Проблема структуры элементарных частиц. Структура и систематика элементарных частиц. Краткие исторические сведения

Неустойчивость структуры Вселенной к численному значению фундаментальных постоянных отражает некий принцип, названный нами принципом целесообразности: законы физики, действующие во Вселенной не только достаточны, но и необходимы для образования и существования в ней основных се элементов: электронов, нуклонов, атомов, звезд и галактик. Хотя этот принцип и является модификацией антропного принципа , однако на наш взгляд принцип целесообразности имеет сравнительно с первым - одно существенное преимущество. В его основе лежат представления об относительно хорошо изученных физических объектах, а не возникновение или существование жизни (или тем более разума) объекта весьма далекого, по крайней мере, на нынешнем этапе развития науки, от физики. Именно это обстоятельство и является, на наш взгляд, причиной относительно слабой связи антропного принципа с теорией элементарных частиц, а, следовательно, и тесно связанной с ней - космологией.
Здесь мы кратко изложим приложение принципа целесообразности к решению проблем физики элементарных частиц и сделаем одно важное, на наш взгляд, предсказание, основанное на принципе целесообразности.
Изложение этого принципа, а также его приложение к решению некоторых проблем физики элементарных частиц см. в работах . Здесь мы ограничимся перечислением проблем физики элементарных частиц, весьма краткими комментариями и указанием на метод их решения на основе принципа целесообразности. Во многих оригинальных статьях и обзорах указывается на многие проблемы в теории элементарных частиц (5-Sj.
Перечислим основные проблемы физики элементарных частиц. Иерархия масс элементарных частиц. Существование трех поколений лептонов. Относительная малость безразмерных констант электромагнитного, слабого и гравитационного взаимодействия, сравнительное единицей. Выбор Природой калибровочной группы SU(3)xSU(2)x U(l), лежащей в основе объединенного взаимодействия. Малое (а, может быть, и нулевое) значение энергии вакуума. Размерность N физического макроскопического пространства. Представим, далее, кратко решение некоторых из перечисленных здесь проблем.
Вопрос об иерархии, сводится к вопросу: почему масса Х-бозо- на, определяющего большое объединение столь велика сравнительно с массой тр протона. На основе принципа целесообразности предлагается следующее решение проблемы. Время жизни tp протона с логарифмической точностью определяется следующим соотношением: tp ~ тх4 (знак пропорциональности).
Следовательно, если, например, масса Х-бозона была бы на несколько порядков меньше, чем в нашей Вселенной, то его время жизни было бы меньше времени существования Вселенной и все протоны (а, следовательно, и атомы) распались бы4 Важнейшей проблемой является существование трех, и именно трех, поколений лептонов (электрон, мюон и t-лептон). Однако, в рамках современной теории именно существование трех (или более) поколений лептонов необходимо для существования нарушения комбинированной четности (CP-нарушение). Однако, после известной работы А.Д. Сахарова стало общепризнанным, что CP-нарушение необходимо для возникновения во Вселенной барионной асимметрии, т.е. существования протонов. Если бы число поколений было бы меньше трех, то число протонов и антипротонов было бы одинаковым, что привело бы к их аннигиляции.
Очень давно (в 1917 г.) II. Эренфест отметил, что в эвклидовых пространствах с размерностью N gt; 3 не могут существовать устойчивые аналоги атомов и планетных систем. Поскольку при N lt; 3 не могут возникнуть сложные структуры, то N = 3 является единственной размерностью, при которой реализуются основные устойчивые элементы Вселенной.
Аналогично, на основе принципа целесообразности, решаются и другие сформулированные выше проблемы физики элементарных частиц.
Таким образом, мы должны заключить: с высокой степенью вероятности существуют другие Вселенные с иными значениями фундаментальных постоянных (см. также часть 1).

Еще по теме 2. Проблемы теории элементарных частиц:

1. 1. Проблема рационализации общества в «критической теории»
2. 3.2. Проблема ценностей в социально-психологической теории

Уильям Гильберт сформулировал примерно 400 лет назад постулат, который можно считать главным постулатом естественных наук . Несмотря на то, что в наше время невозможно найти исследователя, который был бы не согласен с эти утверждением, целый ряд современных физических теорий не удовлетворяют этому принципу .

В физике микромира существует несколько общепринятых моделей, которые также не удовлетворяют постулату Гильберта. Эти модели не дают возможности вычислить основные характерные параметры, такие как массы и магнитные моменты элементарных частиц. В данной статье рассмотрен альтернативный подход к решению этой проблемы.

Рассмотрен новый подход к проблеме природы ядерных сил. Показано, что притяжение в паре протон – нейтрон может возникать за счёт обмена релятивистским электроном. Оценка энергии такого обмена согласуется с экспериментальным значением энергии связи некоторых лёгких ядер. Нейтрон при этом рассматривается как составная частица, состоящая из протона и релятивистского электрона, что позволяет предсказать его массу, магнитный момент и энергию его распада.

В рамках стандартной максвелловской теории электромагнитного поля показано, что имеется возможность возбудить в пустом пространстве (эфире) магнитный γ-квант (всплеск магнитного поля), лишённый электрической составляющей и обладающий спином ħ  / 2. Характерной особенностью такого магнитного γ-кванта является слабость его взаимодействия с веществом, которое на много порядков меньше, чем у электромагнитной волны. Эти его свойства позволяют предполагать, что магнитный γ-квант можно отождествить с нейтрино. На этом основании удаётся по-новому взглянуть на природу π-мезона, μ-мезона и λ-гиперона, вычислив их массы и магнитный момент.

1. Главный постулат естественных наук.

1.1. Постулат Гильберта и современная физика.

2. Протон и нейтрон.

2.1. Протон и нейтрон в кварковой модели Гелл-Манна.

2.2. Модель протона, состоящего из кварков с целочисленным зарядом.

2.3. Физические свойства нейтрона.

2.4. Структура нейтрона.

2.4.1. Электромагнитная модель нейтрона.

2.4.2. Основные параметры нейтрона.

2.5. Обсуждение.

3. О природе ядерных сил.

3.1. Молекулярный ион водорода.

3.2. Дейтрон.

3.3. Лёгкие ядра.

3.3.1. Ядро 3 2 He.

3.3.2. Ядро 4 2 He.

3.3.3. Ядро 6 3 Li.

3.4. Обсуждение.

4. Нейтрино и мезоны.

4.1. Нейтрино.

4.2. Мезоны.

4.3. Возбуждённое состояние с S = 0.

4.4. Возбуждённое состояние с n = 2 и S = ħ  / 2.

5. Заключение.

1. Главный постулат естественных наук

Нашим современникам, уровень образования которых соответствует развитию наук в XXI веке, может показаться, что средневековая наука была сосредоточена в теологии, астрологии и алхимии. Но это совершенно не так. Средневековье было временем разработки основ современной науки.

Средневековый учёный Уильям Гильберт (1544...1603) ввёл в научный обиход понятия электрического и магнитного полей, сделав первый шаг к пониманию природы электромагнетизма. Он первым попытался объяснить природу магнитного поля Земли. Но при этом кажется, что самым важным его вкладом в науку является разработанный им принцип, ставший главным принципом современных естественно-научных исследований* .

* Можно предполагать, что идея этого принципа, как говорится, витала в воздухе среди образованных людей того времени. Но нашёл свою формулировку, дошедшую до нас, этот принцип благодаря У. Гильберту.

Принцип Гильберта формулируется просто:

Все теоретические построения, претендующие быть научными, должны быть проверены и подтверждены экспериментально.

Кажется, что среди наших современных учёных нет никого, кто возражал бы против этого. Однако и в ХХ веке был создан целый ряд научных построений, которые были приняты научным сообществом и до сих являются доминирующими в своих областях знания, но при этом они не удовлетворяют принципу Гильберта.

1.1. Постулат Гильберта и современная физика

Следует подчеркнуть, что в подавляющем большинстве современные теоретические модели адекватно и точно отражают свойства вещества и законы Природы, поскольку на всех этапах построение этих теорий ведётся в полном соответствии с принципом Гильберта.

Но в ряде случаев модели, разработанные теоретиками, оказались неверными .

Рассмотрим некоторые проблемы микромира, при решении которых был нарушен принцип Гильберта.

2. Протон и нейтрон

2.1. Протон и нейтрон в кварковой модели Гелл-Манна

Создаётся впечатление, что специалисты по физике элементарных частиц сначала исходили из предположения, что при сотворении мира каждой элементарной частице индивидуально подбирались подходящие параметры: заряд, спин, масса, магнитный момент и т.д.

Гелл-Манн несколько упростил эту работу. Он разработал правило, согласно которому набор кварков определяет суммарный заряд и спин формируемой элементарной частицы. Но массы и магнитные моменты этих частиц под это правило не подпадают.

Рис. 1. Кварковое строение протона и нейтрона по Гелл-Манну. Заряды кварков подбираются так, чтобы превращение нейтрона в протон осуществлялось заменой одного d-кварка на u-кварк. На предсказание масс и магнитных моментов протона и нейтрона модель Гелл-Манна не претендует

Кварковая модель Гелл-Манна предполагает, что кварки, из которых состоят все элементарные частицы (за исключением самых лёгких), должны обладать дробным (равным 1/3 e или 2/3 e ) электрическим зарядом.

В 60-е годы после формулирования этой модели многие экспериментаторы пытались найти частицы с дробным зарядом. Но безуспешно.

Для того чтобы это объяснить было предположено, что для кварков характерен конфайнмент, т.е. свойство, запрещающее им как-либо проявлять себя в свободном состоянии. При этом понятно, что конфайнмент выводит кварки из подчинённости принципу Гильберта. В таком виде модель кварков с дробными зарядами претендует на научность без подтверждения данными измерений.

Следует отметить, что модель кварков удачно описывает некоторые эксперименты по рассеянию частиц при высоких энергиях, например, образование струй или особенность рассеяния частиц высоких энергий без разрушения. Однако этого кажется мало для того, чтобы признать существование кварков с дробным зарядом.

2.2. Модель протона, состоящего из кварков с целочисленным зарядом

Поставим перед собой цель сконструировать модель протона из кварков с целочисленным зарядом так, чтобы она предсказывала массу и магнитный момент протона. Будем предполагать, что, как и в модели Гелл-Манна, протон состоит из трёх кварков. Но в нашем случае два из них имеют заряд +e и один –e . Пусть собственным спином эти кварки не обладают, а их квантовое движение выражается их вращением вокруг общего центра по окружности радиуса R .

Рис. 2.

Пусть величина радиуса R определяется тем, что на длине окружности 2πR укладывается длина дебройлевской волны кварка λ D :

Обобщённый момент количества вращения (спин) системы будет составлен из двух слагаемых: из механического момента вращения всех трёх кварков 3p q  × R и момента импульса магнитного поля, создаваемого кварком с не скомпенсированным зарядом \(\frac{e}{c}{\bf{A}}\):

и магнитный момент кругового тока

здесь β = v /c .

Исходя из того, что величина спина протона равна ħ  / 2, имеем

Суммарная масса трёх кварков

С учётом величины массы кварка (8), создаваемый им магнитный момент получается равным

2.3. Физические свойства нейтрона

В кварковой модели Гелл-Манна нейтрон предполагается элементарной частицей в том смысле, что он состоит из другого набора кварков, чем протон. В 30-е годы прошлого века физики-теоретики пришли к заключению об элементарности нейтрона, не опираясь на данные измерений, которых в то время не было.

Чтобы объяснить данные измерений параметров нейтрона – магнитного момента нейтрона, массы и энергии его распада – рассмотрим электромагнитную модель нейтрона, в которой он не является элементарной частицей .

Предположим, что нейтрон, так же как и боровский атом водорода, состоит из протона, вокруг которого на очень малом расстоянии от него вращается электрон. Вблизи протона движение электрона должно быть релятивистским. Однако особенность формирующейся при этом устойчивой орбиты в том, что при её вычислении все релятивистские поправки компенсируют друг друга и полностью выпадают.

Рассмотрим электромагнитную модель нейтрона подробнее .

2.4. Структура нейтрона

2.4.1. Электромагнитная модель нейтрона

В первое время после открытия нейтрона в физике обсуждался вопрос о том, следует ли его считать элементарной частицей. Экспериментальных данных, которые могли бы помочь решить этот вопрос, не было, и вскоре сложилось мнение, что нейтрон подобно протону – элементарная частица. Однако тот факт, что нейтрон нестабилен и распадается на протон и электрон (+ антинейтрино), даёт основание относить его к неэлементарным составным частицам.

Рассмотрим составную частицу, в которой вокруг протона со скоростью v  → c вращается частица с массой покоя m e и зарядом – e . (Ранее подобный подход был рассмотрен в работах и ).

Выберем цилиндрическую систему координат, в которой ось z совпадёт с направлением магнитного момента протона

Между положительно заряженным протоном и отрицательно заряженным электроном должна существовать сила кулоновского притяжения (, §24):

которое проявляется в силе Лоренца:

и силой, создаваемой магнитным полем кольца стремящейся его разорвать

В результате это уравнение равновесия с неизвестными R 0 и β приобретает вид:

Магнитное поле в системе создаётся магнитным моментом протона

Здесь α = e 2  / ħc – постоянная тонкой структуры,

r c = ħ  / m e c – радиус Комптона.

