерные взаимодействия р р , р n и n n одинаковы. Эта симметрия ядерных сил приводит к сохранению величины, называемой изотопическим спином. Изоспин сохраняется в сильных взаимодействиях и не сохраняется в процессах, вызванных электромагнитным и слабым взаимодействием.
4. Странность . Чтобы объяснить, почему не происходят некоторые процессы с участием адронов М. Гелл-Манн и К. Нишиджима в 1953 г. предложили ввести новое квантовое число, которое они назвали странностью. Странность стабильных адронов лежит в пределах от –3 до +3 (целые числа). Странность лептонов не определена. В сильных взаимодействиях странность сохраняется.
5. Спин. Характеризует спиновый момент импульса.
6. Четность . Внутреннее свойство частицы, связанное с ее симметрией по отношению к правому и левому. До недавнего времени физики полагали, что различия между правым и левым нет. Впоследствии оказалось, что они неравноценны для всех процессов слабого взаимодействия – что было одним из наиболее удивительных открытий в физике.
В классической физике вещество и физическое поле противопоставлялись друг другу как два вида материи. Вещество слагается из элементарных частиц, это вид материи, обладающей массой покоя. У вещества структура дискретна, у поля непрерывна. Но квантовая физика привела к нивелированию этого представления. В классической физике полагается, что на частицы действуют силовые поля – гравитационное и электромагнитное. Других полей классическая физика не знала. В квантовой физике за полями видят истинных переносчиков взаимодействия – кванты этих полей, т.е. частицы. Для классических полей это гравитоны и фотоны. Когда поля достаточно сильны и квантов много, мы перестаем различать их как отдельные частицы, и воспринимаем как поле. Носителями сильных взаимодействий являются глюоны. С другой стороны, любая микрочастица (элемент вещества) обладает двойственной корпускулярно-волновой природой.
Поскольку индексы i, k, l в структурных формулах пробегают значения 1, 2, 3, 4, число мезонов M ik с заданным спином должно быть равно 16. Для барионов B ikl максимально возможное число состояний при заданном спине (64) не реализуется, т. к. в силу принципа Паули при данном полном спине разрешены только такие трёхкварковые состояния, которые обладают вполне определённой симметрией относительно перестановок индексов i, k, 1, а именно: полностью симметричные для спина 3 / 2 и смешанной симметрии для спина 1 / 2 . Это условие при l = 0 отбирает 20 барионных состояний для спина 3 / 2 и 20 - для спина 1 / 2 .
Более подробное рассмотрение показывает, что значение кваркового состава и свойств симметрии кварковой системы даёт возможность определить все основные квантовые числа адрона (J, Р, В, Q, I, Y, Ch ), за исключением массы; определение массы требует знания динамики взаимодействия кварков и массы кварков, которое пока отсутствует.
Правильно передавая специфику адронов с наименьшими массами и спинами при заданных значениях Y и Ch, кварковая модель естественным образом объясняет также общее большое число адронов и преобладание среди них резонансов. Многочисленность адронов - отражение их сложного строения и возможности существования различных возбуждённых состояний кварковых систем. Не исключено, что число таких возбуждённых состояний неограниченно велико. Все возбуждённые состояния кварковых систем неустойчивы относительно быстрых переходов за счёт сильных взаимодействий в нижележащие состояния. Они и образуют основную часть резонансов. Небольшую долю резонансов составляют также кварковые системы с параллельной ориентацией спинов (за исключением W -). Кварковые конфигурации с антипараллельной ориентацией спинов, относящиеся к осн. состояниям, образуют квазистабильные адроны и стабильный протон.
Возбуждения кварковых систем происходят как за счёт изменения вращательного движения кварков (орбитальные возбуждения), так и за счёт изменения их пространств. расположения (радиальные возбуждения). В первом случае рост массы системы сопровождается изменением суммарного спина J и чётности Р системы, во втором случае увеличение массы происходит без изменения J P . Например, мезоны с J P = 2 + являются первым орбитальным возбуждением (l = 1) мезонов с J P = 1 - . Соответствие 2 + мезонов и 1 - мезонов одинаковых кварковых структур хорошо прослеживается на примере многих пар частиц:
Мезоны r" и y" - примеры радиальных возбуждений r- и y-мезонов соответственно (см.
