u_lectures

471

сом для построения всех адронов. Гипотеза о существовании таких частиц, названных кварками, была высказана независимо друг от друга (1964 г.) австралийским физиком Дж. Цвейгом (1937 г.) и Гелл-Манном.

Согласно модели Гелл-Манна-Цвейга, все известные в то время адроны можно было построить, постулировав существование трех типов

кварков (u, d, s) и соответствующих антикварков (u, d, s). Самое удиви-

тельное свойство кварков связано с их электрическим зарядом, поскольку еще никто не находил частицы с дробным значением элемен-

тарного электрического заряда. Спин кварка равен 12 .

Во избежание трудностей со статистикой (некоторые барионы, например Ω- - гиперон, состоят из трех одинаковых кварков (sss), что запрещено принципом Паули) на данном этапе предполагают, что каждый кварк (антикварк) обладает специфической квантовой характеристикой - цветом: “желтым”, “синим” и “красным”. Тогда, если кварки имеют неодинаковую “окраску”, принцип Паули не нарушается.

Кварковая модель оказалась весьма плодотворной, она позволила определить все основные квантовые числа андронов. Кроме того, позволила предсказать также и новые частицы, например, Ω- - гиперон. Однако при использовании этой модели возникают и трудности. Кварковая модель не позволяет, например, определить массу адронов, поскольку для этого необходимо знание динамики взаимодействия кварков и их масс, которые пока не известны.

Является ли схема из шести лептонов и шести кварков окончательной или же число лептонов (кварков) будет расти, покажут дальнейшие исследования.

15.11. Фундаментальные взаимодействия элементарных частиц

Процессы, в которых участвуют различные элементарные частицы, сильно различаются по характерным временам их протекания и энергиям. Согласно современным представлениям, в природе осуществляется четыре типа взаимодействий, которые не могут быть сведены к другим, более простым видам взаимодействий: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Эти типы взаимодействий называют фундаментальными. Для всех типов взаимодействия элементарных частиц выполняются законы сохранения энергии, импульса, момента импульса и электрического заряда.

472

Сильное (или ядерное) взаимодействие – это наиболее интенсивное из всех видов взаимодействий. Они обуславливает исключительно прочную связь между протонами и нейтронами в ядрах атомов. В сильном взаимодействии могут принимать участие только тяжелые частицы – адроны (мезоны и барионы). Сильное взаимодействие проявляется на расстояниях порядка и менее 10–15 м. Поэтому его называют короткодействующим.

Электромагнитное взаимодействие. В этом виде взаимодействия могут принимать участие любые электрически заряженные частицы, а так же фотоны – кванты электромагнитного поля. Электромагнитное взаимодействие ответственно, в частности, за существование атомов и молекул. Оно определяет многие свойства веществ в твердом, жидком и газообразном состояниях. Кулоновское отталкивание протонов приводит к неустойчивости ядер с большими массовыми числами. Электромагнитное взаимодействие обуславливает процессы поглощения и излучения фотонов атомами и молекулами вещества и многие другие процессы физики микро- и макромира.

Слабое взаимодействие – наиболее медленное из всех взаимодействий, протекающих в микромире. В нем могут принимать участие любые элементарные частицы, кроме фотонов. Слабое взаимодействие ответственно за протекание процессов с участием нейтрино или антинейтрино, например, β- распад нейтрона

1 1 0 0	~
0 n→1 p+−1e+0	νe ,

а также безнейтринные процессы распада частиц с большим временем жизни

(τ ≥ 10–10 с).

Гравитационное взаимодействие присуще всем без исключения частицам, однако из-за малости масс элементарных частиц силы гравитационного взаимодействия между ними пренебрежимо малы и в процессах микромира их роль несущественна. Гравитационные силы играют решающую роль при взаимодействии космических объектов (звезды, планеты и т. п.) с их огромными массами.

