Экстранормальная фонетика 61 страница

Открытие нейтрино - частицы, почти не взаимодействующей с веществом, ведёт свсё начало от теоретич. догадки В. Паули (1930), позволившей за счёт предположения о рождении такой частицы устранить трудности с законом сохранения энергии в процессах бета-распада радиоактивных ядер. Экспериментально существование нейтрино было подтверждено лишь в 1953 (Ф. Райнес и К. Коуэн, США).

С 30-х и до начала 50-х гг. изучение Э. ч. было тесно связано с исследованием космических лучей. В 1932 в составе космич. лучей К. Андерсоном был обнаружен позитрон (е*) - частица с массой электрона, но с положительным электрич. зарядом. Позитрон был первой открытой античастицей (см. ниже). Существование е⁺ непосредственно вытекало из релятивистской теории электрона, развитой П. Дираком (1928-31) незадолго до обнаружения позитрона. В 1936 амер. физики К. Андерсон и С. Неддермейер обнаружили при исследовании космич. лучей мюоны (обоих знаков электрич. заряда) - частицы с массой примерно в 200 масс электрона, а в остальном удивительно близкие по свойствам к е-, е*.

В 1947 также в космич. лучах группой С. Пауэлла были открыты л*- и л--мезоны с массой в 274 электронные массы, играющие важную роль во взаимодействии протонов с нейтронами в ядрах. Существование подобных частиц было предположено X. Юкавой в 1935.

Конец 40-х - начало 50-х гг. ознаменовались открытием большой группы частиц с необычными свойствами, получивших назв. " странных". Первые частицы этой группы - К⁺-и К--мезоны, Л-, S*-, S--, 3- -гипероны были открыты в космич. лучах, последующие открытия странных частиц были сделаны на ускорителях - установках, создающих интенсивные потоки быстрых протонов и электронов. При столкновении с веществом ускоренные протоны и электроны рождают новые Э. ч., к-рые и становятся предметом изучения.

С нач. 50-х гг. ускорители превратились в осн. инструмент для исследования Э. ч. В 70-х гг. энергии частиц, разогнанных на ускорителях, составили десятки и сотни млрд. электронволът (Гэв). Стремление к увеличению энергий частиц обусловлено тем, что высокие энергии открывают возможность изучения строения материи на тем меньших расстояниях, чем выше энергия сталкивающихся частиц. Ускорители существенно увеличили темп получения новых данных и в короткий срок расширили и обогатили наше знание свойств микромира. Применение ускорителей для изучения странных частиц позволило более детально изучить их свойства, в частности особенности их распада, и вскоре привело к важному открытию: выяснению возможности изменения характеристик нек-рых микропроцессов при операции зеркального отражения (см. Пространственная инверсия) - т. н. нарушению пространств. чётности (1956). Ввод в строй протонных ускорителей с энергиями в миллиарды эв позволил открыть тяжёлые античастицы: антипротон (1955), антинейтрон (1956), антисигма-гипероны (1960). В 1964 был открыт самый тяжёлый гиперон П (с массой ок. двух масс протона). В 1960-х гг. на ускорителях было открыто большое число крайне неустойчивых (по сравнению с др. нестабильными Э. ч.) частиц, получивших назв. " резонансов". Массы большинства резонансов превышают массу протона. Первый из них Ai (1232) был известен с 1953. Оказалось, что резонансы составляют осн. часть Э. ч.

В 1962 было выяснено, что существуют два разных нейтрино: электронное и мюонное. В 1964 в распадах нейтральных К-мезонов было обнаружено несохранение т. н. комбинированной чётности (введённой Ли Цзундао и Ян Чжэнъ-нином и независимо Л. Д. Ландау в 1956; см. Комбинированная инверсия), означающее необходимость пересмотра привычных взглядов на поведение физ, процессов при операции отражения времени (см. Теорема СРТ).

