Общие сведения об элементарных частицах. Частицы элементарные

Элементарные частицы

Существование элементарных частиц физики обнаружили при изучении ядерных процессов, поэтому вплоть до середины XX века физика элементарных частиц была разделом ядерной физики. В настоящее время физика элементарных частиц и ядерная физика являются близкими, но самостоятельными разделами физики, объединенными общностью многих рассматриваемых проблем и применяемыми методами исследования. Главная задача физики элементарных частиц – это исследование природы, свойств и взаимных превращений элементарных частиц.

Представление о том, что мир состоит из фундаментальных частиц, имеет долгую историю. Впервые мысль о существовании мельчайших невидимых частиц, из которых состоят все окружающие предметы, была высказана за 400 лет до нашей эры греческим философом Демокритом. Он назвал эти частицы атомами, т. е. неделимыми частицами. Наука начала использовать представление об атомах только в начале XIX века, когда на этой основе удалось объяснить целый ряд химических явлений. В 30-е годы XIX века в теории электролиза, развитой М. Фарадеем, появилось понятие иона и было выполнено измерение элементарного заряда. Конец XIX века ознаменовался открытием явления радиоактивности (А. Беккерель, 1896 г.), а также открытиями электронов (Дж. Томсон, 1897 г.) и α-частиц (Э. Резерфорд, 1899 г.). В 1905 году в физике возникло представление о квантах электромагнитного поля – фотонах (А. Эйнштейн).

В 1911 году было открыто атомное ядро (Э. Резерфорд) и окончательно было доказано, что атомы имеют сложное строение. В 1919 году Резерфорд в продуктах расщепления ядер атомов ряда элементов обнаружил протоны. В 1932 году Дж. Чедвик открыл нейтрон. Стало ясно, что ядра атомов, как и сами атомы, имеют сложное строение. Возникла протон-нейтронная теория строения ядер (Д. Д. Иваненко и В. Гейзенберг). В том же 1932 году в космических лучах был открыт позитрон (К. Андерсон). Позитрон – положительно заряженная частица, имеющая ту же массу и тот же (по модулю) заряд, что и электрон. Существование позитрона было предсказано П. Дираком в 1928 году. В эти годы были обнаружены и исследованы взаимные превращения протонов и нейтронов и стало ясно, что эти частицы также не являются неизменными элементарными «кирпичиками» природы. В 1937 году в космических лучах были обнаружены частицы с массой в 207 электронных масс, названные мюонами (μ-мезонами). Затем в 1947–1950 годах были открыты пионы (т. е. π-мезоны), которые, по современным представлениям, осуществляют взаимодействие между нуклонами в ядре. В последующие годы число вновь открываемых частиц стало быстро расти. Этому способствовали исследования космических лучей, развитие ускорительной техники и изучение ядерных реакций.

В настоящее время известно около 400 субъядерных частиц, которые принято называть элементарными. Подавляющее большинство этих частиц являются нестабильными. Исключение составляют лишь фотон, электрон, протон и нейтрино. Все остальные частицы через определенные промежутки времени испытывают самопроизвольные превращения в другие частицы. Нестабильные элементарные частицы сильно отличаются друг от друга по временам жизни. Наиболее долгоживущей частицей является нейтрон. Время жизни нейтрона порядка 15 мин. Другие частицы «живут» гораздо меньшее время. Например, среднее время жизни μ-мезона равно 2,2 10–6 с, нейтрального π-мезона – 0,87 10–16 с. Многие массивные частицы – гипероны имеют среднее время жизни порядка 10–10 с.
Существует несколько десятков частиц со временем жизни, превосходящим 10–17 с. По масштабам микромира это значительное время. Такие частицы называют относительно стабильными. Большинство короткоживущих элементарных частиц имеют времена жизни порядка 10–22 –10–23 с.

Способность к взаимным превращениям – это наиболее важное свойство всех элементарных частиц. Элементарные частицы способны рождаться и уничтожаться (испускаться и поглощаться). Это относится также и к стабильным частицам с той только разницей, что превращения стабильных частиц происходят не самопроизвольно, а при взаимодействии с другими частицами. Примером может служить аннигиляция (т. е. исчезновение) электрона и позитрона, сопровождающаяся рождением фотонов большой энергии. Может протекать и обратный процесс – рождение электронно-позитронной пары, например, при столкновении фотона с достаточно большой энергией с ядром. Такой опасный двойник, каким для электрона является позитрон, есть и у протона. Он называется антипротоном. Электрический заряд антипротона отрицателен. В настоящее время античастицы найдены у всех частиц. Античастицы противопоставляются частицам потому, что при встрече любой частицы со своей античастицей происходит их аннигиляция, т. е. обе частицы исчезают, превращаясь в кванты излучения или другие частицы.

Античастица обнаружена даже у нейтрона. Нейтрон и антинейтрон отличаются только знаками магнитного момента и так называемого барионного заряда. Возможно существование атомов антивещества, ядра которых состоят из антинуклонов, а оболочка – из позитронов. При аннигиляции антивещества с веществом энергия покоя превращается в энергию квантов излучения. Это огромная энергия, значительно превосходящая ту, которая выделяется при ядерных и термоядерных реакциях.

В многообразии элементарных частиц, известных к настоящему времени, обнаруживается более или менее стройная система классификации. В таблице представлены некоторые сведенья о свойствах элементарных частиц со временем жизни более 10–20 с. Из многих свойств, характеризующих элементарную частицу, в таблице указаны только масса частицы (в электронных массах), электрический заряд (в единицах элементарного заряда) и момент импульса (так называемый спин) в единицах постоянной Планка ħ = h / 2π. В таблице указано также среднее время жизни частицы.

