Сколько элементарных частиц физика таблица

Периодическая система элементарных частиц

Согласно современной теории, существует 17 элементарных частиц, образующих все известные виды материи и переносчиков всех сил, действующих между частицами. Материальные элементарные частицы (те, из которых состоит материя) можно представить в виде своеобразной «периодической системы» — таблицы кварков и лептонов (табл. 2).

Данная модель включает 6 разновидностей кварков и 6 лептонов. Эти 12 частиц разделены на колонки в соответствии с их элементарными зарядами. Ряды соответствуют трём семействам основных материальных частиц.

Основным является первый ряд, где содержатся частицы, необходимые для создания атома: u— и d— кварки образуют нуклоны. Нуклоны, в свою очередь, образуют ядро атома. Отрицательно заряженные электроны, притягиваюсь к ядру, образуют атомы. И, наконец, атомы образуют молекулы. Оставшаяся четвёртая частица — электронное нейтрино — не связана с материей. Нейтрино играет основную роль при -распаде ядра, когда протоны и нейтроны могут превращаться друг в друга. Таким образом, первое семейство кварков и лептонов необходимо для существования мира в том виде, в каком мы его знаем.

Второй и третий ряд таблицы необходимы для объяснения свойств частиц, приходящих из космоса и создаваемых на ускорителях. Вопрос о том, какую роль в строении материи играют частицы, входящие во второй и третий ряд, остается открытым. Однако с помощью этих элементарных частиц объясняются все известные нам частицы, которые существуют во Вселенной.

Таким образом, современная теории говорит о том, что на данном этапе развития физики существует 17 элементарных частиц, с помощью которых можно объяснить существование материи, из которой создана Вселенная.

Тема 10. ФИЗИКА ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

10.1. Общие сведения об элементарных частицах 10.2. Виды взаимодействий 10.3. Краткая классификация и свойства частиц 10.4. Странные частицы 10.5. Кварки и очарование 10.6. Великое объединение (идеи объединения фундаментальных взаимодействий) 10.1. Общие сведения об элементарных частицах Дать строгое определение понятия элементарных частиц оказывается затруднительным. В качестве первого приближения можно понимать под элементарными частицами такие микрочастицы, внутреннюю структуру которых на современном уровне развития физики нельзя представить как объединение других частиц. Во всех наблюдавшихся до сих пор явлениях каждая такая частица ведёт себя как единое целое. Элементарные частицы могут превращаться друг в друга (протон в ней- трон и наоборот, γ-квант в e − e + и наоборот и т.д.). В настоящее время общее число известных элементарных частиц (вместе с античастицами) приближается к 400. Пока мы встречались только с электроном e − (позитроном e + ), протоном p , нейтроном n , фотоном γ и электронным (анти) нейтрино ν e ( ~ ν e ). Эти частицы стабиль- ны или квазистабильны, и они существуют в природе в свободном или слабосвязанном состоянии. Так, квазистабильные нейтроны входят в состав атомных ядер, многие из которых являются абсолютно устойчивыми. Почти все остальные элементарные частицы крайне нестабильны и образуются во вторичном космическом излучении или получаются в лаборатории с помощью ускорителей, а затем быстро распадаются, превращаясь в конечном итоге в стабильные частицы. Основные классы элементарных частиц и их наиболее важные представители рассмотрены ниже. Для описания свойств отдельных элементарных частиц вводится целый ряд физических величин, значениями которых они и различаются. Наиболее известными среди них являются масса, среднее время жизни, спин, электрический заряд, магнитный момент. О других характеристиках частиц, в том числе о зарядах, отличных от электрического, будем говорить по ходу изложения.

На рис. 10.1 показаны масштабы пространства и способы его исследования.
Рис. 10.1 125

Из соотношений неопределенностей следует, что для выявления деталей структуры порядка r нужно иметь зондирующие частицы с

импульсом	( p > h / r ) .	Если принять p = E / c , то r = hc / E . Со-
временные	ускорители	позволяют получать частицы с энергией

до 1000 ГэВ ≈ 10 12 эВ. Следовательно, с их помощью можно проникнуть в глубь вещества на расстояние порядка r ≈ (10 − 34 10 8 ) /(10 12 10 − 19 ) ≈ 10 − 19 м.

Различают три уровня микромира :		r ≈ 10 − 8 − 10 − 10 м.
•	молекулярно-атомный: E = 1 − 10 эВ,
•	ядерный : E = 10 6 − 10 8 эВ, r ≈ 10 − 14 − 10 − 15 м.
•	элементарные частицы: E > 10 8 эВ,	r < 10 − 15 м.

10.2. Виды взаимодействий Известны четыре вида взаимодействий между элементарными частицами: сильное , электромагнитное , слабое и гравитационное (они перечислены в порядке убывания интенсивности). Интенсивность взаимодействия принято характеризовать так называемой константой взаимодействия α, которая представляет собой безразмерный параметр , определяющий вероятность процессов , обусловленных дан- ным видом взаимодействия . Для электромагнитного взаимодействия константа: α = m E c 2 , 0 где Е – энергия взаимодействия двух электронов, находящихся на расстоянии λ. Следовательно,

1	e 2	1	e 2 m c
E ‘ =	=	e	.
		4πε 0		λ	4πε 0	h

Тогда характеристическое отношение имеет вид:

α =	E	=	e 2	=	1	.
	m c 2		4πε		h c		137
0		0

Константа электромагнитных взаимодействий – безразмерная величина:

α =	Кл 2	м с	=	Кл 2	В	= 1.
	ф Дж с м			Кл Кл В

Константы других видов взаимодействий определяют относительно значения константы электромагнитного взаимодействия.

