Мельчайшие составные частицы материи



ЧАСТИЦЫ ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ. Состав материи невероятно прост. Вся видимая материя во Вселенной – на Земле и в космосе – состоит из фундаментальных частиц трех разных видов: электронов и двух типов кварков.

Эти три частицы (как и другие описываемые ниже) взаимно притягиваются и отталкиваются соответственно своим зарядам, которых всего четыре вида по числу фундаментальных сил природы. Заряды можно расположить в порядке уменьшения соответствующих сил следующим образом: цветовой заряд (силы взаимодействия между кварками); электрический заряд (электрические и магнитные силы); слабый заряд (силы в некоторых радиоактивных процессах); наконец, масса (силы тяготения, или гравитационного взаимодействия). Слово «цвет» здесь не имеет ничего общего с цветом видимого света; это просто характеристика сильного заряда и самых больших сил.


Заряды сохраняются, т.е. заряд, входящий в систему, равен заряду, из нее выходящему. Если суммарный электрический заряд некоторого числа частиц до их взаимодействия равен, скажем, 342 единицам, то он и после взаимодействия независимо от его результата будет равен 342 единицам. Это относится и к другим зарядам: цветовому (заряду сильного взаимодействия), слабому и массовому (массе). Частицы различаются своими зарядами: в сущности, они и «есть» эти заряды. Заряды – это как бы «справка» о праве отвечать на соответствующую силу. Так, только на цветные частицы действуют цветовые силы, только на электрически заряженные частицы действуют электрические силы и т.д. Свойства частицы определяются наибольшей силой, действующей на нее. Только кварки являются носителями всех зарядов и, следовательно, подвержены действию всех сил, среди которых доминирующей является цветовая. Электроны имеют все заряды, кроме цветового, а доминирующей для них является электромагнитная сила.

Наиболее устойчивыми в природе оказываются, как правило, нейтральные комбинации частиц, в которых заряд частиц одного знака компенсируется суммарным зарядом частиц другого знака. Это отвечает минимуму энергии всей системы. (Точно так же два стержневых магнита располагаются в линию, причем северный полюс одного из них обращен к южному полюсу другого, что соответствует минимуму энергии магнитного поля.) Гравитация же является исключением из этого правила: отрицательной массы не существует. Нет тел, которые падали бы вверх.

ВИДЫ МАТЕРИИ


Обычная материя образуется из электронов и кварков, группирующихся в объекты, нейтральные по цветовому, а затем и по электрическому заряду. Цветовая сила нейтрализуется, о чем подробнее будет сказано ниже, когда частицы объединяются в триплеты. (Отсюда и сам термин «цвет», взятый из оптики: три основных цвета при смешении дают белый.) Таким образом, кварки, для которых цветовая сила является главной, образуют триплеты. Но кварки, а они подразделяются на u-кварки (от англ. up – верхний) и d-кварки (от англ. down – нижний), имеют еще и электрический заряд, равный для u-кварка и для d-кварка. Два u-кварка и один d-кварк дают электрический заряд +1 и образуют протон, а один u-кварк и два d-кварка дают нулевой электрический заряд и образуют нейтрон.

Стабильные протоны и нейтроны, притягиваемые друг к другу остаточными цветовыми силами взаимодействия между составляющими их кварками, образуют нейтральное по цвету ядро атома. Но ядра несут положительный электрический заряд и, притягивая отрицательные электроны, вращающиеся вокруг ядра наподобие планет, обращающихся вокруг Солнца, стремятся образовать нейтральный атом. Электроны на своих орбитах удалены от ядра на расстояния, в десятки тысяч раз превышающие радиус ядра, – свидетельство того, что удерживающие их электрические силы гораздо слабее ядерных. Благодаря силе цветового взаимодействия 99,945% массы атома заключено в его ядре. Масса u— и d-кварков примерно в 600 раз больше массы электрона. Поэтому электроны намного легче и подвижнее ядер. Их движением в веществе обусловлены электрические явления.


Существует несколько сот природных разновидностей атомов (включая изотопы), различающихся числом нейтронов и протонов в ядре и соответственно числом электронов на орбитах. Самый простой – атом водорода, состоящий из ядра в виде протона и обращающегося вокруг него единственного электрона. Вся «видимая» материя в природе состоит из атомов и частично «разобранных» атомов, которые называются ионами. Ионы – это атомы, которые, потеряв (или приобретя) несколько электронов, стали заряженными частицами. Материя, состоящая почти из одних ионов, называется плазмой. Звезды, горящие за счет идущих в центрах термоядерных реакций, состоят в основном из плазмы, а поскольку звезды – самая распространенная форма материи во Вселенной, можно сказать, что и вся Вселенная состоит в основном из плазмы. Точнее, звезды – это преимущественно полностью ионизованный газообразный водород, т.е. смесь отдельных протонов и электронов, а стало быть, из нее и состоит почти вся видимая Вселенная.

Это – видимая материя. Но во Вселенной есть еще невидимая материя. И есть частицы, выступающие в роли носителей сил. Существуют античастицы и возбужденные состояния некоторых частиц. Все это приводит к явно чрезмерному изобилию «элементарных» частиц. В этом изобилии можно найти указание на действительную, истинную природу элементарных частиц и сил, действующих между ними. Согласно самым последним теориям, частицы в своей основе могут представлять собой протяженные геометрические объекты – «струны» в десятимерном пространстве.

Невидимый мир.


Во Вселенной имеется не только видимая материя (а также черные дыры и «темная материя», например холодные планеты, которые станут видимыми, если их осветить). Существует и подлинно невидимая материя, пронизывающая всех нас и всю Вселенную ежесекундно. Она представляет собой быстро движущийся газ из частиц одного сорта – электронных нейтрино.