В 1974 были обнаружены массивные (в 3- 4 протонные массы) и в то же время относительно устойчивые ф-частицы, с временем жизни, необычно большим для резонансов. Они оказались тесно связанными с новым семейством Э. ч.- " очарованных", первые представители к-рого (D°, D⁺, Ас) были открыты в 1976. В 1975 были получены первые введения о существовании тяжёлого аналога электрона и мюона (тяжёлого лептона г). В 1977 были открыты 1*-частицы с массой порядка десятка протонных масс.

Т. о., за годы, прошедшие после открытия электрона, было выявлено огромное число разнообразных микрочастиц материи. Мир Э. ч. оказался достаточно сложно устроенным. Неожиданными во многих отношениях оказались свойства обнаруженных Э. ч. Для их описания, помимо характеристик, заимствованных из классич. физики, таких, как электрич. заряд, масса, момент количества движения, потребовалось ввести много новых спец. характеристик, в частности для описания странных Э. ч. - странность (К. Нишиджима, М. Гелл-Ман, 1953), " очарованных" Э. ч.- " очарование" (амер. физики Дж. Бьёркен, Ш. Глэшоу, 1964); уже названия приведённых характеристик отражают необычность описываемых ими свойств Э. ч.

Изучение внутр. строения материи и свойств Э. ч. с первых своих шагов сопровождалось радикальным пересмотром многих устоявшихся понятий и представлений. Закономерности, управляющие поведением материи в малом, оказались настолько отличными от закономерностей классич. механики и электродинамики, что потребовали для своего описания совершенно новых теоретич. построений. Такими новыми фундаментальными построениями в теории явились частная (специальная) и общая теория относительности (А. Эйнштейн, 1905 и 1916; см. Относительности теория, Тяготение) и квантовая механика (1924 - 27; Н. Бор, Л. де Бройль, В. Гейзенберг, Э. Шрёдингер, М. Борн). Теория относительности и квантовая механика знаменовали собой подлинную революцию в науке о природе и заложили основы для описания явлений микромира. Однако для описания^ процессов, происходящих с Э. ч., квантовой механики оказалось недостаточно. Понадобился след, шаг - квантование классич. нолей (т. н. квантование вторичное) и разработка квантовой теории поля. Важнейшими этапами на пути её развития были: формулировка квантовой электродинамики (П. Дирак, 1929), квантовой теории (3-распада (Э. Ферми, 1934), положившей начало совр. теории слабых взаимодействий, квантовой мезодинамики (Юкава, 1935). Непосредств. предшественницей последней была т. н. (3-теория ядерных сил (И. Е. Тамм, Д. Д. Иванен-ко, 1934; см. Сильные взаимодействия). Этот период завершился созданием последовательного вычислит, аппарата квантовой электродинамики (С. Томонага, Р. Фейнман, Ю. Швингер; 1944-49), осн. на использовании техники перенормировки (см. Квантовая теория поля). Эта техника была обобщена впоследствии применительно к др. вариантам квантовой теории поля.

Квантовая теория поля продолжает развиваться и совершенствоваться и является основой для описания взаимодействий Э. ч. У этой теории имеется ряд существенных успехов, и всё же она ещё очень далека от завершённости и не _может претендовать на роль всеобъемлющей теории Э. ч. Происхождение многих свойств Э. ч. и природа присущих им взаимодействий в значит, мере остаются неясными. Возможно, понадобится ещё не одна перестройка всех представлений и гораздо более глубокое понимание взаимосвязи свойств микрочастиц и геометрич. свойств пространства-времени, прежде чем теория Э. ч. будет построена.

Основные свойства элементарных частиц. Классы взаимодействий. Все Э. ч. являются объектами исключительно малых масс и размеров. У большинства из них массы имеют порядок величины массы протона, равной 1, 6-10^-24 г (заметно меньше лишь масса электрона: 9-10^-28 г). Определённые из опыта размеры протона, нейтрона, я-мезона по порядку величины равны 10^-13 см. Размеры электрона и мюона определить не удалось, известно лишь, что они меньше 10^-15 см. Микроскопич. массы и размеры Э. ч. лежат в основе квантовой специфики их поведения. Характерные длины волн, к-рые следует приписать Э. ч. в квантовой теории (П/тс, где П- постоянная Планка, т - масса частицы, с - скорость света) по порядку величин близки к типичным размерам, на к-рых осуществляется их взаимодействие (напр., для л; -мезона h/me ss =1, 4-10^-13 см). Это и приводит к тому, что квантовые закономерности являются определяющими для Э, ч.

