Лептоны и кварки как фундаментальные частицы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Основные подходы к классификации частиц

2. Гипотеза о существовании кварков

3. Новые кварки

4. Поиски кварков

5. Пленение кварков внутри адронов

6. Лептоны

Заключение

Литература

элементарный частица физика кварк лептон

Введение

В 60-70-е годы физики были совершенно сбиты с толку многочисленностью, разнообразием и необычностью вновь открытых субатомных частиц. Казалось, им не будет конца. Совершенно непонятно, для чего столько частиц. Являются ли эти элементарные частицы хаотическими и случайными осколками материи? Или, возможно, они таят в себе ключ к познанию структуры Вселенной? Развитие физики в последующие десятилетия показало, что в существовании такой структуры нет никаких сомнений. В конце ХХ в. физика начинает понимать, каково значение каждой из элементарных частиц.

Миру субатомных частиц присущ глубокий и рациональный порядок. В основе этого порядка - фундаментальные физические взаимодействия.

Элементарная частица -- собирательный термин, относящийся к микрообъектам в субъядерном масштабе, которые невозможно расщепить (или пока это не доказано) на составные части. Их строение и поведение изучается физикой элементарных частиц. Понятие элементарных частиц основывается на факте дискретного строения вещества. Ряд элементарных частиц имеет сложную внутреннюю структуру, однако разделить их на части невозможно. Другие элементарные частицы на данный момент считаются бесструктурными и рассматриваются как первичные фундаментальные частицы.

Современная наука выявила единство на самом глубоком уровне: 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, например. Все они описываются единой нелинейной теорией, обобщающей уравнения Максвелла. Такое обобщение было сделано в 1954 г. Ч.Янгом и Р. Миллсом, и другие обобщения называются также теорией Янга -- Миллса. Ранее подобные теории выдвигали Г. Ми и М. Борн, А. Эйнштейн и Я. И.Френкель. Хотя проблема элементарных частиц связана с самими основами науки, их изучение ведется в некотором отрыве от других областей физики.

1. Основные подходы к классификации частиц

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 адронами (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.

По видам взаимодействий элементарные частицы делятся на следующие группы:

1. Составные частицы:

1.1 адроны -- частицы, участвующие во всех видах фундаментальных взаимодействий. Они состоят из кварков и подразделяются, в свою очередь, на:

1.1.1 мезоны (адроны с целым спином, т. е. бозоны);

1.1.2 барионы (адроны с полуцелым спином, т. е. фермионы). К ним, в частности, относятся частицы, составляющие ядро атома, -- протон и нейтрон.

2. Фундаментальные (бесструктурные) частицы:

2.1 лептоны -- фермионы, которые имеют вид точечных частиц (т. е. не состоящих ни из чего) вплоть до масштабов порядка 10?18 м. Не участвуют в сильных взаимодействиях. Участие в электромагнитных взаимодействиях экспериментально наблюдалось только для заряженных лептонов (электроны, мюоны, тау-лептоны) и не наблюдалось для нейтрино. Известны 6 типов лептонов.

2.2 кварки -- дробнозаряженные частицы, входящие в состав адронов. В свободном состоянии не наблюдались (для объяснения отсутствия таких наблюдений предложен механизм конфайнмента). Как и лептоны, делятся на 6 типов и являются бесструктурными, однако, в отличие от лептонов, участвуют в сильном взаимодействии.

2.3 калибровочные бозоны -- частицы, посредством обмена которыми осуществляются взаимодействия:

2.3.1 фотон -- частица, переносящая электромагнитное взаимодействие;

2.3.2 восемь глюонов -- частиц, переносящих сильное взаимодействие;

2.3.3 три промежуточных векторных бозона W+, W? и Z0, переносящие слабое взаимодействие;

2.3.4 гравитон -- гипотетическая частица, переносящая гравитационное взаимодействие. Существование гравитонов, хотя пока не доказано экспериментально в связи со слабостью гравитационного взаимодействия, считается вполне вероятным; однако гравитон не входит в Стандартную модель.

Адроны и лептоны образуют вещество. Калибровочные бозоны -- это кванты разных видов излучения.

Кроме того, в Стандартной Модели с необходимостью присутствует хиггсовский бозон, который, впрочем, пока ещё не обнаружен экспериментально.

Первоначально термин «элементарная частица» подразумевал нечто абсолютно элементарное, первокирпичик материи. Однако, когда в 1950-х и 1960-х годах были открыты сотни адронов с похожими свойствами, стало ясно, что по крайней мере адроны обладают внутренними степенями свободы, т. е. не являются в строгом смысле слова элементарными. Это подозрение в дальнейшем подтвердилось, когда выяснилось, что адроны состоят из кварков.

