Элементарные частицы и их взаимодействия

27

Реферат

по физике

На тему:

Элементарные частицы и их взаимодействия

Содержание

1.Введение

2.Краткая историческая справка

3.Элементарные частицы и их свойства

Классификация элементарных частиц

Свойства элементарных частиц

4.Взаимодействия элементарных частиц

Виды фундаментальных взаимодействий

Великое объединение

5.Практическое применение

Список использованной литературы

1. Введение

Понятие «элементарная частица» сформировалось в связи с установлением строения вещества на микроскопическом уровне. Обнаружение в начале 20-го века мельчайших носителей свойств вещества - атомов - позволило описать все известные вещества как комбинации конечного, хотя и достаточно большого, количества составляющих - атомов.

Выявления сложного строения атомов, оказавшихся построенными всего из трёх типов частиц (электронов и протонов и нейтронов в ядре), существенно уменьшило количество дискретных элементов, формирующих свойства вещества, и дало основание предполагать, что цепочка составных частей материи заканчивается дискретными бесструктурными образованиями - элементарными частицами. Нельзя с уверенностью сказать, что частицы, элементарные в смысле приведённого определения, существуют. Протоны и нейтроны, долгое время считавшиеся элементарными, как выяснилось, имеют сложное строение. Не исключена возможность того, что последовательность структурных составляющих материи принципиально бесконечна. Есть гипотеза о том, что существуют так называемые «геометрические кванты». Её смысл заключается в том, что на расстоянии 10Піі см силы взаимодействия настолько велики, что само пространство сворачивается в некие микрообъекты, напоминая губку, и меньших расстояний попросту не бывает. Эти шарики и представляют собой «геометрические кванты», или струны. Сейчас термин «элементарные частицы» используется в не совсем точном значении, а включает в себя группу мельчайших частиц, не являющихся атомами или атомными ядрами (исключение составляет протон - ядро атома водорода).

2. Краткая историческая справка

Первая элементарная частица - электрон - была открыта Дж.Дж. Томсоном в 1897 году. Он установил, что так называемые катодные лучи образованы потоком мельчайших частиц, названных впоследствии электронами. В 1911 году Э. Резерфорд, пропуская б-частицы от естественного радиоактивного источника через тонкие фольги из разных веществ, выяснил, что положительный заряд в атомах сосредоточен в компактных образованиях - ядрах. В 1919 году обнаружил протоны - положительно заряженные частицы, с массой, в 1836,2 раза превышающей массу электрона - среди частиц, выбитых из атомных ядер. В 1932 году Дж. Чедвик открыл третью частицу, входящую в состав атома - нейтрон, изучая взаимодействия б-частиц с бериллием. Нейтрон имеет массу, близкую к массе протона, но не имеет заряда. М. Планк, предположив, что энергия абсолютно чёрного тела квантована, получил правильную формулу для спектра излучения (1900 год). Развивая идею Планка, 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 в-распада радиоактивных ядер (часть энергии исчезала неизвестно куда). Экспериментально существование нейтрино было подтверждено лишь в 1953 году Ф. Райнесом и К. Коуэном в США. К настоящему времени открыто около 350 элементарных частиц, различных по своим характеристикам: времени жизни, заряду, массе, спину и т.д.

3. Элементарные частицы и их свойства

1. Классификация элементарных частиц

Все частицы (в том числе неэлементарные и квазичастицы) делятся на бозоны (или бозе-частицы) и фермионы (или ферми-частицы). Бозонами называются частицы или квазичастицы, обладающие нулевым или целым спином. Бозоны подчиняются статистике Бозе-Эйнштейна (отсюда и происходит их название). К бозонам относятся: гипотетический гравитон (спин 2), фотон (спин 1), промежуточные векторные бозоны (спин 1), глюоны (спин 1), мезоны и мезонные резонансы, а также античастицы всех перечисленных частиц. Фермионами называются частицы или квазичастицы с полуцелым спином. Для них справедлив принцип Паули и они подчиняются статистике Ферми-Дирака. К фермионам относятся лептоны, барионы, барионные резонансы и кварки (спин Ѕ), а также соответствующие античастицы. По времени жизни ф различают стабильные, квазистабильные и резонансные частицы или резонансы. Резонансными называют частицы, распадающиеся за счёт сильного взаимодействия со временем жизни 10ПІі с. Нестабильные частицы, время жизни которых превышает 10ПІє с, распадаются за счёт слабого или электромагнитного, но не за счёт сильного взаимодействия. Такие частицы называются квазистационарными. Время 10ПІє с, ничтожное в обыденных масштабах, должно считаться большим, если его сравнивать с ядерным временем. Ядерное время - это время, которое требуется свету, чтобы пройти диаметр ядра (10П№і см). За время 10 ПІє с может совершиться много внутринуклонных процессов, поэтому частицы, названные здесь квазистабильными, в справочниках именуются просто стабильными. Впрочем, абсолютно стабильными пока можно считать только 12 частиц: фотон г, электрон e^-, протон p⁺(?), электронное н_e, мюоннное н_м и таоннное н_ф нейтрино и соответствующие им античастицы - их распад на опыте не зарегистрирован. В микромире каждой частице соответствует античастица. В некоторых случаях частица полностью тождественна со своей античастицей. В таком случае частицу называют истинно нейтральной. К ним относятся фотон г, р⁰-мезон, з⁰-мезон, J? ш-мезон, ипсилон-частица. Если же частица и античастица не совпадают, то массы, спины, изотопические спины, времена жизни у частицы и античастицы одинаковы, а прочие характеристики одинаковы по абсолютной величине, но противоположны по знаку. Так, электрон и протон отличаются от позитрона и антипротона прежде всего знаком электрического заряда. Нейтрон и антинейтрон различаются знаком магнитного момента. Лептонные заряды у лептонов и атилептонов, барионные у барионов и антибарионов различаются по знаку. Понятия частицы и античастицы относительно. С тем же успехом учёные могли назвать позитрон - частицей, а электрон - античастицей. Но электроны преобладают в нашей Вселенной, а позитроны являются экзотическими объектами, поэтому и названы так, как названы. Что называть частицей, а что античастицей - лишь вопрос соглашения.

