Элементарные частицы

  Недавно ученым удалось построить сосуд, в котором ультрахолодные нейтроны живут до своего естественного распада.

  Свободные нейтроны способны активно  взаимодействовать с атомными ядрами, вызывая ядерные реакции. В результате взаимодействия медленных нейтронов с веществом можно  наблюдать резонансные эффекты, дифракционное рассеяние в кристаллах и т. п. Благодаря этим своим особенностям нейтроны широко используются в ядерной физике и физике твердого тела. Они играют важную роль в ядерной энергетике, в производстве трансурановых элементов и  радиоактивных изотопов, находят практическое применение в химическом  анализе  и  в  геологической  разведке.  

  Мезоны — адроны с целым спином Название произошло от греческого слова, означающего «средний, промежуточный», поскольку массы первых открытых мезонов имели промежуточные значения между массами протона и электрона. Барионный заряд мезонов равен нулю. Легчайшие из мезонов — пионы, или пи-мезоны p-,p+ и p°. Их массы примерно в 6—7 раз меньше массы протона..  Более массивны странные мезоны — каоны K+, К- и  К°. Их массы почти в два раза меньше массы протона. Характерное время жизни этих мезонов — 10-8 с.

       Почти все адроны имеют античастицы. Так, барион сигма—минус S- имеет античастицу антисигма—плюс S`+, которая отлична от S+ . То же самое можно сказать и о других барионах. С мезонами дело обстоит несколько иначе: отрицательный пион — античастица положительного пиона, а нейтральный пион античастицы вообще не имеет, поскольку является античастицей сам себе. В то же время нейтральный каон   K° имеет античастицу К`°. Эти факты получают объяснение в кварковой модели адронов.

       Мир адронов огромен — он включает более 350 частиц. Большинство их очень нестабильны: они распадаются на более легкие адроны за время порядка 10–23c. Это — характерное время сильных взаимодействий; за столь короткий интервал даже свет успевает пройти расстояние, равное всего лишь радиусу протона (10-13 см). Ясно, что столь короткоживущие частицы не могут оставить следов в детекторах. Обычно их рождение обнаруживают то косвенным признакам. Например, изучают реакцию аннигиляции электронов и позитронов с последующим рождением адронов. Изменяя энергию столкновения электронов и позитронов, обнаруживают, что при каком-то значении энергии выход адронов вдруг резко увеличивается. Данный факт можно объяснить тем, что в промежуточном состоянии родилась частица, масса которой равна соответствующей энергии (с точностью до множителя с2). Эта частица мгновенно распадется на другие адроны, и единственным следом ее появления остается пик на графике зависимости вероятности рождения адронов от энергии столкновения.

       Такие короткоживущие частицы называют резонансами. Большинство барионов и мезонов — резонансы. Они не оставляют «автографов» в камерах и на фотографиях, и все же физикам удается изучать их свойства: определять массу, время жизни, спин, четность, способы распада и т. п.

По современным представлениям адроны не являются истинно элементарными частицами. Они имеют конечные размеры и сложную структуру. Барионы состоят из трех кварков. Соответственно антибарион состоит из трех антикварков и всегда отличен от бариона. Мезоны построены из кварка и антикварка. Ясно, что мезоны, в состав которых входят пары из кварков и антикварков одного сорта, не будут иметь античастиц. Кварки удерживаются внутри адронов глюонным полем. В принципе теория допускает существование других адронов, построенных из большего числа кварков или, наоборот, из одного глюонного поля. В последнее время появились некоторые экспериментальные данные о возможном существовании таких гипотетических частиц. Динамическая теория кварков, описывающая их взаимодействия, стала развиваться относительно недавно. Первоначально кварковая модель была предложена для «наведения порядка» в слишком многочисленном семействе адронов. Эта модель включала кварки трех видов, или, как принято говорить, ароматов. С помощью кварков удалось навести порядок в многочисленном семействе адронов, распределив их в группы частиц, называемые мультиплетами. Частицы одного мультиплета имеют близкие массы, но не только это послужило основой их классификации; кроме опытных данных в этом случае использовали специальный математический аппарат теории групп.

       В дальнейшем оказалось, что трех кварковых ароматов недостаточно для описания всех адронов. В 1974 г. были открыты так называемые пси-мезоны, состоящие из кварка и антикварка нового вида (сс¢). Этот аромат был назван очарованием. Новый очарованный кварк с оказался гораздо тяжелее своих «собратьев»: легчайшая из пси-частиц — мезон J/y — имеет массу 3097 МэВ, т. е. в 3 раза тяжелее протона. Время ее жизни около 10 -20с. Было открыто целое семейство пси-мезонов с тем же кварковым составом  cc¢ , но находящихся в возбужденных состояниях и вследствие этого имеющих большие массы.

