Если сильные распады группировались в районе йоктосекунд, электромагнитные — в окрестностях аттосекунды, то слабые распады «отдуваются за всех» — они охватывают аж 27 порядков на шкале времен!
На краях этого невообразимо широкого диапазона находятся два «экстремальных» случая.
- Распады топ-кварка и частиц-переносчиков слабого взаимодействия (W и Z-бозонов) происходят примерно за 0,3 ис = 3·10−25с. Это самые быстрые распады среди всех элементарных частиц и вообще самые быстрые процессы, достоверно известные современной физике. Получается так потому, что это распады с самым большим энерговыделением.
- Самая долгоживущая элементарная частица, нейтрон, живет примерно 15 минут. Такое огромное по меркам микромира время объясняется тем, что этот процесс (бета-распад нейтрона на протон, электрон и антинейтрино) обладает очень маленьким энерговыделением. Это энерговыделение такое слабое, что в подходящих условиях (например, внутри атомного ядра) этот распад уже может быть энергетически невыгоден, и тогда нейтрон становится полностью стабильным. Атомные ядра, все вещество вокруг нас, да и мы сами существуем только благодаря этой удивительной слабости бета-распада.
В промежутке между этими крайностями большинство слабых распадов тоже идут более-менее компактно. Их можно разбить на две группы, которые мы условно назовем: быстрые слабые распады и медленные слабые распады.
Быстрые — это распады длительностью около пикосекунды. Так вот удивительно сложились числа в нашем мире, что в узкий диапазон значений от 0,4 до 2 пс попадают времена жизни сразу нескольких десятков элементарных частиц. Это так называемые очарованные и прелестные адроны — частицы, которые в своем составе имеют тяжелый кварк.
Пикосекунды — это замечательно, это просто бесценно с точки зрения эксперимента на коллайдерах! Дело в том, что за 1 пс частица успеет пролететь треть миллиметра, а такие большие дистанции современный детектор измеряет легко. Благодаря этим частицам картина столкновения частиц на коллайдере становится «легко читаемой» — вот тут произошло столкновение и рождение большого числа адронов, а вон там, чуть поодаль, произошли вторичные распады. Время жизни становится напрямую измеримо, а значит, появляется возможность узнать, что это была за частица, и уже потом использовать эту информацию для более сложного анализа.
Медленные слабые распады — это распады, которые начинаются от сотни пикосекунд и простираются на весь наносекундный диапазон. Сюда попадает класс так называемых «странных частиц» — многочисленных адронов, содержащих в своем составе странный кварк. Несмотря на свое название, для современных экспериментов они совсем не странные, а наоборот, самые обыденные частицы. Они просто выглядели странными в 50-х годах прошлого века, когда физики неожиданно стали их открывать одну за другой и не совсем понимали их свойства. Кстати, именно изобилие странных адронов и подтолкнуло физиков полвека назад к идее кварков.
С точки зрения современного эксперимента с элементарными частицами наносекунды — это очень много. Это так много, что вылетевшая из ускорителя частица просто не успевает распасться, а пронзает детектор, оставляя в нём свой след. Конечно, она потом застрянет где-то в веществе детектора или в горных породах вокруг него и там распадется. Но физиков этот распад уже не заботит, их интересует только тот след, который эта частица оставила внутри детектора. Так что для современных экспериментов такие частицы выглядят почти как стабильные; их поэтому называют «промежуточным» термином — метастабильные частицы.
Ну а самой долгоживущей частицей, не считая нейтрона, является мюон — этакий «собрат» электрона. Он не участвует в сильном взаимодействии, он не распадается за счет электромагнитных сил, поэтому ему остаются только слабые взаимодействия. А поскольку он довольно легкий, он живет 2 микросекунды — целая эпоха по масштабам элементарных частиц.
Источник: elementy.ru
Из истории вопроса
Первым из тех, кто задумался о существовании мельчайших частиц, из которых состоят все вещества и окружающие предметы, был древнегреческий философ Демокрит. Он был первым, кто высказал предположение о существовании фундаментальных частиц. Согласно письменным источникам, случилось это в
веке до нашей эры. Демокрит дал название атому и определил, что это неделимая частица материи.