Орбитальные и радиальные возбуждения порождают последовательности резонансов, отвечающие одной и той же исходной кварковой структуре. Отсутствие надёжных сведений о взаимодействии кварков не позволяет пока производить количественные расчеты спектров возбуждений и делать какие-либо заключения о возможном числе таких возбуждённых состояний.При формулировке кварковой модели кварки рассматривались как гипотетические структурные элементы, открывающие возможность очень удобного описания адронов. В дальнейшем были проведены эксперименты, которые позволяют говорить о кварках как о реальных материальных образованиях внутри адронов. Первыми были эксперименты по рассеянию электронов нуклонами на очень большие углы. Эти эксперименты (1968), напоминающие классические опыты Резерфорда по рассеянию a-частиц на атомах, выявили наличие внутри нуклона точечных заряженных образований. Сравнение данных этих экспериментов с аналогичными данными по рассеянию нейтрино на нуклонах (1973-75) позволило сделать заключение о средней величине квадрата электрического заряда этих точечных образований. Результат оказался удивительно близким к величине 1 / 2 [(2 / 3 e ) 2 +(1 / 3 e ) 2 ]. Изучение процесса рождения адронов при аннигиляции электрона и позитрона, который предположительно идёт через последовательность процессов: ® адроны, указало на наличие двух групп адронов, генетически связанных с каждым из образующихся кварков, и позволило определить спин кварков. Он оказался равным 1/2. Общее число рожденных в этом процессе адронов свидетельствует также о том, что в промежуточном состоянии возникают кварки трёх разновидностей, т. е. кварки трёхцветны.
Т. о., квантовые числа кварков, введённые на основании теоретических соображений, получили подтверждение в ряде экспериментов. Кварки постепенно приобретают статус новых Э. ч. Если дальнейшие исследования подтвердят это заключение, то кварки являются серьёзными претендентами на роль истинно Э. ч. для адронной формы материи. До длин ~ 10 -15 см кварки выступают как точечные бесструктурные образования. Число известных видов кварков невелико. В дальнейшем оно может, конечно, измениться: нельзя поручиться за то, что при более высоких энергиях не будут обнаружены адроны с новыми квантовыми числами, обязанные своим существованием новым типам кварков. Обнаружение Y -мезонов подтверждает эту точку зрения. Но вполне возможно, что увеличение числа кварков будет небольшим, что общие принципы накладывают ограничения на полное число кварков, хотя эти ограничения пока неизвестны. Бесструктурность кварков также, возможно, отражает лишь достигнутый уровень исследования этих материальных образований. Однако ряд специфических особенностей кварков даёт некоторые основания предполагать, что кварки являются частицами, замыкающими цепь структурных составляющих материи.
От всех других Э. ч. кварки отличаются тем, что в свободном состоянии они пока не наблюдались, хотя имеются свидетельства их существования в связанном состоянии. Одной из причин ненаблюдения кварков может быть их очень большая масса, что препятствует их рождению при энергиях современных ускорителей. Не исключено, однако, что кварки принципиально, в силу специфики их взаимодействия, не могут находиться в свободном состоянии. Существуют доводы теоретического и экспериментального характера в пользу того, что силы, действующие между кварками, не ослабляются с расстоянием. Это означает, что для отделения кварков друг от друга требуется бесконечно большая энергия, или, иначе, возникновение кварков в свободном состоянии невозможно. Невозможность выделить кварки в свободном состоянии делает их совершенно новым типом структурных единиц вещества. Неясно, например, можно ли ставить вопрос о составных частях кварков, если сами кварки нельзя наблюдать в свободном состоянии. Возможно, что в этих условиях части кварков физически вообще не проявляются и поэтому кварки выступают как последняя ступень дробления адронной материи.
Элементарные частицы и квантовая теория поля.
Для описания свойств и взаимодействий Э. ч. в современной теории существенное значение имеет понятие физ. поля, которое ставится в соответствие каждой частице. Поле есть специфическая форма материи; оно описывается функцией, задаваемой во всех точках (х )пространства-времени и обладающей определёнными трансформационными свойствами по отношению к преобразованиям группы Лоренца (скаляр, спинор, вектор и т. д.) и групп "внутренних" симметрий (изотопический скаляр, изотопический спинор и т. д.). Электромагнитное поле, обладающее свойствами четырёхмерного вектора А m (х) (m = 1, 2, 3, 4), - исторически первый пример физического поля. Поля, сопоставляемые с Э. ч., имеют квантовую природу, т. е. их энергия и импульс слагаются из множества отд. порций - квантов, причём энергия E k и импульс p k кванта связаны соотношением специальной теории относительности: E k 2 = p k 2 c 2 + m 2 c 2 . Каждый такой квант и есть Э. ч. с заданной энергией E k , импульсом p k и массой т. Квантами электромагнитного поля являются фотоны, кванты других полей соответствуют всем остальным известным Э. ч. Поле, т. о., есть физическое отражение существования бесконечной совокупности частиц - квантов. Специальный математический аппарат квантовой теории поля позволяет описать рождение и уничтожение частицы в каждой точке х.
Трансформационные свойства поля определяют все квантовые числа Э. ч. Трансформационные свойства по отношению к преобразованиям пространства-времени (группе Лоренца) задают спин частиц. Так, скаляру соответствует спин 0, спинору - спин 1 / 2 , вектору - спин 1 и т. д. Существование таких квантовых чисел, как L, В, 1, Y, Ch и для кварков и глюонов "цвет", следует из трансформационных свойств полей по отношению к преобразованиям "внутренних пространств" ("зарядового пространства", "изотопического пространства", "унитарного пространства" и т. д.). Существование "цвета" у кварков, в частности, связывается с особым "цветным" унитарным пространством. Введение "внутренних пространств" в аппарате теории - пока чисто формальный приём, который, однако, может служить указанием на то, что размерность физического пространства-времени, отражающаяся в свойствах Э. ч., реально больше четырёх - размерности пространства-времени, характерной для всех макроскопических физических процессов. Масса Э. ч. не связана непосредственно с трансформационными свойствами полей; это дополнительная их характеристика.