Отношение констант даёт относительную интенсивность соответствующих взаимодействий. Сильное взаимодействие. Этот вид взаимодействия обеспечивает связь нуклонов в ядре. Константа сильного взаимодействия имеет величину порядка 1–10. Наибольшее расстояние, на котором проявляется сильное взаимодействие (радиус действия), составляет примерно 10 − 15 м. Электромагнитное взаимодействие. Константа взаимодействия равна 1/137 ≈ 10 − 2 (константа тонкой структуры). Радиус действия не ограничен ( r = ∞ ). Слабое взаимодействие. Это взаимодействие ответственно за все виды β-распада ядер (включая e- захваты), за распады элементарных частиц, а также за все процессы взаимодействия нейтрона с веществом. Константа взаимодействия равна величине порядка 10 –10 – 10 − 14 . Слабое взаимодействие, как и сильное, является короткодействующим. Гравитационное взаимодействие. Константа взаимодействия имеет значение порядка 10 − 38 . Радиус действия не ограничен ( r = ∞ ). Гравитационное взаимодействие является универсальным, ему подвержены все без исключения элементарные частицы. Однако в процессах микромира гравитационное взаимодействие ощутимой роли не играет. В табл. 1 приведены значения константы разных видов взаимодействия, а также среднее время жизни частиц, распадающихся за счёт данного вида взаимодействия (время распада).

Таблица 1
Тип взаимодей-	Механизм	Интенсив-				Радиус, r ,	Характер-
ствий	обмена	ность, α				м	ное время
							жизни, τ, с
Сильное	глюонами	≈ 1			≈ 10 − 15	≈ 10 − 23
Электромаг-	фотонами	≈	1	∞	≈ 10 − 18
нитное			137
	Слабое	промежуточн.			≈ 10 − 10				≈ 10 − 18	≈ 10 − 13
бозонами
	Гравитацион-	гравитонами	≈ 10 − 38				∞	?
ное

10.3. Краткая классификация и свойства частиц Для того чтобы объяснить свойства и поведение элементарных частиц, их приходится наделять, кроме массы, электрического заряда и ти-

па, рядом дополнительных, характерных для них величин (квантовых чисел), о которых мы поговорим ниже. Элементарные частицы обычно подразделяются на четыре класса . Помимо этих классов, предполагается существование ещё одного класса частиц – гравитонов (квантов гравитационного поля). Экспериментально эти частицы ещё не обнаружены. Дадим краткую характеристику четырем классам элементарных частиц. К одному из них относится только одна частица – фотон . Фотоны γ (кванты электромагнитного поля) участвуют в элек- тромагнитных взаимодействиях, но не обладают сильным и слабым взаимодействием. Второй класс образуют лептоны , третий – адроны и, наконец, чет- вертый – калибровочные бозоны (табл. 2)

Таблица 2
Элементарные частицы
Лептоны	Калибровочные					Адроны
бозоны
Барионы	Мезоны
( qqq ) B = 1	B = 0
		e − μ − τ −	( qq )
+	−		n , p ,	π, К , J / Ψ
		ν e ν μ ν τ	γ, W	, W	, Z , 8 g	гипероны	и др.
(Λ,Σ,Ξ,Ω)
и др.	Мезонные
Барионные
резонансы	резонансы

Лептоны (греч. « лептос » – лёгкий) − частицы , участвующие в электромагнитных и слабых взаимодействиях . К ним относятся части- цы, не обладающие сильным взаимодействием: электроны ( e − , e + ), мюоны (μ − ,μ + ), таоны ( τ − , τ + ), а также электронные нейтрино ( ν e , ~ ν e ), мюонные нейтрино ( ν μ , ~ ν μ ) и тау-нейтрино ( ν τ , ~ ν τ ). Все лептоны имеют спины, равные 1/2 h , и следовательно являются фермионами . Все лептоны обладают слабым взаимодействием. Те из них, которые имеют электрический заряд (т.е. мюоны и электроны), обладают также и электромагнитным взаимодействием. Нейтрино участвуют только в слабых взаимодействиях.

Адроны (греч. « адрос » – крупный, массивный) − частицы , участ- вующие в сильных , электромагнитных и слабых взаимодействиях. Сегодня известно свыше сотни адронов и их подразделяют на барионы и мезоны . Барионы − адроны , состоящие из трёх кварков ( qqq ) и имеющие барионное число B = 1. Класс барионов объединяет в себе нуклоны ( p , n ) и нестабильные частицы с массой большей массы нуклонов, получившие название гипе- ронов ( Λ, Σ + , Σ 0 , Σ − , Ξ 0 , Ξ − , Ω − ). Все гипероны обладают сильным взаимодействием, и следовательно активно взаимодействуют с атомными ядрами. Спин всех барионов равен 1/2 h , так что барионы являются фермионами . За исключением протона, все барионы нестабильны. При распаде бариона, наряду с другими частицами, обязательно образуется барион. Эта закономерность является одним из проявлений закона со- хранения барионного заряда . Мезоны − адроны , состоящие из кварка и антикварка ( qq ~ ) и имеющие барионное число B = 0. Мезоны – сильно взаимодействующие нестабильные частицы, не несущие так называемого барионного заряда. К их числу принадлежат

π-мезоны	или		пионы	( π + , π − , π 0 ),	K-мезоны, или	каоны
( K + , K − , K 0 , K ~ 0 ), и η-мезоны. Массы π + и π − мезонов одинакова и равна
273,1 m ,	m	0 ≈ 264,1 m		время жизни,	соответственно,	2,6 10 − 8 и
e	π	e

0,8 10 − 16 с. Масса К-мезонов составляет 970 m e . Время жизни К-мезонов имеет величину порядка 10 − 8 с. Масса эта-мезонов 1074 m e , время жизни порядка 10 − 19 с. В отличие от лептонов, мезоны обладают не только слабым (и если они заряжены, электромагнитным), но также и сильным взаимодействием, проявляющимся при взаимодействии их между собой, а также при взаимодействии между мезонами и барионами. Спин всех мезонов равен нулю, так что они являются бозонами . Калибровочные бозоны − частицы , осуществляющие взаимодействие между фундаментальными фермионами (кварками и лептонами). Это частицы W + , W – , Z 0 и восемь типов глюонов g. Сюда же можно отнести и фотон γ. Свойства элементарных частиц Каждая частица описывается набором физических величин – квантовых чисел, определяющих её свойства. Наиболее часто употребляемые характеристики частиц следующие.

