30. Элементарные частицы

Элементарными частицами условно называют большую группу микрочастиц, не являющихся атомами или атомными ядрами (за исключением протона, который является ядром атома водорода). В настоящее время известно около 400 таких частиц. Истинно элементарными, т.е. такими, которые нельзя составить ни из каких других известных частиц, являются электрон, мюон, тау-лептон, все виды нейтрино, фотоны и кварки.

Фундаментальные взаимодействия

Между элементарными частицами существуют четыре фундаментальных взаимодействия: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное, которые отличаются радиусом действия, интенсивностью и временем протекания процессов.

Сильное взаимодействие удерживает нуклоны в ядре, имеет радиус действия 10^-15 м и характеризуется временем протекания вызванных им процессов 10^-23с.

Электромагнитное взаимодействие, лежащее в основе образования атомов и

молекул и химических реакций, имеет неограниченный (бесконечный) радиус действия, константу взаимодействия порядка 10^-2 и характерное время протекания процессов 10^-16с.

Слабое взаимодействие проявляется в  - распадах и реакциях синтеза, протекающих на Солнце и в звездах. Оно имеет радиус действия 10^-18 с, константу взаимодействия порядка 10^-6 и характерное время протекания процессов 10^-10с. Несмотря на малую величину, слабое взаимодействие лежит в основе энергетики Солнца и звезд (если его «выключить, то они погаснут), делая возможным процесс слияния двух протонов с образованием дейтона

или .

Энергия, освобождающаяся в этих реакциях невелика, но получающиеся дейтоны в дальнейшем участвуют в термоядерном синтезе, который и определяет основную величину энергии, выделяющейся в звездах.

Гравитационное взаимодействие играет существенную роль в макромире, определяющую образование и движение планет, звезд, галактик. Константа его взаимодействия порядка 10^-39, радиус действия, как и у электромагнитного взаимодействия, неограничен. Гравитационное взаимодействие ввиду его малой величины не оказывает существенного влияния на процессы микромира и поэтому при рассмотрении элементарных частиц не учитывается.

Каждое взаимодействие характеризуется определенной константой. В естественной системе единиц, где за единицу массы принимается масса электрона , за единицу длины комптоновская длина волны , а за единицу энергии энергия покоя электрона , электромагнитное взаимодействие двух электронов на единичном расстоянии (равном комптоновской длине волны) равно (в единицах энергии покоя электрона)

Полученную величину, равную называют константой связи электрона с электромагнитным полем или константой электромагнитного взаимодействия. Она представляет собой квадрат элементарного заряда, выраженного в естественных единицах. Аналогичным образом определяется порядок констант сильного и слабого взаимодействия, равных 10 и 10^-14. Точные значения констант сильного и слабого взаимодействия не известы. Константа гравитационного взаимодействия имеет порядок 10^-39.

Любое фундаментальное взаимодействие возникает при обмене частицами-переносчиками взаимодействия, которые имеют спин равный единице и называются фундаментальными векторными бозонами. Характер происходящих при этом процессов можно проиллюстрировать на примере возникновения электромагнитного взаимодействия двух электронов. Один из электронов испускает фотон и получает импульс в направлении противоположном вылету фотона (как пушка при вылете снаряда). Вылетевший фотон поглощается вторым электроном, который получает импульс, равный импульсу фотона. В результате электроны получают импульсы в противоположных направлениях, что соответствует их электростатическому отталкиванию. Применяя к этому процессу законы сохранения энергии и импульса, можно показать, что для фотона не выполняется соотношение Фотоны, для которых справедливо неравенство называются виртуальными. Испущенный виртуальный фотон не может быть свободным, т.е. не может не поглотиться.

Фотон является безмассовым фундаментальным векторным бозоном. Другие фундаментальные векторные бозоны, рождаемые при взаимодействиях, также являются виртуальными, и для них не выполняется соотношение, связывающее энергию и импульс частицы , что допускается соотношением неопределенности , поскольку они рождаются на очень короткое время.

Переносчиками сильного взаимодействия являются безмассовые глюоны (от английского glue - клей), которые могут испускаться кварками или самими глюонами. Об этих частицах речь пойдет ниже.

