Элементарные частицы

В 1932 году Д.Д. Иваненко опубликовал  заметку, в которой высказал мнение о том, что нейтрон является наряду с протоном структурным элементом  ядра, и предложил протонно-нейтронную модель ядра. Однако такая модель ядра была встречена большинством физиков  скептически. В этом же году в составе космических лучей была открыта еще одна элементарная частица – позитрон. В 1933 году Иваненко на конференции в Ленинграде сделал доклад о модели ядра, где высказал мнение о том, что в ядре имеются только тяжелые частицы. Иваненко отверг идеи о сложной структуре нейтрона и протона. По его мнению, обе частицы нейтрон и протон должны обладать одинаковой степенью элементарности, в результате чего они могут переходить друг в друга. В дальнейшем протон и нейтрон стали рассматриваться как два состояния одной частицы, названной нуклоном.

Следует отметить, что ученый М.Планк, предположив, что энергия абсолютно чёрного тела квантована, получил правильную формулу для спектра излучения (1900 год). Развивая идею Планка, знаменитый Эйнштейн постулировал, что электромагнитное излучение в действительности является потоком отдельных квантов (фотонов), и на этой основе объяснил закономерности фотоэффекта. Прямые экспериментальные доказательства существования фотона даны Р.Милликеном (1912-1915 года) и А.Комптоном (1922 год).

Открытие нейтрино – частицы, почти не взаимодействующей с  веществом – ведёт своё начало от гипотезы В.Паули(1930 год), позволившей  найти «невидимого вора» в  процессах β-распада радиоактивных  ядер (часть энергии исчезала неизвестно куда). Экспериментально существование  нейтрино было подтверждено лишь в 1953 году Ф. Райнесом и К.Коуэном в  США.

Из всего вышесказанного можно сделать вывод, что ядром  называется центральная часть атома, к которой сосредоточена практически  вся масса атома и его положительный  электрический заряд. Все атомные  ядра состоят из элементарных частиц: протонов и нейтронов, которые считаются  двумя зарядовыми состояниями одной  частицы – нуклона. Протон имеет  положительный электрический заряд, равный по абсолютной величине заряду электрона. Нейтрон не имеет электрического заряда и т.д.

 К настоящему времени открыто около 350 элементарных частиц, различных по своим характеристикам: времени жизни, заряду, массе, спину и т.д.

ГЛАВА 2. Элементарные частицы

2.1. Фундаментальные  взаимодействия микромира

Наше понимание о базовой  структуре материи развивалось  постепенно. Атомная теория строения вещества показала, что не все в мире устроено так, как представляется на первый взгляд, а намного сложнее при более детальном рассмотрении и изучении. В давние времена было много различных предположений о строении атома, но только после появления моделей атома Резерфорда, Бора, ученые всего мира сосредоточили свое внимание на разгадке структуры атомного ядра.

Изначально предполагалось, что в атомном ядре существуют лишь два типа частиц - нейтроны и  протоны. Однако, начиная с 1930-х годов, ученые все чаще стали получать экспериментальные  результаты, которые нельзя было объяснить  в рамках классической модели Бора. Это навело ученых на мысль, что на самом деле ядро включает в себе большее разнообразие частиц, которые при взаимодействии и распаде играют ключевую роль в ядерных процессах. Впоследствии такие частицы назвали элементарными. К началу 1950-х годов началось изучение элементарных частиц.

Таким образом, элементарными называют частицы, входящие в состав прежде «неделимого» атома. Как мы уже знаем, первыми были обнаружены электрон, протон, нейтрон и фотон – квант электромагнитного поля. Из первых трех строили вещество, а фотон осуществлял взаимодействие между ними. Считалось, что они ни на что далее не могут быть разложены, и потому являются «первичными кирпичиками» мироздания. Потом оказалось, что элементарные частицы имеют внутреннюю структуру и могут друг в друга превращаться, т.е. обладают способностью к взаимным превращениям, это открытие уже не позволяло рассматривать элементарные частицы как простейшие неизменные «кирпичики мироздания». На современном этапе развития науки выяснилось, что число частиц очень велико. Каждая элементарная частица (за исключением абсолютно нейтральных частиц) имеет свою античастицу. Всего, вместе с античастицами открыто более 350 элементарных частиц. К ним относят и те частицы, которые получают на мощных циклотронах, синхротронах и других ускорителях. Есть элементарные частицы, возникающие при прохождении через атмосферу космических лучей, они существуют несколько миллионных долей секунды, потом распадаются, видоизменяются, превращаясь в другие элементарные частицы, или испускают энергию в форме излучения.

На современном этапе, наука выявила единство элементарных частиц: наблюдаемое вещество состоит из фотонов, лептонов (электроны, мюоны, нейтрино) и кварков. Помимо переносимых фотонами электромагнитных взаимодействий существуют сильные ядерные взаимодействия, связывающие кварки в барионы (протоны, нейтроны и пр.) и мезоны. Слабые ядерные взаимодействия ответственны за распад нейтронов. Основными характеристиками элементарных частиц являются масса, электрический заряд, спин, среднее время жизни, магнитный момент, пространственная четность, барионный заряд и квантовые числа.