Для того чтобы записать второе уравнение, связывающее эти параметры, используем теорему вириала. Согласно этой теореме кинетическая энергия частиц, объединённых электромагнитным взаимодействием, при их финитном движении равна половине их потенциальной энергии, взятой с обратным знаком:

поэтому второе уравнение, связывающие эти параметры, приобретает вид:

При этом магнитный момент токового кольца, выраженный в ядерных магнетонах μ N

Эта величина хорошо согласуется с измеренным значением магнитного момента нейтрона (ξ n = –1,91304272):

Согласно теореме вириала полная энергия рассматриваемой системы должна быть равна её кинетической энергии (26):

Эта энергия при распаде нейтрона перейдёт в кинетическую энергию вылетающего электрона (и антинейтрино), что точно согласуется с экспериментально определённой границей спектра распадных электронов, равной 782 кэВ.

2.5. Обсуждение

В рассмотренной выше модели протона, составленной из кварков с целыми зарядами, не возникает вопроса с наблюдаемостью кварков в свободном состоянии. Однако остаётся много непонятного.

Непонятно куда исчезает магнитный момент позитрона, формирующего протон. Магнитный момент электрона, формирующего нейтрон, не проявляет себя в связи с тем, что спин кольцевого тока равен нулю. Однако с кварком-позитроном это не так. Непонятно почему кварк-позитрон не аннигилирует с кварком-электроном, и какие взаимодействия заставляют их объединиться в совершенно стабильную частицу – протон, распадов которого в природе не наблюдается.

Полученное согласие оценок с данными измерений свойств нейтрона говорит о том, что он не является элементарной частицей. Его следует рассматривать как некий релятивистский аналог боровского атома водорода. С тем различием, что в боровском атоме нерелятивистский электрон удерживается на оболочке кулоновскими силами, а в нейтроне релятивистский электрон удерживается в основном за счёт магнитного взаимодействия . В соответствии с постулатом Гильберта подтверждение опытом рассмотренной выше электромагнитной модели нейтрона представляется необходимым и полностью достаточным аргументом её достоверности.

Тем не менее, для понимания модели важно использовать при её построении общепринятый теоретический аппарат. Следует отметить, что для учёных, привыкших к языку релятивистской квантовой физики, методика, использованная выше при проведении оценок, при беглом взгляде не содействует восприятию полученных результатов. Принято думать, что для достоверности, учёт влияния релятивизма на поведение электрона в кулоновском поле должен быть проведён в рамках теории Дирака. Однако в конкретном случае вычисления массы нейтрона, его магнитного момента и энергии распада в этом нет необходимости, поскольку спин электрона в рассматриваемом состоянии равен нулю и все релятивистские эффекты, описываемые слагаемыми с коэффициентами \({\left({1 - \frac{{{v^2}}}{{{c^2}}}} \right)^{ - 1/2}}\), компенсируют друг друга и полностью выпадают. Рассмотренный в нашей модели нейтрон является квантовым объектом, поскольку радиус R 0 пропорционален постоянной Планка ħ , но формально его нельзя считать релятивистским, т.к. коэффициент \({\left({1 - \frac{{{v^2}}}{{{c^2}}}} \right)^{ - 1/2}}\)в определение R 0 не входит. Это позволяет провести вычисление массы нейтрона, его магнитного момента и энергии распада, просто находя равновесные параметры системы из условия баланса сил, как это принято для нерелятивистских объектов. По-другому обстоит дело с оценкой времени жизни нейтрона. На этот параметр релятивизм по всей видимости должен оказывать влияние. Без его учёта не удаётся правильно оценить время жизни нейтрона даже по порядку величины.

3. О природе ядерных сил

3.1. Молекулярный ион водорода

В 1927 году было опубликовано квантово-механическое описание простейшей молекулы – молекулярного иона водорода. Авторы этой статьи В. Гайтлер и Ф. Лондон рассчитали притяжение, которое возникает между двумя протонами за счёт обмена электроном в том случае, если состояние молекулярного иона описывается двуямным потенциалом (рис. 3). Этот обмен является квантово-механическим эффектом и в его классического аналога не существует. (Некоторые детали этого расчёта приведены в ).

Главный вывод этой работы состоит в том, что энергия связи между двумя протонами, возникающая за счёт обмена электроном, по порядку величины близка к энергии связи протона и электрона (энергии электрона на первой боровской орбите). Этот вывод удовлетворительно согласуется с данными измерений, которые дают результат, отличающийся от расчётного менее чем в два раза.

Рис. 3. Схематическое представление симметричного двуямного потенциала. В основном состоянии электрон может либо в правой, либо в левой части ямы. В невозмущённом состоянии его энергия равна E 0 . Туннелирование из одного состояния в другое ведёт к расщеплению основного уровня и понижению энергетически выгодного состояния на Δ

Рис. 4. Схематическое изображение структуры лёгких ядер. Прерывистая линия иллюстрирует возможность обменного перехода релятивистского электрона между протонами

3.2. Дейтрон

Электромагнитная модель нейтрона, рассмотренная выше, позволяет по-новому взглянуть на механизм взаимодействия нейтрона с протоном. Нейтрон – т.е. протон, окружённый релятивистским электронным облаком – и свободный протон составляют вместе объект, подобный молекулярному иону водорода. Различие в том, что в данном случае электрон является релятивистским, радиус его орбиты R 0 ≈ 10 –13 см (28) и масса примерно 2,57 m e .

Приложение результатов квантово-механических вычислений Гайтлера – Лондона к этому случаю даёт возможность оценить энергию связи дейтрона с точностью примерно такой же, как и в случае молекулярного иона водорода . Оценка предсказывает величину энергии связи примерно равной 2,13·10 –6 эрг, в то время как измерения дают

3.3. Лёгкие ядра

3.3.1. Ядро 3 2 He

Из рис. 4, на котором схематически показаны энергетические связи в ядре 3 2 He, видно, что они составлены тремя парными взаимодействиями протонов. Поэтому следует предполагать, что энергия связи этого ядра должна быть равна утроенной энергии связи дейтрона:

Дефект массы этого ядра

Согласие оценки E He3 с измеренным значением энергии связи E  (3 2 He) можно считать очень хорошим.

3.3.2. Ядро 4 2 He

Из схемы энергетических связей в ядре 4 2 He, показанной на рис. 4, видно, что эти связи образованы шестью парными взаимодействиями протонов, реализуемой двумя электронами. По этой причине можно предполагать, что энергия связи ядра 4 2 He должна быть равна:

Дефект массы этого ядра

Этот дефект массы соответствует энергии связи

Такое согласие этих величин можно вполне считать удовлетворительным.

3.3.3. Ядро 6 3 Li

Можно предполагать, что энергия связи ядра Li – 6 должна быть близка к сумме энергий связи ядра He – 4 и дейтрона, располагающегося на следующей оболочке:

Такое предположение возможно, если обмен электроном между протонами разных оболочек затруднён.

В то же время дефект массы этого ядра

и связанная с ним энергия связи

что действительно подтверждает слабую связь между протонами на разных оболочках.

Следует отметить, что с остальными лёгкими ядрами ситуация не столь проста. Ядро 3 1 T состоит из трёх протонов и двух электронов, осуществляющих связь между ними. Перескок двух электронов в такой системе должен подчиняться постулату Паули. По-видимому, это является причиной того, что энергия связи трития не очень сильно превышает энергию связи He – 3.

Ядерные связи в ядре 7 3 Li, казалось бы, могут быть представлены схемой E Li7 ≈ E He4 + E T , но это представление ведёт к довольно грубой оценке. Однако для нестабильного ядра Be – 8 аналогичное представление E Be8 ≈ 2E He4 ведёт к очень хорошему согласию с измерениями.

3.4. Обсуждение

Хорошее согласие вычисленной энергии связи для некоторых лёгких ядер с данными измерений позволяет считать, что ядерные силы (по крайней мере, в случае этих ядер) имеют описанный выше обменный характер.

Впервые внимание на возможность объяснения ядерных сил на основе эффекта обмена электроном обратил видимо И.Е. Тамм ещё в 30-е годы прошлого века. Однако позже в ядерной физике преобладающей стала модель обмена π-мезонами, а потом глюонами. Причина этого понятна. Для объяснения величины и радиуса действия ядерных сил нужна частица с малой собственной длиной волны. Нерелятивистский электрон для этого не подходит. Однако с другой стороны, модели π-мезонного или глюонного обмена тоже не оказались продуктивными. Дать достаточно точное количественное объяснение энергии связи даже лёгких ядер эти модели не смогли. Поэтому приведённая выше простая и согласующаяся с измерениями оценка этой энергии является однозначным доказательством того, что так называемое сильное взаимодействие (в случае некоторых лёгких ядер) является проявлением эффекта притяжения между протонами, возникающего за счёт обмена релятивистским электроном.

4. Нейтрино и мезоны

4.1. Нейтрино

Ранее было показано, что в рамках стандартной максвелловской теории электромагнитного поля имеются две возможности . Используя разные методы возбуждения, можно в пустом пространстве (эфире) возбудить либо поперечную электромагнитную волну (фотон), либо магнитный квант (магнитный солитон), т.е. волну лишённую электрической составляющей. Для генерации в вакууме электромагнитной волн нужно использовать колеблющийся электрический или магнитный диполь.

Согласно уравнениям Максвелла, величина электрического поля, переносимого фотоном, пропорциональна второй производной по времени от меняющегося во времени магнитного момента, который генерирует фотон. Если временная зависимость магнитного момента описывается идеально острой ступенчатой функцией Хевисайда, то первая производная от этой ступеньки есть δ-функция, а вторая производная равна нулю. Поэтому при переднем фронте ступеньки, длящемся порядка 10 –23 секунды (такова оценка времени превращения π-мезона в μ-мезон, при котором рождается антинейтрино) должен излучаться квант, имеющий δ-образную магнитную составляющую и лишённый электрической составляющей (см. подробнее в ).

Характерными особенностями магнитного солитона является то, что, будучи циркулярно поляризован, он должен обладать спином ħ  / 2, и его взаимодействие с веществом почти на два десятка порядков слабее, чем у электромагнитной волны. Эта особенность обусловлена тем, что в природе отсутствуют магнитные монополи.

Это позволяет предполагать, что магнитный солитон можно отождествить с нейтрино. При этом при рождении магнитного момента возникает антинейтрино, а при его исчезновении нейтрино.

Так в процессе последовательного превращении π  – -мезона сначала в μ  – -мезон, а затем в электрон, таких магнитных γ-квантов возникает три (рис. 5).

Рис. 5. Схема рождения трёх магнитных солитонов (нейтрино) в процессе распада π  – -мезона . π  – -мезон не обладает магнитным моментом. При распаде он превращается в μ  – -мезон, несущий магнитный момент. Этот процесс должен сопровождаться излучением магнитного γ-кванта (вылетом антинейтрино). При распаде μ  – -мезона его магнитный момент исчезает и излучается ещё один магнитный γ-квант (нейтрино). Третий магнитный солитон (антинейтрино) возникает в момент рождения электрона

4.2. Мезоны

В цепочке превращений пион → мюон → электрон рождается три нейтрино (рис. 5). Заряженные пионы (π  – -мезоны), спины которых равны нулю, не обладают магнитными диполями. В момент превращения π  – -мезона в мюон (μ‑мезон) скачкообразно возникает магнитный момент, что сопровождается испусканием мюонного антинейтрино \({\widetilde \nu _\mu }\). При распаде мюона генерируется излучение мюонного нейтрино ν μ , которое вызвано тем, что исчезает мюонный магнитный момент. Одновременно с этим рождается электрон, обладающий магнитным моментом, что приводит к излучению электронного антинейтрино \(\mathop {\widetilde \nu }\nolimits_e \).

Тот факт, что никаких других продуктов кроме нейтрино и антинейтрино в этих реакциях не возникает, приводит нас к предположению, что пион и мюон не являются самостоятельными элементарными частицами, а есть возбуждённые состояния электрона.

Эти мезоны имеют массы

здесь λ D = 2πħ  / P – длина волны де Бройля,

P – обобщённый импульс частицы,

n = 1, 2, 3... – целое число.

Инвариантный кинетический момент импульса (спин) такой частицы

получаем

Это значение массы очень близко к величине массы π-мезона (46), имеющего спин равный нулю:

Это значение массы очень близко к величине массы μ-мезона (46), имеющего спин равный ħ  / 2:

\[\frac{{{M_{1/2}}}}{{{M_{{\mu ^ \pm }}}}} \simeq 0,9941.\]

(54)

Обнаруженная возможность вычисления масс мезонов, исходя только из их спинов, подтверждает предположение о том, что эти мезоны являются возбуждёнными состояниями электрона.

5. Заключение

Проведённые выше вычисления свойств элементарных частиц обнаруживают недостаточность кварковой модели с дробными зарядами кварков, в рамках которой такие оценки не удаётся получить. Эта модель в современном виде демонстрирует возможность классификации частиц, но это не доказывает того, что такая классификация является единственно возможной и верной.

При этом важно отметить, что для описания протон-нейтронного взаимодействия (в лёгких ядрах) нет необходимости привлекать модель глюонов, а также использовать теории сильного и слабого взаимодействий.

Действительно, обмен релятивистским электроном между протонами в дейтроне и также как обмен нерелятивистским электроном в молекулярном ионе водорода – это квантово-механическое явление и нет основания приписывать этому обменному эффекту в случае дейтрона роль фундаментального взаимодействия Природы.

