Элементарные частицы и кварковая модель атома


Элементарные частицы и кварковая модель атома «Мы задаёмся вопросом, почему группа талантливых и преданных своему делу людей готова посвятит жизнь погоне за такими малюсенькими объектами, которые даже невозможно увидеть? На самом деле, в занятиях физиков элементарных частиц проявляется человеческое любопытство и желание узнать, как устроен мир, в котором мы живём» Шон Кэрролл

Если вы всё ещё боитесь фразы квантовая механика и до сих пор не знаете, что такое стандартная модель — добро пожаловать под кат. В своей публикации я попытаюсь максимально просто и наглядно объяснить азы квантового мира, а так же физики элементарных частиц. Мы попробуем разобраться, в чём основные отличия фермионов и бозонов, почему кварки имеют такие странные названия, и наконец, почему все так хотели найти Бозон Хиггса.

Из чего мы состоим?

Ну что же, наше путешествие в микромир мы начнём с незатейливого вопроса: из чего состоят окружающие нас предметы? Наш мир, как дом, состоит из множества небольших кирпичиков, которые особым образом соединяясь, создают что-то новое, не только по внешнему виду, но ещё и по своим свойствам. На деле, если сильно к ним приглядеться, то можно обнаружить, что различных видов блоков не так уж и много, просто каждый раз они соединяются друг с другом по-разному, образуя новые формы и явления. Каждый блок — это неделимая элементарная частица, о которой и пойдёт речь в моём рассказе.


Для примера, возьмём какое-нибудь вещество, пусть у нас это будет второй элемент периодической системы Менделеева, инертный газ, гелий. Как и остальные вещества во Вселенной, гелий состоит из молекул, которые в свою очередь образованы связями между атомами. Но в данном случае, для нас, гелий немного особенный, потому что он состоит всего из одного атома.

Элементарные частицы и кварковая модель атома

Из чего состоит атом?

Атом гелия, в свою очередь, состоит из двух нейтронов и двух протонов, составляющих атомное ядро, вокруг которого вращаются два электрона. Самое интересное, что абсолютно неделимым здесь является лишь электрон.

Интересный момент квантового мира

Чем меньше масса элементарной частицы, тем больше места она занимает. Именно по этой причине электроны, которые в 2000 раз легче протона, занимают гораздо больше места по сравнению с ядром атома.

Нейтроны и протоны относятся к группе так называемых адронов (частиц, подверженных сильному взаимодействию), а если быть ещё точнее, барионов.

Адроны можно разделить на группы

  • Барионов, которые состоят из трёх кварков
  • Мезонов, которые состоят из пары: частица-античастица

Нейтрон, как ясно из его названия, является нейтрально заряженным, и может быть поделён на два нижних кварка и один верхний кварк. Протон, положительно заряженная частица, делится на один нижний кварк и два верхних кварка.

Элементарные частицы и кварковая модель атома

Да, да, я не шучу, они действительно называются верхний и нижний. Казалось бы, если мы открыли верхний и нижний кварк, да ещё электрон, то сможем с их помощью описать всю Вселенную. Но это утверждение было бы очень далеко от истины.

Главная проблема — частицы должны как-то между собой взаимодействовать. Если бы мир состоял лишь из этой троицы (нейтрон, протон и электрон), то частицы бы просто летали по бескрайним просторам космоса и никогда бы не собирались в более крупные образования, вроде адронов.

Фермионы и Бозоны

Достаточно давно учёными была придумана удобная и лаконичная форма представления элементарных частиц, названная стандартной моделью. Оказывается, все элементарные частицы делятся на фермионы, из которых и состоит вся материя, и бозоны, которые переносят различные виды взаимодействий между фермионами.


Разница между этими группами очень наглядна. Дело в том, что фермионам для выживания по законам квантового мира необходимо некоторое пространство, а для бозонов почти не важно наличие свободного места.

Фермионы


Группа фермионов, как было уже сказано, создаёт видимую материю вокруг нас. Что бы мы и где ни увидели, создано фермионами. Фермионы делятся на кварки, сильно взаимодействующие между собой и запертые внутри более сложных частиц вроде адронов, и лептоны, которые свободно существуют в пространстве независимо от своих собратьев.

Кварки делятся на две группы.

  • Верхнего типа. К кваркам верхнего типа, с зарядом +23, относят: верхний, очарованный и истинный кварки
  • Нижнего типа. К кваркам нижнего типа, с зарядом -13, относят: нижний, странный и прелестный кварки

Истинный и прелестный являются самыми большими кварками, а верхний и нижний — самыми маленькими. Почему кваркам дали такие необычные названия, а говоря более правильно, «ароматы», до сих пор для учёных предмет споров.

Лептоны также делятся на две группы.

  • Первая группа, с зарядом «-1», к ней относят: электрон, мюон (более тяжёлую частицу) и тау-частицу (самую массивную)
  • Вторая группа, с нейтральным зарядом, содержит: электронное нейтрино, мюонное нейтрино и тау-нейтрино

Нейтрино — есть малая частица вещества, засечь которую практически невозможно. Её заряд всегда равен 0.


Возникает вопрос, не найдут ли физики ещё несколько поколений частиц, которые будут еще более массивными, по сравнению с предыдущими. На него ответить трудно, однако теоретики считают, что поколения лептонов и кварков исчерпываются тремя.

Не находите никакого сходства? И кварки, и лептоны делятся на две группы, которые отличаются друг от друга зарядом на единицу? Но об этом позже…

Бозоны


Без них бы фермионы сплошным потоком летали по вселенной. Но обмениваясь бозонами, фермионы сообщают друг другу какой-либо вид взаимодействия. Сами бозоны же с друг другом практически не взаимодействуют.
На самом деле, некоторые бозоны всё же взаимодействуют друг с другом, но об этом будет рассказано более подробно в следующих статьях о проблемах микромира

Взаимодействие, передаваемое бозонами, бывает:

  • Электромагнитным, частицы — фотоны. С помощью этих безмассовых частиц передаётся свет.
  • Сильным ядерным, частицы — глюоны. С их помощью кварки из ядра атома не распадаются на отдельные частицы.
  • Слабым ядерным, частицы — ±W и Z бозоны. С их помощью фермионы перекидываются массой, энергией, и могут превращаться друг в друга.
  • Гравитационным, частицы — гравитоны. Чрезвычайно слабая в масштабах микромира сила. Становится видимой только на сверхмассивных телах.

Оговорка о гравитационном взаимодействии.
Существование гравитонов экспериментально ещё не подтверждено. Они существуют лишь в виде теоретической версии. В стандартной модели в большинстве случаев их не рассматривают.

Вот и всё, стандартная модель собрана.

Элементарные частицы и кварковая модель атома

Проблемы только начались

Несмотря на очень красивое представление частиц на схеме, осталось два вопроса. Откуда частицы берут свою массу и что такое Бозон Хиггса, который выделяется из остальных бозонов.