Электронное нейтрино является партнером электрона, но не имеет электрического заряда. Нейтрино несут лишь так называемый слабый заряд. Их масса покоя, по всей вероятности, равна нулю. Но с гравитационным полем они взаимодействуют, поскольку обладают кинетической энергией E, которой соответствует эффективная масса m, согласно формуле Эйнштейна E = mc2, где c – скорость света.


Таблица 1. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ЧАСТИЦЫ
Таблица 1. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ЧАСТИЦЫ
Частица Масса покоя, МэВ/с2 Электрический заряд Цветовой заряд Слабый заряд
КВАРКИ        
u-кварк 350 +2/3 Красный, зеленый, синий +1/2
d-кварк 350 –1/3 Красный, зеленый, синий –1/2
ЛЕПТОНЫ        
Электронное нейтрино <0,000015 0 0 +1/2
Электрон 0,511 –1 0 –1/2

Ключевая роль нейтрино заключается в том, что оно способствует превращению и-кварков в d-кварки, в результате чего протон превращается в нейтрон. Нейтрино играет роль «иглы карбюратора» для звездных термоядерных реакций, в которых четыре протона (ядра водорода) объединяются, образуя ядро гелия. Но поскольку ядро гелия состоит не из четырех протонов, а из двух протонов и двух нейтронов, для такого ядерного синтеза нужно, чтобы два и-кварка превратились в два d-кварка. От интенсивности превращения зависит, насколько быстро будут гореть звезды. А процесс превращения определяется слабыми зарядами и силами слабого взаимодействия между частицами. При этом и-кварк (электрический заряд +2/3, слабый заряд +1/2), взаимодействуя с электроном (электрический заряд 1, слабый заряд –1/2), образует d-кварк (электрический заряд –1/3, слабый заряд –1/2) и электронное нейтрино (электрический заряд 0, слабый заряд +1/2).
етовые заряды (или просто цвета) двух кварков в этом процессе компенсируются без нейтрино. Роль нейтрино состоит в том, чтобы уносить нескомпенсированный слабый заряд. Поэтому скорость превращения зависит от того, насколько слабы слабые силы. Если бы они были слабее, чем они есть, то звезды вообще не горели бы. Если же они были бы более сильными, то звезды давно бы выгорели.

А что же нейтрино? Поскольку эти частицы крайне слабо взаимодействуют с другим веществом, они почти сразу уходят из звезд, в которых родились. Все звезды сияют, испуская нейтрино, а нейтрино днем и ночью просвечивают наши тела и всю Землю. Так они странствуют по Вселенной, пока не вступят, может быть, в новое взаимодействие (см. также НЕЙТРИННАЯ АСТРОНОМИЯ; ЗВЕЗДЫ).

Переносчики взаимодействий.

За счет чего возникают силы, действующие между частицами на расстоянии? Современная физика отвечает: за счет обмена другими частицами. Представьте себе двух конькобежцев, перебрасывающихся мячом. Сообщая мячу импульс при броске и получая импульс с принятым мячом, оба получают толчок в направлении друг от друга. Так можно объяснить возникновение сил отталкивания. Но в квантовой механике, рассматривающей явления в области микромира, допускаются необычные растяжение и делокализация событий, что приводит, казалось бы, к невозможному: один из конькобежцев бросает мяч в направлении от другого, но тот тем не менее может этот мяч поймать. Нетрудно сообразить, что, будь такое возможно (а в мире элементарных частиц это возможно), между конькобежцами возникло бы притяжение.


Частицы, благодаря обмену которыми возникают силы взаимодействия между четырьмя рассмотренными выше «частицами материи», называются калибровочными частицами. Каждому из четырех взаимодействий – сильному, электромагнитному, слабому и гравитационному – соответствует свой набор калибровочных частиц. Частицами-переносчиками сильного взаимодействия являются глюоны (их всего восемь). Фотон – переносчик электромагнитного взаимодействия (он один, а фотоны мы воспринимаем как свет). Частицами-переносчиками слабого взаимодействия являются промежуточные векторные бозоны (в 1983 и 1984 были открыты W+-, W-бозоны и нейтральный Z-бозон). Частицей-переносчиком гравитационного взаимодействия является пока еще гипотетический гравитон (он должен быть один). Все эти частицы, кроме фотона и гравитона, которые могут пробегать бесконечно большие расстояния, существуют лишь в процессе обмена между материальными частицами. Фотоны заполняют Вселенную светом, а гравитоны – гравитационными волнами (пока еще с достоверностью не обнаруженными).


О частице, способной испускать калибровочные частицы, говорят, что она окружена соответствующим полем сил. Так, электроны, способные испускать фотоны, окружены электрическими и магнитными полями, а также слабыми и гравитационными полями. Кварки тоже окружены всеми этими полями, но еще и полем сильного взаимодействия. На частицы с цветовым зарядом в поле цветовых сил действует цветовая сила. То же самое относится к другим силам природы. Поэтому можно сказать, что мир состоит из вещества (материальных частиц) и поля (калибровочных частиц). Об этом подробнее ниже.

Антивещество.

Каждой частице отвечает античастица, с которой частица может взаимно уничтожиться, т.е. «аннигилировать», в результате чего высвобождается энергия. «Чистой» энергии самой по себе, однако, не существует; в результате аннигиляции возникают новые частицы (например, фотоны), уносящие эту энергию.