Излучение нейтрино происходит в процессе β-распада (или К-захвата). Процессы распадов ядер, как α так и β, не требуют введения какого-либо нового особенного фундаментального природного взаимодействия. Но β-распад имеет существенную особенность: при β-распаде за чрезвычайно короткое время возникает (или исчезает при К-захвате) магнитный момент свободного электрона. Это производит магнитный удар по эфиру и приводит к излучению магнитного γ-кванта, т.е. нейтрино. Это явление имеет сугубо электромагнитный характер, и для его описания не нужно вводить специальное слабое или электрослабое взаимодействие.

Однако формально отсутствие необходимости вводить сильное и слабое взаимодействия в описание других объектов микромира не доказано. Очевидно, что для расчёта ядерных сил в тяжёлых ядрах потребуется привлекать другие эффекты, связанные, например, с существованием ядерных оболочек.

Тем не менее, возможность электромагнитного описания некоторых частиц делает актуальным вопрос о корректности существующего описания многих других, более сложных объектов микромира.

Очевидно, что в соответствии с главным постулатом естественных наук У. Гильберта проверка корректности такого описания должна опираться на экспериментальные данные базовых свойств исследуемых объектов . Удачный метод систематизации частиц в некую таблицу нельзя считать исчерпывающим доказательством правильности и единственности данного подхода.

Литература:

1. Гильберт У. О магните, магнитных телах и большом магните – Земле. М.: Издательство Академии наук СССР, 1956.
, 2016.

Министерство Российской Федерации

Саратовский Юридический институт

Самарский филиал

кафедра ПИ и ПКТРП

Реферат

На тему: ” Элементарные частицы ”

Выполнил: курсант 421 уч.группы

рядовой милиции

Сизоненко А.А.

Проверил: преподаватель кафедры

Кузнецов С.И.

Самара 2002

План

1) Введение.

2)

3) Основные свойства элементарных частиц. Классы взаимодействий.

4)

5)

а) Унитарная симметрия.

б) Кварковая модель адронов

6)

7) Заключение. Некоторые общие проблемы теории элементарных частиц.

Введение .

Э. ч. в точном значении этого термина - первичные, далее неразложимые частицы, из которых, по предположению, состоит вся материя. В понятии "Э. ч." в современной физике находит выражение идея о первообразных сущностях, определяющих все известные свойства материального мира, идея, зародившаяся на ранних этапах становления естествознания и всегда игравшая важную роль в его развитии.

Понятие "Э. ч." сформировалось в тесной связи с установлением дискретного характера строения вещества на микроскопическом уровне. Обнаружение на рубеже 19-20 вв. мельчайших носителей свойств вещества - молекул и атомов - и установление того факта, что молекулы построены из атомов, впервые позволило описать все известные вещества как комбинации конечного, хотя и большого, числа структурных составляющих - атомов. Выявление в дальнейшем наличия составных слагающих атомов - электронов и ядер, установление сложной природы ядер, оказавшихся построенными всего из двух типов частиц (протонов и нейтронов), существенно уменьшило количество дискретных элементов, формирующих свойства вещества, и дало основание предполагать, что цепочка составных частей материи завершается дискретными бесструктурными образованиями - Э. ч. Такое предположение, вообще говоря, является экстраполяцией известных фактов и сколько-нибудь строго обосновано быть не может. Нельзя с уверенностью утверждать, что частицы, элементарные в смысле приведённого определения, существуют. Протоны и нейтроны, например, длительное время считавшиеся Э. ч., как выяснилось, имеют сложное строение. Не исключена возможность того, что последовательность структурных составляющих материи принципиально бесконечна. Может оказаться также, что утверждение "состоит из..." на какой-то ступени изучения материи окажется лишённым содержания. От данного выше определения "элементарности" в этом случае придется отказаться. Существование Э. ч. - это своего рода постулат, и проверка его справедливости - одна из важнейших задач физики.

Термин "Э. ч." часто употребляется в современной физике не в своём точном значении, а менее строго - для наименования большой группы мельчайших частиц материи, подчинённых условию, что они не являются атомами или атомными ядрами (исключение составляет простейшее ядро атома водорода - протон). Как показали исследования, эта группа частиц необычайно обширна. Помимо упоминавшихся протона (р), нейтрона (n) и электрона (e -) к ней относятся: фотон (g), пи-мезоны (p), мюоны (m), нейтрино трёх типов (электронное v e , мюонное v m и связанное с т. н. тяжёлым лептоном v t), т. н. странные частицы (К-мезоны и гипероны), разнообразные резонансы, открытые в 1974-77 y-частицы, "очарованные" частицы, ипсилон-частицы (¡) и тяжёлые лептоны (t + , t -) - всего более 350 частиц, в основном нестабильных. Число частиц, включаемых в эту группу, продолжает расти и, скорее всего, неограниченно велико; при этом большинство перечисленных частиц не удовлетворяет строгому определению элементарности, поскольку, по современным представлениям, они являются составными системами (см. ниже). Использование названия "Э. ч." ко всем этим частицам имеет исторические причины и связано с тем периодом исследований (начало 30-х гг. 20 в.), когда единственно известными представителями данной группы были протон, нейтрон, электрон и частица электромагнитного поля - фотон. Эти четыре частицы тогда естественно было считать элементарными, т. к. они служили основой для построения окружающего нас вещества и взаимодействующего с ним электромагнитного поля, а сложная структура протона и нейтрона не была известна.

Открытие новых микроскопических частиц материи постепенно разрушило эту простую картину. Вновь обнаруженные частицы, однако, во многих отношениях были близки к первым четырём известным частицам. Объединяющее их свойство заключается в том, что все они являются специфическими формами существования материи, не ассоциированной в ядра и атомы (иногда по этой причине их называют "субъядерными частицами"). Пока количество таких частиц было не очень велико, сохранялось убеждение, что они играют фундаментальную роль в строении материи, и их относили к категории Э. ч. Нарастание числа субъядерных частиц, выявление у многих из них сложного строения показало, что они, как правило, не обладают свойствами элементарности, но традиционное название "Э. ч." за ними сохранилось.

В соответствии со сложившейся практикой термин "Э. ч." будет употребляться ниже в качестве общего назв. субъядерных частиц. В тех случаях, когда речь будет идти о частицах, претендующих на роль первичных элементов материи, при необходимости будет использоваться термин "истинно Э. ч.".

Краткие исторические сведения.

Открытие Э. ч. явилось закономерным результатом общих успехов в изучении строения вещества, достигнутых физикой в конце 19 в. Оно было подготовлено всесторонними исследованиями оптических спектров атомов, изучением электрических явлений в жидкостях и газах, открытием фотоэлектричества, рентгеновских лучей, естественной радиоактивности, свидетельствовавших о существовании сложной структуры материи.

Исторически первой открытой Э. ч. был электрон - носитель отрицательного элементарного электрического заряда в атомах. В 1897 Дж. Дж. Томсон установил, что т. н. катодные лучи образованы потоком мельчайших частиц, которые были названы электронами. В 1911 Э. Резерфорд, пропуская альфа-частицы от естественного радиоактивного источника через тонкие фольги различных веществ, выяснил, что положительный заряд в атомах сосредоточен в компактных образованиях - ядрах, а в 1919 обнаружил среди частиц, выбитых из атомных ядер, протоны - частицы с единичным положительным зарядом и массой, в 1840 раз превышающей массу электрона. Другая частица, входящая в состав ядра, - нейтрон - была открыта в 1932 Дж. Чедвиком при исследованиях взаимодействия a-частиц с бериллием. Нейтрон имеет массу, близкую к массе протона, но не обладает электрическим зарядом. Открытием нейтрона завершилось выявление частиц - структурных элементов атомов и их ядер.

Вывод о существовании частицы электромагнитного поля - фотона - берёт своё начало с работы М. Планка (1900). Предположив, что энергия электромагнитного излучения абсолютно чёрного тела квантованна, Планк получил правильную формулу для спектра излучения. Развивая идею Планка, А. Эйнштейн (1905) постулировал, что электромагнитное излучение (свет) в действительности является потоком отдельных квантов (фотонов), и на этой основе объяснил закономерности фотоэффекта. Прямые экспериментальные доказательства существования фотона были даны Р. Милликеном (1912- 1915) и А. Комптоном (1922; см. Комптона эффект).

Открытие нейтрино - частицы, почти не взаимодействующей с веществом, ведёт своё начало от теоретической догадки В. Паули (1930), позволившей за счёт предположения о рождении такой частицы устранить трудности с законом сохранения энергии в процессах бета-распада радиоактивных ядер. Экспериментально существование нейтрино было подтверждено лишь в 1953 (Ф. Райнес и К Коуэн, США).

С 30-х и до начала 50-х гг. изучение Э. ч. было тесно связано с исследованием космических лучей. В 1932 в составе космических лучей К. Андерсоном был обнаружен позитрон (е +) - частица с массой электрона, но с положительным электрическим зарядом. Позитрон был первой открытой античастицей (см. ниже). Существование е + непосредственно вытекало из релятивистской теории электрона, развитой П. Дираком (1928-31) незадолго до обнаружения позитрона. В 1936 американские физики К. Андерсон и С. Неддермейер обнаружили при исследовании осмических лучей мюоны (обоих знаков электрического заряда) - частицы с массой примерно в 200 масс электрона, а в остальном удивительно близкие по свойствам к е - , е + .

В 1947 также в космических лучах группой С. Пауэлла были открыты p + и p - -мезоны с массой в 274 электронные массы, играющие важную роль во взаимодействии протонов с нейтронами в ядрах. Существование подобных частиц было предположено Х. Юкавой в 1935.

Конец 40-х - начало 50-х гг. ознаменовались открытием большой группы частиц с необычными свойствами, получивших название "странных". Первые частицы этой группы К + - и К - -мезоны, L-, S + -, S - -, X - -гипероны были открыты в космических лучах, последующие открытия странных частиц были сделаны на ускорителях - установках, создающих интенсивные потоки быстрых протонов и электронов. При столкновении с веществом ускоренные протоны и электроны рождают новые Э. ч., которые и становятся предметом изучения.

С начала 50-х гг. ускорители превратились в основной инструмент для исследования Э. ч. В 70-х гг. энергии частиц, разогнанных на ускорителях, составили десятки и сотни млрд. электронвольт (Гэв ). Стремление к увеличению энергий частиц обусловлено тем, что высокие энергии открывают возможность изучения строения материи на тем меньших расстояниях, чем выше энергия сталкивающихся частиц. Ускорители существенно увеличили темп получения новых данных и в короткий срок расширили и обогатили наше знание свойств микромира. Применение ускорителей для изучения странных частиц позволило более детально изучить их свойства, в частности особенности их распада, и вскоре привело к важному открытию: выяснению возможности изменения характеристик некоторых микропроцессов при операции зеркального отражения (см. Пространственная инверсия) - т. н. нарушению пространств. чётности (1956). Ввод в строй протонных ускорителей с энергиями в миллиарды эв позволил открыть тяжёлые античастицы: антипротон (1955), антинейтрон (1956), антисигма-гипероны (1960). В 1964 был открыт самый тяжёлый гиперон W - (с массой около двух масс протона). В 1960-х гг. на ускорителях было открыто большое число крайне неустойчивых (по сравнению с др. нестабильными Э. ч.) частиц, получивших название "резонансов". Массы большинства резонансов превышают массу протона. Первый из них D 1 (1232) был известен с 1953. Оказалось, что резонансы составляют основная часть Э. ч.

В 1962 было выяснено, что существуют два разных нейтрино: электронное и мюонное. В 1964 в распадах нейтральных К-мезонов. было обнаружено несохранение т, н. комбинированной чётности (введённой Ли Цзун-дао и Ян Чжэнь-нином и независимо Л. Д. Ландау в 1956; см. Комбинированная инверсия), означающее необходимость пересмотра привычных взглядов на поведение физических процессов при операции отражения времени (см. Теорема СРТ).

В 1974 были обнаружены массивные (в 3-4 протонные массы) и в то же время относительно устойчивые y-частицы, с временем жизни, необычно большим для резонансов. Они оказались тесно связанными с новым семейством Э. ч. - "очарованных", первые представители которого (D 0 , D + , L с) были открыты в 1976. В 1975 были получены первые сведения о существовании тяжёлого аналога электрона и мюона (тяжёлого лептона t). В 1977 были открыты ¡-частицы с массой порядка десятка протонных масс.

Таким образом, за годы, прошедшие после открытия электрона, было выявлено огромное число разнообразных микрочастиц материи. Мир Э. ч. оказался достаточно сложно устроенным. Неожиданными во многих отношениях оказались свойства обнаруженных Э. ч. Для их описания, помимо характеристик, заимствованных из классической физики, таких, как электрический заряд, масса, момент количества движения, потребовалось ввести много новых специальных характеристик, в частности для описания странных Э. ч. - странность (К. Нишиджима, М. Гелл-Ман, 1953), "очарованных" Э. ч. - "очарование" (американские физики Дж. Бьёркен, Ш. Глэшоу, 1964); уже названия приведённых характеристик отражают необычность описываемых ими свойств Э. ч.