Для того, что бы понимать идею применения бозона Хиггса, нам необходимо обратиться к квантовой теории поля. Говоря простым языком, можно утверждать, что весь мир, вся Вселенная, состоит не из мельчайших частиц, а из множества различных полей: глюонного, кваркового, электронного, электромагнитного и.т.д. Во всех этих полях постоянно возникают незначительные колебания. Но наиболее сильные из них мы воспринимаем как элементарные частицы. Да и этот тезис весьма спорный. С точки зрения корпускулярно-волнового дуализма, один и тот же объект микромира в различных ситуациях ведёт себя то как волна, то как элементарная частица, это зависит лишь от того, как физику, наблюдающему за процессом, удобнее смоделировать ситуацию.

Поле Хиггса

Оказывается, существует так называемое поле Хиггса, среднее значение которого не хочет стремиться к нулю.


результате чего, это поле старается принять некоторое постоянное ненулевое значение во всей Вселенной. Поле составляет вездесущий и постоянный фон, в результате сильных колебаний которого и появляется Бозон Хиггса.
И именно благодаря полю Хиггса, частицы наделяются массой.
Масса элементарной частицы, зависит от того, насколько сильно она взаимодействует с полем Хиггса, постоянно пролетая внутри него.
И именно из-за Бозона Хиггса, а точнее из-за его поля, стандартная модель имеет так много похожих групп частиц. Поле Хиггса вынудило сделать множество добавочных частиц, таких, например, как нейтрино.

Итоги

То, что было рассказано мною, это самые поверхностные понятия о природе стандартной модели и о том, зачем нам нужен Бозон Хиггса. Некоторые учёные до сих пор в глубине души надеются, что частица, найденная в 2012 году и похожая на Бозон Хиггса в БАКе, была просто статистической погрешностью. Ведь поле Хиггса нарушает многие красивые симметрии природы, делая расчёты физиков более запутанными.
Некоторые даже считают, что стандартная модель доживает свои последние годы из-за своего несовершенства. Но экспериментально это не доказано, и стандартная модель элементарных частиц остаётся действующим образцом гения человеческой мысли.

Источник: habr.com

Кварковая модель адронов

  • Введение
  • Адроны и кварки
  • Очарованные частицы
  • Невылетание кварков
  • Кварки и цвет
  • Сечения πp- и pp- взаимодействий
  • Заключение


Введение

    Целый пласт новых явлений и понятий был вскрыт при исследовании сильных взаимодействии. Еще в 40-х годах стало ясно, что нуклоны отнюдь не являются единственными частицами, обладающими сильными взаимодействиями. Они принадлежат к общему классу частиц, впоследствии названных адронами. По-гречески “хадрос” — массивный, сильный. С пуском мощных ускорителей новые адроны посыпались, как из рога изобилия, и в настоящее время известно более трехсот видов адронов. В 60-х годах была выдвинута гипотеза, что все адроны построены из более фундаментальных частиц, названных кварками. Последующие исследования подтвердили правильность этой гипотезы.

Адроны и кварки

    Главная идея, высказанная впервые М. Гелл-Манном и Дж. Цвейгом, состоит в том, что все частицы, участвующие в сильных взаимодействиях, построены из более фундаментальных частиц – кварков. Все кварки имеют спин, равный 1/2. В настоящее время установлено существование пяти разновидностей кварков: и, d, s, с, b, t.
    Кварки и, с и t имеют электрический заряд, равный +2/3, а кварки d, s и b — заряд, равный -1/3.


арки с зарядом +2/3 принято называть верхними, а с зарядом -1/3 — нижними. Обозначения кварков происходят от английских слов up, down, strange, charm, bottom, top.
   Кварковая модель была предложена в то время, когда были известны лишь так называемые легкие адроны, т.е. адроны, состоящие только из легких кварков, и, d и s. Эта модель сразу привела в порядок всю систематику этих адронов. На ее основе не только была понята структура уже известных к тому времени частиц, но и предсказан ряд неизвестных в то время адронов.
    Все адроны можно разбить на два больших класса. Одни, называемые барионами, состоят из трех кварков. Барионы — фермионы, у них — полуцелый спин. Другие — называемые мезонами, состоят из кварка и антикварка. Мезоны — бозоны, у них — целый спин.
    Нуклоны являются самыми легкими барионами. Протон состоит из двух u-кварков и одного d-кварка (р = uud), нейтрон из двух d-кварков и одного u-кварка (n = ddu). Нейтрон тяжелее протона, поскольку d-кварк тяжелее u-кварка.
    Барионы, состоящие не только из и- и d-кварков, называются гиперонами. Например, самый легкий из гиперонов — Λ-гиперон состоит из трех разных кварков: Λ = uds.
   Самые легкие из мезонов — пи-мезоны, или пионы: π+, π, π0. Кварковая структура заряженных пионов проста:

π+ = u


antid,, π = dantiu,

    Что касается нейтрального пиона, то он представляет собой линейную комбинацию состояний u и d: часть времени он проводит в состоянии u, часть — в состоянии d. С равной вероятностью 0-мезон можно застать в каждом из этих состояний:

Элементарные частицы и кварковая модель атома.

    Массы π+— и π-мезонов (эти мезоны взаимно являются античастицами) равны примерно 140 МэВ; масса π0-мезона0-мезон подобно фотону истинно нейтрален) равна примерно 135 МэВ.

Элементарные частицы и кварковая модель атома
Кварковый состав протона и нейтрона
fq02.gif (12358 bytes)
Кварковый состав +-мезона и -мезона,

    Следующие в порядке возрастания масс мезоны — это K-мезоны, их масса равна примерно 500 МэВ. K-мезоны содержат s-кварки:

K+ = uantis, K0 = d, K0 = s, K = s.


K+— и K-мезоны являются античастицами по отношению друг к другу. То же относится и к K0— и
K0-мезонам, которые, таким образом, не являются истинно нейтральными частицами.
    Очевидно, что из трех кварков (u, d, s) и трех антикварков (, , ) можно построить девять различных состояний:

u, u, u, d,  d, d, s, s, s.

Семь из этих девяти состояний (три для π-мезонов и четыре для K-мезонов) уже рассмотрены; два оставшиеся представляют собой суперпозиции — линейные комбинации состояний u, d и s. Масса одной из двух частиц — масса η-мезона — равна 550 МэВ, масса   η'-мезона   равна 960 МэВ;

Элементарные частицы и кварковая модель атома

Элементарные частицы и кварковая модель атома

Подобно π0-мезону, η— и η'-мезоны являются истинно нейтральными частицами.
    Девять мезонов, которые были рассмотрены, имеют нулевой спин: J = 0. Каждый из этих мезонов состоит из кварка и антикварка, имеющих нулевой орбитальный момент: L = 0. Спины кварка и антикварка смотрят навстречу друг другу, так что их суммарный спин также равен нулю: S = 0. Спин мезона J является геометрической суммой орбитального момента кварков L и их суммарного спина S:

J = L + S.