Масса частицы , m . Массы частиц меняются в широких пределах от 0 (фотон) до 90 ГэВ ( Z -бозон). Z -бозон − наиболее тяжелая из известных частиц. Однако могут существовать и более тяжелые частицы. Массы адронов зависят от типов входящих в их состав кварков, а также от их спиновых состояний. Время жизни , τ. В зависимости от времени жизни частицы делятся на стабильные частицы , имеющие относительно большое время жизни, и нестабильные . К стабильным частицам относят частицы, распадающиеся по слабому или электромагнитному взаимодействию. Деление частиц на стабильные и нестабильные условно. Поэтому к стабильным частицам принадлежат такие частицы, как электрон, протон, для которых в настоящее время распады не обнаружены, так и π 0 -мезон, имеющий время жизни τ = 0.8 10 − 16 с. К нестабильным частицам относят частицы, распадающиеся в результате сильного взаимодействия. Их обычно называют резонансами . Характерное время жизни резонансов − 10 − 23 − 10 − 24 с. Спин J . Величина спина измеряется в единицах ħ и может принимать 0, полуцелые и целые значения. Например, спин π-, К-мезонов равен 0. Спин электрона, мюона равен 1/2. Спин фотона равен 1. Существуют частицы и с большим значением спина. Частицы с полуцелым спином подчиняются статистике Ферми − Дирака, с целым спином − Бозе–Эйнштейна. Электрический заряд q . Электрический заряд является целой кратной величиной от е = 1,6 10 − 19 Кл, называемой элементарным электрическим зарядом. Частицы могут иметь заряды 0, ±1, ±2. Внутренняя четность Р . Квантовое число Р характеризует свойство симметрии волновой функции относительно пространственных отражений. Квантовое число Р имеет значение +1, − 1. Наряду с общими для всех частиц характеристиками, используют также квантовые числа, которые приписывают только отдельным группам частиц. Квантовые числа : барионное число В , странность s , очарование ( charm ) с , красота ( bottomness или beauty ) b , верхний ( topness ) t , изото- пический спин I приписывают только сильновзаимодействующим час- тицам − адронам . Лептонные числа L e , L μ , L τ . Лептонные числа приписывают частицам, образующим группу лептонов. Лептоны e , μ и τ участвуют только в электромагнитных и слабых взаимодействиях. Лептоны ν e , ν μ и ν τ участвуют только в слабых взаимодействиях. Лептонные числа имеют зна-

чения L e , L μ , L τ = 0, +1, − 1. Например, e − , электронное нейтрино ν e имеют L e = +l; e μ + , ~ ν e имеют L e = − l. Все адроны имеют L e = L μ = L τ = 0 . Барионное число В . Барионное число имеет значение В = 0, +1, − 1. Барионы, например, n , р , Λ, Σ, нуклонные резонансы имеют барионное число В = +1. Мезоны, мезонные резонансы имеют В = 0, антибарионы имеют В = − 1. Странность s . Квантовое число s может принимать значения − 3, − 2, − 1, 0, +1, +2, +3 и определяется кварковым составом адронов. Например, гипероны Λ, Σ имеют s = − l; K + — , K – — мезоны имеют s = + l. Charm с . Квантовое число с может принимать значения − 3, − 2, − 1, 0, +1, +2, +3. В настоящее время обнаружены частицы, имеющие с = 0, +1 и − 1. Например, барион Λ + имеет с = +1. Bottomness b . Квантовое число b может принимать значения − 3, − 2, − 1, 0, +1, +2, +3. В настоящее время обнаружены частицы, имеющие b = 0, +1, − 1. Например, В + -мезон имеет b = +1. Topness t . Квантовое число t может принимать значения − 3, − 2, − 1, 0, +1, +2, +3. В настоящее время обнаружено всего одно состояние с t = +1. Изоспин I . Сильновзаимодействующие частицы можно разбить на группы частиц, обладающих схожими свойствами (одинаковое значение спина, чётности, барионного числа, странности и др. квантовых чисел, сохраняющихся в сильных взаимодействиях) − изотопические мультиплеты . Величина изоспина I определяет число частиц, входящих в один изотопический мультиплет, n и р составляет изотопический дуплет I = 1/2; Σ + , Σ − , Σ 0 , входят в состав изотопического триплета I = 1, Λ − изотопический синглет I = 0, число частиц, входящих в один изотопический мультиплет , 2 I + 1. G − четность − это квантовое число, соответствующее симметрии относительно одновременной операции зарядового сопряжения с и изменения знака третьего компонента I изоспина. G- четность сохраняется только в сильных взаимодействиях. 10.4. Странные частицы В начале 50-х годов ХХ в. было обнаружено, что некоторые из недавно открытых частиц, а именно K , Λ, Σ, ведут себя странно в двух отношениях. • Во-первых, они всегда рождаются парами. Например, реакция π − + p → K 0 + Λ 0 проходит с вероятностью, близкой к 1, а реакция

π − + p → K 0 + n никогда не наблюдалась. Это казалось тем более странным, что вторая реакция не нарушала ни одного из известных законов сохранения и для её осуществления было достаточно энергии. • Во-вторых, хотя рождение странных частиц (как их стали называть) было обусловлено сильным взаимодействием (т.е. происходило с большой вероятностью), их распады не имели характерного для сильного взаимодействия времени жизни, хотя они и распадались на сильно- взаимодействующие частицы (например K → 2π, Σ + → p + π 0 ). Вместо величин порядка 10 − 23 с, как следовало ожидать для частиц, распадающихся за счёт сильного взаимодействия, их время жизни оказалось в пределах от 10 − 10 до 10 − 8 с, что характерно для слабого взаимодействия. Для объединения этих фактов было введено новое квантовое число странность и новый закон сохранения ( странности ). Так вот в пер- вой реакции странность частиц до реакции совпадает со странностью частиц после реакции, а во второй реакции странность не сохраняется и поэтому эта реакция не идет. Для объяснения особенностей распада странных частиц предполагается, что странность сохраняется в сильном взаимодействии и не сохраняется в слабом взаимодействии. Следовательно, хотя закон сохранения запрещает распад странных частиц на более лёгкие, нестранные частицы, за счёт сильного взаимодействия, такие распады происходят и за счёт слабого взаимодействия. Но слабые распады происходят гораздо медленнее, что соответствует большим временам жизни. Сохранение странности оказалось первым примером «частично сохраняющейся величины», странность сохраняется в сильном и не сохраняется в слабом взаимодействии. 10.5. Кварки и очарование Почти все наблюдаемые частицы принадлежат одному из двух семейств: лептонам и адронам . Основное различие между ними состоит в том, что адроны не участвуют в сильном взаимодействии, а лептоны участвуют. Другое важное различие состоит в том, что в 60-х годах были известны четыре лептона ( e − ,μ − , ν e , ν μ ) и их античастицы и более сотни адронов. Лептоны считаются элементарными частицами, т.к. они, насколько известно, не распадаются на составные части, не обнаруживают никакой внутренней структуры и не имеют определённого размера. (Попытки определить размеры лептонов показали, что верхний предел со-