Изучение внутреннего строения материи и свойств Э. ч. с первых своих шагов сопровождалось радикальным пересмотром многих устоявшихся понятий и представлений. Закономерности, управляющие поведением материи в малом, оказались настолько отличными от закономерностей классической механики и электродинамики, что потребовали для своего описания совершенно новых теоретических построений. Такими новыми фундаментальными построениями в теории явились частная (специальная) и общая теория относительности (А. Эйнштейн, 1905 и 1916; см. Относительности теория, Тяготение) и квантовая механика (1924-27; Н. Бор, Л. де Бройль, В. Гейзенберг, Э. Шрёдингер, М. Борн). Теория относительности и квантовая механика знаменовали собой подлинную революцию в науке о природе и заложили основы для описания явлений микромира. Однако для описания процессов, происходящих с Э. ч., квантовой механики оказалось недостаточно. Понадобился следующий шаг - квантование классических полей (т. н. квантование вторичное) и разработка квантовой теории поля. Важнейшими этапами на пути её развития были: формулировка квантовой электродинамики (П. Дирак, 1929), квантовой теории b-распада (Э. Ферми, 1934), положившей начало современной теории слабых взаимодействий, квантовой мезодинамики (Юкава, 1935). Непосредственной предшественницей последней была т. н. b-теория ядерных сил (И. Е. Тамм, Д. Д. Иваненко, 1934; см. Сильные взаимодействия). Этот период завершился созданием последовательного вычислительного аппарата квантовой электродинамики (С. Томонага, Р. Фейнман, Ю. Швингер; 1944-49), основанного на использовании техники перенормировки (см. Квантовая теория поля). Эта техника была обобщена впоследствии применительно к другим вариантам квантовой теории поля.

Квантовая теория поля продолжает развиваться и совершенствоваться и является основой для описания взаимодействий Э. ч. У этой теории имеется ряд существенных успехов, и всё же она ещё очень далека от завершённости и не может претендовать на роль всеобъемлющей теории Э. ч. Происхождение многих свойств Э. ч. и природа присущих им взаимодействий в значительной мере остаются неясными. Возможно, понадобится ещё не одна перестройка всех представлений и гораздо более глубокое понимание взаимосвязи свойств микрочастиц и геометрических свойств пространства-времени, прежде чем теория Э. ч. будет построена.

Основные свойства элементарных частиц. Классы взаимодействий.

Все Э. ч. являются объектами исключительно малых масс и размеров. У большинства из них массы имеют порядок величины массы протона, равной 1,6×10 -24 г (заметно меньше лишь масса электрона: 9×10 -28 г). Определённые из опыта размеры протона, нейтрона, p-мезона по порядку величины равны 10 -13 см. Размеры электрона и мюона определить не удалось, известно лишь, что они меньше 10 -15 см. Микроскопические массы и размеры Э. ч. лежат в основе квантовой специфики их поведения. Характерные длины волн, которые следует приписать Э. ч. в квантовой теории (, где - постоянная Планка, m - масса частицы, с - скорость света) по порядку величин близки к типичным размерам, на которых осуществляется их взаимодействие (например, для p-мезона 1,4×10 -13 см). Это и приводит к тому, что квантовые закономерности являются определяющими для Э. ч.

Наиболее важное квантовое свойство всех Э. ч. - их способность рождаться и уничтожаться (испускаться и поглощаться) при взаимодействии с др. частицами. В этом отношении они полностью аналогичны фотонам. Э. ч. - это специфические кванты материи, более точно - кванты соответствующих физических полей (см. ниже). Все процессы с Э. ч. протекают через последовательность актов их поглощения и испускания. Только на этой основе можно понять, например, процесс рождения p + -мезона при столкновении двух протонов (р + р ® р + n+ p +) или процесс аннигиляции электрона и позитрона, когда взамен исчезнувших частиц возникают, например, два g-кванта (е + +е - ® g + g). Но и процессы упругого рассеяния частиц, например е - +p ® е - + р, также связаны с поглощением начальных частиц и рождением конечных частиц. Распад нестабильных Э. ч. на более лёгкие частицы, сопровождаемый выделением энергии, отвечает той же закономерности и является процессом, в котором продукты распада рождаются в момент самого распада и до этого момента не существуют. В этом отношении распад Э. ч. подобен распаду возбуждённого атома на атом в основном состоянии и фотон. Примерами распадов Э. ч. могут служить: ; p + ® m + + v m ; К + ® p + + p 0 (знаком "тильда" над символом частицы здесь и в дальнейшем помечены соответствующие античастицы).

Различные процессы с Э. ч. заметно отличаются по интенсивности протекания. В соответствии с этим взаимодействия Э. ч. можно феноменологически разделить на несколько классов: сильные, электромагнитные и слабые взаимодействия. Все Э. ч. обладают, кроме того, гравитационным взаимодействием.

Сильные взаимодействия выделяются как взаимодействия, которые порождают процессы, протекающие с наибольшей интенсивностью среди всех остальных процессов. Они приводят и к самой сильной связи Э. ч. Именно сильные взаимодействия обусловливают связь протонов и нейтронов в ядрах атомов и обеспечивают исключительную прочность этих образований, лежащую в основе стабильности вещества в земных условиях.

Электромагнитные взаимодействия характеризуются как взаимодействия, в основе которых лежит связь с электромагнитным полем. Процессы, обусловленные ими, менее интенсивны, чем процессы сильных взаимодействий, а порождаемая ими связь Э. ч. заметно слабее. Электромагнитные взаимодействия, в частности, ответственны за связь атомных электронов с ядрами и связь атомов в молекулах.

Слабые взаимодействия, как показывает само название, вызывают очень медленно протекающие процессы с Э. ч. Иллюстрацией их малой интенсивности может служить тот факт, что нейтрино, обладающие только слабыми взаимодействиями, беспрепятственно пронизывают, например, толщу Земли и Солнца. Слабые взаимодействия обусловливают также медленные распады т. н. квазистабильных Э. ч. Времена жизни этих частиц лежат в диапазоне 10 -8 -10 -10 сек, тогда как типичные времена для сильных взаимодействий Э. ч. составляют 10 -23 -10 -24 сек.

Гравитационные взаимодействия, хорошо известные по своим макроскопическим проявлениям, в случае Э. ч. на характерных расстояниях ~10 -13 см дают чрезвычайно малые эффекты из-за малости масс Э. ч.

Силу различных классов взаимодействий можно приближённо охарактеризовать безразмерными параметрами, связанными с квадратами констант соответствующих взаимодействий. Для сильных, электромагнитных, слабых и гравитационных взаимодействий протонов при средней энергии процесса ~1 Гэв эти параметры соотносятся как 1:10 -2: l0 -10:10 -38 . Необходимость указания средней энергии процесса связана с тем, что для слабых взаимодействий безразмерный параметр зависит от энергии. Кроме того, сами интенсивности различных процессов по-разному зависят от энергии. Это приводит к тому, что относительная роль различных взаимодействий, вообще говоря, меняется с ростом энергии взаимодействующих частиц, так что разделение взаимодействий на классы, основанное на сравнении интенсивностей процессов, надёжно осуществляется при не слишком высоких энергиях. Разные классы взаимодействий имеют, однако, и другую специфику, связанную с различными свойствами их симметрии (см. Симметрия в физике), которая способствует их разделению и при более высоких энергиях. Сохранится ли такое деление взаимодействий на классы в пределе самых больших энергий, пока остаётся неясным.

В зависимости от участия в тех или иных видах взаимодействий все изученные Э. ч., за исключением фотона, разбиваются на две основные группы: адроны (от греческого hadros - большой, сильный) и лептоны (от греческого leptos - мелкий, тонкий, лёгкий). Адроны характеризуются прежде всего тем, что они обладают сильными взаимодействиями, наряду с электромагнитными и слабыми, тогда как лептоны участвуют только в электромагнитных и слабых взаимодействиях. (Наличие общих для той и другой группы гравитационных взаимодействий подразумевается.) Массы адронов по порядку величины близки к массе протона (т р); минимальную массу среди адронов имеет p-мезон: т p "м 1/7×т р. Массы лептонов, известных до 1975-76, были невелики (0,1 m p), однако новейшие данные, видимо, указывают на возможность существования тяжёлых лептонов с такими же массами, как у адронов. Первыми исследованными представителями адронов были протон и нейтрон, лептонов - электрон. Фотон, обладающий только электромагнитными взаимодействиями, не может быть отнесён ни к адронам, ни к лептонам и должен быть выделен в отд. группу. По развиваемым в 70-х гг. представлениям фотон (частица с нулевой массой покоя) входит в одну группу с очень массивными частицами - т. н. промежуточными векторными бозонами, ответственными за слабые взаимодействия и пока на опыте не наблюдавшимися (см. раздел Элементарные частицы и квантовая теория поля).

Характеристики элементарных частиц.

Каждая Э. ч., наряду со спецификой присущих ей взаимодействий, описывается набором дискретных значений определённых физических величин, или своими характеристиками. В ряде случаев эти дискретные значения выражаются через целые или дробные числа и некоторый общий множитель - единицу измерения; об этих числах говорят как о квантовых числах Э. ч. и задают только их, опуская единицы измерения.

Общими характеристиками всех Э. ч. являются масса (m), время жизни (t), спин (J) и электрический заряд (Q). Пока нет достаточного понимания того, по какому закону распределены массы Э. ч. и существует ли для них какая-то единица измерения.

В зависимости от времени жизни Э. ч. делятся на стабильные, квазистабильные и нестабильные (резонансы). Стабильными, в пределах точности современных измерений, являются электрон (t > 5×10 21 лет), протон (t > 2×10 30 лет), фотон и нейтрино. К квазистабильным относят частицы, распадающиеся за счёт электромагнитных и слабых взаимодействий. Их времена жизни > 10 -20 сек (для свободного нейтрона даже ~ 1000 сек). Резонансами называются Э. ч., распадающиеся за счёт сильных взаимодействий. Их характерные времена жизни 10 -23 -10 -24 сек. В некоторых случаях распад тяжёлых резонансов (с массой ³ 3 Гэв) за счёт сильных взаимодействий оказывается подавленным и время жизни увеличивается до значений - ~10 -20 сек.

Спин Э. ч. является целым или полуцелым кратным от величины. В этих единицах спин p- и К-мезонов равен 0, у протона, нейтрона и электрона J= 1/2, у фотона J = 1. Существуют частицы и с более высоким спином. Величина спина Э. ч. определяет поведение ансамбля одинаковых (тождественных) частиц, или их статистику (В. Паули, 1940). Частицы полуцелого спина подчиняются Ферми - Дирака статистике (отсюда название фермионы), которая требует антисимметрии волновой функции системы относительно перестановки пары частиц (или нечётного числа пар) и, следовательно, "запрещает" двум частицам полуцелого спина находиться в одинаковом состоянии (Паули принцип). Частицы целого спина подчиняются Бозе - Эйнштейна статистике (отсюда название бозоны), которая требует симметрии волновой функции относительно перестановок частиц и допускает нахождение любого числа частиц в одном и том же состоянии. Статистические свойства Э. ч. оказываются существенными в тех случаях, когда при рождении или распаде образуется несколько одинаковых частиц. Статистика Ферми - Дирака играет также исключительно важную роль в структуре ядер и определяет закономерности заполнения электронами атомных оболочек, лежащие в основе периодической системы элементов Д. И. Менделеева.

Электрические заряды изученных Э. ч. являются целыми кратными от величины е "1,6×10 -19 к, называются элементарным электрическим зарядом. У известных Э. ч. Q = 0, ±1, ±2.

Помимо указанных величин Э. ч. дополнительно характеризуются ещё рядом квантовых чисел, называются внутренними. Лептоны несут специфический лептонный заряд L двух типов: электронный (L e) и мюонный (L m); L e = +1 для электрона и электронного нейтрино, L m = +1 для отрицательного мюона и мюонного нейтрино. Тяжёлый лептон t; и связанное с ним нейтрино, по-видимому, являются носителями нового типа лептонного заряда L t .

Для адронов L = 0, и это ещё одно проявление их отличия от лептонов. В свою очередь, значительные части адронов следует приписать особый барионный заряд В (|Е| = 1). Адроны с В = +1 образуют подгруппу барионов (сюда входят протон, нейтрон, гипероны, барионные резонансы), а адроны с В = 0 - подгруппу мезонов (p- и К-мезоны, бозонные резонансы). Название подгрупп адронов происходит от греческих слов barýs - тяжёлый и mésos - средний, что на начальном этапе исследований Э. ч. отражало сравнительные величины масс известных тогда барионов и мезонов. Более поздние данные показали, что массы барионов и мезонов сопоставимы. Для лептонов В = 0. Для фотона В = 0 и L = 0.

Барионы и мезоны подразделяются на уже упоминавшиеся совокупности: обычных (нестранных) частиц (протон, нейтрон, p-мезоны), странных частиц (гипероны, К-мезоны) и очарованных частиц. Этому разделению отвечает наличие у адронов особых квантовых чисел: странности S и очарования (английское charm) Ch с допустимыми значениями: 151 = 0, 1, 2, 3 и |Ch| = 0, 1, 2, 3. Для обычных частиц S = 0 и Ch = 0, для странных частиц |S| ¹ 0, Ch = 0, для очарованных частиц |Ch| ¹ 0, а |S| = 0, 1, 2. Вместо странности часто используется квантовое число гиперзаряд Y = S + В, имеющее, по-видимому, более фундаментальное значение.

Уже первые исследования с обычными адронами выявили наличие среди них семейств частиц, близких по массе, с очень сходными свойствами по отношению к сильным взаимодействиям, но с различными значениями электрического заряда. Протон и нейтрон (нуклоны) были первым примером такого семейства. Позднее аналогичные семейства были обнаружены среди странных и (в 1976) среди очарованных адронов. Общность свойств частиц, входящих в такие семейства, является отражением существования у них одинакового значения специального квантового числа - изотопического спина I, принимающего, как и обычный спин, целые и полуцелые значения. Сами семейства обычно называются изотопическими мультиплетами. Число частиц в мультиплете (п)связано с I соотношением: n = 2I + 1. Частицы одного изотопического мультиплета отличаются друг от друга значением "проекции" изотопического спина I 3 , и

Важной характеристикой адронов является также внутренняя чётность Р, связанная с операцией пространств, инверсии: Р принимает значения ±1.