Наиболее важное квантовое свойство всех Э. ч. - их способность рождаться и уничтожаться (испускаться и поглощаться) при взаимодействии с др. частицами. В этом отношении они полностью аналогичны фотонам. Э. ч.- это специфич. кванты материи, более точно - кванты соответствующих физ. полей (см. ниже). Все процессы с Э. ч. протекают через последовательность актов их поглощения и испускания. Только на этой основе можно понять, напр., процесс рождения я⁺-мезона при столкновении двух протонов (р + р-" Р + п + я⁺) или процесс аннигиляции электрона и позитрона, когда взамен исчезнувших частиц возникают, напр., два V-кванта (е* + е~ -" Y + V). Но и процессы упругого рассеяния частиц, напр. е~ + р = е-+ р, также связаны с поглощением начальных частиц и рождением конечных частиц. Распад нестабильных Э. ч. на более лёгкие частицы, сопровождаемый выделением энергии, отвечает той же закономерности и является процессом, в к-ром продукты распада рождаются в момент самого распада и до этого момента не существуют. В этом отношении распад Э. ч. подобен распаду возбуждённого атома на атом в осн. состоянии и фотон. Примерами распадов Э. ч. могут служить: п = р + е- + v_e; л⁺ = м⁺ + v_м; К⁺ = л* + л° (знаком " тильда" над символом частицы здесь и в дальнейшем помечены соответствующие античастицы).

Различные процессы с Э. ч. заметно отличаются по интенсивности протекания. В соответствии с этим взаимодействия Э. ч. можно феноменологически разделить на неск. классов: сильные, электромагнитные и слабые взаимодействия. Все Э. ч. обладают, кроме того, гравитационным взаимодействием.

Сильные взаимодействия выделяются как взаимодействия, к-рые порождают процессы, протекающие с наибольшей интенсивностью среди всех остальных процессов. Они приводят и к самой сильной связи Э. ч. Именно сильные взаимодействия обусловливают связь протонов и нейтронов в ядрах атомов и обеспечивают исключительную прочность этих образований, лежащую в основе стабильности вещества в земных условиях.

Электромагнитные взаимодействия характеризуются как взаимодействия, в основе к-рых лежит связь с электромагнитным полем. Процессы, обусловленные ими, менее интенсивны, чем процессы сильных взаимодействий, а порождаемая ими связь Э. ч. заметно слабее. Электромагнитные взаимодействия, в частности, ответственны за связь атомных электронов с ядрами и связь атомов в молекулах.

Слабые взаимодействия, как показывает само название, вызывают очень медленно протекающие процессы с Э. ч. Иллюстрацией их малой интенсивности может служить тот факт, что нейтрино, обладающие только слабыми взаимодействиями, беспрепятственно пронизывают, напр., толщу Земли и Солнца. Слабые взаимодействия обусловливают также медленные распады т. н. квазистабильных Э. ч. Времена жизни этих частиц лежат в диапазоне 10^-8 -10^-10 сек, тогда как типичные времена для сильных взаимодействий Э. ч. составляют 10^-23 - 10^-24 сек.

Гравитационные взаимодействия, хорошо известные по своим макроскопич. проявлениям, в случае Э. ч. на характерных расстояниях ~10^-13 см дают чрезвычайно малые эффекты из-за малости масс Э. ч.