ставляет 10 − 18 м). С другой стороны, адроны оказались более сложными частицами. Эксперименты показали, что адроны обладают внутренней структурой, и их обилие наводит на мысль, что адроны совсем не элементарны. Для решения этой проблемы М. Гелл-Манн и Г. Цвейг в 1963 г. Независимо друг от друга высказали идею, согласно которой все известные адроны не элементарны, а построены из трёх более фундаментальных точечных объектов, называемых кварками . Подобно лептонам кварки представляют собой истинно элементарные частицы . Три «сорта» кварков были обозначены буквами u ( up – вверх), d ( down – вниз), s ( strange – странный). Предполагается, что кварки имеют дробный электрический заряд (равный 1/3 или 2/3 заряда электрона, т.е. меньше заряда, который раньше считался минимальным). Все известные в то время адроны теоретически можно было построить из кварков трёх видов: u , d , s . Мезоны состоят из сочетания кварк-антикварк. Например, π + -мезон представляет собой пару ud . Барионы состоят из трёх кварков. Например, нейтрон n = ddu , а антипротон ~ p = uud . Вскоре после появления гипотезы кварков физики занялись поиском этих частиц с дробным знаком. Хотя имеются новейшие экспериментальные доказательства их существования, непосредственно обнаружить кварки не удалось. Было высказано предположение, что кварки очень сильно связаны и не существуют в свободном состоянии (заключены в адронах). В 1964 г. ряд физиков высказали предположение о существовании четвертого кварка. Они основывались на глубокой симметрии природы, включая связь кварков и лептонов. Если существует (как считали в 60-х годах) четыре лептона, то и кварков должно быть четыре. Четвертый кварк получил название очарованный . Его электрический заряд должен быть равен 2/3 е . Кроме того, этот кварк должен обладать ещё одним свойством, отличающим его от трёх остальных кварков. Это новое свойство, или квантовое число, было названо очарованием . Предполагалось, что очарование ведёт себя подобно странности: сохраняется в сильном и электромагнитном взаимодействии и не сохраняется в слабом взаимодействии. У нового очарованного кварка с = +1, у его антикварка с = – 1. Между тем до 1974 г. необходимости в очарованном кварке не возникало. В этом году был открыт тяжёлый J / Ψ-мезон: его масса 3100 МэВ. Для объяснения существования этого тяжёлого мезона и дру-

гих тяжёлых мезонов, которые были открыты позже, и понадобился очарованный кварк. После открытия (экспериментального) τ-лептона с массой 178 МэВ и соответствующего ν τ -семейства лептонов стало насчиты- ваться шесть частиц (и шесть античастиц). Исходя из закона, предположили существование ещё двух кварков: b -кварки ( bottom – низ или beauty – красивый) и t -кварки ( truth – истинное). Соответственно, новые свойства (квантовые числа), отличающие новые кварки от ранее известных, называются t и b -свойствами или истиной и красотой . Вскоре после сформирования модели кварков было выдвинуто предположение, что кварки обладают ещё одним свойством (или качеством), которое получило название цвет . Различие между пятью и шестью кварками u , d , s , c , b , t стали называть ароматом . Согласно существующим представлениям, каждый из ароматов кварка может иметь три цвета, обычно обозначаемых как красный , зеленый и синий . Цвета антикварков называются, соответственно антикрасный, антизеленый и антисиний. Барионы содержат три кварка – по одному каждого цвета; мезоны состоят из пары кварк-антикварк определенного цвета и соответствующего антицвета, поэтому и барионы, и мезоны оказываются «белыми» или «бесцветными». Первоначально цвета кварков были введены для того, чтобы удовлетворить принципу Паули для частиц со спинами 1/2 (или любым полуцелым спином, например 3/2 , 5/2 и т. д.), таких как электрон или нуклон. Т.к. спин кварков равен 1/2, они должны подчиняться принципу Паули. Но у трёх барионов uuu , ddd , sss все три кварка имели бы одинаковые квантовые числа и по крайней мере у двух из них спины имели бы одинаковое направление (т.к. существует только два возможных направления спина +1/2 и –1/2). Это означало бы нарушение принципа Паули. Но если бы кварки обладали дополнительным числом (цветом), которое у каждого кварка принимало своё значение, то кварки могли бы различаться этим квантовым числом и принцип Паули не нарушался бы. Хотя цвет кварков и связанное с ним (троекратное) увеличение числа кварков были введены искусственно, это позволило улучшить согласие теории с экспериментом и, в частности, предсказать правильное время жизни π 0 -мезона. Кроме того, представление в цвете вскоре стало центральным моментом теории, поскольку именно с цветом стали связывать взаимодействие, удерживающее кварки в адроне. Каждому кварку приписывается цветовой заряд , аналогичный электрическому заряду, сильное взаимодействие между кварками часто называют цветовым