 Лептоны — группа частиц, не участвующих в 1 сильном взаимодействии (название происходит от греческого слова «лептос» — «легкий»).

   Все лептоны имеют спин 1/2. Различают заряженные лептоны — электрон е -, мюон m -, тяжелый лептон t - и соответствующие античастицы е +, m + и t + и нейтральные – различного рода нейтрино.

  Первым из заряженных лептонов был открыт электрон — в 1897 г. английским ученым  Дж. Дж. Томсоном . Его античастица— позитрон — была найдена в 1932 г. в космических лучах американским физиком К. Андерсоном. В 1936 г. также при излучении космических лучей были обнаружены мюоны (К. Андерсон и С. Неддермейер). Сначала произошла маленькая путаница: мюоны попытались отождествить с  частицей, которая, согласно теории японского физика X. Юкавы, переносила сильные взаимодействия. Вскоре, впрочем, выяснилось, что к сильным взаимодействиям мюон отношения не имеет (частицами, предсказанными Юкавой, оказались   открытые   в    1947   г.   л-мезоны). И тогда возникла загадка мюона. Дело в том, что мюон удивительно похож на электрон: у них  одинаковый электрический заряд, спин, оба

они участвуют лишь в слабых и электромагнитных взаимодействиях, причем аналогичным образом. Единственное видимое их отличие заключается в массе: мюон в 206,8 раза тяжелее электрона (современное значение его массы m = 105,65943 МэВ/с2  @ 1,88- 10 –25 г).

Из-за   большей   величины   массы   мюон   утерял  стабильность,  время  его  жизни @2,2 • 10 -6 с.

Электрон стабилен, так как ему просто не на что распадаться. Действительно, из-за сохранения электрического заряда распад электрона был бы возможен только с испусканием более легких заряженных частиц, но о существовании таких частиц до сих пор ничего не известно. Если бы закон сохранения заряда не являлся вполне точным законом природы, то электрон мог бы распасться, например, на нейтрино и фотон. Поиски таких распадов, однако, не увенчались успехом и показали, что время жизни электрона, по крайней мере, больше чем 1022 лет (для сравнения: наша Вселенная существует «всего» около 2 • 10 -10 лет). Поэтому в современных теориях электрон считается стабильной частицей. Заметим все же, что экспериментальные пределы для времени жизни протона выглядят еще внушительнее (не менее 1032 лет), но теории, в которых он может распадаться, в последнее время стали очень популярны.

   С распадом мюона дело обстоит проще, он может распадаться и в действительности распадается на электрон и пару нейтрино разных сортов: m -® е - + nе`+ nm . За этот распад ответственны слабые взаимодействия. Экспериментальное значение времени жизни мюона хорошо согласуется с теоретическими расчетами. Разумеется, аналогичным образом происходит и распад положительно заряженного мюона:

m + ® е + + nе +nm`.

    Не успев еще разобраться в загадке мюона, физики открыли третий заряженный лептон t (тау - лептон). Он был обнаружен в 1975 г. в опытах на встречных электрон-позитронных пучках в Станфорде (США) группой физиков во главе с М. Перлом при аннигиляции электрона и позитрона очень больших энергий. Тяжелый тау-лептон имеет массу почти в 3500 раз большую, чем масса электрона (me~1784 МэВ/с2). Он даже почти в 2 раза тяжелее протона. Время жизни t-лептона с достаточной точностью было измерено лишь в 1981 г.— 3,4 • 10 -13 с. Такое время жизни показывает, что слабые взаимодействия t-лептонов очень похожи на слабые взаимодействия электронов и мюонов (следует иметь в виду, что чем тяжелее частица, тем быстрее, при прочих одинаковых условиях, она распадается на более легкие. Имеющиеся данные позволяют утверждать, что и в остальном t-лептон подобен электрону и мюону.

   Заряженные лептоны объединены еще одним свойством: в современных теориях все они представляются точечными объектами, не имеющими, в отличие от адронов, внутренней структуры. Эксперименты на самых мощных ускорителях при максимально достижимых в настоящее время энергиях показывают, что это справедливо, по крайней мере, вплоть до расстояний @10 -16 см.

Наблюдая за реакциями с участием лептонов, ученые обнаружили, что всегда остается постоянной разность числа лептонов и антилептонов. Для описания этого свойства ввели особое квантовое число — лептонный заряд L, условно приписав значение L = 1 отрицательно заряженным лептонам и сопутствующим им нейтрино, а значение L.= -1 -  их античастицам. Тогда указанное явление сводится к закону сохранения лептонного заряда. Позднее установили, что электронное и мюонное нейтрино не тождественны друг другу, и пришлось ввести различные, сохраняющиеся независимо лептонные заряды. По-видимому, существует и третий тип лептонного заряда, связанный с тяжелым лептоном и его нейтрино.