Слабое взаимодействие переносят тяжелые промежуточные бозоны W⁺, W^- и Z, массы которых составляют около 100 ГэВ (1 ГэВ=10⁹ эВ).

Классификация элементарных частиц

Все элементарные частицы в настоящее время принято делить на лептоны и адроны. Лептоны (от греческого лептос – легкий) – фермионы, не участвующие в сильном взаимодействии. Адроны (от греческого хадрос  — крупный, массивный) - сильновзаимодействующие частицы, включающие в себя барионы – частицы с полуцелым спином (фермионы) с массой не меньше массы протона, барионные резонансы (барионы со средним временем жизни ~10^-23 c ) и мезоны – частицы с целым спином (бозоны) и мезонные резонансы. Отдельную группу частиц составляют переносчики взаимодействий - фундаментальные векторные бозоны. Все адроны состоят из кварков (барионы из нечетного числа, мезоны – из четного)

Все барионы, кроме протона, нестабильныи и путём последовательных распа-

дов превращаются в протон и лёгкие частицы. Барионы участвуют во всех известных взаимодействиях: сильном, электромагнитном, слабом и гравитационном.

Первоначально термин «мезон» имел смысл «средний по массе», поэтому в этот разряд попали и открытые в конце 1930х годов мюоны, которые назывались μ-мезонами. Позднее было установлено, что мюоны не участвуют в сильном взаимодействии, а относятся, как и электрон, к классу лептонов, поэтому название μ-мезон является неправильным.

Частицы и античастицы

При ⁺ − распаде радиоактивного ядра образуется дочернее ядро и вылетают позитрон и антинейтрино. Позитрон отличается от электрона только знаком электрического заряда и направлением собственного магнитного момента. Позитрон был первой открытой античастицей. До этого события казалась необъяснимой неодинаковая роль положительных и отрицательных зарядов в природе. Открытие позитрона по существу восстановило зарядовую симметрию для легких частиц и поставило перед физиками проблему поиска античастицы для протона.

Позитрон является стабильной частицей и может в пустом пространстве существовать бесконечно долго. Однако при столкновении электрона и позитрона происходит их аннигиляция (от латинского annihilatio - уничтожение, исчезновение). Электрон и позитрон исчезают, и вместо них рождаются два -кванта

.

Возможен и обратный эффект - образование электрон-позитронной пары при взаимодей двух фотонов, суммарная энергия которых должна быть не меньше удвоенной энергии покоя электрона (1,022 МэВ). Этот процесс происходит в поле ядра или других частиц. Возможность аннигиляции присуща всем частицам и античастицам.

В 1955 году на специально построенном ускорителе удалось получить и идентифицировать антипротон , а в 1956 году был открыт антинейтрон. Сейчас не вызывает сомнения тот факт, что каждая частица имеет "двойника" - античастицу. Античастицы обладают рядом характеристик, имеющих те же численные значения, что и частицы и некоторых характеристик с противоположным знаком. Так, у частицы и античастицы одинаковые массы, спины, времена жизни; противоположные знаки у электрических зарядов, магнитных моментов, барионных и лептонных зарядов (смотри далее), и др. Схемы распада частиц и античастиц являются зарядово-сопряженными, например,

У истинно нейтральных частиц (γ, π⁰, η⁰) частица и античастица тождественны. Наиболее сложной формой антивещества, полученной и идентифицированной в лабораторных условиях, являются антиядра трития, гелия.

Основные характеристики элементарных частиц

Главными характеристиками элементарных частиц являются масса – m, время жизни – , электрический заряд – q, спин – s, барионное и лептонное числа (заряды) – (В, L) .

Масса определяет энергию покоя частицы. Нулевую массу покоя имеет фотон. Масса покоя нейтрино, мала, но точно пока не определена. Протон обладает минимальной массой среди барионов (m_р = 1.672·10^-27кг).

Время жизни. Электрон, протон, фотон и нейтрино - стабильные частицы. Время жизни свободного нейтрона порядка 900 секунд. Большинство элементарных частиц в высшей степени нестабильны, их времена жизни колеблются в пределах от нескольких микросекунд до 10^-23 с.

