2. Рождение и аннигиляция элементарных частиц

Согласно стандартной модели, все вещество (включая свет) состоит из 12 фундаментальных элементарных частиц и 12 частиц-переносчиков взаимодействий. В это число входят кварки (из которых состоят протоны и нейтроны), электроны, фотоны и другие элементарные частицы.

Станда́ртная моде́ль – конструкция в физике элементарных частиц, описывающая электромагнитное, слабое и сильное взаимодействие всех элементарных частиц. Стандартная модель не включает в себя гравитацию. Стандартная модель состоит из следующих положений.

• Все вещество состоит из 12 фундаментальных частиц-фермионов: 6 лептонов (электрон, мюон, тау-лептон, и три сорта нейтрино) и 6 кварков (u, d, s, c, b, t), которые можно объединить в три поколения фермионов.

• Кварки участвуют в сильных, слабых и электромагнитных взаимодействиях; заряженные лептоны (электрон, мюон, тау-лептон) – в слабых и электромагнитных; нейтрино – только в слабых взаимодействиях.

• Все три типа взаимодействий возникают как следствие постулата, что наш мир симметричен относительно трех типов калибровочных преобразований. Частицами-переносчиками взаимодействий являются:

8 глюонов для сильного взаимодействия (группа симметрии SU(3));

3 тяжелых калибровочных бозона (W⁺, W⁻, Z⁰) для слабого взаимодействия (группа симметрии SU(2));

один фотон для электромагнитного взаимодействия (группа симметрии U(1)).

Всем элементарным частицам присущ корпускулярно-волновой дуализм: с одной стороны, частицы представляют собой единые, неделимые объекты, с другой стороны, они в определенном смысле «размазаны» в пространстве. При некоторых условиях такая «размазанность» может принимать даже макроскопические размеры. Квантовая механика описывает частицу, используя так называемую волновую функцию, которая определяет не где точно находится частица, а где бы она могла находиться и с какой вероятностью. Таким образом, поведение частиц носит принципиально вероятностный характер: вследствие вероятностной «размазанности» частицы в пространстве мы не можем с абсолютной уверенностью определить ее местоположение (см. принцип неопределенности). Но в макромире дуализм незначителен. Пока неизвестны причины того, почему имеется именно такой набор частиц, причины наличия массы у некоторых из них и ряда других параметров. Перед физикой стоит задача построить теорию, в которой свойства частиц вытекали бы из свойств вакуума. Одной из попыток построить универсальную теорию стала теория струн, в рамках которой фундаментальные элементарные частицы представляют собой одномерные объекты (струны), отличающиеся только своей геометрией.

Способность к взаимным превращениям – это наиболее важное свойство всех элементарных частиц. Элементарные частицы способны рождаться и уничтожаться (испускаться и поглощаться). Это относится также и к стабильным частицам с той только разницей, что превращения стабильных частиц происходят не самопроизвольно, а при взаимодействии с другими частицами. Примером может служить аннигиляция (то есть исчезновение) электрона и позитрона, сопровождающаяся рождением фотонов большой энергии. Может протекать и обратный процесс – рождение электронно-позитронной пары, например, при столкновении фотона с достаточно большой энергией с ядром. Такой опасный двойник, каким для электрона является позитрон, есть и у протона. Он называется антипротоном. Электрический заряд антипротона отрицателен. В настоящее время античастицы найдены у всех частиц. Античастицы противопоставляются частицам потому, что при встрече любой частицы со своей античастицей происходит их аннигиляция, то есть обе частицы исчезают, превращаясь в кванты излучения или другие частицы. Античастица обнаружена даже у нейтрона. Нейтрон и антинейтрон отличаются только знаками магнитного момента и так называемого барионного заряда. Возможно существование атомов антивещества, ядра которых состоят из антинуклонов, а оболочка – из позитронов. При аннигиляции антивещества с веществом энергия покоя превращается в энергию квантов излучения. Это огромная энергия, значительно превосходящая ту, которая выделяется при ядерных и термоядерных реакциях.

В общей массе элементарных частиц можно выделить несколько характерных групп.