Античастица в большинстве случаев обладает противоположными по отношению к соответствующей частице свойствами: если частица под действием сильного, слабого или электромагнитного полей движется влево, то ее античастица будет двигаться вправо. Короче говоря, античастица имеет противоположные знаки всех зарядов (кроме массового заряда). Если частица составная, как, например, нейтрон, то ее античастица состоит из компонент с противоположными знаками зарядов. Так, антиэлектрон имеет электрический заряд +1, слабый заряд +1/2 и называется позитроном. Антинейтрон состоит из и-антикварков с электрическим зарядом –2/3 и d-антикварков с электрическим зарядом +1/3. Истинно нейтральные частицы являются своими собственными античастицами: античастица фотона – фотон.


Согласно современным теоретическим представлениям, своя античастица должна быть для каждой существующей в природе частицы. И многие античастицы, в том числе позитроны и антинейтроны, действительно были получены в лаборатории. Следствия этого исключительно важны и лежат в основе всей экспериментальной физики элементарных частиц. Согласно теории относительности, масса и энергия эквивалентны, и в определенных условиях энергия может быть превращена в массу. Поскольку заряд сохраняется, а заряд вакуума (пустого пространства) равен нулю, из вакуума, как кролики из шляпы фокусника, могут возникать любые пары частиц и античастиц (с нулевым суммарным зарядом), лишь бы энергия была достаточной для создания их массы.

Так, в экспериментах одного из обычных сегодня типов электроны заставляют сталкиваться с позитронами, создавая энергию с нулевым полным зарядом, которая может реализовываться в виде любой пары частица – античастица, лишь бы ее хватало для создания их массы. Точно так же в любом другом эксперименте со столкновениями частиц энергия может возникать в виде новых частиц любых типов, если они образуют пары с нулевым суммарным зарядом. Таким образом, ускорители частиц не просто зондируют структуру материи, а создают новые виды материи, в том числе и такие, которых, возможно, уже не было со времени Большого взрыва, давшего начало нашей Вселенной (см. также АНТИВЕЩЕСТВО; КОСМОЛОГИЯ В АСТРОНОМИИ; УСКОРИТЕЛЬ ЧАСТИЦ).

Поколения частиц.


Эксперименты на ускорителях показали, что четверка (квартет) материальных частиц по крайней мере дважды повторяется при более высоких значениях массы. Во втором поколении место электрона занимает мюон (с массой, примерно в 200 раз большей массы электрона, но с прежними значениями всех остальных зарядов), место электронного нейтрино – мюонное (которое сопутствует в слабых взаимодействиях мюону так же, как электрону сопутствует электронное нейтрино), место и-кварка занимает с-кварк (очарованный), а d-кварка – s-кварк (странный). В третьем поколении квартет состоит из тау-лептона, тау-нейтрино, t-кварка и b-кварка.

Масса t-кварка примерно в 500 раз больше массы самого легкого – d-кварка. Экспериментально установлено, что существуют только три типа легких нейтрино. Таким образом, четвертое поколение частиц или не существует вовсе, или соответствующие нейтрино являются очень тяжелыми. Это согласуется с космологическими данными, в соответствии с которыми могут существовать не более четырех типов легких нейтрино.

В экспериментах с частицами высоких энергий электрон, мюон, тау-лептон и соответствующие нейтрино выступают как обособленные частицы. Они не несут цветового заряда и вступают только в слабые и электромагнитные взаимодействия. В совокупности они называются лептонами.

Таблица 2. ПОКОЛЕНИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ ЧАСТИЦ
Таблица 2. ПОКОЛЕНИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ ЧАСТИЦ
Частица Масса покоя, МэВ/с2 Электрический заряд Цветовой заряд Слабый заряд
ВТОРОЕ ПОКОЛЕНИЕ        
с-кварк 1500 +2/3 Красный, зеленый или синий +1/2
s-кварк 500 –1/3 То же –1/2
Мюонное нейтрино <0,17 0 0 +1/2
Мюон 106 0 0 –1/2
ТРЕТЬЕ ПОКОЛЕНИЕ        
t-кварк 30000–174000 +2/3 Красный, зеленый или синий +1/2
b-кварк 4700 –1/3 То же –1/2
Тау-нейтрино <18 0 0 +1/2
Тау 1777 –1 0 –1/2

Кварки же под действием цветовых сил объединяются в сильно взаимодействующие частицы, преобладающие в большинстве экспериментов физики высоких энергий. Такие частицы называются адронами. В них входят два подкласса: барионы (например, протон и нейтрон), которые состоят из трех кварков, и мезоны, состоящие из кварка и антикварка. В 1947 в космических лучах был открыт первый мезон, названный пионом (или пи-мезоном), и некоторое время считалось, что обмен этими частицами – главная причина ядерных сил. Особой известностью в физике элементарных частиц пользовались также адроны омега-минус, открытые в 1964 в Брукхейвенской национальной лаборатории (США), и джей-пси-частица (J/y-мезон), открытая одновременно в Брукхейвене и в Стэнфордском центре линейных ускорителей (тоже в США) в 1974. Существование омега-минус-частицы было предсказано М.Гелл-Манном в его так называемой «SU3-теории» (другое название – «восьмеричный путь»), в которой впервые было высказано предположение о возможности существования кварков (и было дано им это название). Десятилетие спустя открытие частицы J/y подтвердило существование с-кварка и заставило, наконец, всех поверить и в кварковую модель, и в теорию, объединившую электромагнитные и слабые силы (см. ниже).

Частицы второго и третьего поколения не менее реальны, чем первого. Правда, возникнув, они за миллионные или миллиардные доли секунды распадаются на обычные частицы первого поколения: электрон, электронное нейтрино, а также и— и d-кварки. Вопрос о том, почему в природе существуют несколько поколений частиц, до сих пор остается загадкой.