В течение ряда веков понятие об атомах носило скорее философский, чем физический смысл. И только начиная с
века представление об атомах стали использовать сначала для объяснения химических, а затем и физических процессов.
В
-е годы
столетия Макс Фарадей ввел в обиход понятие иона в рамках теории электролиза, а также выполнил изменение элементарного заряда. К концу столетия Антуан Анри Беккерель открыл явление радиоактивности, Джозеф Томсон установил существование электронов, Эрнест Резерфорд —
-частиц. В первые пять лет
века Альберт Эйнштейн разработал учение о фотонах (квантах электромагнитного поля). Все эти открытия были бы невозможны без понятия об атомах.
В течение первой трети
века было установлено, что атом имеет сложное строение, которое предполагает наличие ядра и расположенных вокруг него электронов. Эрнест Резерфорд предложил орбитальную модель строения атома, согласно которой электроны движутся вокруг ядра по определенным орбитам. Он же во время опытов по расщеплению ядер атомов установил существование протонов.
Открытие нейтронов принадлежит известному английскому физику Джеймсу Чедвику. Он установил, что ядра атомов имеют сложное строение. Так возникла протон-нейтронная теория строения ядер, разработкой которой занимались немецкий исследователь Вейнер Гейзенберг и наш соотечественник, физик-теоретик, лауреат Сталинской премии Дмитрий Дмитриевич Иваненко.
Существование позитрона было предсказано англичанином Полем Дираком. Эта положительно заряженная частица, имеющая такую же массу и такой же (по модулю) заряд, что и электрон, была открыта американским физиком-экспериментатором Карлом Дейвидом Андерсеном в космических лучах.
В тридцатых годах
-го века были открыты взаимные превращения нейтронов и протонов. Было установлено, что элементарные частицы не являются неизменными. В это же время были открыты мюоны– частицы, масса которых составляет
электронных масс, а затем и пионы – частицы, которые обеспечивают взаимодействие между нуклонами в ядре атома.
До середины
века было открыто большое количество элементарных частиц. Это стало возможно благодаря широкому исследованию космических лучей, внедрению ускорительной техники, развитию ядерной физики.
Виды частиц
В наше время известно порядка
элементарных или субъядерных частиц. Большинство из них нестабильно: одни частицы могут самопроизвольно превращаться в другие с течением времени. Исключением из этого являются нейтрино, фотон, протон и электрон.
Время жизни нестабильных частиц значительно разнится. Дольше всех «живет» нейтрон:
минут. Существование
-мезона ограничено отрезком времени в
секунды, нейтрального
-мезона –
. Среднее время существования гиперонов, массивных частиц, составляет всего
.
Основые свойства элементарных частиц
Одним из наиболее важных свойств элементарных частиц является их способность к взаимным превращениям. Частицы способны поглощаться (возникать) и испускаться (исчезать). Это относится как к стабильным, так и к нестабильным частицам. Разница лишь в том, что стабильные частицы могут превращаться не самопроизвольно, а в результате взаимодействия с другими частицами.
Частицы и античастицы
Электрон является двойником позитрона. Антипротон отличается от протона наличием у него отрицательного электрического заряда. Нейтрон не имеет заряда. Антинейтрон отличается от нейтрона знаком магнитного момента и барионного заряда.
Наличие античастиц установлено для всех элементарных частиц. Встреча частицы и античастицы сопровождается аннигиляцией, в результате которой обе частицы превращаются в кванты излучения или частицы других видов.
Ученые предполагают существование антивещества. Теоретически, это возможно, если в ядре будут антинуклоны, а в оболочке атома позитроны. Взаимодействие вещества и антивещества может привести к выделению огромного количества энергии, которое будет превосходить энергию ядерных и термоядерных реакций.