Элементарные частицы объединяются в три группы: фотоны, лептоны и адроны.
К группе фотонов относится единственная частица – фотон, которая является носителем электромагнитного взаимодействия.

Следующая группа состоит из легких частиц лептонов. В эту группу входят два сорта нейтрино (электронное и мюонное), электрон и μ-мезон. К лептонам относятся еще ряд частиц, не указанных в таблице. Все лептоны имеют спин 1/2.

Третью большую группу составляют тяжелые частицы, называемые адронами. Эта группа делится на две подгруппы. Более легкие частицы составляют подгруппу мезонов. Наиболее легкие из них – положительно и отрицательно заряженные, а также нейтральные π-мезоны с массами порядка 250 электронных масс. Пионы являются квантами ядерного поля, подобно тому, как фотоны являются квантами электромагнитного поля. В эту подгруппу входят также четыре K-мезона и один η0-мезон. Все мезоны имеют спин, равный нулю.
Вторая подгруппа – барионы – включает более тяжелые частицы. Она является наиболее обширной. Самыми легкими из барионов являются нуклоны – протоны и нейтроны. За ними следуют так называемые гипероны. Замыкает таблицу омега-минус-гиперон, открытый в 1964 г. Это тяжелая частица с массой в 3273 электронных масс. Все барионы имеют спин 1/2.

Обилие открытых и вновь открываемых адронов навела ученых на мысль, что все они построены из каких-то других более фундаментальных частиц. В 1964 г. американским физиком М. Гелл-Маном была выдвинута гипотеза, подтвержденная последующими исследованиями, что все тяжелые фундаментальные частицы – адроны – построены из более фундаментальных частиц, названных кварками. На основе кварковой гипотезы не только была понята структура уже известных адронов, но и предсказано существование новых. Теория Гелл-Мана предполагала существование трех кварков и трех антикварков, соединяющихся между собой в различных комбинациях. Так, каждый барион состоит из трех кварков, антибарион – из трех антикварков. Мезоны состоят из пар кварк–антикварк.

С принятием гипотезы кварков удалось создать стройную систему элементарных частиц. Однако предсказанные свойства этих гипотетических частиц оказались довольно неожиданными. Электрический заряд кварков должен выражаться дробными числами, равными 2/3 и 1/3 элементарного заряда.
Многочисленные поиски кварков в свободном состоянии, производившиеся на ускорителях высоких энергий и в космических лучах, оказались безуспешными. Ученые считают, что одной из причин ненаблюдаемости свободных кварков являются, возможно, их очень большие массы. Это препятствует рождению кварков при тех энергиях, которые достигаются на современных ускорителях. Тем не менее, большинство специалистов сейчас уверены в том, что кварки существуют внутри тяжелых частиц – адронов. Кроме лептонного и барионного зарядов известны также:

Странность s. Квантовое число s может принимать значения -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3 и определяется кварковым составом адронов. Например, гипероны Λ, Σ имеют s = -l; K+, K- -мезоны имеют s = +l.

Очарование с. Квантовое число с может принимать значения -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3. В настоящее время обнаружены частицы, имеющие с = 0, +1 и -1. Например, барион Λ+c имеет с = +1.

Bottomness b. Квантовое число b может принимать значения -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3. В настоящее время обнаружены частицы, имеющие b = 0, +1, -1. Например, В+ -мезон имеет b = +1.

Topness t. Квантовое число t может принимать значения -3, -2,-1, 0, +1, +2, +3. В настоящее время обнаружено всего одно состояние с t = +1.

Изоспин I. Сильно взаимодействующие частицы можно разбить на группы частиц, обладающих схожими свойствами (одинаковое значение спина, чётности, барионного числа, странности и др. квантовых чисел, сохраняющихся в сильных взаимодействиях) - изотопические мультиплеты. Величина изоспина I определяет число частиц, входящих в один изотопический мультиплет. n и р составляют изотопический дуплет I=1/2; Σ+ ,Σ- ,Σ0входят в состав изотопического триплета I = 1, Λ - изотопический синглет I = 0, число частиц, входящих в один изотопический мультиплет 2I + 1.

G-четность - это квантовое число, соответствующее симметрии относительно одновременной операции зарядового сопряжения и изменения знака третьей компоненты Iz изоспина. G-четность сохраняется только в сильных взаимодействиях.

Фундаментальные взаимодействия. Процессы, в которых участвуют различные элементарные частицы, сильно различаются по характерным временам их протекания и энергиям. Согласно современным представлениям, в природе осуществляется четыре типа взаимодействий, которые не могут быть сведены к другим, более простым видам взаимодействий: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Эти типы взаимодействий называют фундаментальными.

Сильное (или ядерное) взаимодействие – это наиболее интенсивное из всех видов взаимодействий. Они обуславливает исключительно прочную связь между протонами и нейтронами в ядрах атомов. В сильном взаимодействии могут принимать участие только тяжелые частицы – адроны (мезоны и барионы). Сильное взаимодействие проявляется на расстояниях порядка и менее 10–15 м. Поэтому его называют короткодействующим.