Для всех Э. ч. с ненулевыми значениями хотя бы одного из зарядов О, L, В, Y (S) и очарования Ch существуют античастицы с теми же значениями массы т, времени жизни t, спина J и для адронов изотопического спина 1, но с противоположными знаками всех зарядов и для барионов с противоположным знаком внутренней чётности Р. Частицы, не имеющие античастиц, называются абсолютно (истинно) нейтральными. Абсолютно нейтральные адроны обладают специальным квантовым числом - зарядовой чётностью (т. е. чётностью по отношению к операции зарядового сопряжения) С со значениями ±1; примерами таких частиц могут служить фотон и p 0 .

Квантовые числа Э. ч. разделяются на точные (т. е. такие, которые связаны с физическими величинами, сохраняющимися во всех процессах) и неточные (для которых соответствующие физические величины в части процессов не сохраняются). Спин J связан со строгим законом сохранения момента количества движения и потому является точным квантовым числом. Другие точные квантовые числа: Q, L, В; по современным данным, они сохраняются при всех превращениях Э. ч. Стабильность протона есть непосредственное выражение сохранения В (нет, например, распада р ® е + + g). Однако большинство квантовых чисел адронов неточные. Изотопический спин, сохраняясь в сильных взаимодействиях, не сохраняется в электромагнитных и слабых взаимодействиях. Странность и очарование сохраняются в сильных и электромагнитных взаимодействиях, но не сохраняются в слабых взаимодействиях. Слабые взаимодействия изменяют также внутреннюю и зарядовую чётности. С гораздо большей степенью точности сохраняется комбинированная чётность СР, однако и она нарушается в некоторых процессах, обусловленных слабыми взаимодействиями. Причины, вызывающие несохранение многих квантовых чисел адронов, неясны и, по-видимому, связаны как с природой этих квантовых чисел, так и с глубинной структурой электромагнитных и слабых взаимодействий. Сохранение или несохранение тех или иных квантовых чисел - одно из существенных проявлений различий классов взаимодействий Э. ч.

Классификация элементарных частиц.

Унитарная симметрия. Классификация лептонов пока не представляет проблем, большое же число адронов, известных уже в начале 50-х гг., явилось основанием для поиска закономерностей в распределении масс и квантовых чисел барионов и мезонов, которые могли бы составить основу их классификации. Выделение изотопических мультиплетов адронов было первым шагом на этом пути. С математической точки зрения группировка адронов в изотопические мультиплеты отражает наличие у них симметрии, связанной с группой вращения (см. Группа), более формально, с группой SU (2) - группой унитарных преобразований в комплексном двумерном пространстве. Предполагается, что эти преобразования действуют в некотором специфическом внутреннем пространстве - "изотопическом пространстве", отличном от обычного. Существование изотопического пространства проявляется только в наблюдаемых свойствах симметрии. На математическом языке изотопические мультиплеты суть неприводимые представления группы симметрии SU (2).

Концепция симметрии как фактора, определяющего существование различных групп и семейств Э. ч., в современной теории является доминирующей при классификации адронов и других Э. ч. Предполагается, что внутренние квантовые числа Э. ч., позволяющие выделять те или иные группы частиц, связаны со специальными типами симметрий, возникающими за счёт свободы преобразований в особых "внутренних" пространствах. Отсюда и происходит название "внутренние квантовые числа".

Внимательное рассмотрение показывает, что странные и обычные адроны в совокупности образуют более широкие объединения частиц с близкими свойствами, чем изотопические мультиплеты. Они называются супермультиплетами. Число частиц, входящих в наблюдаемые супермультиплеты, равно 8 и 10. С точки зрения симметрий возникновение супермультиплетов истолковывается как проявление существования у адронов группы симметрии более широкой, чем группа SU (2), а именно: SU (3) - группы унитарных преобразований в трёхмерном комплексном пространстве (М. Гелл-Ман и независимо Ю. Нееман, 1961). Соответствующая симметрия получила назв. унитарной симметрии. Группа SU (3)имеет, в частности, неприводимые представления с числом компонент 8 и 10, отвечающие наблюдаемым супермультиплетам: октету и декуплету. Примерами могут служить следующие группы частиц с одинаковыми значениями J P:

Общими для всех частиц в супермультиплете являются значения двух величин, которые по математической природе близки к изотопическому спину и поэтому часто называются унитарным спином. Для октета значения связанных с этими величинами квантовых чисел равны (1, 1), для декуплета - (3, 0).

Унитарная симметрия менее точная, чем изотопическая симметрия. В соответствии с этим различие в массах частиц, входящих в октеты и декуплеты, довольно значительно. По этой же причине разбиение адронов на супермультиплеты сравнительно просто осуществляется для Э. ч. не очень высоких масс. При больших массах, когда имеется много различных частиц с близкими массами, это разбиение осуществляется менее надёжно. Однако в свойствах Э. ч. имеется много разнообразных проявлений унитарной симметрии.

Включение в систематику Э. ч. очарованных адронов позволяет говорить о сверхсупермультиплетах и о существовании ещё более широкой симметрии, связанной с унитарной группой SU (4). Примеры до конца заполненных сверхсупермультиплетов пока отсутствуют. SU (4)-симметрия нарушена ещё сильнее, чем SU (3)-симметрия, и её проявления выражены слабее.

Обнаружение у адронов свойств симметрии, связанных с унитарными группами, и закономерностей разбиения на мультиплеты, отвечающих строго определённым представлениям указанных групп, явилось основой для вывода о существовании у адронов особых структурных элементов - кварков.

Кварковая модель адронов. Развитие работ по классификации адронов с первых своих шагов сопровождалось попытками выделить среди них частицы более фундаментальные, чем остальные, которые могли бы стать основой для построения всех адронов. Начало этой линии исследования было положено Э. Ферми и Ян Чжэнь-нином (1949), которые предположили, что такими фундаментальными частицами являются нуклон (N) и антинуклон (), a p-мезоны есть их связанные состояния (). При дальнейшем развитии этой идеи в число фундаментальных частиц были включены также странные барионы (М. А. Марков, 1955; японский физик С. Саката, 1956; Л. Б. Окунь, 1957). Модели, построенные на этой основе, хорошо описывали мезонные мультиплеты, но не давали правильного описания мультиплетов барионов. Важнейший элемент данных моделей - использование для "построения" адронов небольшого числа фермионов - органически вошёл в модель, которая наиболее успешно решает задачу описания всех адронов, - кварковую модель (австрийский физик Г. Цвейг и независимо М. Гелл-Ман, 1964).

В первоначальном варианте в основу модели было положено предположение, что все известные адроны построены из трёх типов частиц спина 1 / 2 , названных р-, n-, l-кварками, не принадлежащих к числу наблюдавшихся адронов и обладающих весьма необычными свойствами. Название "кварки" заимствовано из романа Дж. Джойса (см. Кварки). Современный вариант модели предполагает существование как минимум четырёх типов кварков. Четвёртый кварк необходим для описания очарованных адронов.

Идея кварков подсказана унитарной симметрией. Математическая структура унитарных групп открывает возможность описания всех представлений группы SU (n ) (и, следовательно, всех мультиплетов адронов) на основе самого простого представления группы, содержащего n компонент. В случае группы SU (3)таких компонент три. Необходимо только допустить наличие частиц, связанных с этим простейшим представлением. Эти частицы и есть кварки. Кварковый состав мезонов и барионов был выведен из того факта, что супермультиплеты мезонов содержат, как правило, 8 частиц, а барионов - 8 и 10 частиц. Эта закономерность легко воспроизводится, если предположить, что мезоны составлены из кварка q и антикварка - символически: , а барионы из трёх кварков - символически: В = (qqq ). В силу свойств группы SU (3) 9 мезонов разбиваются на супермультиплеты из 1 и 8 частиц, а 27 барионов - на супермультиплеты, содержащие 1, 10 и дважды по 8 частиц, что и объясняет наблюдаемую выделенность октетов и декуплетов.

Добавление к схеме четвёртого кварка (и, если окажется необходимым, новых дополнительных кварков) осуществляется при сохранении основного предположения кварковой модели о строении адронов:

В = (qqq ).

Все экспериментальные данные хорошо соответствуют приведённому кварковому составу адронов. Имеются, видимо, лишь небольшие отклонения от этой структуры, которые не влияют существенным образом на свойства адронов.

Указанная структура адронов и математические свойства кварков, как объектов, связанных с определённым (простейшим) представлением группы SU (4), приводят к след. квантовым числам кварков (табл. 2). Обращают внимание необычные - дробные - значения электрического заряда Q , а также В, S и Y , не встречающиеся ни у одной из наблюдавшихся Э. ч. С индексом a у каждого типа кварка q i (i = 1, 2, 3, 4) связана особая характеристика кварков - "цвет", которой нет у изученных адронов. Индекс a принимает значения 1, 2, 3, т, е. каждый тип кварка q i представлен тремя разновидностями q i a (Н. Н. Боголюбов с сотрудниками, 1965; американские физики И. Намбу и М. Хан, 1965; японский физик И. Миямото, 1965). Квантовые числа каждого типа кварка не меняются при изменении "цвета" и поэтому табл. 2 относится к кваркам любого "цвета".

Всё многообразие адронов возникает за счёт различных сочетаний р -, п-, g- и с -кварков, образующих связанные состояния. Обычным адронам соответствуют связанные состояния, построенные только из р- и n -кварков [для мезонов с возможным участием комбинаций и ]. Наличие в связанном состоянии наряду с р - и n -кварками одного g- или с -кварка означает, что соответствующий адрон странный (S = -1) или очарованный (Ch = + 1). В состав бариона может входить два и три g -кварка (соответственно с -кварка), т. е. возможны дважды и трижды странные (очарованные) барионы. Допустимы также сочетания различного числа g- и с- кварков (особенно в барионах), которые соответствуют "гибридным" формам адронов ("странно-очарованным"). Очевидно, что чем больше g- или с -кварков содержит адрон, тем он тяжелее. Если сравнивать основные (не возбуждённые) состояния адронов, именно такая картина и наблюдается (см. табл. 1, а также табл. 3 и 5).

Поскольку спин кварков равен 1 / 2 , приведённая выше кварковая структура адронов имеет своим следствием целочисленный спин у мезонов и полуцелый - у барионов, в полном соответствии с экспериментом. При этом в состояниях, отвечающих орбитальному моменту l = 0, в частности в основных состояниях, значения спина мезонов должны равняться 0 или 1 (для антипараллельной ґ¯ и параллельной ґґ ориентации спинов кварков), а спина барионов - 1 / 2 или 3 / 2 (для спиновых конфигураций ¯ґґ и ґґґ). С учётом того, что внутренняя чётность системы кварк-антикварк отрицательна, значения J P для мезонов при l = 0 равны 0 - и 1 - , для барионов - 1 / 2 + и 3 / 2 + . Именно эти значения J P наблюдаются у адронов, имеющих наименьшую массу при заданных значениях I и Y (см. табл. 1).

Поскольку индексы i, k, l в структурных формулах пробегают значения 1, 2, 3, 4, число мезонов M ik с заданным спином должно быть равно 16. Для барионов B ikl максимально возможное число состояний при заданном спине (64) не реализуется, т. к. в силу принципа Паули при данном полном спине разрешены только такие трёхкварковые состояния, которые обладают вполне определённой симметрией относительно перестановок индексов i, k, 1, а именно: полностью симметричные для спина 3 / 2 и смешанной симметрии для спина 1 / 2 . Это условие при l = 0 отбирает 20 барионных состояний для спина 3 / 2 и 20 - для спина 1 / 2 .

Более подробное рассмотрение показывает, что значение кваркового состава и свойств симметрии кварковой системы даёт возможность определить все основные квантовые числа адрона (J, Р, В, Q, I, Y, Ch ), за исключением массы; определение массы требует знания динамики взаимодействия кварков и массы кварков, которое пока отсутствует.

Правильно передавая специфику адронов с наименьшими массами и спинами при заданных значениях Y и Ch, кварковая модель естественным образом объясняет также общее большое число адронов и преобладание среди них резонансов. Многочисленность адронов - отражение их сложного строения и возможности существования различных возбуждённых состояний кварковых систем. Не исключено, что число таких возбуждённых состояний неограниченно велико. Все возбуждённые состояния кварковых систем неустойчивы относительно быстрых переходов за счёт сильных взаимодействий в нижележащие состояния. Они и образуют основную часть резонансов. Небольшую долю резонансов составляют также кварковые системы с параллельной ориентацией спинов (за исключением W -). Кварковые конфигурации с антипараллельной ориентацией спинов, относящиеся к осн. состояниям, образуют квазистабильные адроны и стабильный протон.

Возбуждения кварковых систем происходят как за счёт изменения вращательного движения кварков (орбитальные возбуждения), так и за счёт изменения их пространств. расположения (радиальные возбуждения). В первом случае рост массы системы сопровождается изменением суммарного спина J и чётности Р системы, во втором случае увеличение массы происходит без изменения J P . Например, мезоны с J P = 2 + являются первым орбитальным возбуждением (l = 1) мезонов с J P = 1 - . Соответствие 2 + мезонов и 1 - мезонов одинаковых кварковых структур хорошо прослеживается на примере многих пар частиц:

Мезоны r" и y" - примеры радиальных возбуждений r- и y-мезонов соответственно (см.