Также существует деление частиц на фотоны, лептоны и адроны. Адроны - большой класс элементарных частиц, участвуют во всех видах взаимодействий. В зависимости от значения спина, адроны, в свою очередь, делятся на мезоны и барионы. Мезоны - частицы с нулевым спином, барионы - со спином ¹/₂(у омега-гиперона - ³/₂). Лептоны - частицы, участвующие в слабом и электромагнитном взаимодействиях. Спин лептонов равен ¹/_2.

Элементарные частицы

2. Свойства элементарных частиц

Для того, чтобы понять, что навело учёных на мысль о том, что адроны состоят из кварков, нужно сначала понять, что связывает протоны и нейтроны в ядро атома., пройти вместе с ними их путь в недра материи.

Когда заряженные частицы взаимодействуют друг с другом, они как бы играют в бадминтон - обмениваются «воланчиком» - фотоном. Одна частица испускает фотон, а вторая ловит и отбрасывает назад. Чем ближе частицы друг к другу, тем сильнее взаимодействие, тем быстрее идёт игра. Фотон мелькает так быстро, что между частицами протягивается что-то вроде ремня, только очень тонкого и не сплошного, но это неважно - ведь и обычный ремень в основном состоит из пустоты. Но нейтрон в такой «бадминтон» не играет - он электрически нейтрален, и «воланчик» попросту не замечает. Исследуя реакции по испусканию ядром электрона, физики нашли таинственную пропажу энергии - суммарная энергия ядра и электрона после реакции всегда оказывалась чуточку меньше, чем энергия ещё не распавшегося ядра. Это приводило к выбору: признать, что закон сохранения энергии неверен, или допустить существование неизвестной частицы, не имеющей заряда и уносящий часть энергии. Гипотезу о существовании такой частицы высказал Вольфганг Паули. Эту частицу назвали нейтрино (в переводе с итальянского - нейтрончик). Основываясь на этой гипотезе, Д.Д. Иваненко и И.Е. Тамм предположили, что частицы в ядре обмениваются не только фотонами, но и парами частиц - позитроном и нейтрино или электроном и нейтрино. Испустив позитрон и нейтрино, протон становится нейтроном, а, поглотив их, нейтрон становится протоном. Возникает вопрос - почему нуклоны обмениваются двумя частицами, а не одной, например? Оказывается, этого невозможно. Частицы постоянно вращаются вокруг своей оси. Вращение их одинаково, различие лишь в его направлении - справа налево или слева направо. Отрываясь от протона или нейтрона, одна частица унесёт с собой их вращение, а невращающихся нуклонов не существует. А если испускается пара частиц, они могут вращаться в противоположных направлениях, и в сумме пара никакого вращения не уносит. Эта теория на некоторое время стала главным событием физики, но более точные расчёты показали, что испускание двух частиц происходит слишком редко, и образуемых ими связей недостаточно, чтобы скрепить ядро. Тем не менее, способ объяснить внутриядерные силы «бадминтоном» каких-то частиц выглядел очень заманчивым. Молодой японский теоретик Хидеки Юкава пошёл по этому пути и решил принять на веру то, что протоны и нейтроны обмениваются какой-то неизвестной доселе частицей, и установить её свойства. Вышло, что эта частица должна быть в 200-300 раз тяжелее электрона и частота испускания-поглощения её в тысячу раз больше, чем для фотона. Как будто вместо лёгкого воланчика-фотона игроки-нуклоны использовали в своём «бадминтоне» тяжёлый валун, к тому же перебрасываясь им с огромной скоростью. Частица, с массой в 200 раз больше электронной, была обнаружена в космических лучах и названа мезоном от греческого «мезо» - средний. Средний между электроном и протоном. Когда протон находится рядом с другим протоном, они играют в мезонный «бадминтон». Если же протон одинок, то он «играет» сам с собой - испускает р-мезон и тут же поглощает его обратно и так далее - как жонглёр в цирке. Время акта испускания и поглощения очень мало, но из-за многократного повторения возникает размазка заряда и массы в пространстве. Образно говоря, нуклон мигает - вспыхнет «мезонным светом» и тут же погаснет, и так без конца. Испустив р⁺-мезон, протон становится нейтроном, а нейтрон при испускании р^--мезона становится протоном. При испускании р⁰-мезона протон и нейтрон остаются сами собой. Во всех случаях р-мезон входит в состав нуклона. Сам р-мезон тоже окружает себя «шубкой» из элементарных частиц. Он на короткое время испускает пару р-мезонов. Почему именно пару, а не один мезон - сложный вопрос, связанный с особенностями этой частицы. Главное, что р-мезон состоит из частей, которые не отличаются от целого! Мезон состоит из мезонов! Всё равно, что если бы из гнезда вылетала не птица, а точно такое же гнездо! Более того, р-мезон может на короткое время превратиться в нуклон и антинуклон. Например, р⁺-мезон в протон и антинейтрон, а р⁰-мезон - в протон и антипротон. Сегодня известно, что все частицы содержат в себе много разных типов лёгких и тяжёлых частиц. Более лёгкие частицы могут удалиться на достаточно большое расстояние, пока не будут поглощены обратно. Более тяжёлые, наоборот, жмутся к центру. Поэтому центральная часть любой частицы (керн) более тяжелая, чем периферия, окраина. Все элементарные частицы одеты в «шубу» из рождающихся и быстро исчезающих частиц. Даже фотоны и нейтрино имеют свои «шубы» - вокруг них рождаются электроны и позитроны, правда это происходит весьма редко.

