II. Классификация элементарных частиц по участию во взаимодействиях

Адроны – частицы, участвующие, прежде всего, в силь­ном, наряду с электромагнитном и сла­бом взаимодействиями; адроны не являются истинно элементарными частица­ми, т.к. имеют конечные размеры и сложную струк­туру		Лептоны – частицы, участвующие только в электромагнит­ном и/или слабом взаимодействиях (электрон, мюон, нейтрино)
барионы – это адроны с полуцелым спи­ном (нейтрон и протон называ­ют нуклонами)	мезоны – это адроны с целым спи­ном, их барионный заряд равен нулю

Кроме того, выделяют еще группу частиц, которые не являются строительным мате­риалом материи, но с их помощью осуществляется перенос взаимодействий. Считается, что все частицы об­ладают гравитационным взаимодействием.

Полагают, что электрон является истинной элементар­ной частицей. Нейтрино – наиболее распространенная частица во Вселенной. Нейтрино существует в виде электрон­ного, мюонного и тау-нейтрино. На долю мюонов прихо­дится значительная часть космического излучения; это субатомная частица, как и электрон, имеет тот же заряд и спин, но имеет большую массу (в 206,7 раз) и является нестабильной. За две миллионныедоли секунды она распадается на электрон и два нейтри­но. Третий заряженныйлептон ведет себя подобно электрону и мюону, но масса ее превышает массу электрона в 3500 раз.

Выявление об­щих свойств и различий огромное количество открытых адронов (более 300) было получено с помощью кварковой модели строения адронов, согласно которой адроны рассматриваются как частицы, имеющие сложную внутреннюю структуру. Фундаментальным структурным элементом адронов счи­таются кварки.

Кварк – частица со спином ¹/₂ и дробным электри­ческим зарядом. Кроме спина, кварки имеют еще две внутренние степени свободы, которые назвали «аромат» и «цвет».

4.4. Проблемы объединения фундаментальных взаимодействий

Современ­ная физика пытается раскрыть все содержание реального мира через проявления четырех видов взаимодействий: гравитационного, электромагнитного, сильного и слабого.

Гравитационное взаимодействие описывается фундаментальным законом всемирного тяготения. Все, что имеет массу, а масса присуща любой форме, любому виду материи, испытывает гравитационное притяжение. Оно свободно передается через любые тела, для него не существует преград. Радиус действия гравита­ционного взаимодействия не ограничен. Гравитационным силам принадле­жит доминирующая роль при взаимодействии больших масс, например, космических тел, в этом случае они ста­новятся грандиозными. Так, например, Земля и Луна притягиваются с силой, приблизительно равной 2 ∙ 10¹⁶ тонн! Вследствие того, что гравитационные силы являют­ся дальнодействующими, гравитация связывает все тела Вселенной. Гравитационное взаимодействие может играть сущест­венную роль не только в космосе, но и в микромире. На земле гравитационные силы слабы и пропорцио­нальны массе тел. Так, сила притяжения двух людей сред­него веса при расстоянии между ними 1 м не превышает 0,03 мг. Скорость распространения гравитационных волн предполагается равной ско­рости света в вакууме.

Электромагнитное взаимодействие связано с нали­чием электрического и магнитного полей. Электриче­ское поле возникает при наличии электрических заря­дов, а магнитное – при их движении. В отличие от гра­витационного взаимодействия, которое всегда проявляет­ся как притяжение, электростатическое взаимодействие между заряженными телами, в зависимости от знака за­ряда, сводится либо к притяжению, либо к отталкива­нию. Электромагнитное взаимодействие обладает универсаль­ным характером и присуще всем телам. Силы электромагнитного происхождения удерживают электроны в окрестности атомного ядра и организуют ато­мы в молекулы. В астрономических масштабах электромагнитное взаимодействие пренебрежительно мало в связи с тем, что звезды электронейтральны. В масштабах макро- и микро­мира им принадлежит огромная роль. Радиус действия этих сил неограничен, но они значительно, в 100–1000 раз, слабее сильных взаимодействий.

Сильное взаимодействие отвечает за устойчивость ядер и распространяется только в пределах ядра, то есть на расстоянии 10^–13 см. Проявлением сильных взаи­модействий выступают ядерные силы, объединяющие нук­лоны в ядра. Чем сильнее взаимодействуют нуклоны в ядре, тем больше энергия связи. Однако с возрастанием размера ядра энергия связи уменьшается. Так, ядра элементов, находя­щихся в конце таблицы Менделеева, неустойчивы и мо­гут самопроизвольно распадаться. Такой процесс называ­ют радиоактивным распадом. Силь­ное взаимодействие трактуется как цветовое взаимодей­ствие между кварками, объединяющимися в адроны.

Слабое взаимодействие существует только в микро­мире. Оно присуще всем адронам и лептонам, но не свойственно фотонам. Силы, которым соот­ветствует слабое взаимодействие, ответственны за превра­щение и разложение микрочастиц, например, нейтрона на протон, электрон и антинейтрино. Радиус слабого взаимодействия очень мал, всего 10^–15 см, поэтому оно ограничивается су­батомными частицами. Слабые взаимодействия играют очень важную роль в природе. Они обеспечивают все ядерные процессы, проис­ходящие на Земле и в космосе. Благодаря им происходят ядерные реакции в недрах Солнца и звезд, обеспечиваю­щие Вселенную энергией и веществом.

Четыре вида фундаментальных взаимодействий обес­печиваются четырьмя различными видами частиц – пе­реносчиками взаимодействия:

- переносчик электромаг­нитного взаимодействия – фотон,

- переносчики слабого взаимодей­ствия – бозоны,

- переносчики сильно­го взаимодействия – глюоны,

- переносчики гравитацион­ного взаимодействия – гравитоны.

При элек­тромагнитном взаимодействии одноименно заряженные частицы отталкиваются, а при гравитационном – притя­гиваются.

В современной физике созданы ряд общих законов физических взаимодействий:

Теория единого элек­трослабого взаимодействия: при очень высоких температурах или энергиях (100 ГэВ) сла­бое и электромагнитное взаимодействия объединяются и создают единый фундаментальный заряд. Этот заряд по­рождает общее поле, квантом которого служит безмассо­вая частица бозон.

Теория Большого объединения объединяет сла­бое и электромагнитное взаимодействия еще и с сильным взаимо­действием; разрабатывается теория суперобъединения, которая включает все четыре фундаментальных взаимо­действия, объединение которых возможно при сверхвы­соких энергиях порядка 10¹⁹ ГэВ.

Литература: 1, 4–9.

Лекция 5. СТРОЕНИЕ ВЕЩЕСТВА