Таким образом, мы продвинулись ещё немного вглубь строения вещества: самыми элементарными, точечными частями вещества сейчас считаются лептоны и кварки. Для них (вместе с калибровочными бозонами) и применяется термин «фундаментальные частицы».

2. Гипотеза о существовании кварков

На протяжении последних десятилетий было предпринято несколько попыток навести порядок в мире элементарных частиц. И, пожалуй, самая удачная попытка заключается в гипотезе о существовании нескольких фундаментальных частиц, названных кварками, из которых можно составить («слепить») любую сильновзаимодействующую (а таких подавляющее большинство) частицу, причем такие «составные» частицы будут обладать всеми основными свойствами реальных частиц. Столь необычное название «кварки» заимствовано из книги Джеймса Джойса «Поминки по Финнигану», где встречается словосочетание «три кварка» как таинственный крик чаек, который слышится герою романа в кошмарном бреду.

Кварки были придуманы в 1964 г. американскими физиками Гелл-Маном и независимо Цвейгом для объяснения существующей в природе симметрии в свойствах сильновзаимодействующих частиц - адронов.

Супермультиплеты.

Оказывается, если известные адроны рассортировать по значениям их спина и внутренней четности, то образуется несколько больших групп адронов (в среднем по десятку частиц в одной группе), внутри которых наблюдаются интересные закономерности. Такие группы называют супермультиплетами или унитарными мультиплетами.

В это время можно было вполне четко выделить четыре большие группы частиц. Мезонные адроны с нулевым спином и отрицательной четностью образуют группу из девяти частиц (нонет). Электрический заряд, странность и масса членов этой девятки закономерно изменяются от частицы к частице. Аналогичную девятку образуют также мезонные адроны со спином, равным единице, и отрицательной четностью. Барионы со спином Ѕ и положительной четностью образуют сходный октет. Наконец, барионные адроны с оспином 3/2 и положительной четностью составляют десятку - декуплет.

Свойства.

По свойствам девяти известных частиц Гелл-Ман в 1962 г. однозначно предсказал все известные характеристики десятой частицы. Набор параметров для этой частицы: масса, электрический заряд, барионный заряд, странность, изотопический спин, четность, схема рождения, схема распада, время жизни. Этот перечень настолько хорошо характеризует свойства предсказанной частицы, что появилась возможность организовать по-настоящему научный ее поиск. В начале 1964 г. гиперон с предсказанными свойствами был найден. Это, вероятно, самый маленький интервал времени между моментами предсказания и обнаружения «настоящей» (долгоживущей) элементарной частицы.

Закономерности можно проследить также и в других супермультиплетах. Для объяснения закономерностей было предложено несколько различных теорий. Общим для всех этих теорий является предположение о существовании двух разновидностей сильного взаимодействия: очень сильного и умеренно сильного, которые вместе с электромагнитным определяют основные свойства адронов. Очень сильное взаимодействие одинаково для всех членов унитарного мультиплета и определяет главную часть их энергии взаимодействия (а значит, и массы). Умеренно сильное взаимодействие зависит от странности и потому различно для членов разных изотопических мультиплетов, т.е. для частиц, стоящих в разных строках.

Три кошмарные частицы.

Наиболее естественно существование унитарных мультиплетов можно было объяснить, введя в рассмотрение три гипотетические частицы - кварки - с довольно экзотическими свойствами, а именно с дробными барионным и электрическим зарядами. В связи с такой экзотичностью свойств и с тем, что их три, кварки и получили свое необычное название. Словосочетание «три кварка» встречается в романе Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану» как таинственный крик чаек, который слышится герою романа во время кошмарного бреда.

Если кваркам приписывать некоторые известные свойства, то достаточно всего трех кварков и трех антикварков, чтобы из них, как из деталей конструктора, построить любой из перечисленных выше адронов, причем можно показать, что адроны, «слепленные» из кварков, будут группироваться в те самые супермультиплеты, которые были известны в то время.

3. Новые кварки

с-Кварк (очарованный).

В конце 1974 г. одновременно в двух лабораториях была открыта новая частица, свойства которой оказались таковы, что их не удалось объяснить в рамках трехкварковой модели. Для интерпретации этих свойств потребовалось ввести четвертый кварк - с-кварк, названный очарованным ( от слова charm -очарование).