Группы элементарных частиц
Информацию об основных элементарных частицах мы собрали в таблицу. Размещение частиц соответствует существующей ныне системе классификации элементарных частиц. Каждая из частиц имеет ряд характеристик: время жизни, масса, выраженная в электронных массах, электрический заряд в единицах элементарного заряда и спин, который также носит название момента импульса, выраженный в единицах постоянной Планка
.
Объединяет частицы из группы лептонов спин
. В таблицу мы включили только основные лептоны. На самом деле их намного больше.
Подгруппа барионов по сравнению с мезонами является более обширной и состоит из более тяжелых элементарных частиц. Нуклоны являются самыми легкими из барионов, затем идут гипероны. Масса омега-минус-гиперона составляет
электронных массы. Спин барионов составляет
.
Кварковая гипотеза
Количество уже открытых и вновь открываемых частиц позволяет предположить, что существуют какие-то более мелкие фундаментальные частицы. В середине
века американский физик Мюррей Гелл-Ман выдвинул гипотезу существования кварков, фундаментальных частиц, из которых построены тяжелые элементарные частицы.
Согласно теории Гелл-Мана существует три кварка и три антикварка. Они могут объединяться, образуя различные сочетания.
Эта теория позволила объяснить существование уже открытых частиц и существование других, еще неизвестных науке. При этом, ряд свойств предсказанных частиц оказался неожиданным для исследователей.
Электрический заряд кварков должен выражаться дробными числами, равными
и
элементарного заряда.
Поиски кварков в космических лучах и на современных ускорителях высоких энергий оказались безуспешными. Считается, что кварки обладают очень большой массой. В связи с этим, получить кварки при тех энергиях, которые можно получить в современных ускорителях, не получается. Тем не менее, установлено, что кварки существуют внутри тяжелых элементарных частиц, таких как андроны.
Фундаментальные взаимодействия в природе
Сильное взаимодействие
Это вид фундаментального взаимодействия также носит название ядерного, так как оно обуславливает прочную связь между нуклонами в ядре атома. Из числа элементарных частиц в сильном взаимодействии принимают участие андроны (мезоны и барионы).
Сильное взаимодействие считается короткодействующим, так как проявляется на расстоянии порядка
и менее.
Электромагнитное взаимодействие
Благодаря этому виду взаимодействия возможно существование молекул и атомов. Оно определяет большинство свойств веществ, находящихся в трех агрегатных состояниях (твердом, жидком и газообразном). Оно обуславливает протекание процессов поглощения и излучения фотонов атомами и молекулами вещества, а также целый ряд других физических и химических процессов. Кулоновское отталкивание, существующее между протонами, объясняет неустойчивость ядер атомов с большими массовыми числами.
В электромагнитном взаимодействии могут участвовать любые частицы, которые обладают электрическим зарядом, а также кванты электромагнитного поля фотоны.
Слабое взаимодействие
Этот вид взаимодействия определяет ход наиболее медленных процессов, которые протекают в микромире, в том числе с участием нейтрино или антинейтрино.
В этом виде взаимодействия могут принимать участие любые элементарные частицы.
Гравитационное взаимодействие
В связи с тем, что масса элементарных частиц мала, силами гравитационного воздействия между ними можно пренебречь. Гравитация имеет значение при взаимодействии космических объектов, чья масса огромна.
Теория обменного взаимодействия
В первой трети прошлого столетия у исследователей появилась гипотеза о том, что все взаимодействия в мире элементарных частиц осуществляются посредством обмена квантами какого-либо поля. Выдвинули эту гипотезу советские ученые И.Е. Тамм и Д.Д. Иваненко. Они провели параллели между взаимодействиями, которые возникают в результате обмена частицами, и обменом валентными электронами, которые при образовании ковалентной химической связи объединяются на незаполненных электронных оболочках.
Подтверждением верности теории обменного взаимодействия стали теоретические выкладки японского физика Х. Юкавы, который доказал, что сильное взаимодействие между нуклонами можно объяснить обменом гипотетическими частицами, которые получили название мезонов. Юкава вычислил массу этих частиц. Она оказалась приблизительно равно
электронным массам.