Электромагнитное взаимодействие. В этом виде взаимодействия могут принимать участие любые электрически заряженные частицы, а так же фотоны – кванты электромагнитного поля. Электромагнитное взаимодействие ответственно, в частности, за существование атомов и молекул. Оно определяет многие свойства веществ в твердом, жидком и газообразном состояниях. Кулоновское отталкивание протонов приводит к неустойчивости ядер с большими массовыми числами. Электромагнитное взаимодействие обуславливает процессы поглощения и излучения фотонов атомами и молекулами вещества и многие другие процессы физики микро- и макромира.

Слабое взаимодействие – наиболее медленное из всех взаимодействий, протекающих в микромире. В нем могут принимать участие любые элементарные частицы, кроме фотонов. Слабое взаимодействие ответственно за протекание процессов с участием нейтрино или антинейтрино, например, β-распад нейтрона:

А также безнейтринные процессы распада частиц с большим временем жизни (τ ≥ 10–10 с).

Гравитационное взаимодействие присуще всем без исключения частицам, однако из-за малости масс элементарных частиц силы гравитационного взаимодействия между ними пренебрежимо малы и в процессах микромира их роль несущественна. Гравитационные силы играют решающую роль при взаимодействии космических объектов (звезды, планеты и т. п.) с их огромными массами.

В 30-е годы XX века возникла гипотеза о том, что в мире элементарных частиц взаимодействия осуществляются посредством обмена квантами какого-либо поля. Эта гипотеза первоначально была выдвинута нашими соотечественниками И. Е. Таммом и Д. Д. Иваненко. Они предположили, что фундаментальные взаимодействия возникают в результате обмена частицами, подобно тому, как ковалентная химическая связь атомов возникает при обмене валентными электронами, которые объединяются на незаполненных электронных оболочках.
Взаимодействие, осуществляемое путем обмена частицами, получило в физике название обменного взаимодействия. Так, например, электромагнитное взаимодействие между заряженными частицами, возникает вследствие обмена фотонами – квантами электромагнитного поля.

Теория обменного взаимодействия получила признание после того, как в 1935 г. японский физик Х. Юкава теоретически показал, что сильное взаимодействие между нуклонами в ядрах атомов может быть объяснено, если предположить, что нуклоны обмениваются гипотетическими частицами, получившими название мезонов. Юкава вычислил массу этих частиц, которая оказалась приблизительно равной 300 электронным массам. Частицы с такой массой были впоследствии действительно обнаружены. Эти частицы получили название π-мезонов (пионов). В настоящее время известны три вида пионов: π+, π– и π0.

В 1957 году было теоретически предсказано существование тяжелых частиц, так называемых векторных бозонов W+, W– и Z0, обуславливающих обменный механизм слабого взаимодействия. Эти частицы были обнаружены в 1983 году в экспериментах на ускорителе на встречных пучках протонов и антипротонов с высокой энергией. Открытие векторных бозонов явилось очень важным достижением физики элементарных частиц. Это открытие ознаменовало успех теории, объединившей электромагнитное и слабое взаимодействия в единое так называемое электрослабое взаимодействие. Эта новая теория рассматривает электромагнитное поле и поле слабого взаимодействия как разные компоненты одного поля, в котором наряду с квантом электромагнитного поля участвуют векторные бозоны.

После этого открытия в современной физике значительно возросла уверенность в том, что все виды взаимодействия тесно связаны между собой и, по существу, являются различными проявлениями некоторого единого поля. Однако объединение всех взаимодействий остается пока лишь привлекательной научной гипотезой.

Физики-теоретики прилагают значительные усилия в попытках рассмотреть на единой основе не только электромагнитное и слабое, но и сильное взаимодействие. Эта теория получила название Великого объединения. Ученые предполагают, что и у гравитационного взаимодействия должен быть свой переносчик – гипотетическая частица, названная гравитоном. Однако эта частица до сих пор не обнаружена.

В настоящее время считается доказанным, что единое поле, объединяющее все виды взаимодействия, может существовать только при чрезвычайно больших энергиях частиц, недостижимых на современных ускорителях. Такими большими энергиями частицы могли обладать только на самых ранних этапах существования Вселенной, которая возникла в результате так называемого Большого взрыва (Big Bang). Космология – наука об эволюции Вселенной – предполагает, что Большой взрыв произошел 18 миллиардов лет тому назад. В стандартной модели эволюции Вселенной предполагается, что в первый период после взрыва температура могла достигать 1032 К, а энергия частиц E = kT достигать значений 1019 ГэВ. В этот период материя существовала в форме кварков и нейтрино, при этом все виды взаимодействий были объединены в единое силовое поле. Постепенно по мере расширения Вселенной энергия частиц уменьшалась, и из единого поля взаимодействий сначала выделилось гравитационное взаимодействие (при энергиях частиц ≤ 1019 ГэВ), а затем сильное взаимодействие отделилось от электрослабого (при энергиях порядка 1014 ГэВ). При энергиях порядка 103 ГэВ все четыре вида фундаментальных взаимодействий оказались разделенными. Одновременно с этими процессами шло формирование более сложных форм материи – нуклонов, легких ядер, ионов, атомов и т. д. Космология в своей модели пытается проследить эволюцию Вселенной на разных этапах ее развития от Большого взрыва до наших дней, опираясь на законы физики элементарных частиц, а также ядерной и атомной физики.

Элементарными называются частицы, которым (на данном этапе развития физики) нельзя приписать никакой внутренней структуры.

