Субатомная структура вещества и поля

Со второй половины XX столетия количество известных науке элементарных частиц начало стремительно увеличиваться: фотоны, пи-мезоны, мюоны, тяжелые лептоны, трех типов нейтрино, так называемые странные частицы (К-мезоны, гипероны), множество резонансных частиц, бозоны, " очарованные" частицы и множество других. В настоящее время их известно более 350 и очевидно, что это число далеко не окончательное. Естественно возник вопрос: насколько элементарны элементарные частицы? Что, наконец, понимается под элементарностью, если известное количество частиц давно превзошло количество известных химических элементов. Под элементарностью понимается бесструктурность. Но в различных взаимодействиях элементарных частиц рождаются другие частицы. Обозначает ли это, что элементарные частицы состоят из других, по определению еще более элементарных? Задавая подобный вопрос, мы оказываемся в плену у макропредставлений, которые, увы, в микромире неприменимы. Мир элементарных частиц настолько загадочен, что разрушает многие, ставшие привычными представления. Что, например, имеется в виду под элементарностью элементарных частиц, если они могут " распадаться" на другие? Все дело в том, что наши привычные слова " распадаться", " превращаться" лишь весьма условно способны передать действительные процессы в микромире. Действительно, вопрос " из чего состоят элементарные частицы? " уже не правомерен, потому что " состоять из" - это значит содержать в себе в виде своей части. Элементарные частицы " состоят" сразу из всех известных элементарных частиц. Причем их части могут быть на несколько порядков тяжелее той частицы, " частью" которой они являются.

Понимание мира элементарных частиц возможно только на основании квантовой теории и ее принципов, важнейшими из которых оказываются принцип корпускулярно волнового дуализма, и принцип неопределенности.

Элементарные частицы характеризуются электрическим и иными зарядами, спином - собственным моментом вращения, массой, массой, средним временем жизни и участием в тех или иных фундаментальных взаимодействиях. [55] Каждой частице соответствует своя античастица, т.е. частица, совпадающая с обычной по всем параметрам, кроме электрического или иного заряда. В случае встречи частицы с ее антиподом происходит высокоэнергетичное взаимодействие, которое называется аннигиляцией. Аннигиляция двух частиц приводит к их переходу в электромагнитное излучение. Например, при встречу электрона с его античастицей (позитроном) можно описать следующим образом: е+ е= 2 γ.

Большинство элементарных частиц живет чрезвычайно короткое время. Практически мгновенно они " распадаются" на другие элементарные частицы. Стабильными являются только четыре из них: фотон, электрон, протон и нейтрино. Входящий в состав атомов нейтрон является стабильным только внутри атома. В свободном состоянии нейтрон распадается за время около 17 минут. В мире элементарных частиц 17 минут - это целая вечность, ведь некоторые из них живут менее чем 10с.

Наиболее существенным для классификации элементарных частиц является тип взаимодействия, в котором они участвуют.

В зависимости от массы покоя [56] различают следующие виды элементарных частиц:

Адроны - сильно взаимодействующие частицы, в этой группе выделяются:

1) мезоны - частицы средней массы (в пределах 1000 электронных масс) и целым спином.

2) барионы – тяжелые частицы. Их основная характеристика - полуцелый спин и участие в реакциях с сохранением так называемого барионного заряда[57]; Для барионов и мезонов характерно так называемое резонансное состояние, которое считают также самостоятельными короткоживущими элементарными частицами. Количество известных адронов велико именно за счет множества резонансов.

Большая часть частиц распадается приблизительно за десятимиллиардную долю секунды, что позволяет им оставить более или менее ощутимый след в детектирующем приборе. Время жизни резонансов измеряется стотысячными миллиардно-миллиардных долей секунды 10с. Столь короткое время жизни не позволяет им оставить сколь-нибудь заметного следа в приборах. Их обнаружение и регистрация возможны по косвенным признакам, например, по закону сохранения импульса.