с-Кварк оказался вполне равноправной частицей по отношению к остальным трем кваркам. Комбинируя с-кварк с антикварками u, d, s, можно получить новые мезоны, которые были названы очарованными. В настоящее время уже обнаружены представители всех очарованных мезонов и некоторые очарованные барионы. На этом основании, казалось бы, можно было считать, что кварковая модель достигла совершенства, т.е. описывает все существующие частицы и не конструирует лишних, не встречающихся в природе.

b-Кварк (прелестный).

Однако, в 1977 г. была открыта еще одна частица, названная ипсилон-мезоном, свойства которой не укладывались в четырехкварковую модель. Новый, пятый кварк b, названный прелестным (от слова beauty - прелесть, иногда название b-кварка производят от слова botom - низ).

t-Кварк (правдивый).

Наконец, имеются основания считать, что должен существовать еще и шестой кварк t, названный правдивым (от слова truth) или верхним (от слова top). Одним из таких оснований является предсказываемая теорией электрослабого взаимодействия симметрия в числе кварков и лептонов (которых открыто шесть).

4. Поиски кварков

Являются ли кварки реальными частицами или просто математическими измышлениями, нужными только для классификации адронов, еще неясно. В начале 1970г. в научных журналах было опубликовано несколько работ, авторы которых заявляли об обнаружении кварков в космических лучах, однако пока что это не подтверждено. Если кварки и в самом деле существуют в природе, то из этого факта мы сможем вывести целый ряд замечательных следствий. В частности, космогонические теории и теории источников энергии излучения звезд придется коренным образом пересмотреть. Далее, кварки смогут выступать в роли эффективных катализаторов ядерных реакций. Вполне возможно, что по крайней мере один из трех кварков окажется стабильным и не будет распадаться, а может быть, и все три кварка будут стабильными.

Природные и «самодельные» кварки.

Успех кварковой модели и желание свести многообразие частиц к нескольким фундаментальным заставляют физиков искать кварки в природе.

Кваркам естественно приписать большую массу. Но рождение частиц сбольшой массой требует больших кинетических энергий, поэтому поиски кварков следует вести в таких условиях (естественно или искусственно созданных), когда имеется возможность трансформации большой порции кинетической энергии в энергию покоя (массу). Связь между массой кварка m q и минимальной кинетической энергией, бомбардирующей частицы Тмин, необходимой для рождения кварка этой массы, зависит от типа реакции, в которой образуется кварк. В соответствии с законами сохранения образование кварка может происходить только в паре с антикварком.

Для реакции образования кварка при соударении двух протонов получается следующая зависимость Тмин от предполагаемого значения m q:

Тмин=2(m q /m p) (2m p + m q) c

Существуют соображения, из которых следует, что при данной энергии Т могут рождаться частицы большей массы (напр., при Т=30 ГэВ могут родиться кварки массой до 5m p). Однако вероятность такого процесса настолько мала, что его можно не учитывать в расчетах. Кварки массой m q < 3 m p имеет смысл искать среди частиц, образующихся в мишенях ускорителей протонов на энергию 30 ГэВ, кварки массой m q < 5 m p - в мишенях ускорителей на энергию 70 ГэВ и т.д.

Для выделения кварков из огромного числа других, рождающихся в мишени ускорителя, можно воспользоваться их специфическими свойствами, обусловленными дробностью электрического заряда. Например, пониженной ионизирующей способностью. Ионизирующая способность заряженной частицы изменяется пропорционально квадрату ее электрического заряда. Так как кварки имеют заряд, равный 1/3 или 2/3 заряда электрона, ионизирующая способность кварков составляет соответственно 1/9 или 4/9 ионизирующей способности электронов. Такие опыты были действительно предприняты сначала на ускорителях в ЦЕРНе и в Брукхейвенской лаборатории, затем в Серпухове, а потом снова в ЦЕРНе на ускорителе протонов до энергии 400 ГэВ и в Батавии на ускорителе протонов до энергии 500 ГэВ, но они не дали положительного результата. Это означает, что либо масса кварков превышает 15 протонных масс, либо они рождаются с гораздо меньшей вероятностью, чем предполагали, либо, наконец, кварков в свободном виде нет вообще.

Кварки, рожденные космическим излучение.

В составе космического излучения имеются протоны энергией выше 500 ГэВ. Эти протоны в соударениях с ядрами атмосферы могут рождать кварки, даже если их масса превышает 15 m p. Кварки, рожденные космическим излучением, можно пытаться регистрировать при помощи детекторов, чувствительных к ионизации, вызываемой быстродвижущимися частицами с дробным электрическим зарядом.