В данном случае сумма двух нулей, естественно, дает нуль.
    Каждый из обсуждаемых девяти мезонов — самый легкий в своем роде. Рассмотрим, например, мезоны, у которых орбитальный момент кварка и антикварка по-прежнему равен нулю, L = 0, но спины кварка и антикварка параллельны, так что S = 1 и, следовательно, J = 1. Такие мезоны образуют более тяжелую девятку:

   Известны многочисленные мезоны, у которых Lnoneqv0 и J > 1.
    Обратимся теперь к барионам, построенным из u-, d- и s-кварков. Согласно кварковой модели, орбитальные моменты трех кварков в нуклоне равны нулю, и спин нуклона J равен геометрической сумме спинов кварков. Так, например, спины двух u-кварков в протоне параллельны, а спин d-кварка смотрит в противоположную сторону. Так что у протона J = 1/2.
    Согласно кварковой модели, протон, нейтрон, -гиперон и еще пять других гиперонов образуют октет (восьмерку) барионов с J = 1/2; а барионы с J = 3/2 образуют декуплет (десятку):

Очарованные частицы

Настоящим триумфом кварковой модели явилось открытие очарованных частиц, содержащих с-кварки (русское слово “очарование” соответствует английскому charm). Первая очарованная частица — так называемый jpsi-мезон с массой 3.1 ГэВ — была открыта в 1974 г. J/ψ -мезон был открыт практически одновременно на двух различных ускорителях. На протонном ускорителе -мезон наблюдался среди продуктов столкновения протонного пучка с бериллиевой мишенью по его распаду J/ψ → е+е. На электронно-позитронном коллайдере его наблюдали в реакции е+е → J/ψ. Первая группа физиков назвала этот мезон J, вторая — ψ, так. J/ψ-мезон получил свое двойное имя.
    J/ψ-мезон является одним из уровней системы cantic, которая называется “чармоний” (от английского charm). В некотором смысле система c напоминает атом водорода. Однако в каком бы состоянии ни находился атом водорода (на каком бы уровне ни находился его электрон), его все равно называют атомом водорода. В отличие от этого, разные уровни чармония (и не только чармония, но и других кварковых систем) рассматриваются как отдельные мезоны. В настоящее время обнаружено и исследовано около десятка мезонов — уровней чармония. Уровни эти отличаются друг от друга взаимной ориентацией спинов кварка и антикварка, значениями их орбитальных угловых моментов, различиями в радиальных свойствах их волновых функций.
    Вслед за чармонием были открыты и мезоны с явным очарованием:

D+ = c,   D = d,  D0 = c,  D0 = u,  F+ = c, F = s.

    Были открыты также и очарованные барионы.
    Открытие очарованных частиц, а затем и еще более тяжелых адронов, содержащих b-кварки, и исследование их свойств явилось блестящим подтверждением кварковой теории адронов. Впервые, благодаря большой массе с- и b-кварков, предстала во всем своем богатстве и наглядности картина уровней системы кварк-антикварк.

Невылетание кварков

    Если все адроны состоят из кварков, то, казалось бы, должны существовать и свободные кварки. Обнаружить свободные кварки было бы легко. Ведь они обладают дробными электрическими зарядами. А нейтрализовать дробный заряд никаким числом электронов и протонов нельзя: всегда будет или “недолет” или “перелет”. Если, скажем, в капельке масла содержится один кварк, то заряд всей капельки будет дробным. Опыты с капельками проводились еще в начале века, когда измеряли заряд электрона. В поисках кварков их повторили в наше время с гораздо более высокой точностью. Но дробных зарядов так и не обнаружили. К отрицательному результату привел и очень точный масс-спектроскопический анализ воды, который дал верхний предел для отношения числа свободных кварков к числу протонов порядка 10-27. Кварки искали и ищут среди материковых пород, отложений на дне океана, в лунном грунте, но свободные кварки так и не были обнаружены.
    Сложилось парадоксальное положение. Внутри адронов кварки, несомненно, существуют. Об этом свидетельствует не только кварковая систематика адронов, но и прямое “просвечивание” нуклонов высокоэнергичными электронами. Теоретический анализ этого процесса (он носит название глубоко-неупругого рассеяния) показывает, что внутри адронов электроны рассеиваются на точечных частицах с зарядами, равными +2/3 и -1/3, и спином, равным 1/2. В процессе глубоко-неупругого рассеяния электрон резко меняет свой импульс и энергию, отдавая значительную их часть кварку. В принципе это очень похоже на то, как резко меняет свой импульс альфа-частица, наталкиваясь на ядро атома.
    Дробные заряды кварков проявляются и в другом глубоко-неупругом процессе: рождении струй адронов в аннигиляции e+e при высоких энергиях.
    Итак, кварки внутри адронов несомненно есть. А вот вырвать их из адронов невозможно. Это явление называется английским словом “конфайнмент”, что означает пленение, тюремное заключение. Кварк, приобретший энергию в результате столкновения с электроном, не вылетит из нуклона как свободная частица, а растратит свою энергию на образование кварк-антикварковых пар, т. е. на образование новых адронов, в основном — мезонов.

    В некотором смысле попытка разбить какой-нибудь мезон на составляющие его кварк и антикварк похожа на попытку разломить стрелку компаса на южный и северный полюсы: сломав стрелку, мы получим вместо одного магнитного диполя — два. Разломив мезон, мы получим два мезона. Энергия, которую мы затратим на то, чтобы растащить исходные кварк и антикварк, пойдет на создание новой пары антикварк плюс кварк, которые образуют с исходными два мезона.
    Но аналогия с магнитной стрелкой неполна и обманчива. Ведь мы знаем, что в железе не только на макроуровне, но и на микроуровне никаких магнитных полюсов нет, есть только магнитные дипольные моменты, обусловленные спинами и орбитальным движением электронов. Напротив, глубоко внутри адронов отдельные кварки существуют — чем глубже мы проникаем внутрь, тем отчетливее мы их видим.
    В гравитации и в электродинамике мы привыкли к тому, что силы между частицами растут, когда частицы сближаются, и ослабевают, когда частицы расходятся (потенциалы типа 1/r). В случае кварка и антикварка ситуация другая. Имеется критический радиус r0neaeqv10-13 см: при r << r0 потенциал между кварком и антикварком более или менее похож на кулоновский или ньютоновский, но при r > r0 его поведение резко меняется — он начинает расти.
    Можно думать, что если бы в мире не было легких кварков (и, d, s), а были бы только тяжелые (с, b, t), то в этом случае начиная с rr0 потенциал возрастал бы линейно с ростом r, и мы имели бы конфайнмент, описываемый потенциалом типа воронки. Линейно растущему потенциалу соответствует сила, не меняющаяся с расстоянием. Напомним, что при растяжении обычной жесткой пружины ее потенциальная энергия квадратично растет с ее удлинением. Поэтому конфайнмент, описываемый линейно растущим потенциалом, естественно назвать мягким.
    К сожалению, в реальном мире рождение пар легких кварков не дает возможности развести исходные кварк и антикварк на расстояния, большие 10-13 см, без того, чтобы исходные кварк и антикварк вновь не оказались связанными, на этот раз — в двух различных мезонах. Так что испытать мягкую пружину конфайнмента на больших расстояниях не удается.

