Элементарные частицы

12

РЕФЕРАТ

По дисциплине: Физика

Тема: «Элементарные частицы»

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1 Понятие элементарных частиц

2 Основные свойства элементарных частиц

3 Классификация элементарных частиц

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОНАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ

Цель данной работы - обзор элементарных частиц.

Исходя из поставленной цели, можно сформировать следующие задачи работы:

1. Определение понятия элементарных частиц.

2. Рассмотрение основных свойств элементарных частиц.

3. Обзор классификации элементарных частиц.

История исследования элементарных частиц и фундаментальных взаимодействий насчитывает более двух с половиной тысяч лет и восходит к идеям древнегреческих натурфилософов о строении Мира. Однако серьезная научная разработка данного вопроса началась только в конце XIX-го века. В 1897 году выдающийся английский физик-экспериментатор Дж.Дж.Томсон определил отношение заряда электрона к его массе. Тем самым, электрон окончательно обрел статус реального физического объекта и стал первой известной элементарной частицей в истории человечества.

За сто с небольшим лет физики провели тысячи сложнейших и точнейших экспериментов, призванных отыскать другие элементарные частицы и выявить фундаментальные взаимодействия между ними. Результаты экспериментов объяснялись серией последовательно сменявших друг друга теорий. Последняя в их ряду - Стандартная модель взаимодействия элементарных частиц (СМ), включающая в себя минимальную модель электрослабого взаимодействия Глэшоу-Вайнберга-Салама и Квантовую хромодинамику (КХД). Можно сказать, что на сегодняшний день именно СМ является реальным итогом многолетней работы сотен тысяч людей от «высоколобых» теоретиков до простых инженеров и лаборантов.

1. ПОНЯТИЕ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

Элементарные частицы - это первичные, далее неразложимые частицы, из которых, по предположению, состоит вся материя.

Элементарные частицы современной физики не удовлетворяют строгому определению элементарности, поскольку большинство из них по современным представлениям являются составными системами. Общее свойство этих систем заключается в том. Что они не являются атомами или ядрами (исключение составляет протон). Поэтому иногда их называют субъядерными частицами.

Частицы, претендующие на роль первичных элементов материи, иногда называют «истинно элементарные частицы».

Первой открытой элементарной частицей был электрон. Его открыл английский физик Томсон в 1897 году.

Первой открытой антицастицей был позитрон - частица с массой электрона, но положительным электрическим зарядом. Это античастица была обнаружена в составе космических лучей американским физиком Андерсоном в 1932 году.

Если раньше элементарные частицы обычно обнаруживали в космических лучах, то с начала 50-х годов ускорители превратились в основной инструмент для исследования элементарных частиц.

Микроскопические массы и размеры элементарных частиц обусловливают квантовую специфику их поведения: квантовые закономерности являются определяющими в поведении элементарных частиц.

Наиболее важное квантовое свойство всех элементарных частиц - это способность рождаться и уничтожаться (испускаться и поглощаться) при взаимодействии с другими частицами. Все процессы с элементарными частицами протекают через последовательность актов их поглощения и испускания.

2 ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

Все элементарные частицы являются объектами исключительно малых масс и размеров. У большинства из них массы имеют порядок величины массы протона, равной 1,6Ч10^-24 г (заметно меньше лишь масса электрона: 9Ч10^-28 г). Определенные из опыта размеры протона, нейтрона, p-мезона по порядку величины равны 10^-13 см. Размеры электрона и мюона определить не удалось, известно лишь, что они меньше 10^-15 см. Микроскопические массы и размеры элементарных частиц лежат в основе квантовой специфики их поведения. Характерные длины волн, которые следует приписать элементарным частицам в квантовой теории (где - постоянная Планка, m - масса частицы, с - скорость света), по порядку величин близки к типичным размерам, на которых осуществляется их взаимодействие (например, для p-мезона 1,4Ч10^-13 см). Это и приводит к тому, что квантовые закономерности являются определяющими для элементарных частиц.