Орбитальные и радиальные возбуждения порождают последовательности резонансов, отвечающие одной и той же исходной кварковой структуре. Отсутствие надёжных сведений о взаимодействии кварков не позволяет пока производить количественные расчеты спектров возбуждений и делать какие-либо заключения о возможном числе таких возбуждённых состояний.При формулировке кварковой модели кварки рассматривались как гипотетические структурные элементы, открывающие возможность очень удобного описания адронов. В дальнейшем были проведены эксперименты, которые позволяют говорить о кварках как о реальных материальных образованиях внутри адронов. Первыми были эксперименты по рассеянию электронов нуклонами на очень большие углы. Эти эксперименты (1968), напоминающие классические опыты Резерфорда по рассеянию a-частиц на атомах, выявили наличие внутри нуклона точечных заряженных образований. Сравнение данных этих экспериментов с аналогичными данными по рассеянию нейтрино на нуклонах (1973-75) позволило сделать заключение о средней величине квадрата электрического заряда этих точечных образований. Результат оказался удивительно близким к величине 1 / 2 [(2 / 3 e ) 2 +(1 / 3 e ) 2 ]. Изучение процесса рождения адронов при аннигиляции электрона и позитрона, который предположительно идёт через последовательность процессов: ® адроны, указало на наличие двух групп адронов, генетически связанных с каждым из образующихся кварков, и позволило определить спин кварков. Он оказался равным 1/2. Общее число рожденных в этом процессе адронов свидетельствует также о том, что в промежуточном состоянии возникают кварки трёх разновидностей, т. е. кварки трёхцветны.

Т. о., квантовые числа кварков, введённые на основании теоретических соображений, получили подтверждение в ряде экспериментов. Кварки постепенно приобретают статус новых Э. ч. Если дальнейшие исследования подтвердят это заключение, то кварки являются серьёзными претендентами на роль истинно Э. ч. для адронной формы материи. До длин ~ 10 -15 см кварки выступают как точечные бесструктурные образования. Число известных видов кварков невелико. В дальнейшем оно может, конечно, измениться: нельзя поручиться за то, что при более высоких энергиях не будут обнаружены адроны с новыми квантовыми числами, обязанные своим существованием новым типам кварков. Обнаружение Y -мезонов подтверждает эту точку зрения. Но вполне возможно, что увеличение числа кварков будет небольшим, что общие принципы накладывают ограничения на полное число кварков, хотя эти ограничения пока неизвестны. Бесструктурность кварков также, возможно, отражает лишь достигнутый уровень исследования этих материальных образований. Однако ряд специфических особенностей кварков даёт некоторые основания предполагать, что кварки являются частицами, замыкающими цепь структурных составляющих материи.

От всех других Э. ч. кварки отличаются тем, что в свободном состоянии они пока не наблюдались, хотя имеются свидетельства их существования в связанном состоянии. Одной из причин ненаблюдения кварков может быть их очень большая масса, что препятствует их рождению при энергиях современных ускорителей. Не исключено, однако, что кварки принципиально, в силу специфики их взаимодействия, не могут находиться в свободном состоянии. Существуют доводы теоретического и экспериментального характера в пользу того, что силы, действующие между кварками, не ослабляются с расстоянием. Это означает, что для отделения кварков друг от друга требуется бесконечно большая энергия, или, иначе, возникновение кварков в свободном состоянии невозможно. Невозможность выделить кварки в свободном состоянии делает их совершенно новым типом структурных единиц вещества. Неясно, например, можно ли ставить вопрос о составных частях кварков, если сами кварки нельзя наблюдать в свободном состоянии. Возможно, что в этих условиях части кварков физически вообще не проявляются и поэтому кварки выступают как последняя ступень дробления адронной материи.

Элементарные частицы и квантовая теория поля.

Для описания свойств и взаимодействий Э. ч. в современной теории существенное значение имеет понятие физ. поля, которое ставится в соответствие каждой частице. Поле есть специфическая форма материи; оно описывается функцией, задаваемой во всех точках (х )пространства-времени и обладающей определёнными трансформационными свойствами по отношению к преобразованиям группы Лоренца (скаляр, спинор, вектор и т. д.) и групп "внутренних" симметрий (изотопический скаляр, изотопический спинор и т. д.). Электромагнитное поле, обладающее свойствами четырёхмерного вектора А m (х) (m = 1, 2, 3, 4), - исторически первый пример физического поля. Поля, сопоставляемые с Э. ч., имеют квантовую природу, т. е. их энергия и импульс слагаются из множества отд. порций - квантов, причём энергия E k и импульс p k кванта связаны соотношением специальной теории относительности: E k 2 = p k 2 c 2 + m 2 c 2 . Каждый такой квант и есть Э. ч. с заданной энергией E k , импульсом p k и массой т. Квантами электромагнитного поля являются фотоны, кванты других полей соответствуют всем остальным известным Э. ч. Поле, т. о., есть физическое отражение существования бесконечной совокупности частиц - квантов. Специальный математический аппарат квантовой теории поля позволяет описать рождение и уничтожение частицы в каждой точке х.

Трансформационные свойства поля определяют все квантовые числа Э. ч. Трансформационные свойства по отношению к преобразованиям пространства-времени (группе Лоренца) задают спин частиц. Так, скаляру соответствует спин 0, спинору - спин 1 / 2 , вектору - спин 1 и т. д. Существование таких квантовых чисел, как L, В, 1, Y, Ch и для кварков и глюонов "цвет", следует из трансформационных свойств полей по отношению к преобразованиям "внутренних пространств" ("зарядового пространства", "изотопического пространства", "унитарного пространства" и т. д.). Существование "цвета" у кварков, в частности, связывается с особым "цветным" унитарным пространством. Введение "внутренних пространств" в аппарате теории - пока чисто формальный приём, который, однако, может служить указанием на то, что размерность физического пространства-времени, отражающаяся в свойствах Э. ч., реально больше четырёх - размерности пространства-времени, характерной для всех макроскопических физических процессов. Масса Э. ч. не связана непосредственно с трансформационными свойствами полей; это дополнительная их характеристика.

Для описания процессов, происходящих с Э. ч., необходимо знать, как различные физические поля связаны друг с другом, т. е. знать динамику полей. В современном аппарате квантовой теории поля сведения о динамике полей заключены в особой величине, выражающейся через поля - лагранжиане (точнее, плотности лагранжиана) L. Знание L позволяет в принципе рассчитывать вероятности переходов от одной совокупности частиц к другой под влиянием различных взаимодействий. Эти вероятности даются т. н. матрицей рассеяния (В. Гейзенберг, 1943), выражающейся через L. Лагранжиан L состоит из лагранжиана L вз, описывающего поведение свободных полей, и лагранжиана взаимодействия L вз, построенного из полей разных частиц и отражающего возможность их взаимопревращений. Знание L вз является определяющим для описания процессов с Э. ч.

Вид L вз однозначно определяется трансформационными свойствами полей относительной группы Лоренца и требованием инвариантности относительно этой группы (релятивистская инвариантность). В течение длительного времени не были, однако, известны критерии для нахождения L вз (за исключением электромагнитных взаимодействий), а сведения о взаимодействиях Э. ч., полученные из эксперимента, в большинстве случаев не позволяли осуществить надёжный выбор между различными возможностями. В этих условиях широкое распространение получил феноменологический подход к описанию взаимодействий, основанный либо на выборе простейших форм L вз, ведущих к наблюдаемым процессам, либо на прямом изучении характерных свойств элементов матрицы рассеяния. На этом пути был достигнут значительный успех в описании процессов с Э. ч. для различных выделенных областей энергий. Однако многие параметры теории заимствовались из эксперимента, а сам подход не мог претендовать на универсальность.

В период 50-70-х гг. был достигнут значительный прогресс в понимании структуры L вз, который позволил существенно уточнить его форму для сильных и слабых взаимодействий. Решающую роль в этом продвижении сыграло выяснение тесной связи между свойствами симметрии взаимодействий Э. ч. и формой L вз.

Симметрия взаимодействий Э. ч. находит своё отражение в существовании законов сохранения определённых физических величин и, следовательно, в сохранении связанных с ними квантовых чисел Э. ч. (см. Сохранения законы). Точная симметрия, имеющая место для всех классов взаимодействий, отвечает наличию у Э. ч. точных квантовых чисел; приближённая симметрия, характерная лишь для некоторых классов взаимодействий (сильных, электромагнитных), приводит к неточным квантовым числам. Отмечавшееся выше различие классов взаимодействий в отношении сохранения квантовых чисел Э. ч. отражает различия в свойствах их симметрии.

Известная форма L вз эл. м. для электромагнитных взаимодействий есть следствие существования очевидной симметрии лагранжиана L относительно умножения комплексных полей j заряженных частиц, входящих в него в комбинациях типа j*j (здесь * означает комплексное сопряжение), на множитель e ia , где a - произвольное действительное число. Эта симметрия, с одной стороны, порождает закон сохранения электрического заряда, с другой стороны, если требовать выполнения симметрии при условии, что a произвольно зависит от точки х пространства-времени, однозначно приводит к лагранжиану взаимодействия:

L вз эл. м. = j m эл. м. (x) A m (x) (1)

где j m эл. м. - четырёхмерный электромагнитный ток (см. Электромагнитные взаимодействия). Как выяснилось, этот результат имеет общее значение. Во всех случаях, когда взаимодействия проявляют "внутреннюю" симметрию, т. е. лагранжиан инвариантен относительно преобразований "внутреннего пространства", а у Э. ч. возникают соответствующие квантовые числа, следует требовать, чтобы инвариантность имела место при любой зависимости параметров преобразования от точки х (т. н. локальная калибровочная инвариантность; Ян Чжэнь-нин, американский физик Р. Миллс, 1954). Физически это требование связано с тем, что взаимодействие не может мгновенно передаваться от точки к точке. Указанное условие удовлетворяется, когда среди полей, входящих в лагранжиан, присутствуют векторные поля (аналоги A m (x)), изменяющиеся при преобразованиях "внутренней" симметрии и взаимодействующие с полями частиц вполне определённым образом, а именно:

L вз = å r=1 n j m r (x) V m r (x), (2)

где j m r (x) - токи, составленные из полей частиц, V m r (x) - векторные поля, называются часто калибровочными полями. Т. о., требование локальности "внутренней" симметрии фиксирует форму L вз и выделяет векторные поля как универсальные переносчики взаимодействий. Свойства векторных полей и их число "n" определяются свойствами группы "внутренней" симметрии. Если симметрия точная, то масса кванта поля V m r равна 0. Для приближенной симметрии масса кванта векторного поля отлична от нуля. Вид тока j m r определяется полями частиц с ненулевыми квантовыми числами, связанными с группой "внутренней" симметрии.

На основании изложенных принципов оказалось возможным подойти к вопросу о взаимодействии кварков в нуклоне. Эксперименты по рассеянию нейтрино и антинейтрино на нуклоне показали, что импульс нуклона лишь частично (примерно на 50%) переносится кварками, а остальная его часть переносится другим видом материи, которая не взаимодействует с нейтрино. Предположительно эта часть материи состоит из частиц, которыми обмениваются кварки и за счёт которых они удерживаются в нуклоне. Эти частицы получили название "глюонов" (от английского glue - клей). С изложенной выше точки зрения на взаимодействия эти частицы естественно считать векторными. В современной теории их существование связывается с симметрией, обусловливающей появление "цвета" у кварков. Если эта симметрия точная (цветная SU (3)-симметрия), то глюоны - безмассовые частицы и их число равно восьми (американский физик И. Намбу, 1966). Взаимодействие кварков с глюонами даётся L вз со структурой (2), где ток j m r составлен из полей кварков. Имеется и основание предполагать, что взаимодействие кварков, обусловленное обменом безмассовыми глюонами, приводит к силам между кварками, не убывающим с расстоянием, но строго это не доказано.

Принципиально знание взаимодействия между кварками могло бы явиться основой для описания взаимодействия всех адронов между собой, т. е. всех сильных взаимодействий. Это направление в физике адронов быстро развивается.

Использование принципа определяющей роли симметрии (в т. ч. приближённой) в формировании структуры взаимодействия позволило также продвинуться в понимании природы лагранжиана слабых взаимодействий. Одновременно была вскрыта глубокая внутренняя связь слабых и электромагнитных взаимодействий. В указанном подходе наличие пар лептонов с одинаковым лептонным зарядом: е - , v e и m - , v m , но различными массами и электрическими зарядами расценивается не как случайное, а как отражающее существование нарушенной симметрии типа изотонической (группа SU (2)). Применение принципа локальности к этой "внутренней" симметрии приводит к характерному лагранжиану (2), в котором одновременно возникают члены, ответственные за электромагнитное и слабое взаимодействия (американский физик С. Вайнберг, 1967; А. Салам, 1968):

L вз = j m эл. м. + A m + j m сл. з. W m + + j m сл. з. W m - + j m сл. н. Z m 0 (3)

Здесь j m сл. з. , j m сл. н. - заряженный и нейтральный токи слабых взаимодействий, построенные из полей лептонов, W m + , W m - , Z m 0 - поля массивных (из-за нарушенности симметрии) векторных частиц, которые в этой схеме являются переносчиками слабых взаимодействий (т. н. промежуточные бозоны), A m - поле фотона. Идея существования заряженного промежуточного бозона была выдвинута давно (Х. Юкава, 1935). Важно, однако, что в данной модели единой теории электрон магнитного и слабого взаимодействий заряженный промежуточный бозон появляется на равной основе с фотоном и нейтральным промежуточным бозоном. Процессы слабых взаимодействий, обусловленные нейтральными токами, были обнаружены в 1973, что подтверждает правильность только что изложенного подхода к формулировке динамики слабых взаимодействий. Возможны и другие варианты написания лагранжиана L вз сл с большим числом нейтральных и заряженных промежуточных бозонов; для окончательного выбора лагранжиана экспериментальных данных ещё недостаточно.