Большинство адронов было открыто в 50-70-х годах на ускорителях элементарных частиц. Некоторое время обилие адронов не находило разумного объяснения, однако картина начала постепенно меняться со становлением теории адронов – кварковой теории.

Теория кварков – теория строения адронов

Основоположниками кварковой гипотезы строения адронов стали американские физики-теоретики Марри Гелл-Манн (р.1929) и Джорж Цвейг (р.1937). Согласно данной гипотезе все адроны построены из кварков[58]. Кварки имеют дробный электрический заряд: -1/3, или +2/3 заряда электрона, причем комбинация из двух или трех кварков имеет электрический заряд, равный 0, или 1. Кварки имеют спин. Первоначально было введено всего три кварка: «u» (от «up» – верх), «d» (от «down» – низ), «s» (от «strang» – странный). Соединяясь друг с другом попарно (кварк – антикварк) или тройками, они образуют адроны. При этом попарное соединение образует мезоны, а соединение тройками – барионы. Так согласно кварковому строению адронов протон (p) состоит из uud кварков, а нейтрон (n) – из ddu.

Внутри адронов кварки связываются глюонами (от англ. «Glue» – клей). Большая часть энергии расходуется на связь кварков друг с другом, а ее остаток проявляется как сильное взаимодействие, например, протона и нейтрона в ядре атома. Кварки участвуют также и в слабом взаимодействии, которое меняет природу кварка. Так, при распаде нейтрона один d-кварк превращается в u-кварк. Это превращение сопровождается выделением энергии в виде появления электрона (eˉ) и антинейтрино (ν ˉ). Однако, первый вариант кварковой гипотезы не смог включить вновь открываемые адроны. Вместе с тем, сама гипотеза удачно позволяла описывать и классифицировать адроны. Выход был найден в добавлении новых типов (ароматов) кварков: «с» (от «charm» – очарование), «b» (от «beauty» –прелесть), «t» (от «top» – верхний).

Число кварков достигло, таким образом 12, включая антикварки. Такое количество кварков позволяло описывать строение всех известных тяжелых частиц и предсказывать свойства новых частиц. Осуществление ряда предсказаний кварковой гипотезы стало веским аргументом в ее пользу. После ряда экспериментальных подтверждений кварковая гипотеза рассматривается как теория строения адронов. В реальности ее мало кто сомневается. Сами кварки непосредственно себя не обнаруживают. Попытка извлечь кварк приводит к рождению π -мезона. Это явление получило название «невылетания» или конфайнмента [59].

Квантовая хромодинамика

Интересное развитие получило учение о взаимодействии кварков и глюонов. Теория такого взаимодействия получила название квантовой хромодинамики. В кварковой хромодинамике предполагается, что каждый кварк обладает одним из трех возможных зарядов, которые получили условное название цветов: красный, зеленый и синий [60]. Антикварки соответственно окрашены в дополнительные цвета: желтый, аквамариновый, пурпурный. Три кварка, составляющие барион, обязательно имеют разные цвета, которые в сумме дают белый (красный + синий + зеленый = белый). Взаимодействие между кварками осуществляют восемь типов глюонов – частиц, имеющих нулевую массу покоя и спин равный 1. Каждый глюон имеет два цвета: основной и дополнительный, например, красный и желтый. Испускание и поглощение глюона сопровождается изменением цвета кварка. Однако эта замена непроизвольна – в каждый момент суммарный цвет трех кварков в адронах должен быть белым. Бесцветными (белыми) являются и мезоны, объединяющие кварки, состоящие из цвета и антицвета. Сумма цвета и антицвета дает мезон с отсутствующим цветным зарядом.

Квантовая хромодинамика претендует на то, чтобы стать окончательной теорией сильного взаимодействия, однако экспериментальная часть этой теории отстает от теоретической, что не позволяет пока сделать вывод о том, что сильное взаимодействие имеет законченную физическую модель – квантовую хромодинамику.