Наиболее важное квантовое свойство всех элементарных частиц - их способность рождаться и уничтожаться (испускаться и поглощаться) при взаимодействии с другими частицами. В этом отношении они полностью аналогичны фотонам. Элементарные частицы - это специфические кванты материи, более точно - кванты соответствующих физических полей. Все процессы с элементарными частицами протекают через последовательность актов их поглощения и испускания. Только на этой основе можно понять, например, процесс рождения p⁺-мезона при столкновении двух протонов (р + р ® р + n+ p⁺) или процесс аннигиляции электрона и позитрона, когда взамен исчезнувших частиц возникают, например, два g-кванта (е⁺ +е^- ® g + g). Но и процессы упругого рассеяния частиц, например е^- +p ® е^- + р, также связаны с поглощением начальных частиц и рождением конечных частиц. Распад нестабильных элементарных частиц на более легкие частицы, сопровождаемый выделением энергии, отвечает той же закономерности и является процессом, в котором продукты распада рождаются в момент самого распада и до этого момента не существуют. В этом отношении распад элементарных частиц подобен распаду возбужденного атома на атом в основном состоянии и фотон. Примерами распадов элементарных частиц могут служить: ; p⁺ ® m⁺ + v_m; К⁺ ® p⁺ + p⁰ (знаком «тильда» над символом частицы здесь и в дальнейшем помечены соответствующие античастицы).

Различные процессы с элементарными частицами заметно отличаются по интенсивности протекания. В соответствии с этим взаимодействия элементарных частиц можно феноменологически разделить на несколько классов: сильные, электромагнитные и слабые взаимодействия. Все элементарные частицы обладают, кроме того, гравитационным взаимодействием.

Сильные взаимодействия выделяются как взаимодействия, которые порождают процессы, протекающие с наибольшей интенсивностью среди всех остальных процессов. Они приводят и к самой сильной связи элементарных частиц. Именно сильные взаимодействия обусловливают связь протонов и нейтронов в ядрах атомов и обеспечивают исключительную прочность этих образований, лежащую в основе стабильности вещества в земных условиях.

Электромагнитные взаимодействия характеризуются как взаимодействия, в основе которых лежит связь с электромагнитным полем. Процессы, обусловленные ими, менее интенсивны, чем процессы сильных взаимодействий, а порождаемая ими связь элементарных частиц заметно слабее. Электромагнитные взаимодействия, в частности, ответственны за связь атомных электронов с ядрами и связь атомов в молекулах.

Слабые взаимодействия, как показывает само название, вызывают очень медленно протекающие процессы с элементарными частицами. Иллюстрацией их малой интенсивности может служить тот факт, что нейтрино, обладающие только слабыми взаимодействиями, беспрепятственно пронизывают, например, толщу Земли и Солнца. Слабые взаимодействия обусловливают также медленные распады квазистабильных элементарных частиц. Времена жизни этих частиц лежат в диапазоне 10^-8-10^-10 сек, тогда как типичные времена для сильных взаимодействий элементарных частиц составляют 10^-23-10^-24 сек.

Гравитационные взаимодействия, хорошо известные по своим макроскопическим проявлениям, в случае элементарных частиц на характерных расстояниях ~10^-13 см дают чрезвычайно малые эффекты из-за малости масс элементарных частиц.

Силу различных классов взаимодействий можно приближенно охарактеризовать безразмерными параметрами, связанными с квадратами констант соответствующих взаимодействий. Для сильных, электромагнитных, слабых и гравитационных взаимодействий протонов при средней энергии процесса ~1 Гэв эти параметры соотносятся как 1:10^-2: l0^-10:10^-38. Необходимость указания средней энергии процесса связана с тем, что для слабых взаимодействий безразмерный параметр зависит от энергии. Кроме того, сами интенсивности различных процессов по-разному зависят от энергии. Это приводит к тому, что относительная роль различных взаимодействий, вообще говоря, меняется с ростом энергии взаимодействующих частиц, так что разделение взаимодействий на классы, основанное на сравнении интенсивностей процессов, надёжно осуществляется при не слишком высоких энергиях. Разные классы взаимодействий имеют, однако, и другую специфику, связанную с различными свойствами их симметрии, которая способствует их разделению и при более высоких энергиях. Сохранится ли такое деление взаимодействий на классы в пределе самых больших энергий, пока остается неясным.