О разных поколениях кварков и лептонов часто говорят (что, конечно, несколько эксцентрично) как о разных «ароматах» частиц. Необходимость их объяснения называется проблемой «аромата».

БОЗОНЫ И ФЕРМИОНЫ, ПОЛЕ И ВЕЩЕСТВО

Одним из принципиальных различий между частицами является различие между бозонами и фермионами. Все частицы делятся на эти два основных класса. Одинаковые бозоны могут налагаться друг на друга или перекрываться, а одинаковые фермионы – нет. Наложение происходит (или не происходит) в дискретных энергетических состояниях, на которые квантовая механика делит природу. Эти состояния представляют собой как бы отдельные ячейки, в которые можно помещать частицы. Так вот, в одну ячейку можно поместить сколько угодно одинаковых бозонов, но только один фермион (см. также КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА).

В качестве примера рассмотрим такие ячейки, или «состояния», для электрона, вращающегося вокруг ядра атома. В отличие от планет Солнечной системы, электрон по законам квантовой механики не может обращаться по любой эллиптической орбите, для него существует только дискретный ряд разрешенных «состояний движения». Наборы таких состояний, группируемые в соответствии с расстоянием от электрона до ядра, называются орбиталями. В первой орбитали имеются два состояния с разными моментами импульса и, следовательно, две разрешенные ячейки, а в более высоких орбиталях – восемь и более ячеек.

Поскольку электрон относится к фермионам, в каждой ячейке может находиться только один электрон. Отсюда вытекают очень важные следствия – вся химия, поскольку химические свойства веществ определяются взаимодействиями между соответствующими атомами. Если идти по периодической системе элементов от одного атома к другому в порядке увеличения на единицу числа протонов в ядре (число электронов тоже будет соответственно увеличиваться), то первые два электрона займут первую орбиталь, следующие восемь расположатся на второй и т.д. Этим последовательным изменением электронной структуры атомов от элемента к элементу и обусловлены закономерности в их химических свойствах (см. также ПЕРИОДИЧЕСКАЯ ТАБЛИЦА ЭЛЕМЕНТОВ).

Если бы электроны были бозонами, то все электроны атома могли бы занимать одну и ту же орбиталь, соответствующую минимальной энергии. При этом свойства всего вещества во Вселенной были бы совершенно другими, и в том виде, в котором мы ее знаем, Вселенная была бы невозможна.

Все лептоны – электрон, мюон, тау-лептон и соответствующие им нейтрино – являются фермионами. То же можно сказать о кварках. Таким образом, все частицы, которые образуют «вещество», основной наполнитель Вселенной, а также невидимые нейтрино, являются фермионами. Это весьма существенно: фермионы не могут совмещаться, так что то же самое относится к предметам материального мира.

В то же время все «калибровочные частицы», которыми обмениваются взаимодействующие материальные частицы и которые создают поле сил (см. выше), являются бозонами, что тоже очень важно. Так, например, много фотонов могут находиться в одном состоянии, образуя магнитное поле вокруг магнита или электрическое поле вокруг электрического заряда. Благодаря этому же возможен лазер (см. также ЛАЗЕР).

Спин.

Различие между бозонами и фермионами связано с еще одной характеристикой элементарных частиц – спином. Как это ни удивительно, но все фундаментальные частицы имеют собственный момент импульса или, проще говоря, вращаются вокруг своей оси. Момент импульса – характеристика вращательного движения, так же как суммарный импульс – поступательного. В любых взаимодействиях момент импульса и импульс сохраняются.

В микромире момент импульса квантуется, т.е. принимает дискретные значения. В подходящих единицах измерения лептоны и кварки имеют спин, равный 1/2, а калибровочные частицы – спин, равный 1 (кроме гравитона, который экспериментально пока не наблюдался, а теоретически должен иметь спин, равный 2). Поскольку лептоны и кварки – фермионы, а калибровочные частицы – бозоны, можно предположить, что «фермионность» связана со спином 1/2, а «бозонность» – со спином 1 (или 2). Действительно, и эксперимент, и теория подтверждают, что если у частицы полуцелый спин, то она – фермион, а если целый – то бозон.

КАЛИБРОВОЧНЫЕ ТЕОРИИ И ГЕОМЕТРИЯ

Во всех случаях силы возникают вследствие обмена бозонами между фермионами. Так, цветовая сила взаимодействия между двумя кварками (кварки – фермионы) возникает за счет обмена глюонами. Подобный обмен постоянно происходит в протонах, нейтронах и атомных ядрах. Точно так же фотоны, которыми обмениваются электроны и кварки, создают электрические силы притяжения, удерживающие электроны в атоме, а промежуточные векторные бозоны, которыми обмениваются лептоны и кварки, создают силы слабого взаимодействия, ответственные за превращение протонов в нейтроны при термоядерных реакциях в звездах.

Теория такого обмена изящна, проста и, вероятно, правильна. Она называется калибровочной теорией. Но в настоящее время существуют лишь независимые калибровочные теории сильного, слабого и электромагнитного взаимодействий и сходная с ними, хотя кое в чем и отличающаяся, калибровочная теория гравитации. Одной из важнейших физических проблем является сведение этих отдельных теорий в единую и вместе с тем простую теорию, в которой все они стали бы разными аспектами единой реальности – как грани кристалла.

