Понятие спектра масс и элементарных частиц

Содержание.

1.Введение.

1.1. Понятие  спектра  масс  и  элементарных частиц.

1.2.Понятие кварков как элементарных  частиц.

2.Виды кварков. Новые кварки.

3.Глюоны – «клей» для кварков.

4. Неразделимость кварков и глюонов. Их невозможное существование друг от друга.

5.Закючение. Перспективы изучения проблемы, спорные вопросы и задачи, требующие решения в области изучения кварков.

 

 

 

 

 

Введение.

Аристотель считал, что вещество во Вселенной состоит из четырех  основных элементов – земли, воздуха, огня и воды, на которые действуют  две силы: сила тяжести, влекущая землю  и воду вниз, и сила легкости, под  действием которой огонь и  воздух стремятся вверх. Такой подход к строению Вселенной, когда все  делится на вещество и силы, сохраняется  и  по сей день. Всё  состоит  из вещества. Поэтому попробуем разобраться  в этой  теории. Ведь чаще всего  мы живём и не замечаем глобальных вещей, происходящих  в таком «большом»  и не предсказуемом микромире. Не задаёмся вопросом, что же является основой основ? Из чего состоим мы и окружающая нас Вселенная.

1. Понятие  спектра  масс и  элементарных частиц. Элементарными частицами современная физика условно называет большую группу мельчайших микрочастиц, не являющихся атомами или атомными ядрами (за исключением протона, который является ядром атома водорода). В настоящее время истинно элементарными, т.е. такими, которые нельзя составить ни из каких других известных нам ныне частиц, являются электрон, позитрон, все виды нейтрино, фотоны и кварки.

Спектр масс — набор значений масс элементарных частиц.

Масса элементарной частицы  складывается из её «затравочной массы» и эффектов виртуального взаимодействия с физическим вакуумом, которые проявляются в виде перенормировки массы. Если последние поддаются вычислению в рамках квантовой теории поля, то «затравочные» массы являются первичными константами физических теорий. В условиях, отличных от физического вакуума (например, во внешних электромагнитных полях), значение массы частицы также может измениться (так называемая конечная перенормировка массы).

В 1966 году Марковым было высказано предположение о существовании элементарной частицы с экстремально большой массой — максимона. Более тяжелые частицы, длина волны де-Бройля которых меньше их гравитационного радиуса являются квантовыми чёрными дырами. Нахождением спектра масс квантовых чёрных дыр занимается квантовая теория гравитации.

Попытки аналитического вывода спектра масс из первых принципов  пока не увенчались успехом. Объяснение спектра масс наблюдаемых частиц является одним из актуальных вопросов современной физики. Нас же интересуют процессы, происходящие в рамках квантовой хромодинамики и поведение таких крошечных частиц как кварки и глюоны - строительные блоки для таких более крупных частиц, как протоны и нейтроны, которые, в свою очередь, формируют атомы. Однако кварки и глюоны ведут себя совсем по-другому, чем те большие частицы, делая их изучение более трудным. 
1.2.Понятие кварков как элементарных частиц.

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.

Мы уже знаем, что ни атомы, ни находящиеся внутри атома  протоны с нейтронами не являются неделимыми, а потому возникает вопрос: что же такое настоящие элементарные частицы – те исходные кирпичи, из которых все состоит? Поскольку  длины световых волн существенно  больше размеров атома, у нас нет  надежды "увидеть" составные части  атома обычным способом. Для этой цели необходимы значительно меньшие  длины волн. Согласно квантовой механике, все частицы на самом деле являются еще и волнами и чем выше энергия частицы, тем меньше соответствующая  длина волны. Таким образом, наш  ответ на поставленный вопрос зависит  от того, насколько высока энергия  частиц, имеющихся в нашем распоряжении, потому что ею определяется  насколько  мал масштаб тех длин, которые  мы сможем наблюдать. Единицы, в которых  обычно измеряется энергия частиц, называются электронвольтами. (Томсон в своих экспериментах для  ускорения электронов использовал  электрическое поле. Электронвольт  – это энергия, которую приобретает  электрон в электрическом поле величиной 1 вольт). В XIX в., когда умели использовать только частицы с энергиями в  несколько электронвольт, выделяющимися  в химических реакциях типа горения, атомы считались самыми мелкими  частями материи. В экспериментах  Резерфорда энергии альфа-частиц составляли миллионы электронвольт. Затем  научились  с помощью электромагнитных полей  разгонять частицы сначала до энергий в миллионы, а потом  и в тысячи миллионов электронвольт. Так  узнали, что частицы, которые  двадцать лет назад считались  элементарными, на самом деле состоят  из меньших частиц. А что если при переходе к еще более высоким  энергиям окажется, что и эти меньшие  частицы в свою очередь состоят  из еще меньших? Конечно, это вполне вероятная ситуация, но у нас сейчас есть некоторые теоретические основания  считать, что мы уже владеем или  почти владеем сведениями об исходных "кирпичиках", из которых построено  все в природе. Мюррей Гелл-Манн, теоретик из Калифорнийского технологического института, назвал эти частицы кварками. В 1969 г. за исследование кварков американский физик Гелл-Манн был удостоен Нобелевской премии. Название "кварк" взято из заумной стихотворной строки Джеймса Джойса: "Три кварка для мастера Марка!". По идее, слово quark должно произноситься так же, как слово quart (куорт), в которой буква t на конце заменена буквой k, но обычно его произносят так, что оно рифмуется со словом lark.