Камера Вильсона.

Одним из таких детекторов может быть камера Вильсона, следы заряженных частиц в которой имеют вид цепочек из капелек жидкости. Эти капельки образуются в результате Конденсации пересыщенного пара на ионах, возникающих вдоль траектории заряженной частицы. Ионизирующая способность кварка составляет 1/9 или 4/9 ионизирующей способности электрона. Поэтому плотность капелек на следе кварка должна быть в 9 раз меньше, чем на следе электрона. В свое время в печати появились работы, в которых сообщалось об обнаружении частиц с 50%-ной ионизирующей способностью. Однако впоследствии оказалось, что полученные результаты являются сильной флюктуацией ионизирующей способности обычной частицы с z=1.

5. Пленение кварков внутри адронов

Цвет и аромат кварков.

Пленение кварков внутри адронов является, пожалуй, главной трудностью кварковой модели. Другая трудность этой модели связана с тем, что она допускает барионные комбинации из трех тождественных кварков, находящихся в одинаковых состояниях. А это запрещено принципом Паули, согласно которому два (и тем более три) фермиона с одинаковыми квантовыми числами не могут находиться в одном и том же состоянии. Обе эти трудности удалось преодолеть введением еще одной характеристики кварков, которая условно называется цветом.

Каждый кварк независимо от его типа (u, d, s, c, b, t), который, кстати говоря, называется ароматом (flavour), имеет три цветовые разновидности, соответствующие трем “основным цветам”: «красному», «синему» и «зеленому».

В состав любого бариона входят обязательно «разноцветные» кварки, так что гиперон, например, является «бесцветной» («белой») комбинацией, которая не противоречит принципу Паули. Соответственно каждый мезон представляет собой комбинацию кварков и антикварков с «дополнительными цветами» (например, «красный» и «антикрасный» и т.п.), которые также в сумме дают «белый» цвет.

Подчеркнем, что термин «цвет», употребляемый как характеристика сильного взаимодействия, не имеет никакого отношения (кроме терминологического) к оптическим цветам.

Квантовая хромодинамика.

Кроме этой функции нового квантового числа цвет играет очень важную роль нового заряда. Согласно современной теории сильных взаимодействий - квантовой хромодинамике, взаимодействие между кварками осуществляется при помощи восьми цветных глюонов (от слова glue - клей. Глюоны как бы склеивают кварки между собой), которые являются квантами, т.е. переносчиками сильного взаимодействия между кварками любых ароматов и цветов.

Наличие цветного заряда у глюонов резко отличает их от квантов электромагнитного взаимодействия - фотонов, которые не имеют заряда. В отличие от фотона глюон может испускать новые глюоны, что приводит к росту эффективного заряда кварка с увеличением расстояния и, следовательно, к возрастанию энергии взаимодействия между кварками. В результате кварки не могут освободиться друг от друга (пленение) и встречаются в природе только в связанном виде - в форме «белых», «бесцветных» адронов. Наоборот, на очень малых расстояниях кварки взаимодействуют относительно слабо, и их можно рассматривать как практически свободные частицы (центральная свобода). Это обстоятельство позволяет получить ряд количественных соотношений, подтвержденных экспериментами.

6. Лептоны

Свойства.

Все лептоны являются фермионами, то есть их спин равен 1/2. Лептоны вместе с кварками (которые участвуют во всех четырёх взаимодействиях, включая сильное) составляют класс фундаментальных фермионов -- частиц, из которых состоит вещество и у которых, насколько это известно, отсутствует внутренняя структура.

Несмотря на то, что до сих пор никаких экспериментальных указаний на неточечную структуру лептонов не обнаружено, делаются попытки построить теории, в которых лептоны (и другая группа фундаментальных фермионов -- кварки) были бы составными объектами. Рабочее название для гипотетических частиц, составляющих кварки и лептоны, -- преоны.

Поколения лептонов.

Существует три поколения лептонов:

1. первое поколение: электрон, электронное нейтрино;

2. второе поколение: мюон, мюонное нейтрино;

3. третье поколение: тау-лептон, тау-нейтрино;

Таким образом, в каждое поколение входит отрицательно заряженный (с зарядом ?1e) лептон, положительно заряженный (с зарядом +1e) антилептон и нейтральные нейтрино и антинейтрино. Все они обладают ненулевой массой, хотя масса нейтрино весьма мала по сравнению с массами других элементарных частиц (менее 1 эВ для электронного нейтрино).