Основные частицы, входящие в состав атома, - электроны, протоны и нейтроны - вначале считались неспособными к превращениям и каким-либо изменениям. Поэтому их и назвали элементарными. Однако в дальнейшем было показано, что термин "элементарная частица" весьма условен. Так, например, у свободного нейтрона время жизни около 15 минут, а затем он распадается на протон, электрон и антинейтрино:

Из всех открытых в настоящее время элементарных частиц лишь фотон, электрон, протон и нейтрино сохраняли бы свою неизменность, если бы каждая из них была одна в окружающем пространстве.

Элементарные частицы подчиняются законам квантовой физики.

В основу современной классификации элементарных частиц положены их основные свойства: масса, электрический заряд, спин и время жизни, а также лептонный и барионный заряды.

В таблице 23.1 приведены некоторые сведения о свойствах элементарных частиц со временем жизни более 10 -20 с. Частицы в таблице расположены по возрастанию их массы.

В таблицу элементарных частиц не включены все короткоживущие частицы-резонансы, в частности, "очарованные" частицы. Не включены также переносчики слабых взаимодействий - векторные бозоны. В результате получается 39 частиц.

Таблица открывается фотоном. Фотон, оставаясь в одиночестве, образует первую группу. Фотоны представляют собой кванты электромагнитного поля (света, -излучения и т.д.), не имеют соответствующих античастиц, т.е. являются своими собственными античастицами.

Следующую группу образуют легкие частицы - лептоны. В нее входит двенадцать частиц (включая античастицы). Это электрон , мюон (открыт в космических лучах в 1937 г. - это тяжелый аналог электрона, имеющий массу примерно в 200 раз большую массы электрона) и -лептон (таон имеет массу, примерно в 3500 раз превышающую массу электрона). Каждая из этих трех частиц имеет свое нейтрино, которое сопровождает свою собственную заряженную частицу в разнообразных взаимопревращениях: электронное нейтрино рождается вместе с электронами, мюонное нейтрино - вместе с мюонами, -лептонное - вместе с -лептонами. Хотя -лептон имеет очень большую массу, он включен в группу лептонов, поскольку по всем другим свойствам он близок к ним. Главное свойство, которое его роднит с остальными лептонами, состоит в том, что эта частица, как и другие лептоны, не участвует в сильных взаимодействиях

Таблица 23.1

Далее следуют мезоны. Эта группа состоит из восьми частиц. Наиболее легкие из них -мезоны: положительные, отрицательные и нейтральные. Их массы составляют 264,1 и 273,1 электронных масс. Пионы являются квантами ядерного поля, подобно тому как фотоны - кванты электромагнитного поля. Еще имеются четыре -мезона и один -мезон.

Последняя группа - барионы - самая обширная. В нее входит 18 частиц из 39. Самыми легкими из барионов являются нуклоны - протоны и нейтроны. За ними следуют так называемые гипероны. Вся таблица замыкается (омега-минус)-частицей, открытой в 1964 г. Ее масса в 3273 раза больше массы электрона.

Мезоны и барионы представляют собой класс адронов - частиц, участвующих в сильных взаимодействиях. Адроны разделяются на "стабильные" частицы со временем жизни с и на резонансы, время жизни которых с, т.е. соответствуют времени сильного взаимодействия. Длина их пробега с момента рождения до момента распада составляет около 10 -15 м. и в детекторах эти частицы не оставляют никаких треков. Они проявляются в виде пиков на графиках зависимости так называемых сечений рассеяния от энергии. Резонансы распадаются за счет сильного взаимодействия, стабильные частицы - за счет электромагнитного и слабого взаимодействий.

Разделение элементарных частиц на группы определяется не только различием в массах, но и другими важными свойствами, например, спином.

Лептоны и барионы имеют спин, равный спины мезонов равны 0, а спин фотона равен 1.

Между элементарными частицами существует четыре типа взаимодействий - гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое.

Сильное взаимодействие свойственно тяжелым частицам, начиная с пиона. Наиболее известное его проявление - ядерные силы, обеспечивающие существование атомных ядер.

В электромагнитном взаимодействии непосредственно участвуют только электрически заряженные частицы и фотоны. Наиболее известное его проявление - кулоновские силы, обусловливающие существование атомов. Именно электромагнитное взаимодействие ответственно за подавляющее большинство макроскопических свойств вещества. Оно же вызывает аннигиляцию электронно-позитронной пары и многие другие микроскопические процессы.

Слабое взаимодействие характерно для всех частиц, кроме фотонов. Наиболее известное его проявление - -распад нейтрона и целого ряда атомных ядер.

Гравитационное взаимодействие присуще всем телам Вселенной, проявляясь в виде сил всемирного тяготения. Эти силы обеспечивают существование звезд, планетных систем и т.п. Гравитационное взаимодействие является предельно слабым и не играет существенной роли в мире элементарных частиц при обычных энергиях. В мире элементарных частиц гравитация становится существенной при колоссальных энергиях порядка 10 22 МэВ, которые соответствуют сверхмалым расстояниям порядка 10 -35 м.

Элементарных частиц в настоящее время насчитывается очень много (более 350). Поэтому встает вопрос: есть ли что-то общее в структуре этих частиц? Можно ли их считать элементарными?

В 1963 г. М. Гелл-Манн и Дж. Цвейг выдвинули гипотезу о существовании в природе нескольких частиц, названных кварками. Согласно этой гипотезе, все мезоны, барионы и резонансы - т.е. адроны, состоят из кварков и антикварков, комбинации которых различны.