взаимодействием . Новая теория сильного взаимодействия получила название квантовой хромодинамики («хрома» – цвет). Считается, что сильное взаимодействие адронов сводится к взаимодействию составляющих его кварков. Частицы, переносящие взаимодействие, называются глюонами (от англ. glue – клей). Согласно теории существует восемь глюонов – все с нулевой массой покоя, часть из них имеют цветовой заряд. Таким образом, глюоны пришли на смену мезонам в качестве частиц, переносящих сильное взаимодействие (цвето- вое). Переносчиками слабого взаимодействия являются W + — и Z 0 — частицы. Это взаимодействие обусловлено слабым зарядом, которым обладает каждая частица. Таким образом , у каждой элементарной частицы есть электри- ческий заряд , слабый заряд , цветовой заряд и гравитационная масса (хотя одна или даже несколько из этих характеристик могут быть равны нулю). Например, цветовой заряд всех лептонов равен нулю, поэтому они не участвуют в сильном взаимодействии. Резюмируя все вышеизложенное, можно сделать вывод, что в современных теориях истинно элементарными частицами являются фото- ны, лептоны, кварки, глюоны, W + — и Z 0 -частицы. До сих пор наблюдались только комбинации кварков (барионы, мезоны). Весьма вероятно, что кварки не существуют в свободном состоянии. С другой стороны, некоторые физики считают, что лептоны и кварки не являются фундаментальными частицами, а состоят из ещё более фундаментальных частиц. 10.6. Великое объединение (идеи объединения фундаментальных взаимодействий) Одна из главных задач физики – описать разнообразие природы единым способом. Самые большие научные достижения прошлого были шагами к этой цели: объединение земной и небесной механики Исааком Ньютоном в XVII столетии; оптики с теорией электричества и магнетизма Джеймсом Клерком Максвеллом в XIX столетии; геометрии про- странства-времени и гравитации Альбертом Эйнштейном с 1905 по 1916 г., а также химии и атомной физики в квантовой механике в 20-х годах. Последняя в ряду таких объединений − Стандартная модель взаимодействия элементарных частиц (СМ), включающая в себя минимальную модель электрослабого взаимодействия Глэшоу–Вайнберга– Салама и квантовую хромодинамику (КХД). Можно сказать, что на се-

годняшний день именно СМ является реальным итогом многолетней работы сотен тысяч людей, от теоретиков до простых инженеров и лаборантов. Есть идеи относительно того, как теория сильных взаимодействий может быть объединена с теорией слабых и электромагнитных взаимодействий. Такое объединение часто называется великим объединением, но оно может сработать, только если подключить гравитацию. Это само по себе является тяжелейшей задачей. В теории ненарушенной калибровочной симметрии, которая лежит в основе Стандартной модели сильного и электрослабого взаимодействий, массы всех фундаментальных частиц равны нулю. Ненулевыми они становятся в результате спонтанного нарушения симметрии в процессе взаимодействия с хиггсовым полем, квантами которого являются бозоны Хиггса с нулевым спином и неизвестной (плохо предсказываемой теоретически) массой. Существование бозонов Хиггса предсказано в теории электрослабого взаимодействия, а их поиск является одной из важнейших задач физики элементарных частиц ближайшего будущего. Стандартная модель − квантово-полевая теория. Основные объекты такой теории − поля, включая электромагнитное поле. Колебания таких полей переносят энергию и импульс. Эти волны собираются в пакеты, или кванты, которые наблюдаются в лаборатории как элементарные частицы. В частности, квант электромагнитного поля − частица, известная как фотон. Стандартная модель включает в себя поля для каждого типа элементарных частиц (рис. 10.3). Стандартная модель физики элементарных частиц описывает каждую частицу материи и каждую силу как квантовое поле. Элементарные частицы материи − три поколения фермионов ( a ). Каждое поколение этих частиц имеет сходную структуру свойств. Фундаментальные взаимодействия переносятся бозонами ( b ), которые организованы согласно трем близко родственным симметриям. Кроме того, одна или большее количество частиц или полей Хиггса ( c ) порождают массы других полей. Имеются лептонные поля, кванты которых представляют собой знакомые нам электроны. Более тяжелые частицы известны как мюмезоны (μ) и тау-мезоны (τ), а также соответствующие им электрически нейтральные частицы, известные как нейтрино ( ν ). Имеются также поля для кварков различных типов, некоторые из которых связаны вместе внутри протонов и нейтронов, составляющих ядра обычных атомов. Силы между этими частицами обусловлены процессами обмена фотонами и калибровочными бозонами W + , W − и Z 0 , передающими слабые

взаимодействия, а также восьмью типами глюонов, ответственных за сильное взаимодействие. Эти частицы демонстрируют широкое разнообразие масс, в котором скрыта еще не открытая закономерность, где электрон в 350000 раз легче, чем самый тяжелый кварк, а нейтрино еще легче, чем электрон. Рис. 10.3 Стандартная модель не позволяет рассчитать любую из этих масс, пока мы не введем в нее дополнительные скалярные поля. «Скаляр» означает, что эти поля не чувствительны к направлению в пространстве, в отличие от электрических, магнитных и других полей Стандартной модели. Скалярные поля могут заполнять все пространство, не противореча изотропным свойствам пространства. Взаимодействие других полей Стандартной модели со скалярными полями, как полагают, дает массы частицам Стандартной модели. Чтобы завершить Стандартную модель, необходимо подтвердить существование скалярных полей и выяснять, сколько существует типов полей. Это − проблема обнаружения новых элементарных частиц, часто называемых частицами Хиггса, которые могут быть зарегистрированы по схеме, изображенной на рис. 10.4, как кванты этих полей. Имеется достаточно оснований ожидать, что эта задача будет выполнена к 2020 г., поскольку ускоритель, называемый Большим адронным коллайдером (рис. 10.5) Европейской лаборатории физики элементарных частиц, близ Женевы (CERN), будет работать для этого более десяти лет. На этом коллайдере, по крайней мере, должна быть обнаружена единственная электрически нейтральная скалярная частица.

Рис. 10.4

Рис. 10.5

Объединение разнородных явлений в одной теории уже долгое время является центральной темой физики. Стандартная модель физики частиц успешно описывает три (электромагнетизм, слабые и сильные взаимодействия) из четырех известных науке сил, но впереди еще окончательное объединение с общей теорией относительности, которая описывает гравитацию и природу пространства и времени (табл. 2).