Для описания процессов, происходящих с Э. ч., необходимо знать, как различные физические поля связаны друг с другом, т. е. знать динамику полей. В современном аппарате квантовой теории поля сведения о динамике полей заключены в особой величине, выражающейся через поля - лагранжиане (точнее, плотности лагранжиана) L. Знание L позволяет в принципе рассчитывать вероятности переходов от одной совокупности частиц к другой под влиянием различных взаимодействий. Эти вероятности даются т. н. матрицей рассеяния (В. Гейзенберг, 1943), выражающейся через L. Лагранжиан L состоит из лагранжиана L вз, описывающего поведение свободных полей, и лагранжиана взаимодействия L вз, построенного из полей разных частиц и отражающего возможность их взаимопревращений. Знание L вз является определяющим для описания процессов с Э. ч.
Дождитесь загрузки виджета хронологической шкалы.
Для просмотра необходимо включить JavaScript.
Если сильные распады группировались в районе йоктосекунд, электромагнитные - в окрестностях аттосекунды, то слабые распады «отдуваются за всех» - они охватывают аж 27 порядков на шкале времен !
На краях этого невообразимо широкого диапазона находятся два «экстремальных» случая.
- Распады топ-кварка и частиц-переносчиков слабого взаимодействия (W и Z-бозонов) происходят примерно за 0,3 ис = 3·10 −25 с. Это самые быстрые распады среди всех элементарных частиц и вообще самые быстрые процессы, достоверно известные современной физике. Получается так потому, что это распады с самым большим энерговыделением.
- Самая долгоживущая элементарная частица, нейтрон, живет примерно 15 минут . Такое огромное по меркам микромира время объясняется тем, что этот процесс (бета-распад нейтрона на протон, электрон и антинейтрино) обладает очень маленьким энерговыделением. Это энерговыделение такое слабое, что в подходящих условиях (например, внутри атомного ядра) этот распад уже может быть энергетически невыгоден, и тогда нейтрон становится полностью стабильным. Атомные ядра, все вещество вокруг нас, да и мы сами существуем только благодаря этой удивительной слабости бета-распада.
В промежутке между этими крайностями большинство слабых распадов тоже идут более-менее компактно. Их можно разбить на две группы, которые мы условно назовем: быстрые слабые распады и медленные слабые распады.
Быстрые - это распады длительностью около пикосекунды. Так вот удивительно сложились числа в нашем мире, что в узкий диапазон значений от 0,4 до 2 пс попадают времена жизни сразу нескольких десятков элементарных частиц. Это так называемые очарованные и прелестные адроны - частицы, которые в своем составе имеют тяжелый кварк.
Пикосекунды - это замечательно, это просто бесценно с точки зрения эксперимента на коллайдерах! Дело в том, что за 1 пс частица успеет пролететь треть миллиметра, а такие большие дистанции современный детектор измеряет легко . Благодаря этим частицам картина столкновения частиц на коллайдере становится «легко читаемой» - вот тут произошло столкновение и рождение большого числа адронов, а вон там, чуть поодаль, произошли вторичные распады. Время жизни становится напрямую измеримо, а значит, появляется возможность узнать, что это была за частица, и уже потом использовать эту информацию для более сложного анализа.
Медленные слабые распады - это распады, которые начинаются от сотни пикосекунд и простираются на весь наносекундный диапазон. Сюда попадает класс так называемых «странных частиц» - многочисленных адронов, содержащих в своем составе странный кварк. Несмотря на свое название, для современных экспериментов они совсем не странные, а наоборот, самые обыденные частицы. Они просто выглядели странными в 50-х годах прошлого века, когда физики неожиданно стали их открывать одну за другой и не совсем понимали их свойства. Кстати, именно изобилие странных адронов и подтолкнуло физиков полвека назад к идее кварков.
С точки зрения современного эксперимента с элементарными частицами наносекунды - это очень много. Это так много, что вылетевшая из ускорителя частица просто не успевает распасться, а пронзает детектор, оставляя в нём свой след. Конечно, она потом застрянет где-то в веществе детектора или в горных породах вокруг него и там распадется. Но физиков этот распад уже не заботит, их интересует только тот след, который эта частица оставила внутри детектора. Так что для современных экспериментов такие частицы выглядят почти как стабильные; их поэтому называют «промежуточным» термином - метастабильные частицы.
Ну а самой долгоживущей частицей, не считая нейтрона, является мюон - этакий «собрат» электрона. Он не участвует в сильном взаимодействии, он не распадается за счет электромагнитных сил, поэтому ему остаются только слабые взаимодействия. А поскольку он довольно легкий, он живет 2 микросекунды - целая эпоха по масштабам элементарных частиц.