Таблица 3. НЕКОТОРЫЕ АДРОНЫ
Таблица 3. НЕКОТОРЫЕ АДРОНЫ
Частица Символ Кварковый состав* Масса покоя, МэВ/с2 Электрический заряд
БАРИОНЫ        
Протон p uud 938 +1
Нейтрон n udd 940 0
Омега-минус W sss 1672 –1
МЕЗОНЫ        
Пи-плюс p+ u 140 +1
Пи-минус p du 140 –1
Фи f 1020 0
Джей-пси J/y 3100 0
Ипсилон Ў b 9460 0
* Кварковый состав: u – верхний; d – нижний; s – странный; c – очарованный; b – красивый. Чертой над буквой обозначены антикварки.

Простейшей и самой старой из калибровочных теорий является калибровочная теория электромагнитного взаимодействия. В ней заряд электрона сравнивается (калибруется) с зарядом другого электрона, удаленного от него. Как можно сравнивать заряды? Можно, например, приблизить второй электрон к первому и сравнивать их силы взаимодействия. Но не меняется ли заряд электрона при его перемещении в другую точку пространства? Единственный способ проверки – послать от ближнего электрона к дальнему сигнал и посмотреть, как он среагирует. Сигналом является калибровочная частица – фотон. Чтобы можно было проверить заряд на удаленных частицах, необходим фотон.

В математическом отношении эта теория отличается чрезвычайной точностью и красотой. Из описанного выше «калибровочного принципа» вытекает вся квантовая электродинамика (квантовая теория электромагнетизма), а также теория электромагнитного поля Максвелла – одно из величайших научных достижений 19 в.

Почему же столь простой принцип оказывается столь плодотворным? Видимо, он выражает некую соотнесенность разных частей Вселенной, позволяя проводить измерения во Вселенной. В математическом плане поле интерпретируется геометрически как кривизна некоторого мыслимого «внутреннего» пространства. Измерение же заряда – это измерение полной «внутренней кривизны» вокруг частицы. Калибровочные теории сильного и слабого взаимодействий отличаются от электромагнитной калибровочной теории только внутренней геометрической «структурой» соответствующего заряда. На вопрос о том, где именно находится это внутреннее пространство, пытаются ответить многомерные единые теории поля, которые здесь не рассматриваются.

Таблица 4. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
Таблица 4. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
Взаимо-действие Относительная интенсивность на расстоянии 10–13 см Радиус действия Переносчик взаимодействия Масса покоя переносчика, МэВ/с2 Спин переносчика
Сильное 1 < 10–13 см Глюон 0 1
Электро-
магнитное
0,01 Ґ Фотон 0 1
Слабое 10–13 < 10–16 см W+ 80400 1
      W 80400 1
      Z0 91190 1
Гравита-
ционное
10–38 Ґ Гравитон 0 2

Физика элементарных частиц пока не завершена. Еще далеко не ясно, достаточно ли имеющихся данных для полного понимания природы частиц и сил, а также истинной природы и размерности пространства и времени. Нужны ли нам для этого эксперименты с энергиями 1015 ГэВ или же будет достаточно усилий мысли? Ответа пока нет. Но можно сказать с уверенностью, что окончательная картина будет проста, изящна и красива. Возможно, что принципиальных идей окажется не так много: калибровочный принцип, пространства высших размерностей, коллапс и расширение, а прежде всего – геометрия.

Источник: www.krugosvet.ru

Какие бывают элементарные частицы

После открытия электрона ученые ввели в картину мира фотон и остальные бозоны, дополнили список лептонов и открыли кварки.

С каждым витком развития науки люди стремились поделить вещество на мельчайшие части, чтобы понять, как оно устроено. Оказалось, что вся материя, которая нас окружает, похожа на матрешку с четырьмя оболочками:

  • то, что мы видим невооруженным глазом;
  • молекулярная структура;
  • атомная структура;
  • элементарный уровень.

Последняя «оболочка» была открыта не так давно и на данный момент считается самой маленькой. Она включает в себя все элементарные или фундаментальные частицы.

Да, их очень много  но так даже интереснее. Со времен открытия электрона ученые обнаружили огромное количество фундаментальных частиц и разделили их на две большие группы: фермионы (от фамилии итальянского физика Энрико Ферми) и бозоны (в честь индийского физика Сатьендры Нат Бозе).

Мельчайшие составные частицы материи
Все частицы Стандартной модели, собранные в подобие системы Менделеева. Справа — бозоны, слева — фермионы

Элементарные частицы, в отличие от атомов, — это не всегда реально существующие объекты. Это, скорее, модели, созданные для описания разных видов взаимодействий и свойств материи.

Например, электромагнитное взаимодействие передается с помощью фотонов, ядро атома находится в стабильном состоянии благодаря мезонам — частицам, удерживающим протоны и нейтроны.

Физики выделяют разные виды взаимодействий (сильное, слабое, электромагнитное, гравитационное) и типы материи (атомы, антиматерия, темная материя, излучения). Чтобы изучить их свойства, нужно подробно описать их природу.

Во второй половине ХХ века группа ученых создала теорию под названием «Стандартная модель». Она помогла систематизировать большое количество открытых на тот момент элементарных частиц и соотнести каждую со своим видом материи или взаимодействия. Сейчас эта теория считается завершенной и включает 17 видов элементарных частиц, вместе описывающих 3 фундаментальных взаимодействия и некоторую часть известных видов материи. Однако Стандартная модель описывает далеко не всё. Например, в ее рамках нельзя описать силу гравитации, и ученые до сих пор ломают голову над тем, как бы ее объяснить.

Чтобы разобраться в мире элементарных частиц, мы расскажем обо всех 17 частицах Стандартной модели, разделив их на две большие группы: фермионы и бозоны.