Лептоны – слабо взаимодействующие легкие частицы; участвующие в процессах с сохранением лептонного числа, к ним относятся электрон и три вида нейтрино. Нейтрино самые слабовзаимодействующие из известных сейчас частиц. Предсказание существования нейтрино было теоретическим. Необходимо было объяснить недостаток энергии в бетта-распаде нейтрона, который угрожал закону сохранения энергии. Недостаток энергии в этом процессе отнесли на счет новой частицы – нейтрино (нейтрончик), которая была значительно позже открыта экспериментально (в 1956 г.) Лептоны, имеющие электрический заряд, участвуют и в электромагнитном взаимодействии. К числу лептонов относится также открытый в 1935 году мюон («Мю»- мезон) и открытая в 60-е годы «Тау» частица.

В отличие от адронов внутренней структуры у лептонов не обнаружено, а спин всех лептонов составляет ½.

Общее количество лептонов равно 6, а с учетом соответствующих античастиц в настоящий момент известно 12 лептонов. Все лептоны делятся на три поколения. В поколение входит частица и соответствующее ей нейтрино. К первому поколению относят электрон и электронное нейтрино. Лептоны других поколений обладают теми же свойствами, что и первое поколение, отличаясь только нестабильностью и массой. Таким образом прослеживается известный параллелизм в сильно и слабо взаимодействующих частицах, что видно из следующей таблицы.

Лептоны считаются фундаментальными частицами, как и кварки. Вот почему важна общая теория лептонов. В настоящий момент разработана квантовая теория электромагнитного взаимодействия (Синьитиро Томонага, Ричард Фейнман и Юлиан Швингер – Нобелевская премия за 1965 г.). Эта теория позволяет описывать квантовые взаимодействия электронов, позитронов и фотонов. Квантовая электродинамика является обобщением квантовой механики для электромагнитного взаимодействия и согласуется с теориями относительности. Квантовая теория электромагнетизма хорошо описывает опытные данные. Она послужила толчком для дальнейшего развития квантовой теории.

В зависимости от среднего времени жизни элементарные частицы подразделяют на:

1. стабильные – фотон, нейтрино, электрон, протон;

2. нестабильные: среднее время жизни от 10^-10 до 10^-24 с.

3. резонансы: среднее время жизни 10^-24-10^-22 с.

В зависимости от функций элементарные частицы делят на:

1. фермионы – частицы, имеющие полуцелый спин и составляющие вещество. Они подчиняются квантовой статистике, разработанной итальянским физиком Энрико Ферми(1901-1954).

2. бозоны – частицы-переносчики взаимодействий, имеющие целый спин и подчиняющиеся квантовой статистике индийского физика Шатьендраната Бозе (1894-1974). Частицы – переносчики взаимодействий являются квантами сильного, слабого, гравитационного и электромагнитного полей. Наиболее такая известная частица – фотон – квант электромагнитного поля. Восемь видов глюонов – являются квантами сильного (адронного) поля. Квантами слабого поля являются три векторные бозона. Квантами гравитационного поля выступают гипотетические частицы гравитон и гравитино. Частицы –переносчики взаимодействий (кванты полей) не имеют античастиц, точнее в этом случае частица и ее антипод совпадают.

Благодаря современным теориям элементарных частиц можно высчитать общее количество наиболее фундаментальных частиц – своеобразных кирпичиков всей материи. Шесть лептонов с учетом античастиц дают 12. Шесть кварков с учетом антикварков дают 36 частиц. Таким образом частиц, образующих вещество 48. К этому количеству следует добавить кванты полей.

Многие из элементарных частиц чрезвычайно похожи друг на друга всем, кроме соответствующего заряда. Это позволяет объединять элементарные частицы в группы, называемые зарядовые мультиплеты. Зарядовый мультиплет согласно современным воззрениям представляет собой одну частицу, находящуюся в различных зарядовых состояниях. Можно, поэтому, рассматривать протон и нейтрон как одну частицу в разных состояниях - протон-нейтронный дуплет. У мезонов таких состояний три, поэтому мезоны образуют триплет.