Первое поколение:

e?Электрон ?10,510998910(13) МэВ/c?

?eЭлектронное нейтрино 0 < 2 эВ/c?

Второе поколение:

??Мюон ?1 105,6583668(38) МэВ/c?

??Мюонное нейтрино0 < 0,19 МэВ/c?

Третье поколение:

??Тау-лептон ?11776,84(17) МэВ/c?

??Тау-нейтрино 0 < 18,2 МэВ/c?

Количество возможных поколений «классических» лептонов установлено из экспериментов по измерению ширины распада Z0-бозона -- оно равно трём. Строго говоря, это не исключает возможности существования «стерильных» (не участвующих в слабом взаимодействии) или очень тяжёлых (массой более нескольких десятков ГэВ, вопреки названию) поколений лептонов. Количество поколений лептонов пока не объяснено в рамках существующих теорий. Почти все наблюдаемые во Вселенной процессы выглядели бы точно так же, если бы существовало только одно поколение лептонов.

Лептонное число.

Каждому заряженному лептону (электрон, мюон, тау-лептон) соответствует лёгкий нейтральный лептон -- нейтрино. Ранее считалось, что каждое поколение лептонов обладает своим (так называемым флейворным -- от англ. flavor) лептонным зарядом, -- иными словами, лептон может возникнуть только вместе с антилептоном из своего поколения, так, чтобы разность количества лептонов и антилептонов каждого поколения в замкнутой системе была постоянной. Эта разность называется электронным, мюонным или тау-лептонным числом, в зависимости от рассматриваемого поколения. Лептонное число лептона равно +1, антилептона -- ?1.

С открытием осцилляций нейтрино обнаружено, что это правило нарушается: электронное нейтрино может превратиться в мюонное или тау-нейтрино и т. д. Таким образом, флейворное лептонное число не сохраняется. Однако процессов, в которых не сохранялось бы общее лептонное число (не зависящее от поколения), пока не обнаружено. Лептонное число иногда называют лептонным зарядом, хотя с ним, в отличие от электрического заряда, не связано какое-либо калибровочное поле. Закон сохранения лептонного числа является экспериментальным фактом и пока не имеет общепринятого теоретического обоснования. В современных расширениях Стандартной модели, объединяющих сильное и электрослабое взаимодействия, предсказываются процессы, не сохраняющие лептонное число. Их низкоэнергетическими проявлениями могут быть пока не открытые нейтрино-антинейтринные осцилляции и безнейтринный двойной бета-распад, изменяющие лептонное число на две единицы.

Времена жизни.

Из заряженных лептонов стабильным является только самый лёгкий из них -- электрон (и его античастица -- позитрон). Более тяжёлые заряженные лептоны распадаются в более лёгкие. Например, отрицательный мюон распадается в электрон, электронное антинейтрино и мюонное нейтрино (видно, что в этом процессе сохраняются как общее, так и флейворные лептонные числа) с временем жизни около 2 микросекунд. Тау-лептон (время жизни около 3?10?13 с) может распадаться с вылетом не только лептонов, но и лёгких адронов (каонов и пионов). Распад нейтрино не обнаружен, в настоящее время они считаются стабильными.

Заключение

Изучение структуры различных элементарных частиц, и в первую очередь протона и нейтрона, находится на самом переднем крае фронта исследований в физике элементарных частиц. Протон и нейтрон - это окончательные основные состояния всех барионов. Из обеих этих частиц построены все атомные ядра, находящиеся в своих основных состояниях.

Классификация адронов оказалась очень успешной, при этом удалось немного заглянуть в структуру адронов, представить их состоящими из кварков. Но многое еще предстоит выяснить.

Не так давно появилась новая теория элементарных частиц, названная

«теорией зашнуровки». Согласно ей ни одна из частиц не является более фундаментальной и элементарной, чем остальные. Каждая элементарная частица существует потому, что существуют все остальные частицы.

Литература

1. В.Акоста, К.Кован, Б.Грэм «Основы современной физики», М. Просвещение, 2008;

2. И.Розенталь «Элементарные частицы и структура Вселенной», М. Наука, 1984;

3. К.Мухин «Занимательная ядерная физика», М. Энергоатомиздат, 2005.

4. Л.Окунь «Лептоны и кварки», «ЛКИ», 2002;

5. Фейнберг Дж. Из чего сделан мир? Атомы, лептоны, кварки и другие загадочные частицы. - М., 2007

6. http://www.states.laboratory37.com/stat/78_stat.html

Размещено на Allbest.ru