Элементарные частицы состоят из элементарных частиц. Получается сеть, в которой все частицы являются простыми и сложными одновременно. Природа устроена хитрее и изобретательнее любой человеческой фантазии. Но как быть с законами сохранения энергии и массы? Ведь протон оторвал о себя увесистый кусок в виде р-мезона и остался протоном. Откуда тогда взялся материал для р-мезона? Противоречие налицо, особенно при превращении р-мезона в нуклон и антинуклон. В этом случае части весят в 14 раз больше целого! Оказывается, эффект давления жидкости снизу на тело присутствует и внутри частиц. Только место воды там занимает энергия. «Куски» частицы погружены в силовое поле взаимодействия - своеобразную энергетическую ванну, и их масса уменьшается. Энергия в нуклоне имеет отрицательный знак, потому что для растаскивания притягивающихся друг к другу частей требуется трата энергии. Энергетическая «ванна» есть и в атоме. В неё «налита» энергия электромагнитного взаимодействия электронов с ядром. Оно в тысячи раз слабее сил, действующих внутри самих элементарных частиц и поэтому плотность энергии во внутриатомной «ванне» очень мала. Электроны теряют в весе столько же, сколько и люди в атмосфере. Потеря веса внутри ядра составляет уже проценты, а внутри элементарной частицы она настолько велика, что они как бы растворяются в энергии взаимодействия. На связь частей уходит значительная часть общей энергии и массы. В этом главное отличие элементарной частицы от всех других микрочастиц. Современную физику недостаточно просто выучить, к ней надо привыкнуть! Но с «лестницей», ведущей в недра материи, творится что-то странное: атомы расположены глубже молекул, ядра глубже атомов, а вот в протоне творится что-то невообразимое. Ступеньки громоздятся друг на друга и уже не так легко понять, спускаемся ли мы вниз или топчемся на месте. Когда задача становится слишком сложной и запутанной, полезно взглянуть на неё с другой стороны. Забудем, что протон элементарный, попробуем просветить его какими-либо лучами.

Далее путём электронного «просвечивания» удалось увидеть протон ближе. Он выглядит примерно как планета с массивным ядром и протяжённой атмосферой. Радиус протонного керна всего лишь в несколько раз меньше размеров его мезонной «шубы». Можно было ожидать, что нейтрон имеет аналогичное строение. Простая модель испускания-поглощения мезона подсказывает, что окраинные области у протона и нейтрона отличаются лишь знаком заряда. Опыт неожиданно показал совсем другое - радиус облака электрических зарядов у нейтрона оказался равным нулю! Иными словами, в нейтроне есть что-то, что нейтрализует заряд мезонного облака или модель «жонглирования» неверна, и тогда наше представление о строении элементарных частиц несправедливы, и физикам придётся начинать всё заново. Было от чего прийти в волнение! Учёные собирали конгрессы, пытались сообща понять, в чём тут дело. Пытались понять это и мы в Дубне. Непонятно, почему происходит нейтрализация облаков, но прежде надо удостовериться, что эти облака существуют. Это можно установить, поместив нейтрон в сильное электрическое поле. Тогда все положительные заряды сместятся в одну сторону, а отрицательные - в другую. Нейтрон превратится из шарика в гантель, что скажется на его взаимодействиях с атомными ядрами. Заметить растяжение нейтрона на опыте так и не удалось, помешали побочные эффекты. Разгадка этого явления пришла после открытия тяжёлых мезонов С и Щ. Выяснилось, что р-мезоны при определённых условиях могут «слипаться» и превращаться в короткоживущие частицы. Это и были С- и Щ-мезоны. Из таких «слипающихся» и снова разваливающихся частиц и состоит «шуба» нуклона. В протоне условия благоприятствуют образованию заряженных «капель», а в нейтроне - нейтральных, поэтому электроны и не чувствуют мезонной оболочки нейтрона. Чтобы её обнаружить, нужно просвечивать нейтрон пучком жёстких протонов. Во всех взаимодействиях нейтрон ведёт себя, как частица с «размазанной» в пространстве массой и равным нулю радиусом распространения электрических зарядов. Но всё это не упростило картину строения нуклонов, а только усложнило её. Если бы протон представлял собой монолитную единую картину, то согласно третьему закону Ньютона величина импульса столкнувшегося и отскочившего от протона электрона дала бы сведения о движении протона как целого. В опытах с рассеиванием очень жёстких электронов получилось иначе - вместо чёткой точки на экранах получилось размытое пятно. Американский физик Р.Фейнман первым понял, в чём тут дело. Используя аналогию с радиолокацией, где разваливающаяся на куски ракета или самолёт предстают на экране радара расплывчатым пятном, Фейнман предположил, что нуклоны состоят из мелких частичек. Из них состоит его керн и мезонное облако. Эти частицы он назвал партонами - от английского слова part - часть. Теперь можно спросить, что же такое нуклон - керн, одетый в мезонную «шубу», или комочек мелкозернистой партонной «икры»? Объекты микромира, их необычную сущность, нельзя объяснить одной картиной - они слишком сложны для этого. Наглядное представление о нуклоне - это набор отдельных картинок. Также и обилие открытых и вновь открываемых адронов и резонансов навело учёных на мысль об их сложном строении. Гелл-Манн и Цвейг, независимо друг от друга предположили, что все адроны состоят из более фундаментальных частиц, названных Гелл-Манном кварками. Цвейг предложил назвать кварки тузами, Фейнман - партонами, но эти названия не прижились. О происхождении названия «кварк» у физиков в ходу две легенды. По одной из них, оно появилось, как шутка - в немецком языке слово «кварк» означает одновременно «творог», «протоплазма» и «чепуха». Поначалу теоретики с юмором относились к сделанному открытию. Согласно другой легенде, название новой элементарной частицы взято из романа Джойса «Поминки по Финнигану», где в бредовом сне героя летящие за кораблём чайки выкрикивают человеческими голосами фразу: «Три кварка для мистера Марка». Поначалу многие учёные считали кварки курьёзом, временными «строительными лесами» новой, более совершенной теории. Но не успели они оглянуться, как оказалось, что с помощью кварков просто и наглядно объясняются различные экспериментальные факты, а теоретические вычисления сильно упрощаются. В целом, картина строения материи стала приобретать более привычные черты - нуклоны состоят из кварков, большее из меньшего, и ступеньки воображаемой лестницы вновь выпрямились и пошли вниз. Кварки обладают несколькими выдающимися особенностями. Их заряд равен -? и +? электронного, а в природе до этого не находили частицы с дробным зарядом. Также у кварков есть цвет и аромат. Аромат - это просто способ различать шесть кварков. Сначала хотели их просто пронумеровать, но решили, что нельзя назвать один кварк первым, а другой - последним, и ввели понятие аромата. Конечно же, понюхать кварк нельзя, это лишь удобный и необычный термин, такой, как странность, очарование или прелесть. Физики любят использовать необычные, а потому легко запоминающиеся названия. Цвет кварка - это его своеобразный заряд. Испуская или поглощая глюон, кварк меняет свой цвет. Глюоны, подобно пчёлам, снуют между кварками, перенося цвет. В зависимости от того, сколько и какой «пыльцы» унёс глюон, кварк приобретает определённый цвет. Кварковый заряд - цвет - во многом похож на электрический. Он также может быть большим или маленьким, положительным или отрицательным (тогда говорят, что цвет сменился антицветом). Но есть и отличие. Как бы не изменялся электрический заряд, он всегда остаётся зарядом, а цветовой заряд может изменить свой цвет. С открытием цвета микромир стал ярче и разнообразнее, но кварков стало уже 18. Слишком уж сложной стала «самая элементарная частица».