Масса элементарных частиц — это масса покоя, поскольку она не зависит от состояния движения. Ее определяют по отношению к массе покоя электрона m_е, самой маленькой из масс покоя. Нейтрон и протон тяжелее электрона почти в 2000 раз. Но есть и очень тяжелые частицы, например Z-частицы, получаемые на ускорителях, с массой покоя 2 000 000 т_е. Фотоны вообще не имеют массы покоя. По массе частицы делят на лептоны (электрон и нейтрино); мезоны (с массой от 1 до 1000 т_е); барионы (с массой более 1000 т_е). В состав барионов входят протоны, нейтроны, гипероны и др.

Электрический заряд меняется от нуля до «+» или «-». Каждой частице, кроме фотона, нейтрино и двух мезонов, соответствует частица с противоположным зарядом, или античастица. В 1963 г. была высказана гипотеза о существовании частиц с дробным зарядом — кварков.

Спин — одна из важнейших характеристик элементарных частиц. Она определяется собственным моментом импульса частицы. Спин фотона равен 1; это означает, что частица примет тот же вид после полного оборота на 360°. Частица со спином — 1/2 примет прежний вид при обороте, в 2 раза большем, т. е. в 720°. Спин протона, нейтрона и электрона — 1/2. Существуют частицы со спином 3/2, 5/2 и т.д. Частица со спином, равным нулю, одинаково выглядит при любом угле поворота. В зависимости от значения спина все частицы делят на две группы:

1. фермионы (название дано в честь Энрико Ферми) — с полуцелыми (1/2, 3/3, ...) спинами. Фермионы составляют вещество и, в свою очередь, делятся на два класса — лептоны (от греч. leptos — легкий) и кварки. Кварки входят в состав протонов, нейтронов и других подобных им частиц, называемых в совокупности адрона-ми (от греч. adros — сильный). Заряженные лептоны могут так же, как и электроны, вращаться вокруг ядер, образуя атомы. Лептоны, не имеющие заряда, могут, как и нейтрино, проходить сквозь всю Землю, ни с чем не взаимодействуя. У каждой частицы есть и античастица, отличающаяся только зарядом;
2. бозоны (названные в честь индийского ученого Шатьендраната Бозе, одного из создателей квантовой статистики) — это частицы с целыми спинами (0, 1, 2), бозоны переносят взаимодействие.

  Между частицами существуют четыре типа взаимодействий, каждое из которых переносится своим типом бозонов: фотон, квант света — электромагнитные взаимодействия, гравитон — силы тяготения, действующие между любыми телами, имеющими массу. Восемь глюонов переносят сильные ядерные взаимодействия, связывающие кварки. Промежуточные векторные бозоны переносят слабые взаимодействия, ответственные за некоторые распады частиц. Считается, что к этим четырем взаимодействиям сводятся все силы в природе. Одним из самых ярких достижений нашего века стало доказательство того, что при очень высоких температурах (или энергиях) все четыре взаимодействия сливаются в одно. Суммируя вышесказанное, выявляются такие основы согласно которым, современным представлениям в природе осуществляется четыре типа взаимодействий: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Эти типы взаимодействий называют фундаментальными.

Сильное (или ядерное) взаимодействие – это наиболее интенсивное из всех видов взаимодействий. Они обуславливает исключительно прочную связь между протонами и нейтронами в ядрах атомов. В сильном взаимодействии могут принимать участие только тяжелые частицы – адроны (мезоны и барионы). Сильное взаимодействие проявляется на расстояниях порядка и менее 10–15м. Поэтому его называют короткодействующим.

Электромагнитное  взаимодействие. В этом виде взаимодействия могут принимать участие любые электрически заряженные частицы, а так же фотоны – кванты электромагнитного поля. Электромагнитное взаимодействие ответственно, в частности, за существование атомов и молекул. Оно определяет многие свойства веществ в твердом, жидком и газообразном состояниях. Кулоновское отталкивание протонов приводит к неустойчивости ядер с большими массовыми числами. Электромагнитное взаимодействие обуславливает процессы поглощения и излучения фотонов атомами и молекулами вещества и многие другие процессы физики микро- и макромира.

Слабое взаимодействие – наиболее медленное из всех взаимодействий, протекающих в микромире. В нем могут принимать участие любые элементарные частицы, кроме фотонов. Слабое взаимодействие ответственно за протекание процессов с участием нейтрино или антинейтрино, например, β-распад нейтрона а также безнейтринные процессы распада частиц с большим временем жизни (τ≥10–10с). Гравитационное взаимодействие присуще всем без исключения частицам, однако из-за малости масс элементарных частиц силы гравитационного взаимодействия между ними пренебрежимо малы и в процессах микромира их роль несущественна. Гравитационные силы играют решающую роль при взаимодействии космических объектов (звезды, планеты и т.п.) с их огромными массами.