I. Фермионы

В этот класс входят 12 обычных частиц и столько же античастиц. Они противоположны по заряду: например, античастица отрицательно заряженного электрона — это положительно заряженный позитрон.

Эти 12 частиц, в свою очередь, можно поделить на две группы по 6 штук: кварки и лептоны.

Как устроен атом

Атом состоит из ядра, в котором сосредоточено более 99 % его массы, и электронной оболочки, окружающей его, как облако. Электроны, составляющие внешнюю оболочку, — это элементарные частицы. Ядро же состоит из протонов и нейтронов (вместе они называются нуклонами). Протоны заряжены положительно, чтобы компенсировать отрицательный заряд электронов на внешней оболочке, а нейтроны, как следует из названия, вообще не имеют заряда и «склеивают» ядро, не давая ему распасться (как это происходит с радиоактивными элементами).

Долгое время протоны и нейтроны считались неделимыми, но они слишком большие для элементарных частиц. Позже ученые установили, что каждая из них состоит из трех кварков.

Кварки — любители ходить в парах

В отличие от электронов кварки не могут существовать в свободном состоянии и соединяются в пары. Эти пары называются мезонами — это частицы, которые перемещаются между протонами и нейтронами и удерживают ядро в стабильном состоянии. Три кварка образуют нуклоны — протон или нейтрон. Частицы, состоящие из четырех или пяти кварков, являются экзотическими и отчасти вызывают гравитационное взаимодействие между телами.

Лептоны — одиночки

Второй тип фермионов — лептоны, их свойства совершенно другие. Кварки не могут существовать поодиночке, а лептоны, наоборот, не могут соединяться (если это, конечно, не частица со своей античастицей: объединяясь, они исчезают, выделяя энергию).

Лептоны похожи на волков-одиночек, и самый влиятельный и могущественный среди них (прямо как волк с Уолл-стрит) — электрон, самый распространенный и наиболее изученный лептон.

Долгое время ученые не могли понять, в чем «сила» электрона. В конце концов они нашли этому одно разумное объяснение: электрон — это единственная стабильная заряженная частица из своего класса. Остальные 5 заряженных лептонов не существуют дольше 2 микросекунд: они либо распадаются на несколько более мелких частиц, либо, наоборот, соединяются в одну более крупную.

Нейтрино — неуловимые лептоны

Еще один вид лептонов — нейтрино, практически неуловимые частицы, которые движутся в космосе со скоростью света. Еще с середины ХХ века проводятся эксперименты, чтобы их поймать и изучить. Многое в этих «неуловимых» частицах уже исследовано, и ученые даже пытались создать коммуникацию с их помощью, но идея осталась лишь в планах. Нейтрино могут быть индикаторами различных процессов, происходящих в ядрах звезд. Например, в нашем Солнце протекает множество термоядерных реакций каждую секунду, и практически каждая такая реакция выделяет хотя бы одно нейтрино.

Нейтрино бывают нескольких видов: электронное, мюонное и тау-нейтрино. Все эти названия взяты не с потолка.

Каждое нейтрино соответствует своему лептону (электрону, мюону, тау-лептону), так как напоминает его по своим квантовым характеристикам. Разные виды этих частиц, двигаясь совместно, могут переходить друг в друга — это называется нейтринной осцилляцией.

Итак, фермионы бывают двух видов: кварки и лептоны. Первые могут существовать только группами, а вторые — только по отдельности. Первые входят в состав ядер атомов, вторые — в состав электронных оболочек этих атомов.

А теперь мы переходим ко второй, не менее интересной группе элементарных частиц — бозонам. Готовы спорить, что она у вас на слуху благодаря одному известному ее представителю.

II. Бозоны

Невольно возникает вопрос: а чем фермионы отличаются от бозонов? Всё дело в квантовой характеристике — спи́не. У фермионов он дробный: чтобы при повороте в пространстве частица стала симметричной себе, надо повернуть ее больше чем на один полный оборот. А у бозонов спин целый — то есть либо они одинаковы, как ни крути, либо для совмещения самих с собой в пространстве их нужно повернуть на 180 или 360 градусов.

Спин обуславливает обменное взаимодействие элементарных частиц, когда между двумя одинаково заряженными частицами может возникать связь (это свойство исчезает при переходе к большим системам). Если по законам классической механики два электрона должны отталкиваться, то квантовая механика «разрешает» им находиться относительно близко друг от друга — на одной орбитали.

Мельчайшие составные частицы материи
Траектории движения элементарных частиц, образующихся в результате столкновения двух протонов

Бозоны, слава богу, не делятся ни на какие группы. В Стандартной модели их выделяют всего пять: фотон, W-бозон, Z-бозон, глюон и бозон Хиггса. С фотоном мы уже знакомы, его функция — переносить электромагнитное возбуждение (то есть свет разного диапазона длин волн). W- и Z-бозоны — это своего рода волшебные палочки. W-бозоны переносят электрический заряд, понижая или повышая его у выбранной цели, и могут превращать один вид кварков в другой. Z-бозоны помогают передавать импульс и спин от одной частицы к другой при их столкновении.

Выделяют 8 типов глюонов.

Глюоны напоминают кварки и фотоны одновременно: их никогда не видели в свободном состоянии, они не имеют заряда и в теории не обладают массой. Глюоны отвечают за передачу между кварками квантовой характеристики, называемой цветом (общее с теми цветами, которые мы видим, — только название).

Последний тип — бозоны Хиггса — очень странная вещь. Они существовали лишь теоретически, их долго не могли обнаружить, однако в 2012 году это удалось сделать с помощью Большого адронного коллайдера (БАК).

Бозон Хиггса обуславливает массы всех элементарных частиц. Его открытие завершило Стандартную модель.