Экспериментально промежуточные бозоны пока не обнаружены. Из имеющихся данных массы W ± и Z 0 для модели Вайнберга - Салама оцениваются примерно в 60 и 80 Гэв.

Электромагнитное и слабое взаимодействия кварков можно описать в рамках модели, аналогичной модели Вайнберга - Салама. Рассмотрение на этой основе электромагнитных и слабых взаимодействий адронов даёт хорошее соответствие наблюдаемым данным. Общей проблемой при построении таких моделей является неизвестное пока полное число кварков и лептонов, что не позволяет определить тип исходной симметрии и характер её нарушения. Поэтому очень важны дальнейшие экспериментальные исследования.

Единое происхождение электромагнитных и слабых взаимодействий означает, что в теории исчезает как независимый параметр константа слабых взаимодействий. Единственной константой остаётся электрический заряд е. Подавленность слабых процессов при небольших энергиях объясняется большой массой промежуточных бозонов. При энергиях в системе центра масс, сравнимых с массами промежуточных бозонов, эффекты электромагнитных и слабых взаимодействий должны быть одного порядка. Последние, однако, будут отличаться несохранением ряда квантовых чисел (P, Y, Ch и т. д.).

Имеются попытки рассмотреть на единой основе не только электромагнитные и слабые, но также и сильные взаимодействия. Исходным для таких попыток является предположение об единой природе всех видов взаимодействий Э. ч. (без гравитационного). Наблюдаемые сильные различия между взаимодействиями считаются обусловленными значительным нарушением симметрии. Эти попытки ещё недостаточно разработаны и сталкиваются с серьёзными трудностями, в частности в объяснении различий свойств кварков и лептонов.

Развитие метода получения лагранжиана взаимодействия, основанного на использовании свойств симметрии, явилось важным шагом на пути, ведущем к динамической теории Э. ч. Есть все основания думать, что калибровочные теории поля явятся существенным составным элементом дальнейших теоретических построений.

Заключение

Некоторые общие проблемы теории элементарных частиц. Новейшее развитие физики Э. ч. явно выделяет из всех Э. ч. группу частиц, которые существенным образом определяют специфику процессов микромира. Эти частицы - возможные кандидаты на роль истинно Э. ч. К их числу принадлежат: частицы со спином 1 / 2 - лептоны и кварки, а также частицы со спином 1 - глюоны, фотон, массивные промежуточные бозоны, осуществляющие разные виды взаимодействий частиц со спином 1 / 2 . В эту группу скорее всего следует также включить частицу со спином 2 - гравитон; квант гравитационного поля, связывающий все Э. ч. В этой схеме многие вопросы, однако, требуют дальнейшего исследования. Неизвестно, каково полное число лептонов, кварков и различных векторных (с J = 1) частиц и существуют ли физические принципы, определяющие это число. Неясны причины деления частиц со спином 1 / 2 на 2 различные группы: лептоны и кварки. Неясно происхождение внутренних квантовых чисел лептонов и кварков (L, В, 1, Y, Ch) и такой характеристики кварков и глюонов, как "цвет". С какими степенями свободы связаны внутренние квантовые числа? С обычным четырёхмерным пространством-временем связаны только такие характеристики Э. ч., как J и Р. Какой механизм определяет массы истинно Э. ч.? Чем обусловлено наличие у Э. ч. различных классов взаимодействий с различными свойствами симметрии? Эти и другие вопросы предстоит решить будущей теории Э. ч.

Описание взаимодействий Э. ч., как отмечалось, связано с калибровочными теориями поля. Эти теории имеют развитый математический аппарат, который позволяет производить расчёты процессов с Э. ч. (по крайней мере принципиально) на том же уровне строгости, как и в квантовой электродинамике. Но в настоящем своём виде калибровочные теории поля обладают одним серьёзным недостатком, общим с квантовой электродинамикой, - в них в процессе вычислений появляются бессмысленные бесконечно большие выражения. С помощью специального приёма переопределения наблюдаемых величин (массы и заряда) - перенормировки - удаётся устранить бесконечности из окончательных результатов вычислений. В наиболее хорошо изученной электродинамике это пока не сказывается на согласии предсказаний теории с экспериментом. Однако процедура перенормировки- чисто формальный обход трудности, существующей в аппарате теории, которая на каком-то уровне точности должна сказаться на степени согласия расчётов с измерениями.

Появление бесконечностей в вычислениях связано с тем, что в лагранжианах взаимодействий поля разных частиц отнесены к одной точке х, т. е. предполагается, что частицы точечные, а четырёхмерное пространство-время остаётся плоским вплоть до самых малых расстояний. В действительности указанные предположения, по-видимому, неверны по нескольким причинам: а) истинно Э. ч., вероятнее всего, - материальные объекты конечной протяжённости; б) свойства пространства-времени в малом (в масштабах, определяемых т. н. фундаментальной длиной) скорее всего радикально отличны от его макроскопических свойств; в) на самых малых расстояниях (~10 -33 см) сказывается изменение геометрических свойств пространства-времени за счёт гравитации. Возможно, эти причины тесно связаны между собой. Так, именно учёт гравитации наиболее естественно приводит к размерам истинно Э. ч. порядка 10 -33 см, а фундамент, длина l 0 может быть связана с гравитационной постоянной f: " 10 -33 см. Любая из этих причин должна привести к модификации теории и устранению бесконечностей, хотя практическое выполнение этой модификации может быть весьма сложным.

Очень интересным представляется учёт влияния гравитации на малых расстояниях. Гравитационное взаимодействие может не только устранять расходимости в квантовой теории поля, но и обусловливать само существование первообразующих материи (М. А. Марков, 1966). Если плотность вещества истинно Э. ч. достаточно велика, гравитационное притяжение может явиться тем фактором, который определяет устойчивое существование этих материальных образований. Размеры таких образований должны быть ~10 -33 см. В большинстве экспериментов они будут вести себя как точечные объекты, их гравитационное взаимодействие будет ничтожно мало и проявится лишь на самых малых расстояниях, в области, где существенно изменяется геометрия пространства.

Т. о., наметившаяся тенденция к одновременному рассмотрению различных классов взаимодействий Э. ч. скорее всего должна быть логически завершена включением в общую схему гравитационного взаимодействия. Именно на базе одновременного учёта всех видов взаимодействий наиболее вероятно ожидать создания будущей теории Э. ч.

Список используемой литературы

1) Марков М.А. О природе материи. М., 1976

2) Газиорович С. Физика элементарных частиц, пер. с английского, М. 1969

3) Коккедэ Я., Теория кварков, пер. с англ., М., 1971

4) И., Иоффе Б. Л., Окунь Л. Б., Новые элементарные частицы, "Успехи физических наук", 1975, т. 117, в. 2, с. 227

5) Боголюбов Н. Н., Ширков Д. В., Введение в теорию квантованных полей, 3 изд., М., 1976;

6) Новости фундаментальной физики, пер. с англ., М., 1977, с 120-240 .

Элементарными называют частицы, входящие в состав прежде «неделимого» атома. Первыми были обнаружены электрон, протон, нейтрон и фотон - квант электромагнитного поля. Из пер-

вых трех строили вещество, а фотон осуществлял взаимодействие между ними. Считали, что они ни на что далее не могут быть разложены и потому являются «первичными кирпичиками» мироздания. Потом оказалось, что эти элементарные частицы имеют внутреннюю структуру и могут друг в друга превращаться. После второй мировой войны благодаря мощной технике было открыто еще много частиц, претендующих на «элементарность». У каждой частицы, кроме фотона, оказалась еще и античастица. Сейчас элементарных частиц уже более трехсот. К ним относят и те частицы, которые получают на мощных циклотронах, синхротронах и других ускорителях. Есть элементарные частицы, возникающие при прохождении через атмосферу космических лучей, они существуют несколько миллионных долей секунды, потом распадаются, видоизменяются, превращаясь в другие элементарные частицы, или испускают энергию в форме излучения.

Современная наука выявила единство на самом глубоком уровне: наблюдаемое вещество состоит из фотонов, лептонов (электроны, мюоны, нейтрино) и кварков. Помимо переносимых фотонами электромагнитных взаимодействий существуют сильные ядерные взаимодействия, связывающие кварки в барионы (протоны, нейтроны и пр.) и мезоны. Слабые ядерные взаимодействия ответственны за распад нейтронов, например. Все они описываются единой нелинейной теорией, обобщающей уравнения Максвелла. Такое обобщение было сделано в 1954 г. Ч.Янгом и Р. Миллсом, и другие обобщения называются также теорией Янга - Миллса. Ранее подобные теории выдвигали Г. Ми и М. Борн, А. Эйнштейн и Я. И.Френкель. Хотя проблема элементарных частиц связана с самими основами науки, их изучение ведется в некотором отрыве от других областей физики.

Основными характеристиками элементарных частиц являются масса, электрический заряд, спин, среднее время жизни, магнитный момент, пространственная четность, барионный заряд и квантовые числа.

Масса элементарных частиц - это масса покоя, поскольку она не зависит от состояния движения. Ее определяют по отношению к массе покоя электрона m е, самой маленькой из масс покоя. Нейтрон и протон тяжелее электрона почти в 2000 раз. Но есть и очень тяжелые частицы, например Z-частицы, получаемые на ускорителях, с массой покоя 2 000 000 т е. Фотоны вообще не имеют массы покоя. По массе частицы делят на лептоны (электрон и нейтрино); мезоны (с массой от 1 до 1000 т е); барионы (с массой более 1000 т е). В состав барионов входят протоны, нейтроны, гипероны и др.

Электрический заряд меняется от нуля до «+» или «-». Каждой частице, кроме фотона, нейтрино и двух мезонов, соответствует частица с противоположным зарядом, или античастица. В 1963 г.

была высказана гипотеза о существовании частиц с дробным зарядом - кварков.

Спин - одна из важнейших характеристик элементарных частиц. Она определяется собственным моментом импульса частицы. Спин фотона равен 1; это означает, что частица примет тот же вид после полного оборота на 360°. Частица со спином - 1/2 примет прежний вид при обороте, в 2 раза большем, т. е. в 720°. Спин протона, нейтрона и электрона - 1/2. Существуют частицы со спином 3/2, 5/2 и т.д. Частица со спином, равным нулю, одинаково выглядит при любом угле поворота. В зависимости от значения спина все частицы делят на две группы:

фермионы (название дано в честь Энрико Ферми) - с полуцелыми (1/2, 3/3, ...) спинами. Фермионы составляют вещество и, в свою очередь, делятся на два класса - лептоны (от греч. leptos - легкий) и кварки. Кварки входят в состав протонов, нейтронов и других подобных им частиц, называемых в совокупности адрона-ми (от греч. adros - сильный). Заряженные лептоны могут так же, как и электроны, вращаться вокруг ядер, образуя атомы. Лептоны, не имеющие заряда, могут, как и нейтрино, проходить сквозь всю Землю, ни с чем не взаимодействуя. У каждой частицы есть и античастица, отличающаяся только зарядом;

бозоны (названные в честь индийского ученого Шатьендраната Бозе, одного из создателей квантовой статистики) - это частицы с целыми спинами (0, 1, 2), бозоны переносят взаимодействие.

Между частицами существуют четыре типа взаимодействий, каждое из которых переносится своим типом бозонов: фотон, квант света - электромагнитные взаимодействия, гравитон - силы тяготения, действующие между любыми телами, имеющими массу. Восемь глюонов переносят сильные ядерные взаимодействия, связывающие кварки. Промежуточные векторные бозоны переносят слабые взаимодействия, ответственные за некоторые распады частиц. Считается, что к этим четырем взаимодействиям сводятся все силы в природе. Одним из самых ярких достижений нашего века стало доказательство того, что при очень высоких температурах (или энергиях) все четыре взаимодействия сливаются в одно.

При энергии 100 ГэВ (10 9 эВ) объединяются электромагнитное и слабое взаимодействия. Такая энергия соответствует температуре Вселенной через 10 -10 с после Большого Взрыва, и в 4 триллиона раз выше комнатной. Это открытие позволило предположить, что при энергии порядка 10 15 ГэВ можно достичь объединения с ними сильных взаимодействий, как это утверждается в Теориях Великого Объединения (ТВО), а при энергии 10 19 ГэВ к взаимодействиям ТВО присоединится и гравитационное взаимодействие, «образуя» ТВС (Теорию Всего Сущего).

Ускорителей, на которых можно получить такие энергии и проверить эти теории, пока нет и не предвидится, поэтому обра-

щаются к Вселенной, чтобы найти в ней возможные ограничения для огромного числа элементарных частиц. В последние тридцать лет между физикой элементарных частиц и космологией существует тесная связь. Совокупность астрофизических данных можно рассматривать как «экспериментальный материал», накопленный в результате работы Вселенной - гигантского ускорителя частиц. Мы можем иметь дело только с косвенными следствиями происходивших и происходящих процессов, с усредненным по всей Вселенной результатом их влияния на эволюцию материи.