Таблица 2
электричество	электромагне-
магнетизм
	тизм	электрослабое
свет
	взаимодействие	Стандартная
бета-распад			слабое взаимо-
нейтрино	действие	модель
протоны	сильное взаимодействие		?
нейтроны
пионы
земное при-
тяжение	универсальная гравитация		Общая теория
небесная ме-
	относительности
ханика
	геометрия пространства-времени

Развитие физики элементарных частиц, изучение ранней Вселенной и требования математической согласованности приведут к созданию полной, единой теории. 138

Контрольные вопросы 1. Что вы понимаете под элементарными частицами? 2. Какого общее число известных элементарных частиц? 3. Назовите основные классы элементарных частиц и их наиболее важных представителей? 4. Дайте понятие стабильных, квазистабильных и нестабильных элементарных частиц? 5. Какие существуют три уровня микромира? 6. Какова природа первичного и вторичного космического излучений? Назовите их свойства. 7. Приведите примеры распада π-мезонов. Дайте характеристику π -мезонам. 8. Какие фундаментальные типы взаимодействий осуществляются в природе и как их можно охарактеризовать? Какой из них является универсальным? 9. Что называется константой взаимодействия 10. Какие законы сохранения выполняются для всех типов взаимодействий элементарных частиц? 11. Что является фундаментальным свойством всех элементарных частиц? 12. Назовите свойства нейтрино и антинейтрино. В чем их сходство и различие? 13. Какие характеристики являются для частиц и античастиц одинаковыми? Какие – разными? 14. Что такое странность и четность элементарных частиц? Для чего они вводятся? Всегда ли выполняются законы их сохранения? 15. Почему магнитный момент протона имеет то же направление, что и спин, а у электрона направления этих векторов противоположны? 16. Какие законы сохранения выполняются при сильных взаимодействиях элементарных частиц? при слабых взаимодействиях? 17. Каким элементарным частицам и почему приписывают лептонное число? барионное число? В чем заключаются законы их сохранения? 18. Зачем нужна гипотеза о существовании кварков? Что объясняется с ее помощью? В чем ее трудность? Что такое хромодинамика? 19. Почему потребовалось введение таких характеристик кварков, как цвет и очарование? 139

Элементарные частицы

Элементарные частицы были впервые открыты и изучены в ходе исследования ядерных процессов. В связи с этим в течение долгого времени физика элементарных частиц являлась одним из разделов ядерной физики. И только с середины 20 -го века физика элементарных частиц выделилась в отдельное, самостоятельное направление. Оба эти раздела физики до сих пор объединяются общностью изучаемых явлений и применяемых методов исследования. Но есть у этих направлений и отличия. Основной задачей физики элементарных частиц является исследование природы, свойств и взаимных превращений элементарных частиц.

Из истории вопроса

Первым из тех, кто задумался о существовании мельчайших частиц, из которых состоят все вещества и окружающие предметы, был древнегреческий философ Демокрит. Он был первым, кто высказал предположение о существовании фундаментальных частиц. Согласно письменным источникам, случилось это в 4 веке до нашей эры. Демокрит дал название атому и определил, что это неделимая частица материи.

В течение ряда веков понятие об атомах носило скорее философский, чем физический смысл. И только начиная с 19 века представление об атомах стали использовать сначала для объяснения химических, а затем и физических процессов.

В 30 -е годы 19 столетия Макс Фарадей ввел в обиход понятие иона в рамках теории электролиза, а также выполнил изменение элементарного заряда. К концу столетия Антуан Анри Беккерель открыл явление радиоактивности, Джозеф Томсон установил существование электронов, Эрнест Резерфорд — α -частиц. В первые пять лет 20 века Альберт Эйнштейн разработал учение о фотонах (квантах электромагнитного поля). Все эти открытия были бы невозможны без понятия об атомах.

В течение первой трети 20 века было установлено, что атом имеет сложное строение, которое предполагает наличие ядра и расположенных вокруг него электронов. Эрнест Резерфорд предложил орбитальную модель строения атома, согласно которой электроны движутся вокруг ядра по определенным орбитам. Он же во время опытов по расщеплению ядер атомов установил существование протонов.

Открытие нейтронов принадлежит известному английскому физику Джеймсу Чедвику. Он установил, что ядра атомов имеют сложное строение. Так возникла протон-нейтронная теория строения ядер, разработкой которой занимались немецкий исследователь Вейнер Гейзенберг и наш соотечественник, физик-теоретик, лауреат Сталинской премии Дмитрий Дмитриевич Иваненко.

Существование позитрона было предсказано англичанином Полем Дираком. Эта положительно заряженная частица, имеющая такую же массу и такой же (по модулю) заряд, что и электрон, была открыта американским физиком-экспериментатором Карлом Дейвидом Андерсеном в космических лучах.

В тридцатых годах 20 -го века были открыты взаимные превращения нейтронов и протонов. Было установлено, что элементарные частицы не являются неизменными. В это же время были открыты мюоны– частицы, масса которых составляет 207 электронных масс, а затем и пионы – частицы, которые обеспечивают взаимодействие между нуклонами в ядре атома.

До середины 20 века было открыто большое количество элементарных частиц. Это стало возможно благодаря широкому исследованию космических лучей, внедрению ускорительной техники, развитию ядерной физики.

Виды частиц

В наше время известно порядка 400 элементарных или субъядерных частиц. Большинство из них нестабильно: одни частицы могут самопроизвольно превращаться в другие с течением времени. Исключением из этого являются нейтрино, фотон, протон и электрон.

Время жизни нестабильных частиц значительно разнится. Дольше всех «живет» нейтрон: 15 минут. Существование μ -мезона ограничено отрезком времени в 2 , 2 · 10 – 6 секунды, нейтрального π -мезона – 0 , 87 · 10 – 16 с . Среднее время существования гиперонов, массивных частиц, составляет всего 10 – 10 с .

По продолжительности существования выделяют следующие группы частиц:

• относительно стабильные, время жизни которых превосходит 10 – 17 с ;
• короткоживущие, время жизни которых порядка 10 – 22 – 10 – 23 с .

Основые свойства элементарных частиц

Одним из наиболее важных свойств элементарных частиц является их способность к взаимным превращениям. Частицы способны поглощаться (возникать) и испускаться (исчезать). Это относится как к стабильным, так и к нестабильным частицам. Разница лишь в том, что стабильные частицы могут превращаться не самопроизвольно, а в результате взаимодействия с другими частицами.

В процессе аннигиляции (исчезновения) позитрона и электрона появляется фотон большой энергии.