Спустя несколько лет частицы с такой массой действительно были обнаружены. Они были названы π-мезонов (пионов). В настоящее время известны три вида пионов:
и
.
Теория электрослабого взаимодействия рассматривает электромагнитное поле и поле слабого взаимодействия как две разные характеристики одного поля. В таком поле помимо квантов взаимодействие обеспечивают и векторные бозоны.
Теория Великого объединения
После того, как удалось объединить в одну модель слабое и электромагнитное взаимодействия, у исследователей появилась уверенность в том, что связаны между собой все виды взаимодействий. Единственное, чего не хватает для полноты картины, это физического подтверждения таких взаимодействий. До получения доказательств теория остается лишь привлекательной научной гипотезой.
Для того, чтобы объединить слабое, электромагнитное и гравитационное взаимодействия, физики-теоретики предположили существование гипотетической частицы под названием гравитон. Однако до настоящего времени существование такой частицы не было подтверждено в ходе экспериментов.
Предполагается, что получить подтверждение теории Великого объединения в современных ускорителях невозможно. А все потому, что единое поле, которое объединяет все виды взаимодействий, существует только при очень больших энергиях частиц. Такая энергия частицы могла наблюдаться только на самых ранних этапах существования вселенной, сразу после Большого взрыва.
Предполагается, что Большой взрыв произошел
миллиардов лет назад. В теории, сразу после Большого взрыва температура могла достигать
, а энергия частиц
достигать значений
ГэВ. В таких условиях материя могла существовать в форме кварков и нейтрино, а все виды взаимодействий были объединены в одно силовое поле.
По мере расширения вселенной энергия частиц уменьшается. Из единого поля при энергиях частиц
выделилось гравитационное взаимодействие. При энергиях порядка
разделились сильное и электрослабое взаимодействия. При энергиях порядка
все четыре вида фундаментальных взаимодействий оказались разделенными. Параллельно этому началось формирование более сложных форм материи: нуклонов, ядер атомов, атомов, ионов.
Основываясь на законах физики, описывающих взаимодействие элементарных частиц, создана модель эволюции вселенной, на которую опирается вся современная космология.
Источник: Zaochnik.com
Существует много типов элементарных частиц. Если говорить о фундаментальных -кварках и лептонах, -то их 6 и 6, то есть всего 12. Мы с вами сделаны из протонов и нейтронов, в которые входят только u- и d-кварки и электрон, образующий оболочки атомов. Кажется, что все остальные частицы не нужны, но они есть в природе. Их открывают на ускорителях. Мы видим их в космических лучах.
К составляющим материи относятся кварки и лептоны.Кварки участвуют в сильных взаимодействиях и образуют адроны. К адронам относятся протоны и нейтроны, из них строятся ядра атомов. Существует три поколения кварков, разные по массе. Самый легкий кварк первого поколения (u-кварк) стабилен, остальные быстро распадаются.
Лептоны участвуют в слабых взаимодействиях. Они, как и кварки, образуют три поколения. В каждом поколении присутствует один заряженный и один нейтральный лептон (нейтрино). Самые изученные лептоны -электроны -окружают ядра атомов, участвуют в химических реакциях и во многом определяют свойства вещества. Бозоны -переносчики взаимодействия.
Глюоны переносят сильное взаимодействие между кварками. Это взаимодействие настолько прочное, что в естественных условиях глюоны и кварки не находятся в свободном состоянии, а образуют связанные состояния -адроны.
W- и Z-бозоны переносят слабое взаимодействие. Оно ответственно за распад элементарных частиц и бета-распад атомных ядер. Например, нейтрон, испуская W-бозон, переходит в протон, а сам W-бозон распадается на пару лептонов.
Фотоны переносят электромагнитное взаимодействие. В этом взаимодействии участвуют все кварки и заряженные лептоны. Солнечный свет, люминесценция и лазерная указка существуют благодаря испусканию фотонов.