Элементарные частицы и кварковая модель атома
Зависимость потенциальной энергии взаимодействия кварка  с антикварком от расстояния между ними

    В результате мы видим, что кварки внутри адронов взаимодействуют друг с другом, и взаимодействие это, очевидно, сильное, иначе адроны без труда можно было бы расщепить на составляющие их кварки. Теория этих взаимодействий называется квантовой хромодинамикой. Согласно основным идеям квантовой хромодинамики взаимодействие кварков осуществляется посредством обмена особыми частицами – глюонами (от английского glue – клей). Глюоны “склеивают” кварки воедино. Подобно фотонам, глюоны имеют спин равный единице, лишены электрического заряда и не имеют массы покоя. Для сравнения показываем, что в случае электромагнитного взаимодействия силовые линии расходятся от их источника — электрического заряда веером, ибо виртуальные фотоны, испущенные одновременно источником, не взаимодействуют друг с другом.
    В отличие от этой картины глюоны сильно взаимодействуют друг с другом. В результате вместо веера из силовых линий мы имеем жгут. Жгут протянут между кварком и антикварком, но самое удивительное то, что сами глюоны, имея цветные заряды, становятся источниками новых глюонов, число которых нарастает по мере их удаления от кварка. Такая картина взаимодействия соответствует зависимости потенциальной энергии взаимодействия между кварками от расстояния между ними.

Элементарные частицы и кварковая модель атома
Схема силовых линий электрического поля в электростатике (а), глюонного поля
между кварком и антикварком (б) и схема разрыва жгута при его большом растяжении (в).

Кварки и цвет

    Для согласования кварковой модели адронов с принципом Паули был предложен новый, усложненный вариант модели. Эта модель была предложена в 1965г Н. Н. Боголюбовым, Б. В. Струминским, А. Н. Тавхелидзе в СССР и независимо Й. Намбу, М. И. Ханом в США. В ней каждый из кварков может появляться в трех различных состояниях, идентичных по всем свойствам, кроме нового особого свойства, названного “цветом” (например, кварки могут быть красными, синими или желтыми). Цвет не имеет прямого отношения к тому, что принято называть цветом в повседневной жизни. Кварки никак нельзя мыслить в виде окрашенных шариков.
    Определенный тип кварков (u, d или s) часто именуют “ароматом”. Кварки, как говорят, различают по цвету и аромату. Согласно этой терминологии каждый аромат кварка может проявляться в трех различных цветовых состояниях, характеризуемых одинаковыми массами, электрическими зарядами и всеми другими свойствами. Антикварки имеют цвета антижелтый, антисиний, антикрасный. Число различных кварков, включая антикварки, равно: 6 x 2 x 3 = 36.
    На первый взгляд может показаться, что утроение числа кварков должно привести к значительному увеличению числа адронов, составленных из кварков. Однако в действительности это не так. Чтобы результаты новой кварковой модели согласовались с действительностью, вводится принцип “бесцветности”. Согласно этому принципу все адроны должны быть бесцветными или белыми. Это означает, что каждый барион должен состоять из трех кварков различных цветов. Так как кваркам приписывают основные цвета спектра, то каждая комбинация может быть названа белой, поскольку при смешении основных цветов получается белый цвет. При таком построении барионов принцип Паули выполняется автоматически.
    Мезоны также бесцветны: каждый из них состоит из кварка и антикварка, цвета которых дополнительны. Причем цвет и антицвет кварков любого аромата непрерывно меняются. Аналогично цвета кварков в барионах не фиксированы и претерпевают непрерывные изменения. Гипотеза бесцветности однозначно приводит к определенным правилам конструирования барионов и мезонов из кварков и автоматически исключает комбинации из двух или четырех кварков.
    Правила компонации адронов после введения постулата бесцветности остаются теми же, что и раньше, но получают некоторое обоснование. Правда, сам постулат убедительного теоретического обоснования пока не имеет. Косвенное же экспериментальное подтверждение гипотезы цветных кварков удается получить. При аннигиляции электронно-позитронных пар высокой энергии в одних случаях появляются адроны, а в других пары мю-, +— мюонов. Отношение числа случаев рождения адронов к числу случаев рождения мюонов зависит, согласно теории, от числа различных кварков. Гипотеза цветных кварков приводит к неплохому согласию с экспериментом, в то время как первоначальная кварковая модель дает заведомо неверные результаты.

Сечения πp- и pp- взаимодействий

    Сечение — величина, определяющая вероятность перехода системы взаимодействующих частиц в определенное конечное состояние. Величина сечения сигма равна отношению числа таких переходов в единицу времени I к числу частиц, падающих на мишень в единицу времени I0 отнесенное к количеству частиц мишени в единице площади n

Элементарные частицы и кварковая модель атома.

    Сечение имеет размерность площади. Обычно используется единица барн или ее производные — 1 барн = 10-24 см2, 1 миллибарн = 10-3 б, 1 микробарн = 10-6 б.
    Различным процессам соответствуют различные величины сечений. Экспериментальные измерения сечений позволяют получить информацию о структуре сталкивающихся частиц, понять механизмы их взаимодействия. Так, эксперименты по рассеянию электронов на ядрах, нейтронах и протонах позволили определить их размеры и распределение в них электрического заряда и магнитного момента.
    Отношение сечений p- и pp-взаимодействий подтверждает справедливость кварковой модели. Как известно, протон – барион и состоит из трех кварков: двух u-кварков и одного d-кварка (р = uud). В свою очередь -мезоны состоят из двух кварков, а точнее из кварка и антикварка (например, + = u, и = d). При взаимодействии -мезона с протоном каждый кварк -мезона может взаимодействовать с каждым кварком протона. Аналогично происходит в протон-протонном взаимодействии. Тогда, если предположить, что взаимо-действие между адронами не зависит от типов кварков из которых они состоят, то отношение сечений p- и pp-взаимодействий должно быть равно Элементарные частицы и кварковая модель атома. Экспериментальные измерения показывают, что при достаточно высоких энергиях отношение Элементарные частицы и кварковая модель атома то есть близко к 2/3, что подтверждает теоретическое предположение о независимости взаимодействий между частицами от типов кварков.