При столкновении фотона, несущего достаточный заряд энергии, с ядром атома появляется электрон-позитронная пара.

Частицы и античастицы

Электрон является двойником позитрона. Антипротон отличается от протона наличием у него отрицательного электрического заряда. Нейтрон не имеет заряда. Антинейтрон отличается от нейтрона знаком магнитного момента и барионного заряда.

Наличие античастиц установлено для всех элементарных частиц. Встреча частицы и античастицы сопровождается аннигиляцией, в результате которой обе частицы превращаются в кванты излучения или частицы других видов.

Ученые предполагают существование антивещества. Теоретически, это возможно, если в ядре будут антинуклоны, а в оболочке атома позитроны. Взаимодействие вещества и антивещества может привести к выделению огромного количества энергии, которое будет превосходить энергию ядерных и термоядерных реакций.

Группы элементарных частиц

Информацию об основных элементарных частицах мы собрали в таблицу. Размещение частиц соответствует существующей ныне системе классификации элементарных частиц. Каждая из частиц имеет ряд характеристик: время жизни, масса, выраженная в электронных массах, электрический заряд в единицах элементарного заряда и спин, который также носит название момента импульса, выраженный в единицах постоянной Планка ħ = h 2 π .

Группа		Название частицы	Символ		Масса (в электронных массах)	Электрический заряд	Спин	Время жизни (с)
			Частица	Античастица
Фотоны		Фотон	γ		0	0	1	Стабилен
Лептоны		Нейтрино электронное	ν e	ν e ~	0	0	1 2	Стабильно
		Нейтрино мюонное	ν μ	ν μ ~	0	0	1 2	Стабильно
		Электрон	e –	e +	1	– 1 1	1 2	Стабилен
		Мю-мезон	μ –	μ +	206 , 8	– 1 1	1 2	2 , 2 · 10 – 6
Адроны	Мезоны	Пи-мезоны	π 0		264 , 1	0	0	0 , 87 · 10 – 16
			π +	π –	273 , 1	1 – 1	0	2 , 6 · 10 – 8
		К-мезоны	K +	K –	966 , 4	1 – 1	0	1 , 24 · 10 – 8
			K 0	K 0 ~	974 , 1	0	0	≈ 10 – 10 – 10 – 8
		Эта-нуль-мезон	η 0		1074	0	0	≈ 10 – 18
	Барионы	Протон	p	p ~	1836 , 1	1 – 1	1 2	Стабилен
		Нейтрон	n	n ~	1838 , 6	0	1 2	898
		Лямбда-гиперон	Λ 0	Λ 0 ~	2183 , 1	0	1 2	2 , 63 · 10 – 10
		Сигма-гипероны	Σ +	Σ + ~	2327 , 6	1 – 1	1 2	0 , 8 · 10 – 10
			Σ 0	Σ 0 ~	2333 , 6	0	1 2	7 , 4 · 10 – 20
			Σ –	Σ – ~	2343 , 1	– 1 1	1 2	1 , 48 · 10 – 10
		Кси-гипероны	Ξ 0	Ξ 0 ~	2572 , 8	0	1 2	2 , 9 · 10 – 10
			Ξ –	Ξ – ~	2585 , 6	– 1 1	1 2	1 , 64 · 10 – 10
		Омега-минус-гиперон	Ω –	Ω – ~	3273	– 1 1	1 2	0 , 82 · 10 – 11

Определение 3

Выделяют три основные группы элементарных частиц:

Определение 4

Фотоны представлены одной частицей. Это фотон – носитель электромагнитного взаимодействия.

Определение 5

К лептонам относятся легкие частицы:

• два сорта нейтрино (электронное и мюонное);
• электрон;
• μ -мезон.

Объединяет частицы из группы лептонов спин 1 2 . В таблицу мы включили только основные лептоны. На самом деле их намного больше.

Андроны делятся на две основные подгруппы:

К подгруппе мезонов относятся:

• нейтральные, а также положительно и отрицательно заряженные π -мезоны, чья масса составляет порядка 250 электронных масс;
• четыре K -мезона;
• η 0 -мезон.

Спин всех мезонов равен нулю.

Подгруппа барионов по сравнению с мезонами является более обширной и состоит из более тяжелых элементарных частиц. Нуклоны являются самыми легкими из барионов, затем идут гипероны. Масса омега-минус-гиперона составляет 3273 электронных массы. Спин барионов составляет 1 2 .

Кварковая гипотеза

Количество уже открытых и вновь открываемых частиц позволяет предположить, что существуют какие-то более мелкие фундаментальные частицы. В середине 20 века американский физик Мюррей Гелл-Ман выдвинул гипотезу существования кварков, фундаментальных частиц, из которых построены тяжелые элементарные частицы.

Согласно теории Гелл-Мана существует три кварка и три антикварка. Они могут объединяться, образуя различные сочетания.

В состав бариона входит три кварка. Для того, чтобы получить антибарион, должны объединиться три антикварка. Мезон образует пара кварк и антикварк.

Эта теория позволила объяснить существование уже открытых частиц и существование других, еще неизвестных науке. При этом, ряд свойств предсказанных частиц оказался неожиданным для исследователей.

Электрический заряд кварков должен выражаться дробными числами, равными 2 3 и 1 3 элементарного заряда.

Поиски кварков в космических лучах и на современных ускорителях высоких энергий оказались безуспешными. Считается, что кварки обладают очень большой массой. В связи с этим, получить кварки при тех энергиях, которые можно получить в современных ускорителях, не получается. Тем не менее, установлено, что кварки существуют внутри тяжелых элементарных частиц, таких как андроны.

Фундаментальные взаимодействия в природе

Определение 9

Фундаментальные взаимодействия – это процессы, сильно различающиеся по уровню энергии и времени протекания, в которые вступают элементарные частицы. Фундаментальными их называют потому, что их невозможно свести в другим, более простым взаимодействиям.

Определение 10

Выделяют 4 вида фундаментальных взаимодействий:

• сильное;
• электромагнитное;
• слабое;
• гравитационное.