Электрический заряд. Электрические заряды всех изученных элементарных частиц (кроме кварков) являются целыми кратными фундаментального заряда е=1.6·10^-19Кл (е - элементарный заряд, численно равный заряду электрона, или протона). В природе действует универсальный закон сохранения электрического заряда: суммарный электрический заряд заряд электроизолированной системы сохраняется.

Кроме закона сохранения электрического заряда, в микромире большую роль играют законы сохранения барионного и лептонного зарядов, которые (наряду с законами сохранения энергии, импульса и момента импульса) определяют возможные превращения элементарных частиц.

Барионное (В) и лептонное (L) числа (заряды) характеризуют принадлежность частицы к классу барионов или лептонов. У барионов нет лептонного заряда (L=0), для барионов В =1, для античастиц . У лептонов отсутствует барионный заряд, а их лептонный заряд равен L = 1 - для частиц (электрон, нейтрино) и соответственно L = -1 - для античастиц (позитрон, антинейтрино). Строго говоря, L=L_e+L_+L_, где L_e, L_, L_ - лептонные числа, связанные с различными видами лептонов. Во всех взаимопревращениях элементарных частиц выполняются законы сохранения электрического, барионного и лептонного зарядов.

Лептоны.

Лептоны – фермионы, не участвующие в сильных взаимодействиях. Известны три пары лептонов: электрон и электронное нейтрино , мюон и мюонное нейтрино , тау-лептон и тау-нейтрино . Спин лептонов равен 1/2. Окончательно не установлено, являются ли нейтрино истинно нейтральными частицами или у них есть античастицы. У лептонов не обнаружено какой-либо структуры, поэтому они являются фундаментальными частицами. Масса мюона и тау-лептона равны 106 МэВ и 1784 МэВ. Время жизни мюона 2·10^-6 с, а тау-лептона - 5·10^-13 с. Масса каждого типа нейтрино много меньше массы соответствующего заряженного лептона. Современные экспериментальные оценки масс нейтрино следующие:

m( ) < 10 эВ, m(ν_μ) < 0.17 МэВ, m(ν_τ) < 18 МэВ.

В ряде экспериментов наблюдались нейтринные осцилляции - переход между различными типами нейтрино . В частности, регистрировалось уменьшение числа мюонных нейтрино в однородном пучке и появление в нем тау-нейтрино. Эффект нейтринных осцилляций является в настоящее время предметом тщательного изучения.

Адроны, кварки и глюоны

К классу адронов принадлежит более 400 частиц. Классифицировать адроны и понять многие их свойства удалось только после того, как в 1964 году М. Гелл-Манн и Д. Цвейг предложили модель кварковой структуры адронов, которая в дальнейшем подтвердилась экспериментально. Существует шесть разновидностей кварков, называемых «ароматами» (от английского - flavours): и, d, s, c, b и t (обозначения кварков связаны с их английскими названиями up – верхний, down – нижний, strange – странный, charm - очарованный, bottom и top). Все кварки имеют спин, равный 1/2, т.е. являются фермионами. Их массы равны m_u ≈5 МэВ, m_d ≈7 МэВ, m_s ≈150 МэВ, m_c ≈1,3 ГэВ, m_b ≈5 ГэВ, m_t ≈160 ГэВ. Кварки u, c и t , называемые верхними, имеют электрический заряд +2/3, а кварки d, s и b, называемые нижними – заряд – 1/3.

Все барионы состоят из трех кварков и являются фермионами, мезоны состоят из кварка и антикварка и являются бозонами. Протон состоит из двух u-кварков и одного d –кварка ( p = uud) , а нейтрон из двух d-кварков и одного u-кварка (n =ddu). ⁺ мезон состоит из u и кварков , , а . и мезоны являются античастицами. мезон является квантовой суперпозицией двух состояний . В таблице 9 приведены основные характеристики, в том числе кварковый состав некоторых барионов и барионных резонансов.