Силу различных классов взаимодействий можно приближённо охарактеризовать безразмерными параметрами, связанными с квадратами констант соответствующих взаимодействий. Для сильных, электромагнитных, слабых и гравитационных взаимодействий протонов при средней энергии процесса ~1 Гэв эти параметры соотносятся как 1: 10^-2: 10^-10: 10^-38, Необходимость указания средней энергии процесса связана с тем, что для слабых взаимодействий безразмерный параметр зависит от энергии. Кроме того, сами интенсивности различных процессов по-разному зависят от энергии. Это приводит к тому, что относит, роль различных взаимодействий, вообще говоря, меняется с ростом энергии взаимодействующих частиц, так что разделение взаимодействий на классы, осн.на сравнении интенсивностей процессов, надёжно осуществляется при не слишком высоких энергиях. Разные классы взаимодействий имеют, однако, и др. специфику, связанную с различными свойствами их симметрии (см. Симметрия в физике), к-рая способствует их разделению и при более высоких энергиях. Сохранится ли такое деление взаимодействий на классы в пределе самых больших энергий, пока остаётся неясным.

В зависимости от участия в тех или иных видах взаимодействий все изученные Э. ч., за исключением фотона, разбиваются на две осн. группы: адроны (от греч. hadros - большой, сильный) и лептоны (от греч. leptos - мелкий, тонкий, лёгкий). Адроны характеризуются прежде всего тем, что они обладают сильными взаимодействиями, наряду с электромагнитными и слабыми, тогда как лептоны участвуют только в электромагнитных и слабых взаимодействиях. (Наличие общих для той и другой группы гравитационных взаимодействий подразумевается.) Массы адронов по порядку величины близки к массе протона (т_р); минимальную массу среди ад-ронов имеет я-мезон: т_к =^l/₇ * т_р. Массы лептонов, известных до 1975 - 76, были невелики (и 0, 1 т$), однако новейшие данные, видимо, указывают на возможность существования тяжёлых лептонов с такими же массами, как у адронов. Первыми исследованными представителями адронов были протон и нейтрон, лептонов - электрон. Фотон, обладающий только электромагнитными взаимодействиями, не может быть отнесён ни к а дренам, ни к лептонам и должен быть выделен в отд. группу. По развиваемым в 70-х гг. представлениям фотон (частица с нулевой массой покоя) входит в одну группу с очень массивными частицами - т. н. промежуточными векторными бозонами, ответственными за слабые взаимодействия и пока на опыте не наблюдавшимися (см. раздел Элементарные частицы и квантовая теория поля).

Характеристики элементарных частиц. Каждая Э. ч., наряду со спецификой присущих ей взаимодействий, описывается набором дискретных значений определённых физ. величин, или своими характеристиками. В ряде случаев эти дискретные значения выражаются через целые или дробные числа и нек-рый общий множитель - единицу измерения; об этих числах говорят как о квантовых числах Э. ч. и задают только их, опуская единицы измерения.

Общими характеристиками всех Э. ч. являются масса (т), время жизни (t), спин (J) и электрич. заряд (О). Пока нет достаточного понимания того, по какому закону распределены массы Э. ч. и существует ли для них какая-то единица измерения.

В зависимости от времени жизни Э. ч. делятся на стабильные, квазистабильные и нестабильные (резонансы). Стабильными, в пределах точности совр. измерений, являются электрон (т > 5 • 10²¹ лет), протон (t > 2*10³⁰ лет), фотон и нейтрино. К квазистабильным относят частицы, распадающиеся за счёт электромагнитных и слабых взаимодействий. Их времена жизни > 10^-20 сек (для свободного нейтрона даже ~ 1000 сек). Резонансами наз. Э. ч., распадающиеся за счёт сильных взаимодействий. Их характерные времена жизни Ю^-23 - 10-² сек. В нек-рых случаях распад тяжёлых резонансов (с массой > = 3 Гэв) за счёт сильных взаимодействий оказывается подавленным и время жизни увеличивается до значений ~ 10-²⁰ сек.