Фотоны – кванты (частицы, порции) электромагнитного поля. Не обладают массой покоя. Тем не менее могут переносить энергию и импульс. Энергия фотона . Импульс фотона . Где , , .

h называется постоянной Планка и она равна дж ∙ с. Фотоны – это частицы, которые принципиально не могут находиться в состоянии покоя. Они двигаются всегда со скоростью м/с. Это самая большая скорость в природе. Быстрее не может двигаться ни одна частица.

Красный свет имеет длину волны . При такой длине волны, фотон обладает энергией дж., или эв.

Много это или мало? Такую энергию приобретает электрон, перемещаясь между точками с разностью потенциалов в 2.3 в. Найдем скорость, которую может при этом приобрести такой электрон.

, отсюда м/с = 830 км/с.

То есть, если бы фотон красного света смог бы передать всю свою энергию электрону при столкновении с ним, то от такого пинка электрон разогнался бы до скорости 830 км/с. Весьма неплохо, вот только отдать всю энергию электрону при столкновении фотон не может, иначе нарушится закон сохранения импульса, а нарушать законы элементарные частицы не могут.

Если не учитывать релятивистские эффекты, то законы сохранения энергии и импульса при столкновении фотона с электроном, запишутся так:

и .

Отсюда получаем , но так как для нерелятивистских электронов, то

м/с = 2.31 км/с.

Следовательно, реальный "пинок", который получит электрон при столкновении с фотоном, будет намного меньше, но и фотон при этом почти не потеряет энергию.

Обычно в физике элементарных частиц приходится иметь дело с гораздо более высокими скоростями и энергиями. Этот пример я привел для того, чтобы еще раз подчеркнуть необычность проблемы, с которой столкнулись физики при изучении микромира. Всякий раз, сталкиваясь с необычным явлением, мы, прежде всего, стремимся его получше разглядеть. Если явление слишком далеко или слишком мелкое, мы используем специальные приборы: телескопы и микроскопы. Даже если мы что-то никак не можем разглядеть, нам все равно нужно знать, как оно выглядит, для того чтобы представить это нечто хотя бы в воображении. Настолько мы привыкли доверять своему зрению. Но объекты микромира принципиально нельзя разглядеть, ведь даже низкоэнергетичные красные фотоны способны принципиально разрушить ту картину микромира, которую мы хотели бы рассмотреть. При этом надо отметить, что красный свет принципиально не пригоден для рассматривания таких малых объектов, как электроны, из-за большой длины волны. Чтобы увидеть электроны мы должны были бы использовать волны (фотоны) с гораздо меньшей длиной волны и больше частотой. Такие высокоэнергетичные фотоны действуют на электроны, как противотанковые снаряды на биллиардные шары. Хотя любое сравнение явлений микромира и макромира нельзя принимать за реальность и всерьез.

С целью наблюдения микромира предложено несколько методов регистрации элементарных частиц.

Сцинтилляционные счетчики

Первоначально для регистрации элементарных частиц использовались люминесцентные экраны – экраны, покрытые специальным веществом, люминофором, способным преобразовывать поглощаемую ими энергию в световое излучение (люминесцировать). Элементарная частица при попадании в такой экран дает слабую вспышку, настолько слабую, что наблюдать ее можно только в полной темноте. Необходимо было иметь изрядные терпение и внимание, чтобы, сидя в полной темноте, часами подсчитывать количество замеченных вспышек.

В современном сцинтилляционном счетчике подсчет вспышек производится автоматически. Счетчик состоит из сцинтиллятора, фотоумножителя и электронных устройств для усиления и подсчета импульсов.

Сцинтиллятор преобразует энергию частицы в кванты видимого света.

Кванты света попадают в фотоумножитель, который преобразует их в импульсы тока.

Импульсы усиливаются электрической схемой и автоматически сосчитываются.

Химические методы.

Химические методы основаны на том, что ядерные излучения являются катализаторами некоторых химических реакций, то есть ускоряют или создают возможность их протекания.

Калориметрические методы.