Заключение

    Целый пласт новых явлений и понятий был вскрыт благодаря гипотезе, гласящей что все адроны построены из фундаментальных частиц, названных кварками. Кварковая модель была предложена в то время, когда были известны лишь так называемые легкие адроны, то есть состоящие только из легких кварков, u, d и s. Эта модель сразу привела в порядок всю систематику этих адронов. На ее основе не только была понята структура уже известных к тому времени частиц, но и предсказан ряд неизвестных в то время частиц, а открытие очарованных частиц, а затем и еще более тяжелых адронов, содержащих b-кварки, и исследование их свойств явилось блестящим подтверждением кварковой теории адронов. Впервые, благодаря большой массе с- и b-кварков, предстала во всем своем богатстве и наглядности картина уровней системы кварк-антикварк. Эффект от этого открытия был очень велик. В кварки поверили даже те, кто раньше относился к ним более чем скептически. Создание и развитие квантовой хромодинамики так же пролило свет на несогласованности имевшие место в кварковой модели. В настоящее время нет ни одного факта, который бы противоречил квантовой хромодинамике. Однако целый ряд явлений находит в ней лишь качественное объяснение, а не количественное описание.

Источник: nuclphys.sinp.msu.ru

АдроныЭлементарные частицы и кварковая модель атома

Белый карликЭлементарные частицы и кварковая модель атома

БозоныЭлементарные частицы и кварковая модель атома

КвазарЭлементарные частицы и кварковая модель атома

КваркиЭлементарные частицы и кварковая модель атома

Космологическая модель ВселеннойЭлементарные частицы и кварковая модель атома

ЛептоныЭлементарные частицы и кварковая модель атома

МакромирЭлементарные частицы и кварковая модель атома

МегамирЭлементарные частицы и кварковая модель атома

МикромирЭлементарные частицы и кварковая модель атома

Нейтронная звездаЭлементарные частицы и кварковая модель атома

ПульсарЭлементарные частицы и кварковая модель атома

ФермионыЭлементарные частицы и кварковая модель атома

Черный карликЭлементарные частицы и кварковая модель атома

В истории изучения природы можно выделить два этапа: донаучный и научный.

Донаучный, или натурфилософский, охватывает период от античности до становления экспериментального естествознания в ХVI—XVII вв. В этот период учения о природе носили чисто натурфилософский характер: наблюдаемые природные явления объяснялись на основе умозрительных философских принципов.

Элементарные частицы и кварковая модель атома

Формирование научных взглядов на строение материи относится к XVI вв., когда Г. Галилеем была заложена основа первой в истории науки физической картины мира — механической. Он не просто обосновал гелиоцентрическую систему Н. Коперника и открыл закон инерции, а разработал методологию нового способа описания природы — научно-теоретического. Суть его заключалась в том, что выделялись только некоторые физические характеристики, которые становились предметом научного исследования.

Элементарные частицы и кварковая модель атома

Исаак НьютонЭлементарные частицы и кварковая модель атома, опираясь на труды ГалилеяЭлементарные частицы и кварковая модель атома, разработал строгую научную теорию механики, описывающую и движение небесных тел, и движение земных объектов одними и теми же законами. Природа рассматривалась как сложная механическая система.

Элементарные частицы и кварковая модель атома

Итогом ньютоновской картины мира явился образ Вселенной как гигантского и полностью детерминированного механизма, где события и процессы являют собой цепь взаимозависимых причин и следствий. Отсюда и вера в то, что теоретически можно точно реконструировать любую прошлую ситуацию во Вселенной или предсказать будущее с абсолютной определенностью. И.Р. ПригожинЭлементарные частицы и кварковая модель атома назвал эту веру в безграничную предсказуемость «основополагающим мифом классической науки».

Другой областью физики, где механические модели оказались неадекватными, была область электромагнитных явлений. Эксперименты английского естествоиспытателя М. ФарадеяЭлементарные частицы и кварковая модель атома и теоретические работы английского физика Дж.К. МаксвеллаЭлементарные частицы и кварковая модель атома окончательно разрушили преставления ньютоновской физики о дискретном веществе как единственном виде материи и положили начало электромагнитной картине мира.

Изучая микрочастицы, ученые столкнулись с парадоксальной, с точки зрения классической науки, ситуацией: одни и те же объекты обнаруживали как волновые, так и корпускулярные свойства.

Первый шаг в этом направлении был сделан немецким физиком М. ПланкомЭлементарные частицы и кварковая модель атома. Как известно, в конце XIX в. в физике возникла трудность, которая получила название «ультрафиолетовой катастрофы»Элементарные частицы и кварковая модель атома. В соответствии с расчетами по формуле классической электродинамики интенсивность теплового излучения абсолютно черного тела должна была неограниченно возрастать, что явно противоречило опыту.

Первым физиком, который восторженно принял открытие элементарного кванта действия и творчески развил его, был Альберт ЭйнштейнЭлементарные частицы и кварковая модель атома. В 1905 г. он перенес гениальную идею квантового поглощения и отдачи энергии при тепловом излучении на излучение вообще и таким образом обосновал новое учение о свете.

Элементарные частицы и кварковая модель атома

Представление о свете как о дожде быстро движущихся квантов было чрезвычайно смелым, почти дерзким, в правильность которого вначале поверили немногие. Прежде всего, с расширением квантовой гипотезы до квантовой теории света был не согласен сам М. Планк, относивший свою квантовую формулу только к рассматриваемым им законам теплового излучения черного тела.

В 1924 г. произошло одно из величайших событий в истории физики: французский физик Луи де БройльЭлементарные частицы и кварковая модель атома выдвинул идею о волновых свойствах материи. В своей работе «Свет и материя «он писал о необходимости использовать волновые и корпускулярные представления не только в соответствии с учением А. Эйнштейна в теории света, но также и теории материи. Л. Бройль утверждал, что волновые свойства, наряду с корпускулярными, присущи всем видам материи: электронам, протонам, атомам, молекулам и даже микроскопическим телам.

Признание корпускулярно-волнового дуализмаЭлементарные частицы и кварковая модель атома в современной физике стало всеобщим. Любой материальный объект характеризуется наличием как корпускулярных, так и волновых свойств.

Тот факт, что один и тот же объект проявляется и как частица и как волна, разрушал традиционные представления. Форма частицыЭлементарные частицы и кварковая модель атома подразумевает сущность, заключенную в малом объеме или в конечной области пространства, тогда как волнаЭлементарные частицы и кварковая модель атома распространяется по его огромным областям. В квантовой физике эти два описания реальности являются взаимоисключающими, но равно необходимыми для того, чтобы полностью описать рассматриваемые явления.

Атомистическая концепция строения материиЭлементарные частицы и кварковая модель атома, выдвинутая в античности ДемокритомЭлементарные частицы и кварковая модель атома, была возрождена в XVIII в. химиком Дж. ДальтономЭлементарные частицы и кварковая модель атома, который принял атомный вес водорода за единицу и сопоставил с ним атомные веса других газов. Благодаря трудам Дж. Дальтона стали изучаться физико-химические свойства атома. В XIX в. Дмитрий Иванович МенделеевЭлементарные частицы и кварковая модель атома построил систему химических элементов, основанную на их атомном весе.