Гравитон -гипотетическая элементарная частица, квант гравитационного поля, ответственный за гравитационные взаимодействия, в которых участвуют и элементарные частицы, и целые планеты.
Бозон Хиггса играет двоякую роль: с одной стороны, он переносит взаимодействия между кварками и лептонами, а с другой -обеспечивает массу кварков, лептонов, W- и Z-бозонов. Чем сильнее частица взаимодействует с конденсатом поля Хиггса, тем больше масса.
Тяжелые кварки прилетают к нам в виде тяжелых барионов или мезонов. Эти частицы не существуют вечно. Период существования электрона неизвестен, поэтому он может жить вечно. Его родственник -мюон, второй лептон -тяжелее, поэтому существует доли секунды. Связанное состояние из кварков существует столь короткое время, что это невозможно выразить во временной шкале. Основная часть элементарных частиц, которые мы знаем в природе, практически не живет. После того как период существования частиц заканчивается, они распадаются, тяжелая частица превращается в легкие. Мюон распадается на электрон и два нейтрино.
Все процессы распада описываются слабым взаимодействием -это точечный процесс, когда частица моментально распадается на другие легкие. Сначала мюон превращается в промежуточное состояние, которое назвали промежуточным бозоном. Сейчас его называют W-бозоном или Z-бозоном -переносчики слабых взаимодействий. Процесс идет через промежуточную ступень. Сначала образуется промежуточный бозон, потом он, в свою очередь, тоже распадается. Процессы распада происходят по одной схеме: испускается W-бозон или Z-бозон, который распадается. Каждый процесс заканчивается тем, что тяжелая частица распадается на три частицы, которые легче ее. Мюон распадается на электрон и два нейтрино.
Процесс распада возможен тогда, когда он энергетически разрешен: масса тяжелой частицы больше, чем массы продуктов распада. Идентичный процесс происходит с кварками. Тяжелый кварк распадается на легкий кварк и нейтрино. Каждый процесс распада сопровождается рождением нейтрино -это легкая частица, которая участвует в единственном процессе слабого распада. У нее нет электрического заряда, поэтому ее невозможно наблюдать. Изначально нейтрино придумали, чтобы объяснить дисбаланс энергии в процессе бета-распада. Распад мюона на электрон называется бета-распадом.
Все тяжелые частицы распадаются. Знаменитый хиггсовский бозон, открытый последним из всего ряда частиц Стандартной модели, быстро распадается. Время жизни элементарных частиц в Стандартной модели даже не наносекунды, а гораздо меньше -примерно 10-12 секунд. Частицы живут очень мало, но мюон существует достаточное время, чтобы пролететь в космических лучах. Это объясняется тем, что в специальной теории относительности время быстро движущейся частицы течет медленнее, поэтому, несмотря на распад частицы, она успевает пролететь значительное расстояние. В космических лучах мы наблюдаем мюоны, которые прилетают к нам, пролетают большие расстояния благодаря скорости движения, равной почти скорости света. Распады характеризуются шириной -это величина, которую измеряют в энергетических единицах -мегаэлектронвольты или гигаэлектронвольты. Когда мы говорим о W-бозонах или о хиггсовском бозоне, мы используем ширину -экспериментально измеряемая величина, которая описывает вероятность распада частицы колоколообразной функцией со своей шириной или полушириной. Это обратная величина к времени жизни, поэтому в физике частиц говорят не о времени, а о ширине. Чем меньше ширина, тем больше время жизни -и наоборот.
Распады частиц подчиняются конкретным правилам. Если существуют новые частицы, их можно обнаружить по отклонениям распада и времени жизни или отклонениям ширины от известных предсказаний теории. Поиски новой физики в последние годы были основаны на измерении ширины распадов или вероятности распадов частиц, потому что распады могут быть разными.
Тяжелый барион распадается десятками различных способов, на разные продукты распада. Если масса частицы велика, то она может распадаться по разным каналам. Вероятность каждого канала рассчитывается теоретически, после чего пробуют измерить вероятность разных каналов распада и сравнить эксперимент с теорией. Поиски новой физики ведут на основе измерений с высокой точностью вероятности распадов и сравнивают с теоретическими расчетами.