Первоначально была введена гипотеза о существовании трех кварков (и соответственно трех антикварков). Кварки обозначаются буквами u, d, s. Они должны иметь дробные электрические заряды. Первый из них - u -кварк - имеет заряд - e, а d- и s- кварки имеют одинаковые заряды, равные где e - модуль заряда электрона. Было предсказано существование четвертого кварка, c- кварка, названного "очарованным". Затем экспериментально были обнаружены частицы, содержащие этот кварк. Масса с-кварка превышает массу s -кварка. Впоследствии были предсказаны, а затем и открыты еще более тяжелые b - и t -кварки.

Кварки наряду с лептонами считаются истинно элементарными частицами. В свободном состоянии кварки пока не найдены, и сейчас высказаны предположения о невозможности разделения частиц на кварки. В основе этих предположений лежит утверждение о том, что силы взаимодействия между кварками не убывают с расстоянием, поэтому извлечь кварки из частиц нельзя.

Вопросы на закрепление изученной темы

1 Дайте определение коэффициента размножения нейтронов.

2 При каких значениях k ядерная реакция будет управляемой? неуправляемой?

3 Что такое критическая масса? Как её можно уменьшить?

4 Как устроен ядерный реактор?

5 Что такое элементарная частица?

6 На какие группы делятся известные элементарные частицы?

Элементарные частицы, в точном значении этого термина, - это первичные, далее неразложимые частицы, из которых, по предположению, состоит вся материя.

Элементарные частицы современной физики не удовлетворяют строгому определению элементарности, поскольку большинство из них по современным представлениям являются составными системами. Общее свойство этих систем заключается в том. Что они не являются атомами или ядрами (исключение составляет протон). Поэтому иногда их называют субъядерными частицами.

Частицы, претендующие на роль первичных элементов материи, иногда называют "истинно элементарные частицы".

Первой открытой элементарной частицей был электрон. Его открыл английский физик Томсон в 1897 году.

Первой открытой антицастицей был позитрон - частица с массой электрона, но положительным электрическим зарядом. Это античастица была обнаружена в составе космических лучей американским физиком Андерсоном в 1932 году.

В современном физике в группу элементарных относятся более 350 частиц, в основном нестабильных, и их число продолжает расти.

Если раньше элементарные частицы обычно обнаруживали в космических лучах, то с начала 50-х годов ускорители превратились в основной инструмент для исследования элементарных частиц.

Микроскопические массы и размеры элементарных частиц обусловливают квантовую специфику их поведения: квантовые закономерности являются определяющими в поведении элементарных частиц.

Наиболее важное квантовое свойство всех элементарных частиц - это способность рождаться и уничтожаться (испускаться и поглощаться) при взаимодействии с другими частицами. Все процессы с элементарными частицами протекают через последовательность актов их поглощения и испускания.

Различные процессы с элементарными частицами заметно отличаются по интенсивности протекания.

В соответствии с различной интенсивностью протекания взаимодействия элементарных частиц феноменологически делят на несколько классов: сильное, электромагнитное и слабое. Кроме того, все элементарные частицы обладают гравитационным взаимодействием.

Сильное взаимодействие элементарных частиц вызывает процессы, протекающие с наибольшей по сравнению с другими процессами интенсивностью и приводит к самой сильной связи элементарных частиц. Именно оно обусловливает связь протонов и нейтронов в ядрах атомов.

Электромагнитное взаимодействие отличается от других участием электромагнитного поля. Электромагнитное поле (в квантовой физике - фотон) либо излучается, либо поглощается при взаимодействии, либо переносит взаимодействие между телами.

Электромагнитное взаимодействие обеспечивает связь ядер и электронов в атомах и молекулах вещества, и тем самым определяет (на основе законов квантовой механики) возможность устойчивого состояния таких микросистем.

Слабое взаимодействие элементарных частиц вызывает очень медленно протекающие процессы с элементарными частицами, в том числе распады квазистабильных частиц.

Слабое взаимодействие гораздо слабее не только сильного, но и электромагнитного взаимодействия, но гораздо сильнее гравитационного.

Гравитационное взаимодействие элементарных частиц является наиболее слабым из всех известных. Гравитационное взаимодействие на характерных для элементарных частиц расстояниях дает чрезвычайно малые эффекты из-за малости масс элементарных частиц.

Слабое взаимодействие гораздо сильнее гравитационного, но в повседневной жизни роль гравитационного взаимодействия гораздо заметнее роли слабого взаимодействия. Это происходит потому, что гравитационное взаимодействие (как, впрочем, и электромагнитное) имеет бесконечно большой радиус действия. Поэтому, например, на тела, находящиеся на поверхности Земли, действует гравитационное притяжение со стороны всех атомов, из которых состоит Земля. Слабое же взаимодействие обладает настолько малым радиусом действия, что он до сих пор не измерен.

В современной физике фундаментальную роль играет релятивистская квантовая теория физических систем с бесконечным числом степеней свободы - квантовая теория поля. Эта теория построена для описания одного из самых общих свойств микромира - универсальной взаимной превращаемости элементарных частиц. Для описания такого рода процессов требовался переход к квантовому волновому полю. Квантовая теория поля с необходимостью является релятивистской, поскольку если система состоит из медленно движущихся частиц, то их энергия может оказаться недостаточной для образования новых частиц с ненулевой массой покоя. Частицы же с нулевой массой покоя (фотон, возможно нейтрино) всегда релятивистские, т.е. всегда движутся со скоростью света.

Универсальный способ ведения всех взаимодействий, основанный на калибровочной симметрии, дает возможность их объединения.

Квантовая теория поля оказалась наиболее адекватным аппаратом для понимания природы взаимодействия элементарных частиц и объединения всех видов взаимодействий.