В зависимости от участия в тех или иных видах взаимодействий все изученные элементарные частицы, за исключением фотона, разбиваются на две основные группы: адроны (от греческого hadros - большой, сильный) и лептоны (от греческого leptos - мелкий, тонкий, легкий). Адроны характеризуются прежде всего тем, что они обладают сильными взаимодействиями, наряду с электромагнитными и слабыми, тогда как лептоны участвуют только в электромагнитных и слабых взаимодействиях. (Наличие общих для той и другой группы гравитационных взаимодействий подразумевается.) Массы адронов по порядку величины близки к массе протона (т_р); минимальную массу среди адронов имеет p-мезон: т_p"м 1/7Чт_р. Массы лептонов, известных до 1975-76, были невелики (0,1 m_p), однако новейшие данные, видимо, указывают на возможность существования тяжелых лептонов с такими же массами, как у адронов. Первыми исследованными представителями адронов были протон и нейтрон, лептонов - электрон. Фотон, обладающий только электромагнитными взаимодействиями, не может быть отнесен ни к адронам, ни к лептонам и должен быть выделен в отд. группу. По развиваемым в 70-х гг. представлениям фотон (частица с нулевой массой покоя) входит в одну группу с очень массивными частицами - промежуточными векторными бозонами, ответственными за слабые взаимодействия и пока на опыте не наблюдавшимися.

3 КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

Унитарная симметрия

Классификация лептонов пока не представляет проблем, большое же число адронов, известных уже в начале 50-х гг., явилось основанием для поиска закономерностей в распределении масс и квантовых чисел барионов и мезонов, которые могли бы составить основу их классификации. Выделение изотопических мультиплетов адронов было первым шагом на этом пути. С математической точки зрения группировка адронов в изотопические мультиплеты отражает наличие у них симметрии, связанной с группой вращения, более формально, с группой SU (2) - группой унитарных преобразований в комплексном двумерном пространстве. Предполагается, что эти преобразования действуют в некотором специфическом внутреннем пространстве - «изотопическом пространстве», отличном от обычного. Существование изотопического пространства проявляется только в наблюдаемых свойствах симметрии. На математическом языке изотопические мультиплеты суть неприводимые представления группы симметрии SU (2).

Концепция симметрии как фактора, определяющего существование различных групп и семейств элементарных частиц, в современной теории является доминирующей при классификации адронов и других элементарных частиц. Предполагается, что внутренние квантовые числа элементарных частиц, позволяющие выделять те или иные группы частиц, связаны со специальными типами симметрий, возникающими за счет свободы преобразований в особых «внутренних» пространствах. Отсюда и происходит название «внутренние квантовые числа».

Внимательное рассмотрение показывает, что странные и обычные адроны в совокупности образуют более широкие объединения частиц с близкими свойствами, чем изотопические мультиплеты. Они называются супермультиплетами. Число частиц, входящих в наблюдаемые супермультиплеты, равно 8 и 10. С точки зрения симметрий возникновение супермультиплетов истолковывается как проявление существования у адронов группы симметрии более широкой, чем группа SU (2), а именно: SU (3) - группы унитарных преобразований в трехмерном комплексном пространстве (М. Гелл-Ман и независимо Ю. Нееман, 1961). Соответствующая симметрия получила название унитарной симметрии. Группа SU (3) имеет неприводимые представления с числом компонент 8 и 10, отвечающие наблюдаемым супермультиплетам: октету и декуплету. Общими для всех частиц в супермультиплете являются значения двух величин, которые по математической природе близки к изотопическому спину и поэтому часто называются унитарным спином. Для октета значения связанных с этими величинами квантовых чисел равны (1, 1), для декуплета - (3, 0). Унитарная симметрия менее точная, чем изотопическая симметрия. В соответствии с этим различие в массах частиц, входящих в октеты и декуплеты, довольно значительно. По этой же причине разбиение адронов на супермультиплеты сравнительно просто осуществляется для элементарных частиц не очень высоких масс. При больших массах, когда имеется много различных частиц с близкими массами, это разбиение осуществляется менее надежно. Однако в свойствах элементарных частиц имеется много разнообразных проявлений унитарной симметрии.