   При энергии 100 ГэВ (10⁹ эВ) объединяются электромагнитное и слабое взаимодействия. Взаимодействие, осуществляемое путем обмена частицами, получило в физике название обменного взаимодействия, которая получила признание после того, как в 1935 г. японский физик Юкава теоретически показал, что сильное взаимодействие между нуклонами в ядрах атомов может быть объяснено, если предположить, что нуклоны обмениваются гипотетическими частицами, получившими название мезонов. Такая энергия соответствует температуре Вселенной через 10^-10 с после Большого Взрыва, и в 4 триллиона раз выше комнатной. Это открытие позволило предположить, что при энергии порядка 10¹⁵ ГэВ можно достичь объединения с ними сильных взаимодействий, как это утверждается в Теориях Великого Объединения (ТВО), а при энергии 10¹⁹ ГэВ к взаимодействиям ТВО присоединится и гравитационное взаимодействие, «образуя» ТВС (Теорию Всего Сущего).

   Таким образом  выяснилось, что среди лептонов наиболее известен электрон. Другой лептон — нейтрино. Это самый распространенный лептон во Вселенной и в то же время самый неуловимый. Нейтрино не участвует ни в сильном, ни в электромагнитном взаимодействиях.  Нейтрино бывает трех видов — электронное, мюонное и тау-нейтрино. Мюон — тоже широко распространенный в природе лептон. Он был обнаружен в космических лучах в 1936 г.; это нестабильная частица, а в остальном он похож на электрон. За две миллионные доли секунды он распадается на электрон и два нейтрино. Фоновое космическое излучение в большей части состоит из мюонов. В конце 70-х гг. был обнаружен третий заряженный лептон (кроме электрона и мюона) — тау-лептон. Он ведет себя очень похоже на своих собратьев, но тяжелее электрона в 3500 раз. У каждого лептона есть и античастица, т.е. всего их 12.

       Адронов существует очень много, их сотни. Поэтому часто их считают не элементарными частицами, а составленными из других. Они бывают электрически заряженными и нейтральными. Все адроны участвуют в сильном, слабом и гравитационном взаимодействиях. Среди них самые известные — протон и нейтрон. Остальные живут очень мало, распадаясь за 10^-6 с за счет слабого взаимодействия или за 10^-23 с — за счет сильного. Адроны рассортировали по массе, заряду и спину. В этом помогла гипотеза кварков, или частиц, составляющих адроны.

     Кварки могут соединяться для этого тройками, составляя барионы, либо парами: кварк—антикварк, составляя мезоны (промежуточные частицы). Кварки имеют заряд 1/3 или 2/3 заряда электрона. Тогда в комбинации они дадут 0 или 1. Все кварки имеют спин, равный 1/2, т.е. они относятся к фермионам. Считают, что они сцепляются сильным взаимодействием, но участвуют и в слабом. Особенности сильного взаимодействия характеризуют типами («ароматами») — «верхний», «нижний», «странный». Но слабое взаимодействие может поменять «аромат» кварка. Например, при распаде нейтрона один из «нижних» кварков становится «верхним», а избыток заряда уносит рождающийся электрон. Так что сильное взаимодействие не может менять «аромат», а без изменения «аромата» кварка невозможен распад адрона.

  Новый адрон, названный альфа-частицей, был обнаружен на ускорителях (1974). Поэтому в соответствии с теорией кварков ввели еще одну характеристику, четвертый «аромат», так появился «очарованный» кварк. Так что альфа-частица — это предположительно мезон, состоящий из с-кварка и с-антикварка. Сейчас обнаружено уже много «очарованных» частиц, и все они тяжелые. А в 1977 г. Появился альфа-мезон, и вся история повторилась, пятый аромат получил название «прелестный». Так развивается ныне атомистика. Сейчас считают, что существуют 12 кварков — фундаментальных частиц и столько же античастиц. Шесть частиц — это кварки с экзотическими именами «верхний», «нижний», «очарованный», «странный», «истинный», «прелестный». Они являются порождением теории, стремящейся к упорядоченности и красоте, и открыты все, за исключением «истинного». Остальные шесть — лептоны: электрон, мюон, альфа-частица и соответствующие им нейтрино (электронное, мюонное, нейтрино).

 Эти 12 частиц, или две по шесть, группируют в три поколения, каждое из которых состоит из четырех членов. В первом поколении — «верхний» и «нижний» кварки, электрон и электронное нейтрино, во втором — «очарованный» и «странный» кварки, мюон и мюонное нейтрино, в третьем — «истинный» и «прелестный» кварки и альфа-частица со своим нейтрино. Все обычное вещество состоит из частиц первого поколения. Протон, например, состоит из двух «верхних» кварков и одного «нижнего», нейтрон — из двух «нижних» и одного «верхнего». Каждый атом состоит из тяжелого ядра (сильно связанных протонов и нейтронов), окруженного электронным облаком.