Квантовая электродинамика - та часть квантовой теории поля, в которой рассматривается взаимодействие электромагнитного поля и заряженных частиц (или электронно-позитронного поля).

В настоящее время квантовая электродинамика рассматривается как составная часть единой теории слабого и электромагнитного взаимодействий.

В зависимости от участия в тех или иных видах взаимодействия все изученные элементарные частицы, за исключением фотона, разбиваются на две основные группы - адроны и лептоны.

Адроны (от греч. - большой, сильный) - класс элементарных частиц, участвующих в сильном взаимодействии (наряду с электромагнитным и слабым). Лептоны (от греч. - тонкий, легкий) - класс элементарных частиц, не обладающих сильным взаимодействием, участвующих только в электромагнитном и слабом взаимодействии. (Наличие гравитационного взаимодействия у всех элементарных частиц, включая фотон, подразумевается).

Законченная теория адронов, сильного взаимодействия между ними пока отсутствует, однако имеется теория, которая, не являясь ни законченной, ни общепризнанной, позволяет объяснить их основные свойства. Эта теория - квантовая хромодинамика, согласно которой адроны состоят из кварков, а силы между кварками обусловлены обменом глюонами. Все обнаруженные адроны состоят из кварков пяти различных типов ("ароматов"). Кварк каждого "аромата" может находиться в трех "цветовых" состояниях, или обладать тремя различными "цветовыми зарядами".

Если законы, устанавливающие соотношение между величинами, характеризующими физическую систему, или определяющие изменение этих величин со временем, не меняются при определенных преобразованиях, которым может быть подвергнута система, то говорят, что эти законы обладают симметрией (или инвариантны) относительно данных преобразований. В математическом отношении преобразования симметрии составляют группу.

В современной теории элементарных частиц концепция симметрии законов относительно некоторых преобразований является ведущей. Симметрия рассматривается как фактор, определяющий существование различных групп и семейств элементарных частиц.

Сильное взаимодействие симметрично относительно поворотов в особом "изотопическом пространстве". С математической точки зрения изотопическая симметрия отвечает преобразованиям группы унитарной симметрии SU(2). Изотопическая симметрия не является точной симметрией природы, т.к. она нарушается электромагнитным взаимодействием и различием в массах кварков.

Изотопическая симметрия представляет собой часть более широкой приближенной симметрии сильного взаимодействия - унитарной SU(3)- симметрии. Унитарная симметрия оказывается значительно более нарушенной, чем изотопическая. Однако высказывается предположение, что эти симметрии, которые оказываются очень сильно нарушенными при достигнутых энергиях, будут восстанавливаться при энергиях, отвечающих так называемому "великому объединению".

Для класса внутренних симметрий уравнений теории поля (т.е. симметрий, связанных со свойствами элементарных частиц, а не со свойствами пространства-времени), применяется общее название - калибровочная симметрия.

Калибровочная симметрия приводит к необходимости существования векторных калибровочных полей, обмен квантами которых обусловливает взаимодействия частиц.

Идея калибровочной симметрии оказалась наиболее плодотворной в единой теории слабого и электромагнитного взаимодействий.

Интересной проблемой квантовой теории поля является включение в единую калибровочную схему и сильного взаимодействия ("великое объединение").

Другим перспективным направлением объединения считается суперкалибровочная симметрия, или просто суперсимметрия.

В 60-х годах американскими физиками С.Вайнбергом, Ш.Глэшоу, пакистанским физиком А.Саламом и др. была создана единая теория слабого и электромагнитного взаимодействий, позднее получившая название стандартной теории электрослабого взаимодействия. В этой теории наряду с фотоном, осуществляющим электромагнитное взаимодействие, появляются промежуточные векторные бозоны - частицы, переносящие слабое взаимодействие. Эти частицы были экспериментально обнаружены в 1983 году в ЦЕРНе.

Открытие на опыте промежуточных векторных бозонов подтверждает правильность основной (калибровочной) идеи стандартной теории электрослабого взаимодействия.

Однако для проверки теории в полном объеме необходимо также экспериментально исследовать механизм спонтанного нарушения симметрии. Если этот механизм действительно осуществляется в природе, то должны существовать элементарные скалярные бозоны - так называемые хиггсовы бозоны. Стандартная теория электрослабого взаимодействия предсказывает существование, как минимум, одного скалярного бозона.

Элементарные частицы – мельчайшие известные частицы физической материи, которые в известной мере можно считать некими «кирпичиками» мироздания на современном уровне познания материи. В узком смысле слова элементарными можно назвать частицы, у которых внутренняя структура никогда не наблюдалась. К ним относятся, например, электрон и фотон. Подавляющее большин­ство элементарных частиц (мезоны, барионы) обладают внутрен­ней структурой.

История открытия элементарных частиц занимает одно столе­тие. В 20-е гг. XX в. теория элементарных частиц была предельно проста. Были известны две частицы – электрон и протон, а также два типа взаимодействий – гравитационное и электоромагнитное. На их основе объяснялись все явления природы.

Можно выделить два основных потока открытий новых эле­ментарных частиц. Первый приходится на 30 – 50-е гг. ХХ в., когда, преж­де всего, были найдены нейтрон и позитрон. Позитрон – античас­тица по отношению к электрону; он подобен электрону во всем, но обладает положительным, а не отрицательным зарядом. При соударении электрона с позитроном, как и при соударении любой частицы с соответствующей ей античастицей, может произойти их аннигиляция, т.е. взаимное уничтожение частиц, сопровождающееся рождением новых микрочастиц и выделением энергии. Так, электрон при взаимодействии с позитроном дают два фотона.