В 30-е годы XX века возникла гипотеза о том, что в мире элементарных частиц взаимодействия осуществляются посредством обмена квантами како- го-либо поля. Эта гипотеза первоначально была выдвинута нашими соотечественниками И.Е. Таммом и Д.Д. Иваненко. Они предположили, что фундаментальные взаимодействия возникают в результате обмена частицами, по-

473

добно тому, как ковалентная химическая связь атомов возникает при обмене валентными электронами, которые объединяются на незаполненных электронных оболочках.

Взаимодействие, осуществляемое путем обмена частицами, получило в физике название обменного взаимодействия. Так, например, электромагнитное взаимодействие между заряженными частицами, возникает вследствие обмена фотонами – квантами электромагнитного поля.

Теория обменного взаимодействия получила признание после того, как

в1935 г. японский физик Х. Юкава теоретически показал, что сильное взаимодействие между нуклонами в ядрах атомов может быть объяснено, если предположить, что нуклоны обмениваются гипотетическими частицами, получившими название мезонов. Юкава вычислил массу этих частиц, которая оказалась приблизительно равной 300 электронным массам. Частицы с такой массой были впоследствии действительно обнаружены. Эти частицы получили название π-мезонов (пионов). В настоящее время известны три вида пио-

нов: π+, π– и π0 (см. табл. 6.9.1).

В1957 году было теоретически предсказано существование тяжелых частиц, так называемых векторных бозонов W+, W– и Z0, обуславливающих обменный механизм слабого взаимодействия. Эти частицы были обнаружены

в1983 году в экспериментах на ускорителе на встречных пучках протонов и антипротонов с высокой энергией. Открытие векторных бозонов явилось очень важным достижением физики элементарных частиц. Это открытие ознаменовало успех теории, объединившей электромагнитное и слабое взаимодействия в единое так называемое электрослабое взаимодействие. Эта новая теория рассматривает электромагнитное поле и поле слабого взаимодействия как разные компоненты одного поля, в котором наряду с квантом электромагнитного поля участвуют векторные бозоны.

После этого открытия в современной физике значительно возросла уверенность в том, что все виды взаимодействия тесно связаны между собой и, по существу, являются различными проявлениями некоторого единого поля. Однако объединение всех взаимодействий остается пока лишь привлекательной научной гипотезой.

Физики-теоретики прилагают значительные усилия в попытках рассмотреть на единой основе не только электромагнитное и слабое, но и силь-

474

ное взаимодействие. Эта теория получила название Великого объединения. Ученые предполагают, что и у гравитационного взаимодействия должен быть свой переносчик – гипотетическая частица, названная гравитоном. Однако эта частица до сих пор не обнаружена.

В настоящее время считается доказанным, что единое поле, объединяющее все виды взаимодействия, может существовать только при чрезвычайно больших энергиях частиц, недостижимых на современных ускорителях. Такими большими энергиями частицы могли обладать только на самых ранних этапах существования Вселенной, которая возникла в результате так называемого Большого взрыва (Big Bang). Космология – наука об эволюции Вселенной – предполагает, что Большой взрыв произошел 18 миллиардов лет тому назад. В стандартной модели эволюции Вселенной предполагается, что в первый период после взрыва температура могла достигать 1032 К, а энергия частиц E = kT достигать значений 1019 ГэВ. В этот период материя существовала в форме кварков и нейтрино, при этом все виды взаимодействий были объединены в единое силовое поле. Постепенно по мере расширения Вселенной энергия частиц уменьшалась, и из единого поля взаимодействий сначала выделилось гравитационное взаимодействие (при энергиях частиц ≤ 1019 ГэВ), а затем сильное взаимодействие отделилось от электрослабого (при энергиях порядка 1014 ГэВ). При энергиях порядка 103 ГэВ все четыре вида фундаментальных взаимодействий оказались разделенными. Одновременно с этими процессами шло формирование более сложных форм материи

– нуклонов, легких ядер, ионов, атомов и т. д. Космология в своей модели пытается проследить эволюцию Вселенной на разных этапах ее развития от Большого взрыва до наших дней, опираясь на законы физики элементарных частиц, а также ядерной и атомной физики.