Элементарные частицы и кварковая модель атома

История исследования строения атома началась в 1895 г. благодаря открытию Дж.Дж. ТомсономЭлементарные частицы и кварковая модель атомаэлектронаЭлементарные частицы и кварковая модель атома — отрицательно заряженной частицы, входящей в состав всех атомов.

Поскольку электроны имеют отрицательный заряд, а атом в целом электрически нейтрален, то было сделано предположение о наличии помимо электрона положительно заряженной частицы. Масса электрона составила по расчетам 1/1836 массы положительно заряженной частицы.

Исходя из огромной, по сравнению с электроном, массы положительно заряженной частицы, английский физик У. Томсон (лорд Кельвин)Элементарные частицы и кварковая модель атома предложил в 1902 г. первую модель атомаЭлементарные частицы и кварковая модель атома — положительный заряд распределен в достаточно большой области, а электроны вкраплены в него, как «изюм в пудинг». Эта идея была развита Дж. Томсоном. Модель атома Дж. Томсона, над которой он работал почти 15 лет, не устояла перед опытной проверкой.

Модель атома, предложенная Э. РезерфордомЭлементарные частицы и кварковая модель атома в 1911 г., напоминала солнечную систему: в центре находится атомное ядро, а вокруг него по своим орбитам движутся электроны (рис. 5.1Элементарные частицы и кварковая модель атомаЭлементарные частицы и кварковая модель атома имеет положительный заряд, а электроныЭлементарные частицы и кварковая модель атома — отрицательный. Вместо сил тяготения, действующих в Солнечной системе, в атоме действуют электрические силы. Электрический заряд ядра атома, численно равный порядковому номеру в периодической системе Менделеева, уравновешивается суммой зарядов электронов — атом электрически нейтрален.

В 1913 г. великий датский физик Нильс БорЭлементарные частицы и кварковая модель атома применил принцип квантования при решении вопроса о строении атома и характеристике атомных спектров. Модель атома Н. Бора базировалась на планетарной модели Э. Резерфорда и на разработанной им самим квантовой теории строения атома. Н. Бор выдвинул гипотезу строения атома, основанную на двух постулатах, совершенно несовместимых с классической физики.

Термин «элементарная частица»Элементарные частицы и кварковая модель атома 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 ту или иную структуру, но, тем не менее, исторически сложившееся название продолжает существовать.

Электрический зарядЭлементарные частицы и кварковая модель атома 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 1967 г. американский физик М. Телл-МаннЭлементарные частицы и кварковая модель атома высказал гипотезу о существовании кварковЭлементарные частицы и кварковая модель атома — частиц с дробным электрическим зарядом.

Согласно современным представлениям, все элементарные частицы делятся на два класса: фермионыЭлементарные частицы и кварковая модель атома (названные в честь Э. ФермиЭлементарные частицы и кварковая модель атома) и бозоныЭлементарные частицы и кварковая модель атома (названные в честь Ш. Бозе).

К фермионам относятся кваркиЭлементарные частицы и кварковая модель атома и лептоныЭлементарные частицы и кварковая модель атома, к бозонам — кванты полей (фотоныЭлементарные частицы и кварковая модель атома, векторные бозоныЭлементарные частицы и кварковая модель атома, глюоныЭлементарные частицы и кварковая модель атома, гравитиноЭлементарные частицы и кварковая модель атома и гравитоныЭлементарные частицы и кварковая модель атома). Эти частицы считаются истинно элементарными, т.е. составные частицы, образованные из кварков и соответствующих квантов полей. Фермионы составляют вещество, бозоны переносят взаимодействие.

Сильное взаимодействиеЭлементарные частицы и кварковая модель атома происходит на уровне атомных ядер и представляет собой взаимное притяжение и отталкивание их составных частей.

Электромагнитное взаимодействиеЭлементарные частицы и кварковая модель атома примерно в тысячу раз слабее сильного, но значительно более дальнодействующее. Взаимодействие такого типа свойственно электрически заряженным частицам.

Слабое взаимодействиеЭлементарные частицы и кварковая модель атома возможно между различными частицами. Оно простирается на расстояние порядка 10-15 — 10-22 см и связано главным образом с распадом частиц, например, с происходящими в атомном ядре превращениями нейтрона в протон, электрон, и антинейтрино.

Гравитационное взаимодействиеЭлементарные частицы и кварковая модель атома — самое слабое, не учитываемое в теории элементарных частиц, поскольку на характерных для них расстояниях порядка 10-13 см оно дает чрезвычайно малые эффекты.

Достижения в области исследования элементарных частиц способствовали дальнейшему развитию концепции атомизма.

В настоящее время считают, что среди множества элементарных частиц можно выделить 12 фундаментальных частиц и столько же античастиц. Шесть частиц — это кварки с экзотическими названиями «верхний», «нижний», «очарованный», «странный», «истинный», «прелестный». Остальные шесть — лептоны: электрон, мюон, тау-частица и соответствующие им нейтрино (электронное, мюонное, тау-нейтрино).

Элементарные частицы и кварковая модель атома

МегамирЭлементарные частицы и кварковая модель атома, или космосЭлементарные частицы и кварковая модель атома, современная наука рассматривает как взаимодействующую и развивающуюся систему всех небесных тел. Мегамир имеет системную организацию форме планет и планетных систем, возникающих вокруг звезд; звезд и звездных систем — галактикЭлементарные частицы и кварковая модель атома.

Все существующие галактики входят в систему самого высокого порядка — МетагалактикуЭлементарные частицы и кварковая модель атома. Размеры метагалактики очень велики: радиус космологического горизонта составляет 15—20 млрд световых лет.

В ньютоновской космологии возникали два парадокса, связанные с постулатом бесконечности Вселенной.

Первый парадокс получил название гравитационногоЭлементарные частицы и кварковая модель атома. Суть его заключается в том, что если Вселенная бесконечна, и в ней существует бесконечное количество небесных тел, то сила тяготения будет бесконечно большая, и Вселенная должна сколлапсировать, а не существовать вечно.

Второй парадокс называется фотометрическимЭлементарные частицы и кварковая модель атома: если существует бесконечное количество небесных тел, то должна быть бесконечная светимость неба, что не наблюдается.

Современные космологические модели Вселенной основываются на общей теории относительностиЭлементарные частицы и кварковая модель атома А. Эйнштейна, согласно которой метрика пространства и времени определяется распределением гравитационных масс во Вселенной. Ее свойства как целого обусловлены средней плотностью материи и другими конкретно физическими факторами.

В том же 1917 г. голландский астроном Виллем де СитеррЭлементарные частицы и кварковая модель атома предложил другую модель, представляющую собой также решения уравнений тяготения. Это решение имело то свойство, что оно существовало бы даже в случае «пустой» Вселенной, свободной от материи.

В 1922 г. русский математик и геофизик А.А. ФридманЭлементарные частицы и кварковая модель атома отбросил постулат классической космологии о стационарности Вселенной и получил решение уравнений ЭйнштейнаЭлементарные частицы и кварковая модель атома, описывающее Вселенную с «расширяющимся» пространством.

В 1927 г. бельгийский аббат и ученый Ж. ЛеметрЭлементарные частицы и кварковая модель атома связал «расширение» пространства с данными астрономических наблюдений. Леметр ввел понятия начала Вселенной как сингулярности (т.е. сверхплотного состояния) и рождения Вселенной как Большого взрыва.

В 1929 г. американский астроном Э.П. ХабблЭлементарные частицы и кварковая модель атома обнаружил существования странной зависимости между расстоянием и скоростью галактик: все галактики движутся от нас, причем со скоростью, которая возрастает пропорционально расстоянию, — система галактик расширяется.

Элементарные частицы и кварковая модель атома

Ученик А.А. ФридманаЭлементарные частицы и кварковая модель атома Г.А. ГамовЭлементарные частицы и кварковая модель атома разработал модель горячей ВселеннойЭлементарные частицы и кварковая модель атома, рассматривая ядерные реакции, протекавшие в самом начале расширения Вселенной, и назвал ее «космологией Большого взрыва»Элементарные частицы и кварковая модель атома.

В современной космологии для наглядности начальную стадию эволюцию Вселенной делят на эры.

Эра адроновЭлементарные частицы и кварковая модель атома (тяжелых частиц, вступающих в сильные взаимодействия). Продолжительность эры 0,0001 с, температура 10-12 градусов по Кельвину, плотность 10-14 г/см3. В конце эры происходит аннигиляция частиц и античастиц, но остается некоторое количество протонов, гиперонов, мезонов.

Эра лептоновЭлементарные частицы и кварковая модель атома (легких частиц, вступающих в электромагнитные взаимодействия). Продолжительность эры 10 с, температура 10-10 градусов по Кельвину, плотность 104 г/см3. Основную роль играют легкие частицы, принимающие участие в реакциях между протонами и нейтронами.

Фотонная эраЭлементарные частицы и кварковая модель атома. Продолжительность 1 млн лет. Основная доля массы энергии Вселенной приходится на фотоны. К концу эры температура падает с 1010 до 3000 градусов по Кельвину, плотность с 104 г/см3 до 1021 г/см3. Главную роль играет излучение, которое в конце эры отделяется от вещества.

Звездная эраЭлементарные частицы и кварковая модель атома наступает через 1 млн лет после зарождения Вселенной. В звездную эру начинается процесс образования протозвезд и протогалактик.

Затем разворачивается грандиозная картина образования структуры Метагалактики.

МетагалактикаЭлементарные частицы и кварковая модель атома представляет собой совокупность звездных систем — галактик, а ее структура определяется их распределением в пространстве, заполненным чрезвычайно разреженным межгалактическим газом и пронизываемом межгалактическими лучами.

Согласно современным представлениям, для Метагалактики характерна ячеистая (сетчатая, пористая) структура. Эти представления основываются на данных астрономических наблюдений, показавших, что галактики распределены неравномерно, а сосредоточены вблизи границ ячеек, внутри которых галактик почти нет.

ГалактикаЭлементарные частицы и кварковая модель атома — гигантская система, состоящая из скопления звезд и туманностей, образующих в пространстве достаточно сложную конфигурацию.

По форме галактики условно разделяются на три типа:

    1) эллиптические;

    2) спиральные;

    3) неправильные.

Эллиптические галактикиЭлементарные частицы и кварковая модель атома обладают пространственной формой эллипсоида с разной степенью сжатия (рис. 5.2Элементарные частицы и кварковая модель атомаЭлементарные частицы и кварковая модель атома представлены в форме спирали, включая спиральные ветви (рис. 5.3Элементарные частицы и кварковая модель атомаЭлементарные частицы и кварковая модель атома.

Неправильные галактикиЭлементарные частицы и кварковая модель атома не обладают выраженной формой, в них отсутствует центральное ядро (рис. 5.4Элементарные частицы и кварковая модель атомаЭлементарные частицы и кварковая модель атома, представляющих собой гигантские плазменные образования различной величины, температуры, с разной характеристикой движения.

Возраст звезд меняется в достаточно большом диапазоне значений, от 15 млрд лет, соответствующих возрасту Вселенной, до сотен тысяч — самых молодых.

Солнечная системаЭлементарные частицы и кварковая модель атома представляет собой группу небесных тел, различных по размерам и физическому строению. В эту группу входят: Солнце, девять больших планет, десятки спутников планет, тысячи малых планет (астероидов), сотни комет и бесчисленное множество метеоритных тел, движущихся как роями, так и в виде отдельных частиц. К 1979 г. было известно 34 спутника и 2000 астероидов.

Контрольные вопросы

  1. Какие уровни строения материи выделяет наука?

  2. Какие этапы можно выделить в истории изучения природы?

  3. Каковы характерные особенности механистической картины мира ?

  4. В чем суть электромагнитной картины мира?

  5. Приведите классификацию элементарных частиц.

  6. Назовите основные характеристики элементарных частиц.

  7. Какие представления о веществе и поле были выработаны в рамках классической физики?

  8. Что означает понятие корпускулярно-волновой дуализм?

  9. Прокомментируйте постулаты Н. Бора.

  10. В чем суть соотношения неопределенностей?

  11. Какие модели Вселенной разработаны в современной космологии?

  12. Прокомментируйте концепции происхождения планет Солнечной системы.

  13. Дайте характеристику основным этапам эволюции Вселенной с точки зрения современной науки.

Источник: www.e-biblio.ru

Основные свойства элементарных частиц

Каждая элементарная частица описывается набором дискретных значений физических величин (квантовых чисел). Общие характеристики всех элементарных частиц — масса, время жизни, спин, электрический заряд.

В зависимости от времени жизни элементарные частицы делятся на стабильные, квазистабильные и нестабильные (резонансы). Стабильными (в пределах точности современных измерений) являются: электрон (время жизни более 5×1021 лет), протон (более 1031 лет), фотон и нейтрино. К квазистабильным относятся частицы, распадающиеся вследствие электромагнитного и слабого взаимодействий, их времена жизни более 10-20 с. Резонансы распадаются за счет сильного взаимодействия, их характерные времена жизни 10-22 – 10-24 с.

Внутренними характеристиками (квантовыми числами) элементарных частиц являются лептонный (символ L) и барионный (символ В)заряды; эти числа считаются строго сохраняющимися величинами для всех типов фундаментальных взаимодействий. Для лептонных нейтрино и их античастиц L имеют противоположные знаки; для барионов В = 1, для соответствующих античастиц В=-1.