Далее было обнаружено нейтрино. Сейчас известно несколько разновидностей нейтрино. В 1937 г. был открыт первый мезон. Он имеет отношение к ядерным взаимодействиям. К 1960 г. теория охватывала 32 эле­ментарные частицы, причем каждая новая частица была связана с открытием принципиально нового круга физических явлений. Второй поток открытий элементарных частиц пришелся на 1960 – 1965 гг. К концу этого периода число частиц превысило 200. К концу 1990-х гг. число открытых частиц и античастиц приблизилось к 400.

Характеристиками субатомных частиц являются масса, электрический заряд, спин, время жизни, магнитный момент, пространственная четность и др. Само понятие элементарности потеряло смысл, поскольку не существует критерия элементарности. Стабильных (не самораспадающихся) элементарных частиц всего четыре*: электрон, протон, фотон и все виды нейтрино. На основе этих частиц невозможно построить все остальные, обладающие способностью самопроизвольно распадаться. Среди таких ча­стиц дольше всех живет свободный нейтрон (17 мин), меньше всех – нейтральный π-мезон (10 -16 с). Однако принципа классификации, основанного на раз­личиях частиц во времени их жизни, установить не удалось.

Важным классифицирующим признаком объектов микромира является их способность участвовать в сильном взаимодействии. Частицы участвующие в сильном взаимодействии называются адронами , частиц, участвующие в слабом взаимодействии и не участвующие в сильном, называются лептонами . Кроме этого, существуют частицы – переносчики взаимодействий .

К лептонам относят электрон, мюон, тау-лептон, три вида нейтрино и соответствующие им античастицы. Таким образом, общее число лептонов равно двенадцати. Нейтрино, открытые в 60-х гг. ХХ в., являются наиболее распространенными частицами во Вселенной. Вселенную можно представить безбрежным нейтринным морем, в котором изредка встречаются острова в виде атомов. Не участвуя ни в сильном, ни в электромагнитном взаимодействиях, они проникают через вещество, как будто его нет вообще. Поэтому изучить их очень сложно. Мюон – одна из первых известных нестабильных субатомных частиц, открытая в 1936 г. Во всех отношениях напоминает электрон: имеет тот же заряд и спин, участвует в тех же взаимодействиях, но имеет большую массу и нестабилен (примерно за две миллионные доли секунды распадается на электрон и два нейтрино). Тау-лептон – также является заряженной частицей. Он был открыт в 70-х гг. ХХ в. и отличается очень большой массой – 3500 масс электрона.

Число адронов насчитывает несколько сотен, все они, за исключением нейтрона и протона, являются короткоживущими и быстро распадаются. Нестабильность адронов и их большое разнообразие указывают на то, что они не являются элементарными объектами, а построены из более мелких частиц – кварков . Большинство адронов открыто в 50 – 60-х гг. ХХ в. Адроны участвуют в сильном, слабом и электромагнитном взаимодействиях.

Если лептоны и адроны представляют собой строительный материал вещества, то существуют еще частицы, обеспечивающие четыре взаимодействия, которые являются своего рода «клеем», не позволяющим миру распадаться на части. Переносчиками электромагнитного взаимодействия является фотон, сильного взаимодействия – глюоны (связывающие кварки внутри протона), слабого взаимодейтсвия – W + , W - , Z º -бозоны (характеризуются большой массой покоя и короткой продолжительностью жизни – всего 10 -26 с). Высказывается мнение о существовании и переносчика гравитационного поля – гравитонов. По расчетам ученых они должны, подобно фотонам, иметь нулевую массу покоя и двигаться со скоростью света. Однако если у фотона спин равен 1 и при электромагнитном взаимодействии одноименно заряженные частицы отталкиваются, то спин гравитона равен 2. Это позволяет всем частицам притягиваться друг к другу. Поскольку гравитационное взаимодействие очень слабое, непосредственно зафиксировать гравитоны в эксперименте до сих пор не удалось.

В настоящее время обнаружены, так называемые, античастицы, имеющие заряд противоположный частицам (позитрон, антипротон и др.). Так, в 1932 г. позитроны были обнаружены в космических лучах*. Антипротоны, рожденные в столкновениях с ядрами медной мишени, были обнаружены в 1955 г. на новом ус­корителе в Беркли. В 1956 г. был открыт антинейтрон. Если элект­рон от позитрона и протон от антипротона отличаются, прежде всего, знаком зарядов, то чем различаются нейтрон и антинейт­рон? Нейтрон не имеет электрического заряда, но имеет связан­ное с ним магнитное поле. Причина этого не совсем ясна, хотя установлено, что магнитное поле нейтрона ориентировано в од­ном направлении, а магнитное поле антинейтрона – в противо­положном.

Кроме различий в заряде античастицы имеют и другие фундаментальные свойства по сравнению с частицами. Так, при переходе от мира к антимиру меняются местами «право» и «лево», время в антимире течет от будущего к прошло­му, а не от прошлого к будущему, как в мире. В отличие от частиц, являющихся кирпичиками нашего мира, античастицы – лишь гости, появляющиеся на мгновение в этом мире. При встрече античастиц с частицами происходит взрыв, в результате которого они взаимно уничтожаются, выделяя при этом огромное количество энергии. На основании многочисленных наблюдений за античастицами и изучения их поведения в нашем мире не­которые ученые пришли к мысли о существовании целого антимира, который подобен нашему миру и сосуществует с ним, но отличается противоположным по отношению к нему знаком.