Она описывает 3 вида взаимодействий: электромагнитное, сильное (между нуклонами в ядре атома) и слабое, но ее нельзя считать Теорией всего, так как она не описывает, например, гравитационное взаимодействие, темную материю и энергию. Так что у физики большое и светлое будущее.

Итак, бозоны переносят различные виды взаимодействий. Они имеют целочисленный спин и различаются между собой массой и свойствами. Существование всех этих частиц ученые уже доказали с помощью БАК.

Составные частицы

Фермионы и бозоны — это лишь основа всей физики элементарных частиц. Соединяясь, они образуют что-то вроде молекул. Это очень похоже на химическую реакцию: две элементарные частицы могут соединяться друг с другом, как и химические вещества.

Самый известный вид составных частиц — адроны. Их делят на два вида: барионы и мезоны. Барионы — это частицы, состоящие из кварков, в том числе протоны и нейтроны; мезоны переносят взаимодействие между нуклонами в ядрах атомов.

Физика элементарных частиц невероятно разнообразна. Кроме перечисленных основных классов выделяют также квазичастицы («почти»-частицы), которые формально не существуют: человек придумал их для описания различных природных процессов. Кроме того, есть много гипотетических частиц, существование которых экспериментально не подтверждено.


Сегодня мы знаем Вселенную едва ли на 0,1 %. С помощью физики мы пытаемся расширить границы познания и описать всё, что нам непонятно. Но каждый новый шаг вперед всё труднее: если пять лет назад вы были на острие прогресса и понимали всё, что происходит в вашей науке, то сегодня она вас озадачит своей сложностью и запутанностью.

Однако сложность добавляет физике прелесть и очарование, которое притягивает новые пытливые умы. С помощью них мы, быть может, скоро создадим Теорию всего и постигнем все тайны мироздания.

А потом природа преподнесет нам сюрприз, и окажется, что всё, что мы знали, — полная туфта.

Источник: knife.media

Итак, Анна берёт свою частицу A и помещает ее в ручную машину декодирования запутанности, которая выдает ей ответ: B или C.

Если ответ C, побеждает ваша история, но законы квантовой механики нарушаются. Если A запутана с C, которая глубоко внутри в чёрной дыре, тогда эта частица информации потеряна для Анны навсегда. Это нарушает квантовый закон невозможности потери информации.

Остается B. Если декодирующая машина Анны обнаруживает, что А запутана с B, Анна побеждает и общая теория относительности проигрывает. Если А запутана с B, история Анны будет единственной верной историей, из чего следует, что вы на самом деле сгорели дотла. Вместо того, чтобы плыть прямо через горизонт, как подсказывает относительность, вы столкнетесь с пылающей стеной огня. Таким образом, мы возвращаемся к тому, с чего начали: что происходит, когда вы падаете в черную дыру? Вы скользите через нее и живете нормальной жизнью, благодаря реальности, которая странным образом зависит от наблюдателя? Или вы подходите к горизонту чёрной дыры только чтобы столкнуться со смертельной стеной огня?

Никто не знает ответ, и поэтому этот вопрос стал одним из самых спорных в области фундаментальной физики.

Более ста лет физики пытаются примирить общую теорию относительности с квантовой механикой, полагая, что одной из них придётся в конечном счёте уступить. Решение парадокса вышеупомянутой стены огня должно указать на победителя, а также привести нас к еще более глубокой теории Вселенной.

Одна из подсказок может лежать в машине декодирования Анны. Выяснить, какой из других битов информации запутан с A, является чрезвычайно сложной задачей. Поэтому физики Даниэль Харлоу из Принстонского университета в Нью-Джерси и Патрик Хейден, работающий в Стэнфордском университете в Калифорнии, решили разобраться, сколько времени потребуется на декодирование. В 2013 году они подсчитали, что даже при самом быстром компьютере, который только может существовать, Анне потребуется невероятно много времени, чтобы расшифровать запутанность. К моменту, когда она найдёт ответ, чёрная дыра уже давно испарится, исчезнет из Вселенной и заберёт с собой загадку смертельной стены огня.

Источник: pikabu.ru

Самые мельчайшие частицы Вселенной

Они бывают разных вкусов и размеров, некоторые имеют удивительную связь, другие по существу испаряют друг друга, многие из них имеют фантастические названия: кварки состоящие из барионов и мезонов, нейтроны и протоны, нуклоны, гипероны, мезоны, барионы, нуклоны, фотоны и т.д.

Бозон Хиггса

Бозон Хиггса, настолько важная для науки частица, что ее называют “частицей Бога”. Считается, что она определяет массу всем другим. Элемент был впервые теоретизирован в 1964 году, когда ученые задавались вопросом, почему некоторые частицы более массивны, чем другие. Бозон Хиггса

Бозон Хиггса связан с так называемым полем Хиггса который, как полагают, заполняют Вселенную. Два элемента (квант поля Хиггса и бозон Хиггса), ответственны за то, чтобы дать другим массу. Названа в честь шотландского ученого Питера Хиггса.   С помощью  адронного коллайдера 14 марта 2013 г. официально объявлено о подтверждении существования Бозона Хиггса.

Многие ученые утверждают, что механизм Хиггса разрешил недостающую часть головоломки, чтобы завершить существующую “стандартную модель” физики, которая описывает известные частицы.

Кварки

кварки Кварки (в переводе бредовые) строительные блоки протонов и нейтронов. Они никогда не одиноки, существуя только в группах. По-видимому, сила, которая связывает кварки вместе, увеличивается с расстоянием, поэтому чем дальше, тем труднее их будет разнять. Поэтому свободные кварки никогда не существуют в природе.