Спин Э. ч. является целым или полуцелым кратным от величины Л. В этих единицах спин я- и К-мезонов равен 0, у протона, нейтрона и электрона J - '/₂, У фотона J = 1. Существуют частицы и с более высоким спином. Величина спина Э. ч. определяет поведение ансамбля одинаковых (тождественных) частиц, или их статистику (В. Паули, 1940). Частицы полуцелого спина подчиняются Ферми - Дирака статистике (отсюда назв. фермионы), к-рая требует антисимметрии волновой функции системы относительно перестановки пары частиц (или нечётного числа пар) и, следовательно, " запрещает" двум частицам полуцелого спина находиться в одинаковом состоянии {Паули принцип). Частицы целого спина подчиняются Базе - Эйнштейна статистике (отсюда назв. бозоны), к-рая требует симметрии волновой функции относительно перестановок частиц и допускает нахождение любого числа частиц в одном и том же состоянии. Статистич, свойства Э. ч. оказываются существенными в тех случаях, когда при рождении или распаде образуется неск. одинаковых частиц. Статистика Ферми - Дирака играет также исключительно важную роль в структуре ядер и определяет закономерности заполнения электронами атомных оболочек, лежащие в основе периодич. системы элементов Д. И. Менделеева. Электрич. заряды изученных Э. ч. являются целыми кратными от величины е & = 1, 6*10-¹⁹ к, наз. элементарным электрическим зарядом. У известных Э. ч. О - О, ±1, ±2.

Помимо указанных величин Э. ч. дополнительно характеризуются ещё рядом квантовых чисел, наз. внутренними. Лептоны несут специфич. лептонный заряд L двух типов: электронный (L_e) и мюонный (Lм); L_e = +1 для электрона и электронного нейтрино, Lм = + 1 для отрицательного мюона и мюонного нейтрино. Тяжёлый лелтон т и связанное с ним нейтрино, по-видимому, являются носителями нового типа лептонного заряда LI.

Для адронов L = 0, и это ещё одно проявление их отличия от пептонов. В свою очередь, значит, части адронов следует приписать особый барионный заряд В (|В| = 1). Адроны с В - + 1 образуют подгруппу барионов (сюда входят протон, нейтрон, гипероны, барионные резонансы), а адроны с В = 0 - подгруппу мезонов (л- и К-мезоны, бозонные резонансы). Назв. подгрупп адронов происходит от греч. слов barys - тяжёлый и mesos - средний, что на нач. этапе исследований Э. ч. отражало сравнит, величины масс известных тогда барионов и мезонов. Более поздние данные показали, что массы барионов и мезонов сопоставимы. Для лептонов В = 0. Для фотона В = 0 и L = 0. ' Барионы и мезоны подразделяются на уже упоминавшиеся совокупности: обычных (нестранных) частиц (протон, нейтрон, я-мезоны), странных частиц (гипероны, К-мезоны) и очарованных частиц. Этому разделению отвечает наличие у адронов особых квантовых чисел: странности S и очарования (англ, charm) Ch с допустимыми значениями: \S\ = О, 1, 2, 3 и \Ch\ = О, 1, 2, 3. Для обычных частиц S = 0 и |Ch| = 0, для странных частиц |S|< > 0, Сh = 0, для очарованных частиц \Ch\ < > О, a |S| = О, 1, 2. Вместо странности часто используется квантовое число гиперзаряд У = 5+ В, имеющее, по-видимому, более фундаментальное значение.

Уже первые исследования с обычными адронами выявили наличие среди них семейств частиц, близких по массе, с очень сходными свойствами по отношению к сильным взаимодействиям, но с различными значениями электрич. заряда. Протон и нейтрон (нуклоны) были первым примером такого семейства. Позднее аналогичные семейства были обнаружены среди странных и (в 1976) среди очарованных адронов. Общность свойств частиц, входящих в такие семейства, является отражением существования у них одинакового значения спец. квантового числа - изотопического спина I, принимающего, как и обычный спин, целые и полуцелые значения. Сами семейства обычно наз, изотопич. мультиплетами. Число частиц в мультиплете (п) связано с / соотношением: n = 21 + 1. Ча-

Табл. 1. - Основные элементарные частицы и их характеристики

Фотон

Лептоны

Мезоны (В=0)

Барионы ([В| = 1)

Барионы (|В|=1)

стицы одного изотопич. мультиплета отличаются друг от друга значением " проекции" изотопич. спина I₃, и соответствующие значения О даются выражением: