ЭЛЕМЕНТА́РНЫЕ ЧАСТИ́ЦЫ, первичные (неделимые) мельчайшие частицы, из которых состоит вся материя. Исторически к первым Э. ч. относили атомы, пока не была обнаружена их сложная структура: атом состоит из атомного ядра и вращающихся вокруг него электронов. Открытие структуры атомных ядер, построенных из двух частиц, протонов и нейтронов, собственно и стало рождением физики Э. ч. К Э. ч. стали относить протоны, нейтроны, электроны и позднее нейтрино. Вся наблюдаемая вокруг нас материя состоит из атомов, которые, в свою очередь, состоят из протонов, нейтронов и электронов, а нейтрино рождаются в процессе распада нейтрона. Некоторое время спустя было обнаружено, что кроме этих частиц существует ещё много других, которые, однако, имеют очень короткое время жизни и почти мгновенно распадаются. На 2017 известно ок. 150 Э. ч., и число их возрастает.
В то же время в экспериментах на ускорителях было обнаружено, что подавляющее большинство этих частиц не истинно элементарные, а также являются составными. Дальнейшее развитие физики Э. ч. увенчалось созданием стандартной модели, в которой истинно элементарными и бесструктурными считаются 12 частиц (6 кварков и 6 лептонов) и кванты – переносчики трёх фундам. взаимодействий: фотон, калибровочные бозоны W и Z и глюон. Сюда же следует отнести и бозон Хиггса, играющий в стандартной модели важную роль и являющийся и Э. ч. материи, и переносчиком взаимодействия (см. Хиггса бозон).
Согласно совр. представлениям, Э. ч. описываются квантовой теорией. Их классификация основана на понятии квантовых чисел, к которым относятся заряды по отношению к разл. взаимодействиям, спин (собственный угловой момент), чётность по отношению к пространственным отражениям, барионное и лептонное числа и т. д. Все квантовые числа являются сохраняющимися величинами, связанными с группой симметрии. Стандартная модель основана на унитарной группе внутр. симметрии SU(3)×SU(2)×U(1) и пространственной группе Пуанкаре. Частицы также классифицируются согласно тем взаимодействиям, в которых они принимают участие.
Элементарные частицы материи
Элементарные частицы материи разделяются на кварки и лептоны. Кварки участвуют в сильных, слабых и электромагнитных взаимодействиях. В сильных взаимодействиях кварки выступают в виде триплетов; соответствующее квантовое число, называемое цветом, принимает 3 значения. В слабых взаимодействиях кварки выступают в виде дублетов; соответствующее квантовое число, называемое слабым изоспином, принимает 2 значения. Электрич. заряд кварков дробный: для u-кварка из изоспинового дублета он равен +2/3, для b-кварка –1/3 в единицах заряда электрона. Кварки имеют спин 1/2 и, следовательно, являются фермионами.
Лептоны участвуют в слабых и электромагнитных взаимодействиях. В слабых взаимодействиях лептоны, как и кварки, выступают в виде дублетов. Электрич. заряд лептонов целый, равный –1 у электрона и 0 у нейтрино. Лептоны также являются фермионами и имеют спин 1/2.
Пока не до конца ясна природа легчайшего лептона – нейтрино. Для нейтрино, электрически нейтральной частицы, возможна ситуация, когда оно является античастицей самому себе. В этом случае его называют майорановским нейтрино. Но если это разные частицы, то тогда нейтрино является дираковской частицей. Неизвестно и абсолютное значение массы нейтрино, известны только разности масс между разл. сортами нейтрино, которые чрезвычайно малы.
Существуют 3 поколения кварков и лептонов (рис.). Частицы разных поколений имеют одинаковые квантовые числа и различаются только массами, каждое следующее поколение тяжелее предыдущего. Спектр масс кварков и лептонов в стандартной модели произвольный и простирается от долей эВ для нейтрино и нескольких МэВ для лёгких кварков до нескольких ГэВ для тяжёлых кварков и лептонов и сотни ГэВ для самой тяжёлой частицы – t-кварка. Спектр масс не предсказывается стандартной моделью и определяется из эксперим. данных. Массы всех кварков и лептонов возникают в результате их взаимодействия с полем Хиггса.
Кварки не наблюдаются в свободном состоянии. Их можно наблюдать только в связанных состояниях, называемых адронами, которые имеют целочисленный электрич. заряд и нейтральны по отношению к квантовому числу «цвет». Лептоны, наоборот, наблюдаются в свободном состоянии и также «бесцветны». В стандартной модели считается, что кварки не могут переходить в лептоны и наоборот, т. к. эти процессы привели бы к несохранению барионного и лептонного зарядов. Эти законы сохранения не следуют из общих принципов симметрии, но надёжно установлены экспериментально. Все кварки имеют барионный заряд, равный 1/3, и лептонный заряд, равный нулю, а лептоны имеют лептонный заряд, равный 1, и нулевой барионный заряд.
Элементарные частицы – переносчики взаимодействий
Согласно квантовой теории, все взаимодействия Э. ч. осуществляются за счёт обмена квантами соответствующих полей. Переносчик сильного взаимодействия – глюон; он является октетом по отношению к цвету и не имеет ни изоспина, ни электрич.
ряда. Как и кварк, глюон не наблюдается в свободном состоянии, а заперт внутри адронов. Переносчики слабых взаимодействий – промежуточные векторные W- и Z-бозоны. Они «бесцветны», являются триплетами по отношению к слабому изоспину, W-бозон имеет электрич. заряд ±1, Z-бозон нейтрален. Переносчик электромагнитного взаимодействия – фотон; он «бесцветен», не имеет изоспина и тоже нейтрален. Переносчики всех этих взаимодействий являются бозонами и имеют спин, равный 1. Они не несут ни барионного, ни лептонного заряда.
Последней частицей в этом ряду стоит бозон Хиггса. Он играет двоякую роль в стандартной модели: за счёт взаимодействия с классич. составляющей хиггсовского поля все частицы стандартной модели приобретают массу, а сам хиггсовский бозон является переносчиком ещё одного взаимодействия между кварками и лептонами, интенсивность которого пропорциональна массам частиц. Он участвует также в слабых взаимодействиях и является дублетом по отношению к слабому изоспину. Электрич. заряд бозона Хиггса равен нулю, спин также нулевой.
Некоторые проблемы теории элементарных частиц
Согласно эксперим. данным по распадам Э. ч., а также с учётом данных по температурным флуктуациям микроволнового фонового излучения, число поколений Э. ч. равно трём. Теоретич. объяснения этого факта пока нет. Это означает, что поскольку все перечисленные выше частицы открыты экспериментально, то других, новых Э. ч. не существует. Однако возможно существование иных Э. ч., которые не описываются стандартной моделью и пока не обнаружены, т. к. они либо слишком тяжелы и не могут родиться на ускорителях частиц, либо слишком слабо взаимодействуют с известными частицами и поэтому пока не обнаружены. Примером служат гипотетич. частицы, составляющие тёмную материю, которая проявляется за счёт своего гравитац. поля, но не зарегистрирована пока как индивидуальная частица.
К Э. ч. может быть отнесён также гравитон – квант гравитац. поля, но зарегистрировать его ещё труднее, поскольку в силу исключительной слабости гравитационного взаимодействия требуется средоточие огромных масс для получения сильной гравитации, что возможно лишь в окрестности чёрных дыр.
Кроме частиц, в природе существуют античастицы, составляющие антиматерию.
ждая частица имеет своего партнёра, античастицу, которая имеет те же самые свойства и ту же массу, что и обычная частица, но противоположные знаки всех зарядов. Существование античастиц следует из уравнений релятивистской квантовой теории поля, которая описывает все Э. ч. Ненаблюдаемость античастиц в окружающем нас мире, при том что они всегда рождаются на ускорителях в паре с обычными частицами, объясняется тем, что на ранних стадиях эволюции Вселенной был нарушен баланс между частицами и античастицами. В результате частиц образовалось больше, чем античастиц, произошла их взаимная аннигиляция, и те частицы, которые остались, образуют совр. Вселенную.
Поскольку ни кварки, ни глюоны не наблюдаются в свободном состоянии, об их существовании известно косвенно, из экспериментов по рассеянию протонов и электронов. Эти эксперименты похожи на опыты Резерфорда, в которых было открыто атомное ядро, и демонстрируют, что внутри протонов и др. адронов находятся точечные составляющие, на которых и происходит рассеяние. Таким образом установлено, что адроны – составные частицы, образованные из кварков, а глюоны – «клей», который за счёт сильного взаимодействия не позволяет кваркам разлететься и делает адроны стабильными.
Кварковая модель адронов
Первоначально кварки были предложены для классификации адронов, но после опытов по рассеянию приобрели статус реальных частиц. Адроны, составленные из кварков, делятся на два больших класса: барионы (частицы с полуцелым спином) и мезоны (частицы с целым спином).
Барионы состоят из трёх кварков. Так, напр., протон состоит их двух u-кварков и одного d-кварка, причём цвета кварков составлены так, что протон «бесцветен», а спины разнонаправлены, так что суммарный спин оказывается равным 1/2. Электрич. заряд протона равен сумме зарядов кварков и равен +1. Нейтрон построен аналогичным образом и состоит из двух d-кварков и одного u-кварка. Существуют и барионы со спином 3/2. Все барионы имеют барионный заряд, равный 1. Изначально кварковая модель основывалась на трёх кварках (u, d и s) и все барионы представляли собой разл. комбинации, составленные из этих кварков.
Мезоны состоят из кварка и антикварка и имеют барионный заряд, равный нулю. Так, напр., легчайшие сильновзаимодействующие частицы – π-мезоны – имеют следующий кварковый состав: $π^{+}=uoverline d$, $π^{-}=overline ud$, $π^0=uoverline u+doverline d$. Черта над символом кварка обозначает антикварк. Спины кварков разнонаправлены, и полный спин π-мезона равен нулю. Существуют мезоны и со спином 1, когда спины составляющих их кварков однонаправлены.
Для систематизации адронных состояний использовали группу унитарной симметрии SU(3), где число 3 соответствовало числу кварков. Все имеющиеся барионы, составленные из трёх кварков, и мезоны, составленные из кварка и антикварка, прекрасно укладываются в представления этой группы, такие как октет, нонет или декуплет. Если бы частицы из мультиплетов имели одинаковые массы, то симметрия была бы точной. Из-за различия масс кварков она нарушается, однако это не приводит к разрушению мультиплетов, которые содержат все возможные частицы и правильно передают их квантовые числа. Такая классификация частиц на основе кварковой модели получила назв. восьмеричного пути в соответствии с простейшим мультиплетом. Ныне, когда известны 6 кварков, группа симметрии должна быть расширена до группы SU(6) и все имеющиеся адроны должны принадлежать к представлениям этой группы.
Все представленные выше адроны являются «бесцветными» комбинациями цветных кварков, но они не единственно возможны. Допустимы также адроны, составленные из четырёх, пяти и шести кварков и антикварков. Они получили название экзотич. адронов. Их также называют тетра-, пента- и секстакварками в зависимости от числа составляющих их кварков. Получено эксперим. подтверждение их существования. Возможно также существование адрона, образованного исключительно из глюонов. Он получил название глюбола, но пока ещё достоверно не идентифицирован.
Большинство Э. ч. нестабильны и распадаются на более лёгкие, если это не запрещено законами сохранения энергии, электрич., цветного, барионного и лептонного зарядов. Стабильны фотон, электронное и мюонное нейтрино, электрон, протон и их античастицы. Остальные Э. ч. самопроизвольно распадаются за время от ок. 103 с (для свободного нейтрона) до 10–17–10–24 (для адронов). В обобщениях стандартной модели при энергиях, заведомо недоступных ускорителям, возможен и распад протона, однако его время жизни больше 1034 лет, что намного превышает время жизни Вселенной. Эксперим. подтверждения распада протона пока не получено.
Источник: bigenc.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 e—e+, 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 e—e+ 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
Интервью с физиком Валерием Рубаковым о значении открытия бозона Хиггса, перспективах физики элементарных частиц и новых экспериментах на БАК.
— Давайте разбираться, что такое бозон Хиггса. После его открытия возникло много вопросов о том, куда дальше будет двигаться физика элементарных частиц. Что такое бозон Хиггса?
— Это новая элементарная частица. Само по себе открытие новой элементарной частицы — это всегда большое событие в физике микромира. Но самое главное, что это начало изучения нового сектора той теории, которая описывает практически все, что мы знаем сегодня о мире элементарных частиц. Это так называемая Стандартная модель, название историческое, но не очень удачное. В этой Стандартной модели необходимо новое поле, с новыми по сравнению с известными полями свойствами. Вообще каждая частица ассоциирована с полем: с фотоном ассоциировано электромагнитное поле, это более или менее одно и то же. В квантовой физике поле и частица — это очень близкие понятия. В Стандартной модели требуется новое поле, новое до последнего времени, теперь оно уже не новое, а открытое, так как открыта частица этого поля. И у этого нового поля своя совершенно особая роль, она связана с тем, что без него все наши частицы не имели бы массы. Элементарные частицы — электроны, кварки, из которых сделаны протоны и нейтроны, — все они были бы безмассовые. В этом случае мы бы не существовали, потому что электроны летали бы со скоростью света и никаких атомов не было бы. Поэтому это очень важное поле, а бозон Хиггса — очень важная частица.
— Какое место в Стандартной модели занимает хиггсовский бозон?
— Постепенно человеческий ум проникал вглубь материи, пытался находить все более элементарные частицы. В какой-то момент нам казалось, что, например, протон — это элементарная частица. Потом оказалось, что все сложнее. Сегодня мы считаем, что элементарными являются кварки, которые входят в состав протона, кроме этого есть еще набор элементарных частиц — электрон, нейтрино и несколько других. И вот теперь бозон Хиггса — а про поле правильно говорить «поле Энглера — Браута — Хиггса», потому что Энглер и Браут его ввели раньше, чем Хиггс. Там была история довольно занятная, потому что Энглер и Браут увидели явление теоретически, построили модель, потом буквально эту же модель рассматривал Хиггс. Так вот, Энглер и Браут не заметили, что в этой модели есть новая частица — квант этого самого поля, и поэтому поле правильно называть полем Энглера — Браута — Хиггса. А вот Хиггс заметил, что есть частица. Поэтому бозон Хиггса — это адекватное название для этой частицы. Поле Энглера — Браута — Хиггса замечательно тем, что оно дает массы всем частицам. В физике элементарных частиц исключительно важное понятие — это понятие симметрии. И фактически все взаимодействия так или иначе связаны с некоторыми внутренними симметриями теории. В Стандартной модели, если приглядеться, симметрии запрещают частицам иметь массы, не может быть масс у частиц, если симметрии Стандартной модели реализуются обычным образом, если это «правильные» симметрии. Но известно, что симметрии бывают нарушенными.
Есть такой пример. Мы знаем, что все направления в пространстве равноправны. Есть симметрия относительно вращений в пространстве: можете повернуть свою голову направо, налево, и у вас законы физики от этого меняться не будут. А теперь представьте себе, что мы находимся в магните, в нем магнитное поле, которое куда-то направлено, и в магните нет такой симметрии. Есть направление магнитного поля, и электроны отлично знают о том, что есть такое направление: они вдоль него летят прямо, а если поперек этого направления, то летают по окружности. Представьте себе существо внутри магнита. Оно сказало бы, что выделенное направление — это свойство пространства. Но теоретик, сидящий в этом магните, крепко задумался бы, подумал о том, не может ли быть так, что на самом деле в пространстве все же есть симметрия относительно всех вращений. А то, что выделено направление, — это не свойство пространства как такового, это особенность магнита, где есть поле, которое пронизывает весь магнит и выделяет направление. Ситуация у нас очень похожая. Только мы находимся не в железке, а в вакууме. Вакуум тоже, вообще говоря, непростая субстанция. И в ней может быть разлито некоторое поле, вроде этого самого магнитного поля. Это и есть поле Энглера — Браута — Хиггса. Оно нарушает симметрии, как магнитное поле нарушает симметрию по отношению к вращениям, выделяя направление. Поле Энглера — Браута — Хиггса также выделяет направление, только не в нашем пространстве, а как бы во внутреннем пространстве. И результатом этого является то, что симметрии оказываются «неправильно» реализованными. В конце концов появляются и массы у всех элементарных частиц в результате взаимодействия с этим самым полем. Такая довольно сложная конструкция. Но еще в 1964 году ее поняли Энглер и Браут, а затем и Хиггс. И до 2012 года это все было гипотезой. А в 2012 году открыли квант этого поля — бозон Хиггса.
— Как это объяснить? Можно говорить, что есть, например, вязкость или плотность этого поля, которое создает эту массу?
— Это, наверное, было бы вульгарно. Существует термин «нарушенная симметрия». То есть у вас есть уравнения движения: уравнение Ньютона, или уравнение электромагнитного поля, или уравнение движения электрона. И в этих уравнениях движения есть некая симметрия. А состояние, которое выбирает система, уже не симметрично. Это в физике конденсированных сред достаточно распространенное явление, и оказалось, что и в физике элементарных частиц оно тоже работает.
— По большому счету степень нарушения этой симметрии влияет на массу?
— Да. Чем больше значение этого поля, тем больше масса. Мы сегодня знаем численное значение этого поля. Оно было известно до того, как открыли массу бозона Хиггса. Его численное значение в единицах, которые используются в физике элементарных частиц, — это 247 гигаэлектронвольт. Такое поле везде существует, во всем пространстве. Оно и обеспечивает массу частиц.
— Хиггс, Энглер, Браут предложили теоретически эту модель почти полвека назад.
— Да. Причем из несколько других соображений, довольно умозрительных. Они не думали о том, что будет Стандартная модель — тогда ее еще не существовало; они пытались задать вопрос, как вообще могут возникнуть массы у элементарных частиц, особенно массы у элементарных частиц типа фотона. Ему иметь массу запрещает как раз симметрия, которая есть в электродинамике. И у него массы нет, он летает со скоростью света — вроде тавтология. Но есть похожие частицы с очень похожими свойствами, но они массивные, тяжелые. И Энглер, Браут, Хиггс задались вопросом, как можно сделать массу частицам подобного типа. Они эту задачу решили правильно.
— Как появилась возможность проверить эту теорию в эксперименте?
— Теория предсказывает новую частицу, квант нового поля — бозон Хиггса. Эту частицу искали на ускорителях начиная с середины 70-х годов. Проблема в том, что теория не предсказывает значения массы этой частицы. Сначала думали, что она легкая, но это оказалось неверным — бозон Хиггса не находили: не хватало энергии ускорителей. Потом увеличивали энергию, а ее все не было. Энергия нужна, потому что E = mс2. Если у вас тяжелая частица, то вам нужно иметь большую энергию столкновения, чтобы частицу получить, чтобы она родилась. Наконец, появился Большой адронный коллайдер со своей фантастической энергией, и частица обнаружилась.
— Насколько это важно для науки, может ли это иметь какую-то очень конкретную область практического применения?
— Вы знаете, наука развивается безотносительно к тому, будет или нет применение практическое. Наука развивается по своим законам. Это попытки продвинуться в понимании природы. Технологические применения приходят уже потом. Это вопрос интересный, но второстепенный. Поэтому говорить, что открытие бозона Хиггса какие-то технологические прорывы принесет, рано. Но я напомню, что Герц, когда открыл свои радиоволны, открытым текстом говорил, что открыл нечто, что никогда в жизни не принесет никому никакой пользы. Эйнштейн, придумавший теорию относительности, конечно, думать не мог, что в будущем эта общая теория относительности окажется востребованной с технологической точки зрения. А сейчас формулы общей теории относительности — это рабочий инструмент в космической технике. Поэтому сложно сказать, какие будут технологические прорывы, связанные с современной физикой элементарных частиц, сейчас этого не видно, но никогда не говори «никогда». Надо понимать еще и следующее: все детекторы ускорителя типа Большого адронного коллайдера и сам коллайдер — это очень высокотехнологичные объекты, для создания которых придумано море новых технологий, и теперь они веером расходятся по миру. Например, то, что мы знаем как протокол интернета, фактически сам по себе интернет — это изобретение было сделано в ЦЕРНе. Почему? Потому что нужно было передавать большие массивы данных, нужно было иметь коммуникации между людьми. Там же огромная кооперация. Сейчас на каждом из экспериментов в ЦЕРНе (а там их 4) работают по три тысячи физиков. Сейчас объем данных такой, что уже интернет не справляется. Придумана новая система ГРИД, она опробована как раз в ЦЕРНе. Вы наверняка про нее когда-нибудь услышите, потому что это система, которая позволяет распределенным образом работать с гигантскими объемами информации: распределять, обрабатывать, собирать результаты и т. д.
— К вопросу о масштабе участия в этом проекте. Сколько людей работает в нем?
— В общей сложности около десяти тысяч только физиков. Но они постоянно не находятся в Швейцарии, только время от времени ездят в ЦЕРН, но в основном работают дома, у себя в институтах, ведут обработку данных, придумывают, как это сделать. Это большое сообщество, которое интересно устроено, потому это самоорганизующаяся структура.
— Если говорить об удаленном взаимодействии, то там есть определенные факторы секретности?
— Нет, никакой секретности в обычном понимании этого слова, все результаты в конце концов становятся открытыми для всех. Но до официальной публикации никакая информация из коллаборации не выходит. Пока все не перепроверят внутри коллаборации, пока не опубликуют в докладе на конференции или в журнале, никаких утечек. Там у них очень жесткая дисциплина в этом отношении.
— Даже если это просто мой друг и коллега, с которым я работаю в одном научно-исследовательском институте, он мне не расскажет?
— Не имеет права.
— А кому-то другому, кто находится за километры, будет рассказывать.
— Если они члены этой коллаборации, то, конечно, будут это обсуждать, пока коллаборация не пришла к тому, что, да, эти результаты абсолютно надежны и достоверны. Пока такого нет, никто ничего не знает. Только какие-то неясные слухи ходят.
— Раз мы говорим про Большой адронный коллайдер, надо понимать, что это не только бозон Хиггса, но еще целый ряд разных экспериментов.
— Конечно. Если говорить о будущем, Большой адронный коллайдер заработает в начале 2015 года на полную энергию, и есть основания ожидать, что там появится нечто совершенно новое с точки зрения Стандартной модели. Произойдет выход за рамки Стандартной модели, будут обнаружены новые частицы, новые взаимодействия, может быть, новые структуры. Все это очень увлекательно и интересно. И в отличие от того, что было до последнего времени, плохо предсказуемо.
— Если говорить о дальнейшем развитии физики элементарных частиц, не только бозона Хиггса, что это за история с линейным коллайдером, зачем он нужен?
— Вообще, конечно, надо как минимум очень хорошо померить свойства бозона Хиггса. Действительно ли они такие, как предсказывается наивным вариантом Стандартной модели, или все-таки они не совсем такие, и, значит, есть какие-то новые физические явления, которые пока на Большом адронном коллайдере не открыты. Но протонные машины — это машины, в которых сталкиваются два мешка из частиц, два кирпича. Когда вы лупите протоном по протону, оттуда летит много всего лишнего, не того, что вам интересно. Протоны — это составные частицы; когда они сталкиваются, рождается море частиц, которое вас не интересует, мусор фактически. А есть электрон-позитронные коллайдеры. Электрон — это точечная частица, позитрон — тоже. Поэтому, когда они сталкиваются, у вас появляется чистое событие. Поэтому протонные машины называют машинами открытий, а электрон-позитронные коллайдеры — машинами прецизионных измерений. Как минимум для того, чтобы точно измерить свойства бозона Хиггса, его взаимодействия с другими частицами, нужен электрон-позитронный коллайдер. Для энергии, которая требуется для рождения бозона Хиггса, наверное, придется делать линейный коллайдер, а не кольцевой, как это было до сих пор. В кольцевой машине образуется синхротронное излучение. Если электроны, которые там летают, имеют высокие энергии, то это изучение мощное, оно уносит энергию, поэтому надо все время закачивать энергию. Поэтому на самые высокие энергии кольцевой коллайдер не построить, наверное, хотя такие проекты тоже есть. Люди сейчас обсуждают (и вполне конкретно обсуждают) линейный электрон-позитронный коллайдер.
— Если попробовать сформулировать коротко, какие основные наиболее сложные или наиболее интересные вопросы внутри физики элементарных частиц сегодня стоят?
— Основной вопрос: что стоит за этим хиггсовским сектором, действительно ли бозон Хиггса один, действительно ли он элементарный, нет ли суперсимметрии? В общем, открыли ли мы уже все в доступной области энергий или же нас ожидают совершенно новые явления? И очень хотелось бы, чтобы среди этих новых явлений были явления, ответственные за темную материю. В нашей Вселенной есть загадочные частицы темной материи, про которые мы не знаем, что это такое — их много, по массе их больше, чем обычного вещества. И есть более или менее обоснованная надежда, что эти частицы тоже могут рождаться на Большом адронном коллайдере. Проникнуть в эту область было бы очень интересно.
Материал подготовлен на основе радиопередачи «ПостНаука» на радио Русская Служба Новостей.
Валерий Рубаков, доктор физико-математических наук, академик РАН, заместитель директора Института ядерных исследований РАН.
Ивар Максутов
27.06.2014
ПостНаука
Источник: scisne.net
До конца 19 века считалось, что атомы представляют собой неделимые частицы вещества. После революционных открытий в физике, сделанных на рубеже прошлого и нынешнего столетий было установлено, что атомы делимы и имеют сложное строение. Они состоят из различных более мелких частиц, взаимодействующих друг с другом, благодаря чему возможны различные атомные изменения и превращения. Эти частицы были названы элементарными (лат. elementarius – первоначальный, простейший). Сначала они считались (вместо атомов) последним и неделимым пределом вещества, основой всех материальных объектов или физических тел. Однако, в скором времени стала понятной условность, или относительность термина «элементарный», потому что выяснилось, что элементарные частицы, во-первых, вовсе не неделимы и совсем не просты, а, наоборот, представляют собой сложные микрообъекты с определенной структурой (устройством или строением), то есть, оказалось, что они никак не элементарны; и, во-вторых, их нельзя называть частицами в полном смысле этого слова, потому что они характеризуются корпускулярно-волновым дуализмом. Тем не менее исторически сложившееся название продолжает существовать.
Дальнейшее проникновение науки в глубины микромира было связано с переходом от уровня атомов к уровню элементарных частиц. В качестве первой из них в конце 19 века был открыт электрон, а затем в первые десятилетия 20 века – фотон, протон, позитрон и нейтрон. К середине нынешнего столетия благодаря использованию современной экспериментальной техники было установлено существование более 300 видов элементарных частиц.
Основными их свойствами являются масса, заряд, среднее время жизни и участие в тех или иных типах взаимодействий. Существуют элементарные частицы, не имеющие массы. Это фотоны. Другие частицы по массе делятся на лептоны (греч. leptos – легкий), мезоны (греч. mesos – средний) и барионы (греч. barys – тяжелый). Все известные частицы обладают положительным, отрицательным или нулевым электрическим зарядом. Каждой частице, кроме фотона и двух мезонов, соответствуют античастицы с противоположным зарядом. Не так давно была высказана гипотеза о существовании частиц с дробным электрическим зарядом (1/3 или 2/3 от заряда электрона). Они были названы кварками. Экспериментального подтверждения эта гипотеза пока не нашла. По времени жизни элементарные частицы делятся на стабильные и нестабильные. Стабильных частиц пять: фотон, две разновидности нейтрино, электрон и протон. Именно они играют важнейшую роль в структуре макротел. Все остальные частицы нестабильны. Они существуют около 10–10 – 10–24 сек., после чего распадаются. Элементарные частицы со средним временем жизни 10–23 – 10–22 сек. называются резонансами. Вследствие краткого времени существования они распадаются еще до того, как успеют покинуть атом или атомное ядро. Эти частицы вычислены теоретически, обнаружить их в реальных экспериментах пока не удается.
Важной характеристикой элементарных частиц является тип взаимодействия. По современным представлениям, в природе существуют четыре вида взаимодействий: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное.
Сильное взаимодействие проявляется только в микромире, происходит на уровне атомных ядер и представляет собой взаимное притяжение и отталкивание их составных частей. Оно действует на расстоянии около 10–13 см. Сильное взаимодействие очень прочно связывает частицы, в результате чего возникают атомные ядра – наиболее прочные объекты природы.
Слабое взаимодействие, как и сильное, проявляется только в микромире. Оно действует на расстоянии от 10–15 до 10–22 см и связано, главным образом, с распадом частиц. По современным представлениям большинство частиц нестабильно именно благодаря слабому взаимодействию.
Электромагнитное взаимодействие, в отличие от сильного и слабого, проявляется и в микромире, и в макромире, и в мегамире, но играет решающую роль в структуре макромира. Это взаимодействие в тысячу раз слабее сильного, но действует на гораздо больших расстояниях, чем оно. В результате него электроны и атомные ядра соединяются в атомы, атомы – в молекулы, молекулы – в макротела и т. д.
Гравитационное взаимодействие не проявляется в микромире. Оно проявляется в макромире и, особенно, в мегамире, играя первостепенную роль в структуре последнего. Это взаимодействие не учитывается в теории элементарных частиц. В космических масштабах оно, наоборот, имеет решающее значение, так как представляет собой не что иное, как всемирное тяготение (взаимное притяжение огромных космических объектов – планет и звезд). Расстояние, на котором оно действует, неограниченно.
Если физические тела состоят из молекул, молекулы – из атомов, а атомы – из элементарных частиц, то вроде логично было бы предположить, что элементарные частицы складываются, в свою очередь, из более мелких частиц. Однако такой вывод сделать невозможно, потому что на элементарном уровне существуют иные законы и все, к чему мы привыкли в макромире, там не действует. Например, мы прекрасно знаем, что если какое-нибудь тело распадается на части, то любая часть будет и по размерам, и по массе меньше исходного целого тела. А если распадется элементарная частица, то вполне может быть, что продукты ее распада окажутся по размерам и по массе больше исходной распавшейся частицы, что невероятно с точки зрения наших привычных представлений. Правильнее поэтому было бы говорить, что элементарные частицы не распадаются, а преобразуются или превращаются. Как то ни удивительно, но одна частица может превращаться в другую. Также почти каждая элементарная частица может быть как бы «составной частью» любой другой элементарной частицы. Если частицы способны к превращениям и другим сложным изменениям, значит они имеют какую-то внутреннюю структуру или устройство. Какое? На этот вопрос современная наука пока не в состоянии ответить. Единственное, что можно утверждать – это несомненное наличие у элементарных частиц этой структуры. Однако невозможно говорить, что она представляет собой еще более мелкие частицы. Здесь мы сталкиваемся с неведомым пока уровнем существования материи, который лежит глубже сферы элементарных частиц и представляет собой нечто совершенно для нас новое, непривычное, необыкновенное, сложновыразимое в существующих ныне научных понятиях и с трудом укладывающееся в современные научные представления и теории. Дальнейшее проникновение в глубинные тайны микромира, по всей видимости, будет делом науки 21 века.
Наиболее важными для описания и объяснения микромира являются два положения современного естествознания – это принцип дополнительности датского ученого Нильса Бора и принцип соотношения неопределенностей немецкого ученого Вернера Гейзенберга. Согласно принципу дополнительности корпускулярные и волновые свойства объектов микромира не исключают, а дополняют друг друга; микромир является такой специфической реальностью, что адекватное его описание возможно как раз посредством идеи о взаимодополняемости вроде бы несовместимых свойств – корпускулярных и волновых. Согласно принципу соотношения неопределенностей в микромире невозможно одинаково точно определить координату частицы и ее скорость, определенность одного из этих параметров обуславливает неопределенность другого. Известное уравнение Гейзенберга представляет собой произведение неопределенности координаты частицы и неопределенности ее скорости, которое равно постоянной величине (постоянной Планка). Таким образом, когда неопределенность одного из членов произведения стремится к нулю (т. е. он является определенным), тогда неопределенность другого стремится к бесконечности (т. е. он является совершенно неопределенным). Принципы дополнительности и соотношения неопределенностей, приемлемые для микромира, немыслимы для макромира: будучи примененными в нем, они приводят к нелепостям и абсурду.
Например, согласно принципу дополнительности корпускулы (объекты) могут быть волнами (процессами) и наоборот. В макромире объект – это не процесс, а процесс – не объект, иначе придется предположить, что, например, маятник (объект) и колебания маятника (процесс) могут быть одним и тем же: маятник – это колебания маятника, а колебания маятника – это маятник. Получается абсурд. То же и с принципом соотношения неопределенностей. Например, зная, что пуля вылетела из ружейного ствола и движется со скоростью 800 м/с, мы спрашиваем, на каком расстоянии от ствола она сейчас находится, и отвечаем на этот вопрос примерно так: «Если нам известна скорость пули, то ее местонахождение (координата) совершенно неизвестно – она может быть сейчас на Луне, в Антарктиде, в другой галактике и т. п.». Или наоборот, зная, что пуля, вылетевшая из ружейного ствола, находится в метре от него, мы спрашиваем, с какой скоростью она сейчас движется, и отвечаем примерно так: «Если нам известно местоположение пули (координата), то именно поэтому нам совершенно неизвестна ее скорость – она сейчас может быть равна нулю или скорости света и т. п.».
Принципы дополнительности и соотношения неопределенностей, созданные для описания микромира и мысленно примененные к макромиру, вполне свидетельствуют о том, что эти две области реальности отличаются друг от друга не только количественно (по принципу – большего или меньшего размера), но и качественно, представляя собой действительно два разных мира со своими специфическими особенностями и свойствами. Здесь мы еще раз сталкиваемся с одним из важных законов философской диалектики – законом перехода количественных изменений в качественные.
Следующая глава >
Источник: fil.wikireading.ru
Все статьи о космосе:
You May Also Like