Для адронов характерно наличие особых квантовых чисел: «странности», «очарования», «красоты». Обычные (нестранные) адроны — протон, нейтрон, π-мезоны. Внутри разных групп адронов имеются семейства частиц, близких по массе и со сходными свойствами по отношению к сильному взаимодействию, но с различными значениями электрического заряда; простейший пример – протон и нейтрон. Общее квантовое число для таких элементарных частиц – так называемый изотопический спин, принимающий, как и обычный спин, целые и полуцелые значения. К особым характеристикам адронов относится и внутренняя четность, принимающая значения ±1.

Важное свойство элементарных частиц – их способность к взаимопревращениям в результате электромагнитных или других взаимодействий. Один из видов взаимопревращений — так называемое рождение пары, или образование одновременно частицы и античастицы (в общем случае — образование пары элементарныех частиц с противоположными лептонными или барионными зарядами). Возможны процессы рождения электрон-позитронных пар ee+, мюонных пар μ+μ новых тяжелых частиц при столкновениях лептонов, образование из кварков cc— и bb-состояний (см. ниже). Другой вид взаимопревращений элементарных частиц — аннигиляция пары при столкновениях частиц с образованием конечного числа фотонов (γ-квантов). Обычно образуются 2 фотона при нулевом суммарном спине сталкивающихся частиц и 3 фотона — при суммарном спине, равном 1 (проявление закона сохранения зарядовой четности).

При определенных условиях, в частности при невысокой скорости сталкивающихся частиц, возможно образование связанной системы — позитрония ee+ и мюония μ+e. Эти нестабильные системы, часто называемые водородоподобными атомами. Их время жизни в веществе в большой степени зависит от свойств вещества, что позволяет использовать водородоподобные атомы для изучения структуры конденсированного вещества и кинетики быстрых химических реакций (см. Мезонная химия, Ядерная химия).

Кварковая модель адронов

Детальное рассмотрение квантовых чисел адронов с целью их классификации позволило сделать вывод о том, что странные адроны и обычные адроны в совокупности образуют объединения частиц с близкими свойствами, названные унитарными мультиплетами. Числа входящих в них частиц равны 8 (октет) и 10 (декуплет). Частицы, входящие в состав унитарного мультиплета, имеют одинаковые спин и внутреннюю четность, но различаются значениями электрического заряда (частицы изотопического мультиплета) и странности. С унитарными группами связаны свойства симметрии, их обнаружение явилось основой для вывода о существовании особых структурных единиц, из которых построены адроны, – кварков. Считают, что адроны представляют собой комбинации 3 фундаментальных частиц со спином ½: n-кварков, d-кварков и s-кварков. Так, мезоны составлены из кварка и антикварка, барионы – из 3 кварков.

Допущение, что адроны составлены из 3 кварков, было сделано в 1964 (Дж.Цвейг и независимо от него М.Гелл-Ман). В дальнейшем в модель строения адронов (в частности, для того чтобы не возникало противоречия с принципом Паули) были включены еще 2 кварка — «очарованный» (с) и «красивый» (b), а также введены особые характеристики кварков — «аромат» и «цвет». Кварки, выступающие как составные части адронов, в свободном состоянии не наблюдались. Все многообразие адронов обусловлено различными сочетаниями n-, d-, s-, с— и b-кварков, образующих связные состояния. Обычным адронам (протону, нейтрону, π-мезонам) соответствуют связные состояния, построенные из n— и d-кварков. Наличие в адроне наряду с n— и d-кварками одного s-, с— или b-кварка означает, что соответствующий адрон — «странный», «очарованный» или «красивый».

Кварковая модель строения адронов подтвердилась в результате экспериментов, проведенных в конце 60-х – начале 70-х гг. XX в. Кварки фактически стали рассматриваться как новые элементарные частицы – истинно элементарные частицы для адронной формы материи. Ненаблюдаемость свободных кварков, по-видимому, носит принципиальный характер и дает основания предполагать, что они являются теми элементарными частицами, которые замыкают цепь структурных составляющих вещества. Существуют теоретические и экспериментальные доводы в пользу того, что силы, действующие между кварками, не ослабевают с расстоянием, т.е. для отделения кварков друг от друга требуется бесконечно большая энергия или, иначе говоря, возникновение кварков в свободном состоянии невозможно. Это делает их совершенно новым типом структурных единиц вещества. Возможно, что кварки выступают как последняя ступень дробления материи.

Краткие исторические сведения

Первой открытой элементарной частицей был электрон — носитель отрицательного электрического заряда в атомах (Дж.Дж.Томсон, 1897). В 1919 Э.Резерфорд обнаружил среди частиц, выбитых из атомных ядер, протоны. Нейтроны открыты в 1932 Дж.Чедвиком. В 1905 А.Эйнштейн постулировал, что электромагнитное излучение является потоком отдельных квантов (фотонов) и на этой основе объяснил закономерности фотоэффекта. Существование нейтрино как особой элементарной частицы впервые предложил В.Паули (1930); электронное нейтрино открыто в 1953 (Ф.Райнес, К.Коуэн).

При исследовании космических лучей были обнаружены: позитрон (К.Андерсон, 1932), мюоны обоих знаков электрического заряда (К.Андерсон и С.Неддермейер, 1936), π- и K-мезоны (группа С.Пауэлла, 1947; существование подобных частиц было предположено X.Юкавой в 1935). В конце 40-х – начfkt 50-х гг. были обнаружены «странные» частицы. Первые частицы этой группы — K+— и К-мезоны, Λ-гипероны – были зафиксированы также в космических лучах.

С начала 50-х гг. ускорители превратились в основной инструмент исследования элементарных частиц. Были открыты антипротон (1955), антинейтрон (1956), анти- Σ-гиперон (1960), а в 1964 — самый тяжелый W-гиперон. В 1960-х гг. на ускорителях обнаружили большое число крайне неустойчивых резонансов. В 1962 выяснилось, что существуют два разных нейтрино: электронное и мюонное. В 1974 обнаружены массивные (в 3-4 протонные массы) и в то же время относительно устойчивые (по сравнению с обычными резонансами) частицы, которые оказались тесно связанными с новым семейством элементарных частиц — «очарованных», их первые представители открыты в 1976. В 1975 обнаружен тяжелый аналог электрона и мюона — τ-лептон, в 1977 — частицы с массой порядка десяти протонных масс, в 1981 — «красивые» частицы. В 1983 открыты самые тяжелые из известных элементарных частиц – бозоны W± (масса ≈80 ГэВ) и Z° (≈91 ГэВ).

Таким образом, за годы, прошедшие после открытия электрона, выявлено огромное число разнообразных микрочастиц. Мир элементарных частиц оказался сложно устроенным, а их свойства во многих отношениях неожиданными.

Лит.: Коккедэ Я., Теория кварков, [пер. с англ.], М., 1971; Марков М.А., О природе материи, М., 1976; Окунь Л.Б., Лептоны и кварки, 2 изд., М., 1990.


Источник: www.chemport.ru


You May Also Like

About the Author: admind

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.