Кварки

К настоящему времени установлено существование пяти ароматов кварков: u, d, s, c, b. Неоднократно поступали сообщения об открытии t-кварка , но окончательно его существование не установлено. Массы кварков: m_u = 5 МэВ, m_d = МэВ, m_s = 150 МэВ, m_c = 1,3 ГэВ, m_b = 5 ГэВ, m_t= > 22 ГэВ. Эти данные - оценочные и грубо ориентировочные, так как кварки в свободном состоянии не наблюдались и их нельзя было исследовать прямыми методами. Все кварки имеют спин ¹/₂ и барионный заряд ?. Кварки u, с, t, называют верхними, так как они имеют заряд +?, а остальные кварки u, s, b с электрическим зарядом -? - нижними. Кварк s является носителем странности, с - очарования, b - красоты (прелести). Странность была обнаружена в 1953 году при открытии К-мезонов и гиперонов. Они рождались за счёт сильных взаимодействий с характерным временем порядка 10^-23 с, а времена жизни оказались порядка 10^-8-10^-10с. Было совершенно непонятно, почему они живут так долго, почему не распадаются за счёт сильного взаимодействия, в результате которого они возникают? Дальнейшие исследования показали, что странные частицы рождаются парами. Это навело на мысль, что сильные взаимодействия не могут играть роли в распаде частиц из-за того, что для их проявления необходимо присутствие двух странных частиц. По той же причине запрещено рождение одиночных странных частиц. В основе запрета какого-либо процесса лежит некоторый закон сохранения. Чтобы объяснить запрет одиночного рождения странных частиц, М. Гелл-Манн и К. Нишиджима ввели новое квантовое число S, суммарное значение которого должно, по их предположению, сохраняться при сильных взаимодействиях. Его и назвали странностью. Очарованный кварк - это кварк с квантовым числом С, которое у всех остальных равно нулю, равным единице. Частицы семейств ч и ш представляют собой различные уровни (состояния) системы сс^~. Эта система названа чармонием, по аналогии с системой электрон - позитрон, названной позитронием. Поскольку очарование кварка и антикварка в чармонии в сумме даёт ноль, говорят, что эта система обладает скрытым очарованием. В 1976 году были предсказаны и открыты частицы с явным очарованием.

Красота - это разность между числами b-кварков и антикварков b^~. Красота сохраняется при сильных и электромагнитных взаимодействиях и может нарушаться при слабых.