Кварковая модель адронов

Развитие работ по классификации адронов с первых своих шагов сопровождалось попытками выделить среди них частицы более фундаментальные, чем остальные, которые могли бы стать основой для построения всех адронов. Начало этой линии исследования было положено Э. Ферми и Ян Чжэнь-нином (1949), которые предположили, что такими фундаментальными частицами являются нуклон (N) и антинуклон ( ), a p-мезоны есть их связанные состояния. При дальнейшем развитии этой идеи в число фундаментальных частиц были включены также странные барионы (М. А. Марков, 1955; японский физик С. Саката, 1956; Л. Б. Окунь, 1957). Модели, построенные на этой основе, хорошо описывали мезонные мультиплеты, но не давали правильного описания мультиплетов барионов. Важнейший элемент данных моделей - использование для «построения» адронов небольшого числа фермионов - органически вошел в модель, которая наиболее успешно решает задачу описания всех адронов, - кварковую модель (австрийский физик Г. Цвейг и независимо М. Гелл-Ман, 1964).

Идея кварков подсказана унитарной симметрией. Математическая структура унитарных групп открывает возможность описания всех представлений группы SU (n) (и, следовательно, всех мультиплетов адронов) на основе самого простого представления группы, содержащего n компонент. В случае группы SU (3)таких компонент три. Необходимо только допустить наличие частиц, связанных с этим простейшим представлением. Эти частицы и есть кварки. Кварковый состав мезонов и барионов был выведен из того факта, что супермультиплеты мезонов содержат, как правило, 8 частиц, а барионов - 8 и 10 частиц. Эта закономерность легко воспроизводится, если предположить, что мезоны составлены из кварка q и антикварка - символически: , а барионы из трёх кварков - символически: В = (qqq). В силу свойств группы SU (3) 9 мезонов разбиваются на супермультиплеты из 1 и 8 частиц, а 27 барионов - на супермультиплеты, содержащие 1, 10 и дважды по 8 частиц, что и объясняет наблюдаемую выделенность октетов и декуплетов.

От всех других элементарные частицы 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.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Действительно, элементарные частицы невозможно ни потрогать, ни понюхать, ни увидеть, ни попробовать на вкус. Информацию об их существовании ученые получают посредством громоздких детекторов, которые выдают для обработки наборы электрических или световых сигналов. Только специальным образом анализируя полученные сигналы, физики, могут изучать свойства элементарных частиц. На первый взгляд, нет абсолютно никакой гарантии, что в длинной цепочке передачи сигнала из микромира к макроскопическому наблюдателю физики-экспериметаторы правильно учитывают помехи, ошибки или искажения первичной информации. Следовательно, элементарные частицы могут оказаться лишь мороком, неправильной интерпретацией искаженных сигналов. Иное дело - макроскопические объекты. Человек может узнать характеристики макроскопических объектов без всяких посредников, только при помощи органов чувств. Поэтому в реальности макроскопического окружающего мира, как правило, не сомневается. Но так кажется только на первый весьма повехностный взгляд.

Работа любого органа чувств человека в макромире принципиально не отличима от работы макроприбора для изучения микромира.

Реальность элементарных частиц, универсальность их свойств подтверждается множеством детекторов принципиально различных конструкций (камеры Вильсона, счетчики Гейгера во всех модификациях, пропорциональные камеры, черенковские счетчики, ионизационные калориметры десятков различных систем). Этот набор макроприборов гораздо богаче, чем пять человеческих чувств! А результаты независимых измерений характеристик микрочастиц, выполненных этими приборами, прекрасно согласуются друг с другом.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1 Газирович С. Физика элементарных частиц. Пер. с англ. - М.: Издательство «Мир», 2006.

2 Марков М.А. О природе материи. - М.: ИНФРА-М, 1976.

3 Физическая энциклопедия, том 1. - М.: ИНФРА-М, 1990.

4 Эткинс П Кванты: Справочник концепций. - М.: Издательство «Мир», 1997.