Одним из ведущих разработчиков этой теории явился эстонский академик Г. Наан. Главным моментом ее является положение о том, что обе половинки Вселенной – мир и антимир – возникают, в конечном счете, из абсолютного вакуума. Он писал: «Утверждение о возможности возникнове­ния из ничего (пустоты, вакуума) при строгом соблюде­нии законов сохранения должно казаться предельно пара­доксальным. Ведь смысл законов сохранения в том-то и состоит, что из ничего ничего не возникает, ничто не мо­жет породить нечто. Развиваемая здесь гипотеза ни в коей мере не оспаривает этого положения. Ничто действитель­но не может породить (одно лишь) нечто, но оно порож­дает что-то большее – нечто и антинечто одновременно! В основе предлагаемой здесь гипотезы лежит, в конечном счете, тот элементарный факт, что равенство (-1)+(+1)=0 может быть прочитано и наоборот, справа налево: 0=(-1)+(+1). Последнее равенство выражает уже не только космологию, но и космогонию. Исходным «строительным материалом Вселенной» является пустота, вакуум. В среднем, суммар­но, симметричная Вселенная состоит из одной лишь пустоты. Поэтому она может возникать из пустоты при строгом соблюдении всех законов сохранения». «Тождест­венно равны нулю все пространственно-временные ин­тервалы и координаты. Симметричная Вселенная такова, что она в среднем ничего не содержит, даже пространства и времени». На примере теории Г. Наана хорошо прослеживается универсальность принципа симметрии, котором будет говориться в следующем параграфе.

Откуда же берутся в нашей Вселенной элементарные частицы и античастицы. Ученые предполагают, что из физического вакуума. Физический вакуум – это вовсе не «абсолютное ничто», а реальная физическая система, например, электромагнит­ное поле в одном из своих состояний. Более того, согласно кванто­вой теории поля, из вакуумного состояния можно получить все другие состояния поля и элементарные частицы. Физика имеет дело с определенными видами и состояниями материи, а не с материей как таковой. Аналогично и в физических исследованиях имеют дело не с «абсолютной пустотой» как пол­ным отсутствием материи и материального, а с «относительной пустотой», под которой следует понимать отсутствие некоторых классов материальных объектов и их характеристик.

Вакуум можно определить как поле с минимальной энергией. Но это не означает, что в нем вообще ничего нет. В физическом вакууме постоянно протекают слож­нейшие физические процессы, например, рождение и гибель виртуальных частиц, особого рода ваку­умные колебания электромагнитного поля, не вырывающиеся из него и не распространяющиеся. Однако, в определенные промежутки виртуальные частицы могут превращаться в реальные частицы.

Симметрия и принципы инвариантности в физике

Слово «симметрия» («symmetria») имеет греческое происхождение и означает «соразмерность». В повседневном языке под симметрией понимают чаще всего упорядоченность, гармонию, соразмерность. Гармоничная согласованность частей и целого является главным источником эстетической ценности симметрии. Кристаллы издавна восхищали нас своим совершенством, строгой симметричностью форм. Симметричные мозаики, фрески, архитектурные ансамбли будят в людях чувство прекрасного, музыкальные и поэтические произведения вызывают восхищение именно своей гармоничностью. Таким образом, можно говорить о принадлежности симметрии к категории прекрасного.

Научное определение симметрии принадлежит крупному немецкому математику Герману Вейлю (1885 – 1955), который в своей замечательной книге «Симметрия» проанализировал переход от простого чувственного восприятия симметрии к ее научному пониманию. Согласно Г. Вейлю, под симметрией следует понимать инвариантность (неизменность) свойств какого-либо объекта при определенного рода преобразованиях. Можно сказать, что симметрия есть совокупность инвариантных свойств объекта. Например, кристалл может совмещаться с самим собой при определенных поворотах, отражениях, смещениях. Многие животные обладают приближенной зеркальной симметрией при отражении левой половины тела в правую и наоборот. Однако подчиняться законам симметрии может не только материальный, но и, к примеру, математический объект. Можно говорить об инвариантности функции, уравнения при тех или иных преобразованиях системы координат. Это в свою очередь позволяет применять категорию симметрии к законам физики. Так симметрия входит в математику и физику, где она также служит источником красоты и изящества.

Постепенно физика открывает все новые виды симметрии законов природы: если вначале рассматривались лишь пространственно-временные (геометрические) виды симметрии, то в дальнейшем были открыты ее негеометрические виды (перестановочная, калибровочная, унитарная и др.). Последние относятся к законам взаимодействий, и их объединяют общим названием «динамическая симметрия».

Принципы инвариантности играют очень важную роль в современной физике: с их помощью обоснованы старые и предсказаны новые законы сохранения, облегчено решение многих фундаментальных и прикладных задач и, что особенно важно, удалось добиться первых успехов на пути объединения фундаментальных взаимодействий (теории электрослабого взаимодействия и Великого объединения). Эти принципы обладают большой общностью. Выдающийся американский физик-теоретик Ю. Вигнер отметил, что эти принципы относятся к законам природы так же, как законы природы относятся к явлениям, т.е. симметрия «управляет» законами, а законы «управляют» явлениями. Если бы не было, например, инвариантности законов природы относительно смещений в пространстве и времени, то вряд ли наука вообще смогла бы устанавливать эти законы.