Раньше ученые считали, что удастся найти новую физику таким способом. Например, поиски суперсимметрии основывались на точном измерении распадов B-мезонов. Выяснили, что в суперсимметричных сценариях распады имеют более высокую вероятность, чем в Стандартной модели. Если полную вероятность всех каналов распадов взять за 100%, то есть каналы, которые имеют вероятность доли процента, одну миллионную процента. Такие каналы чувствительны к физике, которая есть на малых расстояниях. Таким методом пытались обнаружить новую физику, но этого не случилось. Природа тонко подстроена, поэтому Стандартная модель, которую удалось построить, правильно ухватывает все свойства. До сих пор все редкие распады в точности укладываются в рамки Стандартной модели.
После открытия хиггсовского бозона сразу стали сопоставлять изначальные предсказания с новой частицей. Изучили ее распад. Моды распада хиггсовского бозона стали указанием на то, какую частицу открыли. Бозон Хиггса рождался на Большом адронном коллайдере, где рождается очень много частиц, поэтому во всем конгломерате частиц нужно было рассмотреть маленький пичок, который соответствовал рождению хиггсовского бозона и быстро распадается по разным каналам. Первые указания на существование бозона Хиггса нашли в распаде 2 гамма-кванта, поэтому это называют «распад Хиггс 2 гамма». Вероятность этого распада мала, но он оказался чист с точки зрения эксперимента, поэтому в этом канале распада обнаружили хиггсовский бозон. Затем искали другие каналы распада хиггсовского бозона в кварки, лептоны, W-бозоны, Z-бозоны. Эти распады идут с малой вероятностью, но все они подтвердились экспериментально. После этого стали говорить, что нашли частицу, которую искали, потому что все ее распады в точности укладываются в предсказания и созданную для нее схему.
Распады частиц являются универсальной вещью для тяжелых частиц, и по особенностям этих распадов и относительным вероятностям каналов мы восстанавливаем свойства моделей и проверяем точность описаний. На распаде бозона Хиггса видно, как моды распадов в совокупности позволяют зафиксировать частицу, которую открыли. Фиксируется реальное существование бозона Хиггса, который осуществляет спонтанное нарушение симметрии, придает массу всем фундаментальным частицам и взаимодействует согласно предсказуемой теории. Идея о том, что частицы живут фиксированное время, относится ко всем тяжелым частицам, потому что тяжелая частица распадается в легкую, а самой легкой частице уже распадаться некуда. Поэтому считается, что электрон не распадается. Ему некуда распадаться. U-кварки тоже никуда не распадаются, потому что это самый легкий кварк. ъ
Следующим этапом стало изучение распада связанных состояний. Например, протон, который состоит из двух u-кварков и d-кварка. Согласно современным экспериментальным данным, протон не распадается. Распад протона специально искали в подземных установках и получили экспериментальное ограничение на время жизни протона -1035 лет. Это превышает время жизни Вселенной. Электрон считается стабильной частицей, но таких частиц мало.
Когда ищут темную материю, которая, согласно гипотезам, существует во Вселенной, ученые думают, что это абсолютно стабильная частица, она не распадается. Для этого условия темная материя должна быть достаточно легкой, чтобы ей не во что было распасться, должна быть легче электрона. На самом деле это не так, она может быть тяжелой, но ее квантовые числа и пути распада не позволяют ей распадаться дальше. Другие частицы распадаются, и этот процесс обрывается на самой легкой частице с данными квантовыми числами. Считается, что электрон абсолютно стабилен, u-кварк тоже, и, возможно, темная материя абсолютно стабильна, но это предстоит выяснить, поскольку пока неизвестно, какая частица представляет собой темную материю. Кусочек темной материи мы знаем -это нейтрино, тоже стабильная частица.
Источник
Источник: naukatehnika.com
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