Таблица 9. Некоторые барионы и барионные резонансы (L = 0, В = 1)

Час­тица	Кварковый состав	Масса, МэВ	Спин	Время жизни, с (ширина, МэВ)
p	uud	938,27	1/2	>5 ·10^32 лет
n	udd	939,57	1/2	889
	uds	1115,6	1/2	2,63·10^-1^0
^	uus	1189,4	1/2	0,799·10^-10
^	uds	1192,5	1/2	7,4·10^-2^0
^	dds	1197,4	1/2	1,48·10^-1^0
^	uss	1314,9	1/2	2,90·10^-1^0
^	dss	1321,3	1/2	1,64·10^-10
^	ddd	1232	3/2	(115)
^	udd
^	uud
^	uuu
^	sss	1672,4	3/2	0,82·10^-10
	udc	2285	1/2	1,9·10^-13
	ddc	2453	1/2	?
	dsc	2469	1/2	10^-13
	ssc	2706	1/2	?
	udb	5620	1/2	1,0·10^-12

Сумма масс входящих в состав адронов кварков намного меньше массы соответствующего адрона. Это происходит потому, что кварки, входящие в состав адронов, окружены «шубой» из глюонов (смотри далее). Как видно из таблицы, некоторые барионы состоят из трех одинаковых кварков и имеют спин 3/2. Кварки, обладая спином ½ являются фермионами, поэтому нахождение сразу трех фермионов в одинаковом состоянии противоречит принципу Паули. Оказалось, что у кварков имеется еще одно квантовое число, названное цветом, которое может принимать три значения – R (red – красный) , G(green – зеленый), B(blue – синий). Поэтому данному аромату соответствуют три кварка с разными цветами R , G, B и три антикварка с цветами (антикрасный), (антизеленый) и (антисиний). Всего существует 18 кварков и 18 антикварков. Смесь всех трех цветов считается белой, пара кварк-антикварк обладает «скрытым» цветом.

Цветовой заряд кварка создает глюонное поле по аналогии с электрическим зарядом, создающим электромагнитное поле. Кванты этого поля осуществляют сильное взаимодействие и называются глюонами ( в случае электромагнитного поля эту роль играют фотоны). И глюоны и фотоны имеют нулевую массу покоя. Фотоны электрически нейтральны и не могут испускать фотоны. У глюонов есть цветовой заряд, и поэтому они сами могут испускать и поглощать глюоны, участвуя таким образом в сильных взаимодействиях. Каждый глюон обладает двумя цветовыми зарядами (цветом и антицветом). Существует 8 разных глюонов: 6 – явноокрашенных ( ₎ и два со скрытым цветом. Теория взаимодействия фотонов с электронами называется квантовой электродинамикой. Теорию взаимодействия глюонов с кварками назвали квантовой хромодинамикой.

Рассеяние электронов с большими энергиями на нуклонах и другие эксперименты подтвердили существование кварков, однако попытки получить свободные кварки дали отрицательный результат - кварки не вылетали из адронов. Это явле-ние получило название «конфайнмент» (от английского confinement - пленение, тюремное заключение). В хромодинамике оно объясняется сильным взаимодействием цветовых зарядов. На расстояниях больших 10^-15м это взаимодействие становится настолько сильным, что на большие расстояния ни сами заряды (глюоны), ни кварки вырваться не могут. Поэтому в свободном виде могут существовать только такие комбинации цветовых зарядов, у которых суммарный цветовой заряд равен нулю.

Стандартная модель элементарных частиц.^

Эта модель позволяет описать свойства и взаимодействия элементарных частиц и в общих чертах обсуждалась выше. Важное значение в этой модели имеет понятие физического поля, которое ставится в соответствие каждой частице и благодаря которому осуществляется взаимодействие.

По современным представлениям, источниками этих полей являются заряды: для сильного взаимодействия - цветовые заряды, для электромагнитного взаимодействия электрические заряды, для слабого взаимодействия - слабые заряды,

Взаимодействие любого вида осуществляется в результате обмена частицами-переносчиками взаимодействия, которые являются фундаментальными векторными бозонами. Бозоны не подчиняются принципу Паули, а это означает отсутствие ограничений для числа обменивающихся частиц, поэтому возникающая сила взаимодействия может быть большой. Если масса частиц-переносчиков велика, то на больших расстояниях их рождение и обмен будут затруднены и переносимые ими силы будут короткодействующими. Если же частицы-переносчики не будут обладать собственной массой, возникнут дальнодействующие силы.