2.Виды кварков. Известно несколько разновидностей кварков: предполагают, что существует по крайней мере шесть "ароматов", которым отвечают u-кварк, d-кварк, странный кварк, очарованный кварк, b-кварк и t-кварк. Кварк каждого "аромата" может быть еще и трех "цветов" – красного, зеленого и синего. (Следует подчеркнуть, что это просто обозначения, так как размер кварков значительно меньше длины волны видимого света и поэтому цвета в обычном смысле слова у них нет). Протон и нейтрон состоят из трех кварков разных "цветов". В протоне содержится два u-кварка и один d-кварк, в нейтроне – два d-кварка и один u-кварк. Частицы можно строить и из других кварков (странного, очарованного, b и t), но все эти кварки обладают гораздо большей массой и очень быстро распадаются на протоны и нейтроны.

Новые кварки.

1. 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).

2.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).

 

3.t-Кварк (правдивый). Наконец, имеются основания считать, что должен существовать еще и шестойкварк 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).

3.Глюоны - «клей»  для кварков. Согласно современной теории сильных взаимодействий -КВАНТОВОЙ  ХРОМОДИНАМИКЕ, взаимодействие между кварками осуществляется при помощи восьми цветных  глюонов (от слова glue – клей. Глюоны «склеивают» кварки между собой, которые являются квантами, т.е. переносчиками сильного взаимодействия между кварками любых ароматов и цветов). Глюоны не имеют массы. 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, подтверждений.  
4.Неразделимость кварков и глюонов. Их невозможное  существование друг от друга. Следующий шаг в работе должен помочь понять, как взаимодействуют кварки и глюоны, что чрезвычайно отличается от взаимодействия больших частиц, и требуют особого подхода к их изучению. 
Некоторые факторы взаимодействия кварков и глюонов делают их более сложными для изучения. Во-первых, кварки ограничены пределами большей частицы, таким образом, они не могут быть отделены и изучены в изоляции. Кроме того, сила взаимодействия между двумя кварками увеличивается, когда они расходятся, тогда как эта сила между ядром и электроном или двумя нуклеонами в ядре слабеет при увеличении расстояния. 
Эти отличия можно объяснить качеством асимптотической свободы, за которую Дэвид Гросс, Дэвид Политзер и Франк Вилкзек MIT, Герман Фешбак (1942) профессор физики, получили Нобелевскую премию за 2004 год. Эта качество описывается как сила, произведенная обменом глюонов, которая ослабевает, когда кварки сближаются, и увеличивается при удалении. Как следствие, ни один из используемых аналитических методов, не может быть использован для успешного разрешения проблем ядерной физики, чтобы изучать кварки и глюоны. 
Поэтому физики используют теорию решётчатого поля с целью изучения взаимодействия QCD. Используя большие суперкомпьютеры, исследователи могут проанализировать QCD, представляя пространство-время четырехмерной решеткой отдельных пунктов, как кристалл. 
Вычисления выполняются компьютерами, специально изготовленными для этой цели, типа 360-teraflop BlueGene/L в Ливерморской национальной лаборатории в Ловерсе. 
Однако у нас нет прямых указаний на то, состоит ли вещество других галактик из протонов и нейтронов или из антипротонов и антинейтронов, но оно должно состоять из частиц одного типа: в пределах одной галактики не может быть смеси частиц и античастиц, потому что в результате их аннигиляции испускалось бы мощное излучение. Поэтому мы считаем, что все галактики состоят из кварков, а не из антикварков; вряд ли одни галактики состояли из вещества, а другие – из антивещества.

5. Заключение. Проблемы  изучения кварков и глюонов. 
Первое прямое экспериментальное доказательство существования глюонов было получено в 1979 году, когда в экспериментах на электрон-позитронном коллайдере PETRA в исследовательском центре DESY (Гамбург, ФРГ) были обнаружены события с тремя адронными струями ,две из которых порождались кварками и третья — глюоном. Косвенное доказательство существования глюонов было получено на десять лет раньше при количественном анализе процесса глубоко неупругого рассеяния электронов на протоне/нейтроне, проведённом в американской лаборатории SLAC. Свободные кварки до сих пор не наблюдались, несмотря на многолетние попытки, аналогичная ситуация и с глюонами. Однако в Фермилабе было статистически обнаружено одиночное рождение топ-кварка (его время жизни слишком мало, чтобы образовывать связанные состояния). Существуют некоторые указания на существование экзотических адронов, имеющих число валентных кварков больше. Предсказываемый глюбол (частица, состоящая из одних глюонов) пока не был обнаружен. В 2005 году на релятивистском коллайдере тяжёлых ионов RHIC была получена кварк-глюонная плазма.

«Попытки выявления фундаментальных  элементов строения природы привели  к последовательному изучению слоев  миров в пределах миров", - говорит  Дж. Неджел, профессор Колледжа физики в MIT работающий также в Лаборатории  ядерных исследований. Поэтому, можно  сказать, что касается проблемы кварков  и глюонов остается для нас  мало изученной областью. Из- за очень  малых размеров и отсутствия массы  этих элементарных частиц их исследование затрудненно. По большей части мы основываемся лишь на теоретических  расчетах и гипотезах. Так что  перед человеком лежит не простая  задача – разгадать «большую тайну» существования столь крошечных  элементарных частиц, знания о которых  возможно выведут человека на новую  ступень развития.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                   Список литературы.

1. Stephen W. Hawking.  A Brief History of Time From the Big Bang to Black Holes

Санкт-Петербург, 2001

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

4. В. Акоста, К. Кован,  Б. Грэм  « Основы современной физики», М. Просвещение, 1981;

5. В.Акоста, К.Кован, Б.Грэм  « Основы современной физики»,  М. Просвещение, 1981;

6.http://znaniya-sila.narod.ru/phisics/phisics_atom_04.htm

7.http://www.epochtimes.ru/content/view/35261/5/