Кварки фундаментальные частицы являются бесструктурными, точечными размером примерно 10−16 см.

Например, протоны и нейтроны состоят из трех кварков, причем протоны содержат два одинаковых кварка, в то время как нейтроны имеют два разных.

Суперсимметричность

Известно, что фундаментальные «кирпичики» материи фермионы  это кварки и лептоны, а хранители силы бозоны это фотоны, глюоны. Теория суперсимметрии говорит о том, что фермионы и бозоны могут превращаться друг в друга.

Предсказываемая теория утверждает, что для каждой известной нам частицы есть родственная, которую мы еще не обнаружили. Например, для электрона это селекрон, кварка – скварк, фотона –фотино, хиггса — хиггсино.

Почему мы не наблюдаем этой суперсимметрии во Вселенной сейчас? Ученые считают, что они намного тяжелее, чем их обычные родственные частицы и чем тяжелее, тем короче их срок службы. По сути, они начинают разрушаться, как только возникают. Создание суперсимметрии требует весьма большого количества энергии, которая только существовала вскоре после большого взрыва и возможно может быть создана в больших ускорителях как большой адронный коллайдер.

Что касается того, почему симметрия возникла, физики предполагают, что симметрия, возможно, была нарушена в каком-то скрытом секторе Вселенной, который мы не можем видеть или касаться, но можем чувствовать только гравитационно.

Нейтрино

Нейтрино легкие субатомные частицы, которые свистят везде с близкой скоростью света. На самом деле, триллионы нейтрино текут через ваше тело в любой момент, хотя они редко взаимодействуют с нормальной материей.

Некоторые нейтрино происходят от солнца, в то время как другие от космических лучей, взаимодействующих с атмосферой Земли и астрономическими источниками, такими как взрывающиеся звезды на Млечном пути и другие далекие галактики.

Антивещество

антиматерия Считается, что все нормальные частицы имеют антивещества с одинаковой массой, но противоположным зарядом. Когда материя и антивещество встречаются, они уничтожают друг друга. Например, частица антиматерии протона является антипротоном, в то время как партнер антиматерии электрона называется позитроном. Антивещество относится к самым дорогим веществам в мире которые смогли определить люди.

Гравитоны

В области квантовой механики все фундаментальные силы передаются частицами. Например, свет состоит из безмассовых частиц, называемых фотонами, которые несут электромагнитную силу. Точно также гравитон является теоретической частицей, которая несет в себе силу гравитации. Ученым еще предстоит обнаружить гравитоны, которые сложно найти, потому что они так слабо взаимодействуют с веществом.

Нити энергии

В экспериментах крошечные частицы, такие как кварки и электроны, действуют как одиночные точки материи без пространственного распределения. Но точечные объекты усложняют законы физики. Поскольку нельзя приблизиться бесконечно близко к точке, так как действующие силы, могут стать бесконечно большими.

Идея под названием теория суперструн может решить эту проблему. Теория утверждает, что все частицы, вместо того, чтобы быть точечными, на самом деле являются маленькими нитями энергии. Тоесть все объекты нашего мира состоят из вибрирующих нитей и мембран энергии. самая маленькая частица во ВселеннойНичто не может быть бесконечно близко к нити, потому что одна часть всегда будет немного ближе, чем другая. Эта “лазейка”, похоже, решает некоторые из проблем бесконечности, делая идею привлекательной для физиков. Тем не менее, у ученых до сих пор нет экспериментальных доказательств того, что теория струн верна.

Другой способ решения точечной проблемы – сказать, что само пространство не является непрерывным и гладким, а на самом деле состоит из дискретных пикселей или зерен, иногда называемых пространственно-временной структурой. В этом случае две частицы не смогут бесконечно приближаться друг к другу, потому что они всегда должны быть разделены минимальным размером зерна пространства.

Точка черной дыры

Еще одним претендентом на звание самая маленькая частица во Вселенной   является сингулярность (единственная точка) в центре черной дыры. Черные дыры образуются, когда вещество конденсируется в достаточно маленьком пространстве, которое захватывает гравитация, заставляя вещество втянуть вовнутрь, в конечном итоге конденсируясь в единую точку бесконечной плотности. По крайней мере по действующим законам физики.

Но большинство экспертов не считают черные дыры действительно бесконечно плотными. Они считают, что эта бесконечность является результатом внутреннего конфликта между двумя действующими теориями – общей теорией относительностью и квантовой механикой. Они предполагают, что когда теория квантовой гравитации может быть сформулирована, истинная природа черных дыр будет раскрыта.

Планковская длина

Нити энергии и даже самая маленькая частица во Вселенной   может оказаться размером с “длину планка”.

Планковская длина – «естественная единица» измерения длины, которая была предложена немецким физиком Максом Планком.

Длина Планка слишком мала для любого инструмента, чтобы измерить, но помимо этого, считается, что она представляет собой теоретический предел кратчайшей измеримой длины. Согласно принципу неопределенности, ни один инструмент никогда не должен быть в состоянии измерить что-либо меньшее, потому что в этом диапазоне Вселенная вероятностная и неопределенная.

Эта шкала также считается разграничительной линией между общей теорией относительности и квантовой механикой.

Планковская длина соответствует расстоянию, где гравитационное поле настолько сильно, что оно может начать делать черные дыры из энергии поля.

Очевидно сейчас, самая маленькая частица во Вселенной   примерно размером с длину планка: 1,6·10−35 метров

Источник: v-nayke.ru

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. за­ря­да. 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. Ка­ж­дая 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


You May Also Like

About the Author: admind

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

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