Элементарные частицы

Тема: Элементарные частицы

         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).

Основные характеристики элементарных частиц

           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.

Классификация элементарных частиц

Под элементарными частицами понимают 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 ведет себя как единое целое. Элементарные частицы могут превращаться друг в друга.

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 нe, мюоннное нм и таоннное нф 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.

                 В настоящее время известны четыре вида взаимодействий между элементарными частицами: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное ( в порядке убывания интенсивности).

                  Сильное взаимодействие. Этот вид взаимодействия называют иначе ядерным, так как оно обеспечивает связь нуклонов в ядре. Интенсивность взаимодействия принято характеризовать безразмерной константой взаимодействия G2. Эта же константа характеризует вероятность процессов, обусловленных данным взаимодействием. Наибольшее расстояние, на котором проявляется сильное взаимодействие (радиус действия r) составляет примерно 10 -13 см. Частица, пролетающая со скоростью, близкой к с, в непосредственной близости к другой частице, будет взаимодействовать с ней в течение времени t = 10-23 сек. В соответствии с этим говорят, что сильное взаимодействие характеризуется временем взаимодействия ts порядка 10-23 сек.

                 Электромагнитное взаимодействие. Радиус действия электромагнитного взаимодействия не ограничен. Константа взаимодействия равна 1\137. Следовательно, интенсивность электромагнитного взаимодействия примерно в 100 раз меньше, чем сильного. Время, необходимое для того, чтобы проявилось взаимодействие, обратно пропорционально его интенсивности (или вероятности). Поэтому, для электромагнитного взаимодействия t = 10-21 сек.

                  Слабое взаимодействие. Слабое или распадное взаимодействие ответственно за все виды в-распадов ядер, за многие распады элементарных частиц, а также за все процессы взаимодействия нейтрино с веществом. Слабое взаимодействие, как и сильное, является краткодействующим. Константа взаимодействия равна 10-14. Время взаимодействия t = 10-9.

                        Гравитационное взаимодействие. Радиус действия не ограничен. Константа взаимодействия мала: 10-39. Соответственно, время взаимодействия t = 109. Гравитационное взаимодействие является универсальным, ему подвержены все элементарные частицы. Но в процессах микромира гравитационное взаимодействие ощутимой роли не играет.

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 если протон оторвал о себя увесистый кусочек 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.