Пока не наблюдалось случаев нарушения закона сохранения лептонного заряда. Скажем, этот закон запрещает безнейтринные распады мюона. Отношение вероятностей запрещенного и обычного распадов мюона оценивалось в экспериментах и оказалось меньшим 10 -9—10 –10. Поиск запрещенных распадов представляет большой интерес, так как не исключена возможность обнаружения несохранения лептонного заряда. Следует подчеркнуть, что лептонный заряд не является источником какого-то «лептонного» поля, а введен исключительно для объяснения наблюдаемых на опыте закономерностей реакций с участием лептонов.

Появившиеся в последнее время теории, основанные на представлениях о единстве сил природы, предсказывают неустойчивость протона и одновременно нарушение сохранения лептонного заряда. В чем же заключается причина существования разных типов лептонов с близкими свойствами и сильно различающимися массами? Какова природа лептонных зарядов? И нет ли еще других, пока что неизвестных нам лептонов? Сейчас на эти вопросы еще нет ответа. Решение их связано не только с лептонами, но и с другими истинно элементарными частицами—кварками, представляющими собой основные структурные элементы мира сильновзаимодействующих частиц. Кварки  сильно различаются по массам и обладают своими специфическим «зарядами». Пары кварков объединяются вместе с парами лептонов (заряженным лептоном и соответствующим нейтрино) в так называемые поколения  элементарных частиц. Многие свойства   частиц   повторяются   из   поколения в поколение, а массы поколений сильно различаются между собой: второе поколение  ( в него входят мюоны) тяжелее первого (с электронами),  а  третье  поколение   (включающее t-лептоны)    тяжелее   второго.   Исследования многих загадок этих поколений еще только начинаются.

Электрон –отрицательно заряженная элементарная частица, носитель наименьшей известной массы и наименьшего электрического заряда в природе. Открыт в 1897 г. английским ученым ДЖ. Дж. Томсоном.

Электрон – составная часть атома, число электронов в нейтральном атоме равно атомному номеру, т.е. числу протонов в ядре.

 Первые точные  измерения заряда электрона провел в 1909-1913 гг. американский физик Р. Милликен. Современное значение абсолютной величины элементарного заряда составляет

е =(4,803242±0, 000014)*10-10 или примерно 1,6*10-19 Кл. считается, что этот заряд действительно «элементарен», т. е. он не может быть разделен на части, а заряды любых объектов являются его целыми кратными. Вместе с постоянной Планка Н и скоростью света с элементарный заряд образует безразмерную постоянную a= е2/ hc ~ 1/ 137. Постоянная тонкой структуры  a— один из важнейших параметров квантовой электродинамики, она определяет интенсивность электромагнитных взаимодействий. Масса электрона mе = (9,109534 ± 0,000047)*10-28 г (в энергетических единицах ~0,5МэВ/с2). Если справедливы законы сохранения энергии и электрического заряда, то запрещены любые распады электрона. Поэтому электрон стабилен; экспериментально получено, что время его жизни не менее 1022 лет.

    В 1925 г. американские физики С. Гаудсмит и Дж. Уленбек для объяснения особенностей атомных спектров ввели внутренний момент количества движения электрона — спин (s). Спин электрона равен половине постоянной Планка (Н — 1,055*10-34 Дж/с), но физики обычно говорят просто, что спин электрона равен 1/2:5 = 1/2. Со спином электрона связан его собственный магнитный момент. Магнитный момент электрона должен был равняться в точности одному магнетону Бора.

   Однако в 1947 г. в опытах было обнаружено, что магнитный момент примерно на 0,1% больше магнетона Бора. Объяснение этого факта было дано с учетом поляризации вакуума в квантовой электродинамике. Весьма трудоемкие вычисления дали теоретическое значение gе = 2*(1,001159652460 ±  0,000000000148), которое можно сравнить с экспериментальными данными: для электрона gе = 2-(1,001159652200 ±  0,000000000040) и позитрона gе = 2• (1,(Ю 1159652222 ± 0,000000000050). Величины вычислены и измерены с точностью до двенадцати знаков после запятой, причем точность     экспериментальных     работ     выше

'точности теоретических расчетов. Это самые точные измерения в физике элементарных частиц.

Особенностями движения электронов в атомах, подчиняющегося уравнениям квантовой механики, определяются оптические, электрические, магнитные, химические и механические свойства веществ.

Электроны участвуют в электромагнитных, слабых и гравитационных взаимодействиях.

Слабые взаимодействия электронов проявляются, например, в процессах с несохранением в атомных спектрах или в реакциях между электронами и нейтрино.

Не имеется никаких данных о внутренней структуре электрона. Современные теории исходят из представлений о лептонах, как о точечных частицах. В настоящее время это проверено экспериментально до расстояний 10-16 см. Новые данные могут появиться лишь с повышением энергии столкновения частиц в будущих ускорителях.