Среди лептонов наиболее известен электрон, вероятно, он не состоит из других частиц, т. е. элементарен. Другой лептон - нейтрино. Это самый распространенный лептон во Вселенной и в то же время самый неуловимый. Нейтрино не участвует ни в сильном, ни в электромагнитном взаимодействиях. После предсказания нейтрино было обнаружено только через 30 лет на ускорителях. Нейтрино бывает трех видов - электронное, мюонное и тау-нейтрино. Мюон - тоже широко распространенный в природе лептон. Он был обнаружен в космических лучах в 1936 г.; это нестабильная частица, а в остальном он похож на электрон. За две миллионные доли секунды он распадается на электрон и два нейтрино. Фоновое космическое излучение в большей части состоит из мюонов. В конце 70-х гг. был обнаружен третий заряженный лептон (кроме электрона и мюона) - тау-лептон. Он ведет себя очень похоже на своих собратьев, но тяжелее электрона в 3500 раз. У каждого лептона есть и античастица, т.е. всего их 12.

Адронов существует очень много, их сотни. Поэтому часто их считают не элементарными частицами, а составленными из других. Они бывают электрически заряженными и нейтральными. Все адроны участвуют в сильном, слабом и гравитационном взаимодействиях. Среди них самые известные - протон и нейтрон. Остальные живут очень мало, распадаясь за 10 -6 с за счет слабого взаимодействия или за 10 -23 с - за счет сильного. Адроны рассортировали по массе, заряду и спину. В этом помогла гипотеза кварков, или частиц, составляющих адроны.

Кварки могут соединяться для этого тройками, составляя барионы, либо парами: кварк-антикварк, составляя мезоны (промежуточные частицы). Кварки имеют заряд 1/3 или 2/3 заряда электрона. Тогда в комбинации они дадут 0 или 1. Все кварки имеют спин, равный 1/2, т.е. они относятся к фермионам. Считают, что они сцепляются сильным взаимодействием, но участвуют и в слабом. Особенности сильного взаимодействия характеризуют типами («ароматами») - «верхний», «нижний», «странный». Но слабое взаимодействие может поменять «аромат» кварка. Например, при распаде нейтрона один из «нижних» кварков становится «верхним», а избыток заряда уносит рождающийся электрон. Так что сильное взаимодействие не может менять «аромат», а без изменения «аромата» кварка невозможен распад адрона.

Новый адрон, названный -частицей, был обнаружен на ускорителях (1974). Поэтому в соответствии с теорией кварков ввели еще одну характеристику, четвертый «аромат», так появился «очарованный» кварк. Так что -частица - это предположительно мезон, состоящий из с-кварка и с-антикварка. Сейчас обнаружено уже много «очарованных» частиц, и все

они тяжелые. А в 1977 г. появился -мезон, и вся история повторилась, пятый аромат получил название «прелестный». Так развивается ныне атомистика. Сейчас считают, что существуют 12 кварков - фундаментальных частиц и столько же античастиц. Шесть частиц - это кварки с экзотическими именами «верхний», «нижний», «очарованный», «странный», «истинный», «прелестный». Они являются порождением теории, стремящейся к упорядоченности и красоте, и открыты все, за исключением «истинного». Остальные шесть - лептоны: электрон, мюон, -частица и соответствующие им нейтрино (электронное, мюонное, нейтрино).

Эти 12 частиц, или две по шесть, группируют в три поколения, каждое из которых состоит из четырех членов. В первом поколении - «верхний» и «нижний» кварки, электрон и электронное нейтрино, во втором - «очарованный» и «странный» кварки, мюон и мюонное нейтрино, в третьем - «истинный» и «прелестный» кварки и -частица со своим нейтрино. Все обычное вещество состоит из частиц первого поколения. Протон, например, состоит из двух «верхних» кварков и одного «нижнего», нейтрон - из двух «нижних» и одного «верхнего». Каждый атом состоит из тяжелого ядра (сильно связанных протонов и нейтронов), окруженного электронным облаком.

Но почему существуют другие поколения частиц и сколько их еще может быть? По мнению японских физиков М. Кобаяси и Т. Маскава, асимметрия между веществом и антивеществом требует наличия трех поколений. Если же число поколений не ограничено, являются ли кварки и лептоны основными «кирпичиками природы» и насколько они фундаментальны? Последние данные, полученные на разных ускорителях, позволяют считать, что число поколений не может быть более пяти, так как полное число нейтрино не превышает этого числа. Ответы на эти вопросы ищут в современной космологии, в моделях первичного нуклеосинтеза, породившего те или иные частицы, часть которых может быть установлена по распространенности того или другого элемента во Вселенной. Эти исследования дают человеку возможность прикоснуться к тайне мироздания, найти те «кирпичики», из которых построено все в мире, а за ними стоят и новые технологии.

Вопросы для самопроверки и повторения

1. Какие частицы составляют ядро атома, каковы его размеры? Как это было установлено?

2. Поясните понятие элементарной частицы, как классифицируются элементарные частицы и как они исследуются. Что такое «античастицы»? В чем состоит гипотеза кварков? Какие проблемы стоят в теории элементарных частиц?

3. В чем заключается единство дискретности и непрерывности? Охарактеризуйте проблему поиска «первичных объектов» и концепцию атомизма. Что такое «квазичастицы»?

4. Какова специфика микромира по сравнению с изучением мега- и макромира. Поясните принципы соответствия и дополнительности.

5. Поясните принцип неопределенности, понятия детерминизма и индетерминизма. Как изменились представления о случайном и закономерном? Поясните роль прибора в квантовой механике.

6. Как развились представления о причинности в квантовой механике? Почему ограничение воздействия на микроуровне имеет смысл фундаментального закона природы?

7. Какими параметрами описывается состояние микрочастицы? Как при этом осуществляется синтез волновых и корпускулярных свойств? Каково отличие в описании состояния в классической и квантовой механике?

8. Какое уравнение описывает движение в микромире и соответствует второму закону Ньютона? Какой смысл имеют входящие в него величины?

9. Какие модели описывают строение и свойства атомных ядер? Почему тяжелые элементы не распадаются самопроизвольно на легкие? Какие реакции деления возможны и какие для этого необходимы условия?

10. Поясните, чем определяется устойчивость атомных ядер. Что такое
«дефект массы» и как происходят реакции в недрах звезд?

КОНЦЕПЦИИ СТРОЕНИЯ ВЕЩЕСТВА (ОТ МИКРОМИРА К МАКРОМИРУ)

Проникновение в глубины микромира связано с переходом от уровня атомов к уровню элементарных частиц. В качестве первой элементарной частицы в конце ХIХ в. был открыт электрон, а затем в первое десятилетие ХХ в - фотон, протон, позитрон и нейтрон. После второй мировой войны, благодаря использованию современной экспериментальной техники, и прежде всего мощным ускорителям, в которых создаются условия высоких энергий и громадных скоростей, было установлено существование большого числа элементарных частиц - свыше 300. Среди них имеются как экспериментально обнаруженные, так и теоретически вычисленные, включая резонансы, кварки и виртуальные частицы.

Термин «элементарная частица» первоначально означал простейшие, далее ни на что не разложимые частицы, лежащие в основе любых материальных образований. Позднее физики осознали всю условность термина «элементарный» применительно к микрообъектам. Сейчас уже не подлежит сомнению, что частицы имеют сложную структуру, но исторически сложившееся название продолжает существовать

Основными характеристиками элементарных частиц являются: масса, заряд, среднее время жизни, спин и квантовые числа . Массу покоя элементарных частиц определяют по отношению к массе покоя электрона. Существуют элементарные частицы, не имеющие массы покоя, - фотоны. Остальные частицы по этому признаку делятся на лептоны – легкие частицы (электрон, мюон, нейтрино); мезоны – средние частицы с массой в пределах от одной до тысячи масс электрона (p-мезоны, К – мезоны); барионы – тяжелые частицы, чья масса превышает тысячу масс электрона (протоны, нейтроны, гипероны и многие резонансы).

Электрический заряд является другой важнейшей характеристикой элементарных частиц. Все известные частицы обладают положительным, отрицательным, либо нулевым зарядом. Каждой частице, кроме фотона и двух мезонов, соответствуют античастицы с противоположным зарядом. В 1964 году ученые выдвинули идею кварков, т.е. частиц, имеющих дробные заряды, из которых состоят все элементарные частицы. Эта гипотеза получила широкое распространение в научном мире, хотя окончательного экспериментального подтверждения пока не нашла.

По времени жизни частицы делятся на стабильные и нестабильные. Стабильных частиц пять: фотон, две разновидности нейтрино, электрон, и протон. Именно стабильные частицы играют важнейшую роль в структуре макротел. Все остальные частицы нестабильны, они существуют около10 -10 – 10 -24 с, после чего распадаются. Элементарные частицы со средним временем жизни 10 -23 – 10 -24 с называются резонансами . Вследствие краткого времени жизни они распадаются ещё до того, как успеют покинуть атом или атомное ядро. Резонансные состояния вычислены теоретически, зафиксировать их в реальных экспериментах не удается.

Помимо заряда, массы и времени жизни, элементарные частицы описываются также понятиями, не имеющими аналогов в классической физике: понятием «спина», или собственного момента количества движения микрочастицы, и понятием «квантовых чисел», выражающих состояние элементарных частиц.

В характеристике элементарных частиц существует ещё одно важное представление – взаимодействие. Различают четыре вида фундаментальных взаимодействий в природе: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Свойства элементарных частиц определяются в основном первыми тремя видами взаимодействия.

Сильное взаимодействие происходит на уровне атомных ядер и представляет собой взаимное притяжение и отталкивание их составных частей. Оно действует на расстоянии порядка 10 -13 см. При определенных условиях сильное взаимодействие очень прочно связывают частицы, в результате чего образуются материальные системы с высокой энергией связи – атомные ядра. Именно по этой причине ядра атомов являются устойчивыми, их трудно разрушить.

Электромагнитное взаимодействие примерно в тысячу раз слабее сильного, но значительно более дальнодействующее. Носителем электромагнитного взаимодействия является не имеющий заряда фотон – квант электромагнитного поля. В процессе электромагнитного взаимодействия электроны и атомные ядра соединяются в атомы, атомы – в молекулы. Это взаимодействие является основным в химии и биологии.

Слабое взаимодействие возможно между различными частицами на расстоянии 10 -15 – 10 -22 см и связано главным образом с распадом частиц. Согласно современному уровню знаний, большинство частиц нестабильны именно благодаря слабому взаимодействию.

Гравитационное взаимодействие – самое слабое, не учитываемое в теории элементарных частиц. Однако на ультра-малых расстояниях (порядка 10 -33 см) и при ультра больших энергиях гравитация вновь приобретает существенное значение. В космических масштабах гравитационное взаимодействие (тяготение) имеет решающее значение. Радиус его действия не ограничен.

В природе, как правило, проявляется не один, а одновременно несколько типов взаимодействия, и свойства многих частиц определяются всеми четырьмя типами. Фундаментальные взаимодействия приводят к превращению частиц: их уничтожению и созданию. От силы взаимодействия зависит время, в течение которого совершается превращение элементарных частиц. Поэтому по времени различных превращений можно судить о силе связанных с ними взаимодействий. Взаимодействия элементарных частиц осуществляются посредствам соответствующих физических полей, квантами которых они являются.

В современной квантовой теории поля под полем понимается система с переменным числом частиц (квантов поле). Самое низкое энергетическое состояние поля, в котором вообще нет квантов поля, называется вакуумом. В состоянии вакуума при отсутствии возбуждения электромагнитное поле не содержит частиц (фотонов). В этом состоянии оно не обладает механическими свойствами, присущими корпускулярному веществу. Вакуум не содержит обычных видов материи, однако он не пуст в прямом смысле слова, поскольку при соответствующем возбуждении в нем появляются фотоны – кванты электромагнитного поля, посредством которых осуществляется электромагнитное взаимодействие. В вакууме присутствуют и другие физические поля, в частности гравитационное, кванты которого, гравитоны, предсказаны теоретически, но экспериментально пока не зафиксированы.

Основная проблема квантовой теории поля – проблема взаимодействия частиц разного типа. Пока она решена лишь в кантовой электродинамике, описывающей взаимодействие электронов, позитронов и фотонов. Квантовая теория поля для сильных и слабых взаимодействий до сих пор не разработана. Они описываются посредством нестрогих методов, хотя ясно, что без соответствующей теории невозможно понять структуру элементарных частиц, которая определяется именно их взаимодействием. Поэтому окончательно не решен и вопрос о структуре элементарных частиц. Согласно современным представлениям, структура элементарных частиц описывается посредством непрерывно возникающих и снова распадающихся «виртуальных» частиц. Формальное привлечение виртуальных частиц означает, что внутреннюю структуру элементарных частиц невозможно описать через другие частицы.

Важнейшее направление развития современной физики – это так называемое «Великое объединение» - попытка свести все четыре вида физического взаимодействия (сильного, слабого, гравитационного и электромагнитного) к одному фундаментальному взаимодействию, которое позволило бы объяснить физическую форму движения материи в целом и создать наиболее фундаментальную физическую теорию. Многие ученые считают, что такую теорию можно создать только при учете космологических обстоятельств, исследовании таких ситуаций, где микромир оказывается связанным с мегамиром, ультрамалое с ультрабольшим, физика с астрономией и космологией.