475

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

Список основной литературы

1.Савельев И.В. Курс общей физики. Механика. Книга 1. Учебное пособие для втузов. Москва, изд-во Астрель·Аст, 2004 г, 268 с.

2.Савельев И.В. Курс общей физики. Молекулярная физика и термодинамика. Книга 3. Учебное пособие для втузов. Москва, изд-во Астрель·Аст, 2003 г, 262 с.

3.Савельев И.В. Курс общей физики. Электричество и магнетизм. Книга 2. Учебное пособие для втузов. Москва, изд-во Астрель·Аст, 2004 г, 336 с.

4.Савельев И.В. Курс общей физики. Волны оптика. Книга 4. Учебное пособие для втузов. Москва, изд-во Астрель·Аст, 2003 г, 256 с.

5.Савельев И.В. Курс общей физики. Квантовая оптика. Атомная физика. Физика твердого тела. Книга 5. Учебное пособие для втузов. Москва, изд-во Астрель·Аст, 2003 г, 368 с.

6.Фриш С.Э., Тиморева А.В. Курс общей физики в 3-х томах. Том 1 – 11 издание, том 2 – 10 издание, том 3 – 8 издание. Изд. Лань, Санкт-

Петербург, 2006 г., 1640 с.

7.Зисман Г.А., Тодес О.М. Курс общей физики. В 3-х томах, 7-е издание. Изд-во дом Лань, Санкт-Петербург, 2007 г. 1184 с.

8.Трофимова Т.И. Курс физики. 4-е издание. М, Высш.школа, 2004 г.

478 с.

Список дополнительной литературы

1.Стрелков С.П. Механика. 4-е издание. Изд-во дом Лань, СанктПетербург, 2005 г. 560 с.

2.Кикоин А.К., Кикоин И.К. Молекулярная физика. 3-е издание. Издво дом Лань, Санкт-Петербург, 2007 г. 484 с.

476

3.Ансельм А.М. Основы статистической физики и термодинамики. 2-е издание. Изд-во дом Лань, Санкт-Петербург, 2005 г. 624 с.

4.Парселл Э. Электричество и магнетизм. 4-е издание. Изд-во дом Лань, Санкт-Петербург, 2005 г. 416 с.

5.Калитеевский Н.И. Волновая оптика. 4-е издание. Изд-во дом Лань, Санкт-Петербург, 2006 г. 480 с.

6.Бордовский Г.А., Бурсин Э.В. Общая физика: Курс лекций с компьютерной поддержкой. Учебное пособие для студ. Высш. учеб. заведение. в 2-

хтомах. – М.: Изд-во Владос-пресс, 2001 г. – т.2. – 296 с.

7.Бурученко А.Е. Физика. Ч. 1. Учебное пособие. 2-е издание. КрасГАСА, Красноярск, 2003 г. 165 с.

8.Бурученко А.Е. Физика. Ч. 2. Учебное пособие. КрасГАСА, Красно-

ярск, 1999 г. 90 с.

9.Бурученко А.Е. Физика. Ч. 3. Учебное пособие. КрасГАСА, Красно-

ярск, 2000 г. 85 с.

10.Машуков А.В., Вершинин Н.И., Машукова А.Е. Учебное пособие, КГУЗМиЗ, Красноярск, 2006 г. 120 с.

11.Анохина В.С., Вершинина Н.И., Машуков А.В., Машукова А.Е. Электричество и магнетизм. Учебное пособие, КГУЦМиЗ, Красноярск, 2006

г. 140 с.

12.Анохина В.С., Вершинина Н.И., Машуков А.В., Машукова А.Е. КГУЦМиЗ, Красноярск, 2004 г. 144 с.