Для слабого взаимодействия существуют три переносчика - промежуточные векторные бозоны - W⁺, W^- и Z⁰, массы которых порядка 100 ГэВ. W^- бозоны были зарегистрированы на специально созданном протон-антипротонном ускорителе (на встречных пучках), причем в первой серии экспериментов из миллиарда событий были отобраны только 6 надежных. При поглощении или испускании заряженного промежуточного бозона заряженным лептоном он превращается в соответствующее нейтрино (и наоборот, нейтрино превращается в соответствующий заряженный лептон). Промежуточные векторные бозоны могут испускаться не только лептонами, но и кварками, и, таким образом, слабое взаимодействие является универсальным, однако, не обладая цветовым зарядом, промежуточные бозоны не участвуют в сильном взаимодействии.

Электрослабое взаимодействие.*

Теория электрослабого взаимодействия объединяет электромагнитное и слабое взаимодействие в рамках стандартной модели. Электрослабое взаимодействие осуществляется четырьмя безмассовыми частицами, двумя нейтральными и двумя заряженными, которые называются затравочными. В реальном мире симметрия между этими частицами оказывается спонтанно нарушенной и три из них приобретают массу (промежуточные векторные бозоны) а одна остается безмассовой (фотон). Констант слабого взаимодействия оказалось больше, чем электромагнитного, а большее значение характерного времени протекания слабых процессов по сравнению с электромагнитными объясняется большой массой W - , и Z - бозонов. При энергиях намного больших, чем эти массы симметрия восстанавливается и наблюдается единое электрослабое взаимодействие. Многие выводы теории, в том числе значения масс промежуточных бозонов, были подтверждены экспериментально.

Великое объединение.*

Успешное создание теории электрослабого взаимодействия побудило физиков

к созданию нескольких теорий, объединяющих все три взаимодействия: электромагнитное, слабое и сильное, и названных «великим объединением». Такое объединение становится возможным при колоссальной энергии , когда все три константы взаимодействия становятся равными друг другу. При больших энергиях все три взаимодействия проявляются как единое симметричное взаимодейтсвие. Переносчиками этого взаимодействия являются 24 векторных бозона: 8 глюонов, три промежуточных бозона, фотон и сверхтяжелые X – и Y – бозоны с массами , электрическими (4/3 e у X и 1/3 e у Y) и цветовыми зарядами (всего 12 частиц с учетом трех цветов и античастиц). При испускании или поглощении X – или Y – бозона кварк может превратиться в лептон или наоборот. В результате может происходить распад протона с образованием позитрона и нескольких π-мезонов. Среднее время жизни протона оценивается в настоящее время в τ>10³² лет.

Литература

1. Савельев И. В. Курс общей физики. Книга 5. Квантовая оптика. Атомная физика. Физика твердого тела. Физика атомного ядра и элементарных частиц. – М: АСТ, Астрель, 2006. - 368 с.

2. Иродов И.Е. Квантовая физика. Основные законы. – М: Бином, 2010. - 256 с.

3. Сивухин Д.В. Общий курс физики, т.4 (Оптика). – М:Физматлит, 2006, - 792 с.

4. Трофимова Т.И. Курс физики. – М: Изд.центр"Академия", 2008, - 560 с.

5. А.И.Черноуцан. Краткий курс физики. - М.: Физматлит, 2002. - 320 с.

6. Окунь Л.Б. Элементарное введение в физику элементарных частиц. – М: Физматлит, 2009. – 128 с.

7. Велихов Е.П., Миронов С.В. Управляемый термоядерный синтез выходит на финишную прямую. – М: МЭИ, 2006. – 9 с.

3. Иродов И.Е. Задачи по общей физике. – М: Бином, 2007. - 432 с.

8. Чертов А.Г., Воробьев А.А. Задачник по физике. – М: Физматлит, 2009. - 640 с.

 Разделы, отмеченные звездочка, рекомендуются для дополнительного чтения

115