В калориметрических методах регистрируют количество теплоты, которая выделяется при поглощении излучения веществом. Один грамм радия, например, выделяет в час примерно 585 дж. тепла.

Методы, основанные на применении эффекта Черенкова.

Ничто в природе не может двигаться быстрее света. Но когда мы так говорим, мы имеем в виду движение света в вакууме. В веществе свет распространяется со скоростью , где с – скорость света в вакууме, а n – показатель преломления вещества. Следовательно, в веществе свет движется медленнее, чем в вакууме. Элементарная частица, двигаясь в веществе, может превысить скорость света в этом веществе, не превосходя при этом скорость света в вакууме. В этом случае возникает излучение, которое открыл в свое время Черенков. Излучение Черенкова регистрируется фотоумножителями так же, как и в сцинтилляционном методе. Метод позволяет регистрировать только быстрые, то есть обладающие высокими энергиями, элементарные частицы.

Следующие методы не только позволяют зарегистрировать элементарную частицу, но и увидеть ее след.

Камера Вильсона.

Изобретена Чарльзом Вильсоном в 1912 г., а в 1927 г. он получил за нее Нобелевскую премию. Камера Вильсона – это очень сложное инженерное сооружение. Мы приводим только упрощенную схему.

Рабочий объем камеры Вильсона заполнен газом и содержит в себе пар воды или спирта. При быстром перемещении поршня вниз газ резко охлаждается и пар становится перенасыщенным. Когда в этом пространстве пролетает частица, создающая на своем пути ионы, то на этих ионах образуются капельки сконденсировавшегося пара. В камере возникает след траектории частицы (трек) в виде узкой полоски капелек тумана. При сильном боковом освещении трек можно видеть и сфотографировать.

Пузырьковая камера (изобретена Глезером в 1952 г.).

Пузырьковая камера действует аналогично камере Вильсона. Только в качестве рабочего тела используется не переохлажденный пар, а перегретая жидкость (пропан, жидкий водород, азот, эфир, ксенон, фреон...). Перегретая жидкость, так же как и переохлажденный пар, находится в неустойчивом состоянии. Пролетающая через такую жидкость частица образует ионы, на которых сразу же образуются пузырьки. Жидкостная пузырьковая камера эффективнее газовой камеры Вильсона. Физикам ведь важно не только наблюдать трек пролетевшей частицы. Важно, чтобы в пределах области наблюдения частица столкнулась с другой частицей. Картина взаимодействия частиц гораздо более информативна. Пролетая через более плотную жидкость, в которой высокая концентрация протонов и электронов, частица имеет гораздо больше шансов испытать столкновение.

Эмульсионная камера.

Впервые использовалась советскими физиками Мысовским и Ждановым. Фотографическая эмульсия изготавливается на основе желатины. Продвигаясь в плотной желатине, элементарная частица подвергается частым столкновениям. За счет этого путь частицы в эмульсии часто очень короткий и его после проявления фотоэмульсии изучают под микроскопом.

Искровая камера (изобретатель Краншау)

В камере А расположена система сетчатых электродов. На эти электроды подается высокое напряжение с блока питания Б. Когда через камеру пролетает элементарная частица В, она создает ионизированный след. По этому следу проскакивает искра, которая и делает видимым трек частицы.

Стриммерная камера.

Стриммерная камера аналогична искровой, только расстояние между электродами больше (до полуметра). Напряжение на электроды подается на очень короткое время с таким расчетом, чтобы настоящая искра не успела бы развиться. Возникнуть успевают только зачатки искры – стриммеры.

Счетчик Гейгера.

Счетчик Гейгера представляет собой, как правило, цилиндрический катод, вдоль оси, которого натянута проволока – анод. Система заполнена газовой смесью.

При прохождении через счетчик заряженная частица ионизирует газ. Образующиеся электроны, двигаясь к положительному электроду - нити, попадая в область сильного электрического поля, ускоряются и в свою очередь ионизуют молекулы газа, что приводит к коронному разряду. Амплитуда сигнала достигает нескольких вольт и легко регистрируется.

Счетчик Гейгера регистрирует факт прохождения частицы через счетчик, но не позволяет измерить энергию частицы.