Цвет внутри нуклона от кварка к кварку переносят частички-глюоны. Они похожи на фотоны. У глюонов нет массы, они движутся со скоростью света. Однако в отличие от зарядово-нейтральных фотонов, глюоны просто «измазаны» зарядом. Фотон никакого нового электрического поля вокруг себя не создаёт. Глюон же своим собственным зарядом рождает новые глюоны и происходит лавинообразное саморазмножение. Каждый кварк утоплен в толстом комке глюонной «резины». Очищенными от глюонов они становятся лишь в центре нуклона. Зондирование центральных областей нуклона дало неожиданные результаты - чистые кварки - лёгкие объекты, они в 100 раз легче нуклона. Оказывается, нуклоны состоят в основном из глюонов. Опыты показали, что в центре элементарной частицы кварки почти не связаны взаимодействиями, и ведут себя как плавающие в воздухе надувные шарики. Если же кварки пытаются разойтись, то сразу возникают связывающие их силы. Сквозь стенки протона легко проникают пучки зондирующих электронов, их пронизывают фотоны и нейтрино. И в то же время оттуда не может вырваться ни один кварк. Понять, почему это происходит, можно на очень простой модели. Представим себе, что между кварками натянуто что-то вроде резиновых нитей. Когда кварки рядом друг с другом, нити провисают, и ничто не мешает им двигаться. Но как только они расходятся, нити натягиваются и утягивают кварки обратно. Если в один из кварков «выстрелить» быстрым электроном, то он получит большой импульс и отскочит. Но его движение будет продолжаться лишь до тех пор, пока натяжение «резиновой нити» не возрастёт настолько, что их энергии хватит на рождение новой пары кварков. «Нить» рвётся, в точке разрыва выделяется энергия и рождается пара кварк-антикварк. Антикварк и выбитый электроном кварк «слипнутся» в мезон, а оставшийся кварк займёт место выбитого кварка. Теперь должно быть понятно, почему не удаётся выбить кварк из нуклона: сколько по нему ни бей, из него будут вылетать целые частицы - адроны, а не их осколки - кварки и антикварки.

Лептоны

Каждый лептон характеризуется лептонным зарядом, или лептонным числом. Следует различать мюонный, электронный и таонный заряды, обозначаемые соответственно через L_м, L_e, L_ф. Это различные величины, хотя им условно приписываются одинаковые числовые значения. Условились для всех отрицательно заряженных лептонов считать лептонные заряды равными +1. Лептонные заряды всех остальных частиц находятся из экспериментально установленного факта, согласно которому в замкнутой системе разность между числом лептонов и антилептонов остаётся постоянной. Для этого нужно придать этому факту форму закона сохранения лептонного заряда. При этом лептонные заряды всех остальных частиц принимаются равными нулю, так как у этих частиц свойства, связанные с существованием лептонного заряда, не обнаруживаются. Закон сохранения лептонного заряда требует, чтобы все положительно заряженные лептоны имели лептонный заряд, равный -1. Это видно из того, что возможны реакции:

e⁺ + e^- --> 2г,

м⁺ + м^- --> 2 г,

ф⁺ + ф^---> 2г

Только тогда суммарный лептонный заряд правой части будет равен нулю, а это необходимо, так как фотон лептонного заряда не имеет. Из возможности процессов

р⁺ --> м⁺ + н_м

p --> n + e⁺+ н_e

следует, что лептонный заряд н_e и н_м равен +1, а соответствующих им античастиц - -1. Аналогично надо приписать н_ф лептонный заряд +1, а соответствующей ему античастице --1. В настоящее время существует гипотеза о родстве кварков и лептонов. Эту гипотезу выдвинули А. Салам и Дж. Пати. По их мнению, кварки и лептоны очень похожи. Лептон является белым состоянием кварка. Электрические заряды лептонов 0 и 1, то есть ⁰/₃ и ³/₃, прекрасно укладываются в один ряд с зарядами кварков. Что же касается масс, то по их гипотезе, это результат влияния окружающего фона. Ведь вокруг всякой частицы образуется облако испущенных ею частиц, которые экранируют частицу и изменяют её свойства. Только такие заэкранированные, закутанные в облака частицы с изменёнными, или, как говорят физики, эффективными свойствами и наблюдаются на опытах. Внутри облака частица чувствует себя, как в ванне. А поскольку плотность и состав облака зависят от величины заряда и других характеристик частицы, вес членов кваркового мультиплета оказывается различным. Новая теория сократила список независимых элементарных частиц, сделала таблицу более стройной. Однако одного этого ещё недостаточно, чтобы физики поверили в гипотезу о тесной связи кварков с лептонами. Новая теория всего лишь заменила один непонятный факт - упрямство лептонов, другим - их родством с кварками. Это всё равно, что старую тайну объяснять с помощью новой загадки. Уильям Оккам, член Ордена нищенствующих монахов, выступавший с лекциями по богословию и логике, говорил:«Не следует с помощью большего делать то, чего можно достигнуть меньшей ценой» или более кратко:«Сущностей не следует умножать сверх необходимого». С тех пор этот принцип называют «бритвой Оккама». Она срезает все слабо обоснованные гипотезы, вылущивая зёрна истины. Это первый краеугольный камень научного исследования. Второй краеугольный камень - обязательная проверка экспериментом. Как ни стройна была бы теория, если она не проверена на опыте, то относится к разряду недоказанных гипотез. Аристотель, например, считал, что у женщин меньше зубов, чем у мужчин. Ему и в голову не приходило проверить это, хотя у него было две жены. Этот пример выглядит историческим анекдотом, но он полно передаёт пренебрежение науки того времени к эксперименту. Если же теория такова, что выводы её можно проверить лишь в далёком будущем, учёные подходят к ней с большой осторожностью. В теориях, основанных на родстве кварков и лептонов, глюоны, перенося цвет, могут сделать кварк лептоном, и такая частица - например, протон - сразу же распадётся на составные части, поскольку частиц, состоящих из смеси кварков и лептонов в природе не существует. Подобной радиоактивности ни в одной другой теории нет, поэтому распад протона будет убедительным доказательством того, что кварки и лептоны - близкие родственники. Расчёт говорит, что протон распадается крайне редко. В теле человека от рождения до смерти распадается в среднем 1 протон. Пройдёт немало лет, прежде чем потери атомов в мире станут заметными. Как же обнаружить такое сверхредкое событие? Прежде всего, заметим, что протон имеет положительный заряд. Значит, при распаде через какое-то время образуется позитрон. Двигаясь в веществе, он встретится с электроном, и они аннигилируют в кванты света. Эти искорки света - сигналы о «протонных катастрофах» в веществе. Засечь их очень трудно, и поэтому физикам приходится наблюдать за большим объёмом вещества сразу. Пока ни одного распада протона зарегистрировать не удалось, но физики со всего мира ждут вестей с «протонного фронта». Если же ни один протон так и не распадётся, это послужит сигналом тому, что физики в чём-то крупно ошибаются, и тогда придётся искать новую дорогу в недра микромира.

4. Взаимодействия элементарных частиц

1. Виды фундаментальных взаимодействий

В настоящее время в природе известны четыре вида фундаментальных взаимодействий: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Сильное взаимодействие удерживает нуклоны в атомных ядрах и присуще также адронам. К электромагнитным взаимодействиям сводятся непосредственно воспринимаемые нами силы природы (за исключением тяготения): упругие, вязкие, молекулярные, химические и прочие. Слабые взаимодействия вызывают в-распад радиоактивных ядер наряду с электромагнитными силами управляют поведением лептонов. Нейтральные лептоны не участвуют в электромагнитных взаимодействиях. Гравитационное взаимодействие присуще всем частицам.

Об интенсивности перечисленных взаимодействий можно судить по скорости процессов, вызываемых ими. Обычно для сравнения берут скорости процессов при кинетических энергиях порядка 1 ГэВ; такие энергии характерны для физики элементарных частиц. При таких энергиях процессы, вызываемые сильным взаимодействием, проходят за время порядка 10^-23 с, электромагнитным - 10^-20 с, слабым - 10^-9 с. Другой величиной характеризующей интенсивность взаимодействия, является длина свободного пробега частицы в веществе. Сильновзаимодействующие частицы с энергией 1 ГэВ можно задержать железной плитой с толщиной в несколько сантиметров. Нейтрино же с энергией 0,01 ГэВ, которым свойственно только слабое взаимодействие, для задержания потребовалось 10⁹ км железа.

Сильные и слабые взаимодействия проявляются только на коротких расстояниях. Радиус действия сильных взаимодействий составляет 10^-13 см, а слабых - 2 х 10^-16 см. Электромагнитные силы, напротив, являются дальнодействующими. Они убывают пропорционально квадрату расстояния между частицами. По тому же закону убывают гравитационные силы. Поэтому отношение электромагнитных и гравитационных сил не зависит от расстояния между взаимодействующими частицами. Таким образом, в области, где проявляются слабые силы, гравитационное взаимодействие частиц на много порядков меньше даже слабого. Поэтому гравитационное взаимодействие в физике микромира не учитывается.

Классическая физика принимала, что взаимодействие между телами передаётся с конечной скоростью посредством силовых полей. Так, электрический заряд создаёт вокруг себя электрическое поле, которое в месте нахождения другого заряда действует на него с определённой силой. Так же, но уже посредством других силовых полей, осуществляются все взаимодействия в природе. Квантовая физика не изменила такие представления, но учла квантовые числа самого поля. Из-за корпускулярно-волнового дуализма всякому полю должна соответствовать определённая частица (квант поля), которая и является переносчиком взаимодействия. Одна из взаимодействующих частиц испускает квант поля, другая его поглощает. Электромагнитные взаимодействия переносятся фотонами, сильные - глюонами, слабые - промежуточными векторными W^{+ -} и Z⁰ бозонами, гравитационное - гипотетическими гравитонами. В настоящее время электромагнитное и слабое взаимодействия рассматриваются как разные проявления электрослабого взаимодействия. Слабые силы на малых расстояниях (порядка радиуса их действия) одного порядка с электромагнитными. Для промежутков времени, необходимых для переноса взаимодействия, закон сохранения энергии нарушается. Иначе, для частиц, переносящих взаимодействия, нарушается обычная связь между энергией и импульсом. Поэтому эти частицы и названы виртуальными, как и процессы испускания-поглощения виртуальных частиц. Сильное взаимодействие обеспечивает и самую сильную связь элементарных частиц. В частности, связь нуклонов в атомном ядре обусловлена сильным взаимодействием. Этим объясняется исключительная прочность атомных ядер, лежащая в основе стабильности вещества в земных условиях.

Электромагнитное взаимодействие сводится взаимодействию электрических зарядов и магнитных моментов частиц с электромагнитным полем. Электромагнитное взаимодействие обеспечивает связь электронов в атомах, ионов в кристаллах, атомов в молекулах. Электромагнитное взаимодействие играет основную роль в окружающем нас макроскопическом мире наряду с тяготением. Это связано с тем, что сильное взаимодействие на расстояниях больше размера ядра атома практически исчезает. Электромагнитное же взаимодействие, как и тяготение, бесконечны по радиусу действия. Слабое взаимодействие и процессы, связанные с ним, протекают крайне медленно по ядерному времени. Но его интенсивность растёт вместе с энергией. При е ~ M_W слабое взаимодействие сравнивается с электромагнитным.

Гравитационное взаимодействие доминирует в случае больших масс объектов. Но в мире элементарных частиц на расстояниях порядка размера атомного ядра это взаимодействие ничтожно. Оно, возможно, становится существенным лишь на расстояниях порядка 10^-33 см.

2. Великое объединение

Одной из основных целей современной теоретической физики является единое описание окружающего нас мира. Например, специальная теория относительности объединила электричество и магнетизм в единую электромагнитную силу. Квантовая теория, предложенная в работах Глеэшоу, Вайнберга и Салама, показала, что электромагнитное и слабое взаимодействия могут быть объединены в электрослабое. Так что есть основания полагать, что все фундаментальные взаимодействия в конечном итоге объединятся. Если мы начнём сравнивать сильное и электрослабое взаимодействия, то нам придётся уходить в области всё больших энергий, пока они не сравняются по силе и не сольются в одно в районе энергий в 10¹⁶ ГэВ. Гравитация же присоединится к ним согласно Стандартной Модели в районе энергий в 10¹⁹ ГэВ. К сожалению, такие энергии сталкивающихся на ускорителях частиц не только недоступны, но и но и вряд ли будут доступны в будущем. Однако теоретические исследования по поиску единой теории всех фундаментальных взаимодействий идут полным ходом.

Объединение двух фундаментальных теорий современной физики - квантовой теории и общей теории относительности - в рамках единого теоретического подхода до недавнего времени было одной из важнейших проблем. Примечательно, что эти две теории взятые вместе, воплощают почти всю сумму человеческих знаний о наиболее фундаментальных взаимодействиях в природе. Поразительный успех этих двух теорий состоит в том, что вместе они могут объяснить поведение материи практически в любых условиях - от внутриядерной до космической области. Большой загадкой, однако, была несовместимость этих двух теорий. И было непонятно почему природа на своём глубоком фундаментальном уровне должна требовать двух разных подходов с двумя наборами математических методов, двух наборов постулатов и физических законов? В идеале хотелось бы иметь Единую теорию поля, объединяющую эти две фундаментальные теории. Однако попытки их соединения постоянно разбивались из-за появления бесконечностей (расходимостей) или нарушения некоторых важнейших физических принципов. Объединить эти теории удалось лишь в рамках теории струн и суперструн. История создания теории струн началась с чисто случайного открытия в квантовой теории, сделанного в 1968 году Дж. Венециано и М. Судзуки. Перелистывая старые труды по математике, они случайно натолкнулись на бета-функцию, описанную в XVIII веке Леонардом Эйлером. К своему удивлению, они обнаружили, что, используя эту функцию, можно замечательно описать рассеяние сталкивающихся на ускорителе частиц. В 1970 - 1971 годах Намбу и Гото поняли, что за матрицами рассеяния скрывается классическая (не квантовая) релятивистская струна, то есть некий микроскопический объект, отдалённо напоминающий тонкую, натянутую струну. Потом были сформулированы и построены методы квантования таких струн. Однако оказалось, что квантовую теорию струн корректно (без отрицательных и больших единицы квантовых вероятностей) можно построить лишь в 10 и 26 измерениях, и модель сразу перестала быть привлекательной. 10 лет эта идея влачила жалкое существование, потому что никто не мог поверить, что 10- или 26-мерная теория имеет какое-либо отношение к физике в 4-мерном пространстве. Когда в 1974 году Шерк и Шварц предположили, что эта модель является на самом деле теорией всех известных фундаментальных взаимодействий, никто не принял это всерьёз. Спустя 10 лет, в 1984 году, появилась знаменитая работа М. Грина и Д. Шварца. В этой работе было показано, что возникающие при квантово-механических расчётах бесконечности в точности сокращаться благодаря симметриям, присущем суперструнам. После этой работы теория суперструн стала основным кандидатом на единую теорию всех фундаментальных взаимодействий элементарных частиц, и её начали активно разрабатывать, пытаясь свести всё разнообразие частиц и полей микромира к неким чисто пространственно-геометрическим явлениям. В чём же заключается смысл этой «универсальной» теории?

Мы привыкли думать об элементарных частицах как о точечных объектах. Возможно, что первичным является не понятие частицы, а представление о некоей струне - протяжённом, неточечном объекте. В этом случае все наблюдаемые частицы - лишь колебания этих самых струн. Струны бесконечно тонки, но длина их конечна и составляет около 10^-33 см. Это ничтожно мало даже по сравнению с размером нейтрино, так что для многих задач можно считать объекты точечными. Но для квантовой теории струнная природа элементарных частиц очень важна. Струны бывают открытыми и замкнутыми. Двигаясь в пространстве-времени, они покрывают (заметают) поверхности, называемые мировыми листами. Отметим, что поверхность мирового листа гладкая. Из этого следует одно важное свойство струнной теории - в ней нет ряда бесконечностей, присущих квантовой теории поля с точечными частицами. Струны имеют определённую устойчивую форму колебаний - моды, которые обеспечивают частице, соответствующей данной моде, такие характеристики, как масса, спин, заряд и другие квантовые числа. Это и есть окончательное объединение - все частицы могут быть описаны через один объект - струну. Таким образом, теория суперструн связывает все фундаментальные взаимодействия и элементарные частицы между собой способом, похожим на тот, которым скрипичная струна позволяет дать единое описание всех тонов - зажимая по-разному скрипичные струны, можно извлекать самые разные звуки. Простейшее струнное взаимодействие, описывающее процесс превращения двух замкнутых струн в одну, можно представлять в виде устоявшейся аналогии - обычных брюк, форму которых приобретают их мировые листы. В этом случае штанины символизируют сближающиеся струны, сливающиеся в одну в районе верхней части брюк. Соединим два простейших струнных взаимодействия между собой (склеим двое брюк в районе пояса) и получим процесс, в котором две замкнутые струны взаимодействуют через объединение в промежуточную замкнутую струну, которая потом опять распадается на две, но уже другие. В струнной теории, в частности, существует замкнутая струна, соответствующая гравитону. Одной из особенностей теории является то, что она естественно и неизбежно включает в себя гравитацию как одно из фундаментальных взаимодействий.