Сильное взаимодействие

Это вид фундаментального взаимодействия также носит название ядерного, так как оно обуславливает прочную связь между нуклонами в ядре атома. Из числа элементарных частиц в сильном взаимодействии принимают участие андроны (мезоны и барионы).

Сильное взаимодействие считается короткодействующим, так как проявляется на расстоянии порядка 10 – 15 м и менее.

Электромагнитное взаимодействие

Благодаря этому виду взаимодействия возможно существование молекул и атомов. Оно определяет большинство свойств веществ, находящихся в трех агрегатных состояниях (твердом, жидком и газообразном). Оно обуславливает протекание процессов поглощения и излучения фотонов атомами и молекулами вещества, а также целый ряд других физических и химических процессов. Кулоновское отталкивание, существующее между протонами, объясняет неустойчивость ядер атомов с большими массовыми числами.

В электромагнитном взаимодействии могут участвовать любые частицы, которые обладают электрическим зарядом, а также кванты электромагнитного поля фотоны.

Слабое взаимодействие

Этот вид взаимодействия определяет ход наиболее медленных процессов, которые протекают в микромире, в том числе с участием нейтрино или антинейтрино.

В этом виде взаимодействия могут принимать участие любые элементарные частицы.

Примером слабого взаимодействия может служить β -распад нейтрона, который протекает с участием нейтрино или антинейтрино.

1 0 n → 1 1 ρ ⇒ 0 — 1 e + 0 0 v 0 ~

Также сюда можно отнести процессы распада частиц с большим временем жизни ( τ ≥ 10 – 10 с ), которые протекают без участия нейтрино.

Гравитационное взаимодействие

В связи с тем, что масса элементарных частиц мала, силами гравитационного воздействия между ними можно пренебречь. Гравитация имеет значение при взаимодействии космических объектов, чья масса огромна.

Теория обменного взаимодействия

В первой трети прошлого столетия у исследователей появилась гипотеза о том, что все взаимодействия в мире элементарных частиц осуществляются посредством обмена квантами какого-либо поля. Выдвинули эту гипотезу советские ученые И.Е. Тамм и Д.Д. Иваненко. Они провели параллели между взаимодействиями, которые возникают в результате обмена частицами, и обменом валентными электронами, которые при образовании ковалентной химической связи объединяются на незаполненных электронных оболочках.

Обменное взаимодействие – это взаимодействие, которое осуществляется путем обмена частицами.

Определение 12

Электромагнитное взаимодействие, которое наблюдается между заряженными частицами, сопровождается обменом фотонами, квантами электромагнитного поля.

Подтверждением верности теории обменного взаимодействия стали теоретические выкладки японского физика Х. Юкавы, который доказал, что сильное взаимодействие между нуклонами можно объяснить обменом гипотетическими частицами, которые получили название мезонов. Юкава вычислил массу этих частиц. Она оказалась приблизительно равно 300 электронным массам.

Спустя несколько лет частицы с такой массой действительно были обнаружены. Они были названы π-мезонов (пионов). В настоящее время известны три вида пионов: π + , π — и π 0 .

Теория электрослабого взаимодействия рассматривает электромагнитное поле и поле слабого взаимодействия как две разные характеристики одного поля. В таком поле помимо квантов взаимодействие обеспечивают и векторные бозоны.

Теория Великого объединения

После того, как удалось объединить в одну модель слабое и электромагнитное взаимодействия, у исследователей появилась уверенность в том, что связаны между собой все виды взаимодействий. Единственное, чего не хватает для полноты картины, это физического подтверждения таких взаимодействий. До получения доказательств теория остается лишь привлекательной научной гипотезой.

Для того, чтобы объединить слабое, электромагнитное и гравитационное взаимодействия, физики-теоретики предположили существование гипотетической частицы под названием гравитон. Однако до настоящего времени существование такой частицы не было подтверждено в ходе экспериментов.

Предполагается, что получить подтверждение теории Великого объединения в современных ускорителях невозможно. А все потому, что единое поле, которое объединяет все виды взаимодействий, существует только при очень больших энергиях частиц. Такая энергия частицы могла наблюдаться только на самых ранних этапах существования вселенной, сразу после Большого взрыва.

Предполагается, что Большой взрыв произошел 18 миллиардов лет назад. В теории, сразу после Большого взрыва температура могла достигать 1032 К , а энергия частиц E = k T достигать значений 1019 ГэВ. В таких условиях материя могла существовать в форме кварков и нейтрино, а все виды взаимодействий были объединены в одно силовое поле.

По мере расширения вселенной энергия частиц уменьшается. Из единого поля при энергиях частиц ≤ 1019 Г э В выделилось гравитационное взаимодействие. При энергиях порядка 1014 Г э В разделились сильное и электрослабое взаимодействия. При энергиях порядка 103 Г э В все четыре вида фундаментальных взаимодействий оказались разделенными. Параллельно этому началось формирование более сложных форм материи: нуклонов, ядер атомов, атомов, ионов.

Основываясь на законах физики, описывающих взаимодействие элементарных частиц, создана модель эволюции вселенной, на которую опирается вся современная космология.

Таблица элементарных частиц

В помещенную ниже таблицу элементарных частиц включены только частицы, среднее время жизни которых превышает 10 -10 с.

Таблица элементарных частиц

Они разбиты на три группы; особняком стоит фотон. В таблице указаны важнейшие характеристики частиц: заряд, масса покоя, спин, сохраняющиеся при ядерных взаимодействиях; кроме того, указана средняя-продолжительность жизни в свободном состоянии и способ распада.

Заряженной элементарной частице противопоставляется ее античастица, отличающаяся только знаком заряда. Взаимодействие легкой частицы со своей античастицей приводит к их исчезновению и рождению двух (или большего числа) фотонов. Подобный же процесс, происходящий с тяжелой частицей и ее античастицей, приводит к появлению π° — мезонов. Наоборот, взаимодействие достаточно энергичных фотонов с ядрами может привести-к появлению пары «частица — античастица». Нейтральные частицы отличаются от своих античастиц знаком спина.

В таблицу не включены многочисленные частицы, имеющие малую среднюю продолжительность жизни (менее 10 -10 с), не указаны также характеристики частиц, сохраняющиеся лишь при определенных типах взаимодействий.