10. Элементарные частицы

После того, как физики установили, что атом не является последним кирпичиком мироздания и сам он построен из более простых элементарных частиц, идея поиска таких фундаментальных частиц заняла главное место в их исследованиях. По-прежнему мысль ученых была направлена на то, чтобы свести все многообразие сложных свойств тел и явлений природы к простым свойствам небольшого числа первичных частиц, названных элементарными.

Исторически электрон был первой элементарной частицей, открытой еще в конце прошлого века английским физиком Дж.Дж. Томсоном (1856–1940). В 1919 г. Резерфорд, бомбардируя атомы альфа-частицами, открыл протоны. В начале века был открыт фотон – квант света, в 1932 г. – нейтрон, а спустя четыре года – первая античастица – позитрон, которая по массе равна электрону, но имеет положительный заряд. В дальнейшем при исследовании космических лучей были обнаружены многие другие элементарные частицы. С начала 50-х годов основным средством открытия и исследования элементарных частиц стали ускорители заряженных частиц. С их помощью удалось открыть ряд античастиц, например антипротон. В 1970 и 1980-х годах поток открытий новых элементарных частиц усилился, и ученые заговорили о семействах элементарных частиц, которые стали называть "странными", "очарованными" и "красивыми".

1. Характеристики элементарных частиц

Общими для всех элементарных частиц характеристиками являютсямасса, время жизни, электрический заряд, спин и др. Одна из характерных особенностей элементарных частиц состоит том, что они имеют крайне незначительные массы и размеры. Например, масса такой характерной частицы как протон равна 1,610^–24г, а размеры порядка 10^–16см.

В зависимости от времени жизни, частицы делятся на стабильные (электрон, протон, фотон и нейтрино), квазистабильные (распадающиеся при электромагнитном и слабом взаимодействии, время их жизни порядка 10^–20сек) и резонансы (частицы, распадающиеся за счет сильного взаимодействия, типичное время жизни 10^–22 10^–24 сек).

Элементарные частицы – это маленькие вращающиеся волчки. Они характеризуются моментом импульсом, связанным с вращением частицы и называемым спиновым моментом или спином. Спин может принимать целые или полуцелые значения. Частицы с полуцелым спином называются фермионами, с целым спином –бозонами.

У многих частиц существуют двойники в виде античастицс теми же массой, временем жизни, спином, но отличающиеся знаками зарядов, например, электрон-позитрон, протон-антипротон. Существование античастиц было впервые предсказано в 1928 г. английским физиком П. Дираком на основе решения релятивистского уравнения движения для электрона.

2. Классификация элементарных частиц

Элементарными частицаминазывают фундаментальные, т.е. неделимые, количества вещества или энергии. В соответствии с этим определением проводят наиболее общую классификацию элементарных частиц, которая выделяет элементарные частицы, представляющие собойструктурные единицы вещества, и элементарные частицы, передающиефундаментальные взаимодействияи являющиеся квантами соответствующих полей.

Элементарные частицы вещества являются фермионами(т.е. имеют полуцелый спин) и бывают двух типов:кварки– основной строительный материал таких частиц, как протоны, нейтроны и –лептоны, к числу которых относятся электроны, мюоны и нейтрино.

Элементарные частицы, передающие взаимодействие, являются бозонами(обладают целым спином) и бывают четырех типов:гравитоны, передающие гравитационное взаимодействие,фотоны, передающие электромагнитное взаимодействие,слабые бозоны– для слабого взаимодействия иглюоны– для сильного ядерного взаимодействия.

Согласно современным представлениям, кварки являются теми самыми "кирпичиками", из которых построена материя.

Сейчас их считают “самыми элементарными” в том смысле, что из них могут быть “построены” все сильно взаимодействующие частицы. С позиции теории кварков уровень элементарных частиц – это область объектов, состоящих из кварков и антикварков. При этом хотя последние и считаются на данном уровне познания простейшими, самыми элементарными из известных частиц, сами они обладают сложными свойствами – зарядом, “очарованием”, “цветом” и другими необычными свойствами. Как в химии не обойтись без понятий “атом” и “молекула”, так и физика элементарных частиц не может обойтись без понятия “кварк”.

Считают, что при Большом Взрыве возникли не атомы и атомные частицы, а именно первичный строительный материал – кварки, из которого потом сформировались другие частицы. Большая заслуга в открытии кварков принадлежит американскому ученому Гелл Манну, который впервые предположил, что протоны, нейтроны, мезоны построены из кварков. Теория кварков наилучшим образом объясняет поведение атомов. Известно несколько разновидностей кварков, называемых "ароматами": u-кварк,d-кварк, странный кварк, очарованный кварк,b-кварк,t-кварк. Кварк каждого "аромата" может быть еще трех "цветов" – красного, зеленого, синего. Протон и нейтрон состоят из трех кварков различных цветов. В протоне содержатся дваu-кварка и одинd-кварк, в нейтроне – дваd-кварка и одинu-кварк.

Таким образом, согласно современным воззрениям, ни атомы, ни находящиеся внутри атомов протоны с нейтронами не являются неделимыми.

Обратимся еще раз к атомистической концепции, но уже с позиций наших знаний об элементарных частицах. Атомистическая концепция опирается на представление о дискретном строении материи, согласно которому объяснение свойств физического тела можно, в конечном счете, свести к свойствам составляющих его мельчайших частиц, которые на определенном этапе познания считаются неделимыми. Исторически такими частицами сначала признавались атомы, затем элементарные частицы и кварки. Трудности, которые возникают при таком подходе с общей мировоззренческой точки зрения связаны, во-первых, с абсолютизацией аспекта дискретности, неограниченной делимости материи, во-вторых, с полной редукцией сложного к простому, при которой не учитываются качественные различия между ними.

Поэтому с философской точки зрения особенно интересными представляются новые подходы к изучению строения материи, которые основываются не на поиске последних, неделимых ее части, а скорее на выявлении их внутренних связей для объяснения целостных свойств других материальных образований. По-видимому, на объединении концепции дискретности и атомизма, с одной стороны, и непрерывности, целостности и системного подхода, с другой стороны, следует ждать дальнейшего прогресса в познании фундаментальных физических свойств материи. Во всяком случае редукционистская тенденция, связанная с попытками сведения свойств и закономерностей разнообразных сложных объектов и явлений к простым свойствам составляющих их элементов, в настоящее время наталкивается на серьезные трудности, преодоление которых возможно путем поиска альтернативных путей исследования.