Суперструны существуют в 10-мерном пространстве-времени, в то время, как мы живём в 4-мерном. И если суперструны описывают нашу Вселенную, нам необходимо связать эти два пространства. Для этого обычно сворачивают 6 дополнительных измерений до 10^-33 см. Из-за малости этого расстояния оно становится абсолютно незаметным для всех современных ускорителей элементарных частиц. В конечном итоге мы получим привычное 4-мерное пространство, каждой точке которого отвечает крохотное 6-мерное пространство, так называемое Калаби-Яу. У струн есть ещё одно замечательное свойство - они могут «наматываться» на компактное измерение. Это приводит к появлению так называемых оборотных мод в спектре масс. Лёгкость оборотных мод позволяет интерпретировать их как наблюдаемые нами элементарные частицы. Величайший парадокс теории суперструн заключается в том, что она сама по себе не едина. Можно выделить 5 различных согласованных суперструнных теорий, известных как: тип I, тип IIА, тип IIВ, SO(32) и Е8 х Е8.

В начале последнего десятилетия ХХ века одним из принципиальных вопросов теоретической физики был вопрос выбора той или иной струнной теории качестве кандидата на роль Единой теории. В решении этого фундаментального вопроса в последние годы был достигнут значительный прогресс. Оказалось, что все известные теории суперструн связаны между собой преобразованиями дуальности, открытыми в 1995 году. Дуальность теорий - это их существенное различие в деталях, но опись одной и той же физической реальности. На основе анализа взаимосвязи разных теорий выдвинута гипотеза, согласно которой все известные теории суперструн являются предельными случаями некоей фундаментальной М-теории. Эта теория живёт в 11-мерном пространстве-времени и на больших расстояниях описывает 11-мерную супергравитацию. С открытием дуальности связана третья струнная революция. Первая струнная революция была вызвана изучением амплитуд рассеяния. Вторая струнная революция связана с открытием Грином и Шварцем суперсимметрии. Суперсимметрия - это симметрия между бозонами и фермионами. Фермионы и бозоны оказываются связанными через эту симметрию и должен быть суперпартнёр в «противоположном лагере».

5. Практическое применение элементарных частиц

На первый взгляд, кажется, что изучение элементарных частиц имеет чисто теоретическое значение. Но это не так. Применение элементарным частицам нашли во многих сферах жизни.

Самое простое применение элементарных частиц - на ядерных реакторах и ускорителях. На ядерных реакторах с помощью нейтронов разбивают ядра радиоактивных изотопов, получая энергию. На ускорителях элементарные частицы используются для исследований. В электронных микроскопах используются пучки «жёстких» электронов, позволяющие увидеть более мелкие объекты, чем в оптическом микроскопе. Бомбардируя ядрами некоторых элементов полимерные плёнки, можно получить своеобразное «сито». Размер отверстий в нём может быть 10^-7 см. Плотность этих отверстий доходит до миллиарда на квадратный сантиметр. Такие «сита» можно применять для сверхтонкой очистки. Они фильтруют воду и воздух от мельчайших вирусов, угольной пыли, стерилизуют лекарственные растворы, незаменимы при контроле за состоянием окружающей среды.

Нейтрино в перспективе поможет учёным проникнуть в глубины Вселенной и получить сведения о раннем периоде развития галактик. Потоки нейтронов, получаемые на импульсных источниках, позволяет диагностировать живые клетки, не нарушая их нормальной работы. Пучки протонов используются в медицине вместо скальпеля. Дело в том, что протоны наносят вред только тем клеткам, в которых они остановились. Клетки же, которые протоны просто преодолели, практически не страдают от них. Должным образом подобрав энергию пучка протонов, можно истребить болезнь, не причиняя вреда здоровым соседним клеткам. Проводились опыты на собаках, которым облучали больной гипофиз. Теория блестяще подтвердилась, и теперь в Гатчине лечат опухоли, при которых хирургическое вмешательство противопоказано. Также некоторые элементарные частицы испускает горячая плазма. Они дают информацию о многих процессах, происходящих внутри неё. С помощью диагностики плазмы в перспективе можно добиться управления термоядерной реакцией.

Список использованной литературы

1. Д.В. Сивухин «Общий курс физики», том V «Атомная и ядерная физика», М.:ФИЗМАТЛИТ; Изд-во МФТИ, 2002

2. И.В. Савельев «Курс общей физики», том 3.М.: Наука, 1987

3. Т.И. Трофимова «Физика от А до Я», М.: Дрофа, 2002

4. В.С. Барашенков «Вселенная в электроне», М.: Дет. Лит., 1988

5. «Музыка сфер», «Вокруг света» №1 (2772) январь 2005 года, 30-40 стр.

6. Эврика 83-84, сост. А. Лельевр, М., Молодая гвардия, 1984