Стабильные элементарные частицы. Частицы элементарные Элементарные частицы которые имеют заряд 1

– материальные объекты, которые нельзя разделить на составные части. В соответствии с этим определением к элементарным частицам не могут быть отнесены молекулы, атомы и атомные ядра, которые поддаются делению на составные части – атом делится на ядро и орбитальные электроны, ядро – на нуклоны. В то же время нуклоны, состоящие из более мелких и фундаментальных частиц – кварков, нельзя разделить на эти кварки. Поэтому нуклоны относят к элементарным частицам. Учитывая то обстоятельство, что нуклон и другие адроны имеют сложную внутреннюю структуру, состоящую из более фундаментальных частиц – кварков, более целесообразно адроны называть не элементарными частицами, а просто частицами.
Частицы имеют размеры меньшие, чем атомные ядра. Размеры ядер 10 -13 − 10 -12 см. Наиболее “крупные” частицы (к ним относятся и нуклоны) состоят из кварков (двух или трёх) и называются адронами. Их размеры ≈ 10 -13 см. Существуют также бесструктурные (на современном уровне знаний) точечноподобные (< 10 -17 см) частицы, которые называют фундаментальными. Это кварки, лептоны, фотон и некоторые другие. Всего известно несколько сот частиц. Это в подавляющем большинстве адроны.

Таблица 1

Фундаментальные фермионы
Взаимодействия				Поколения			Заряд Q/e
			лептоны	ν е	ν μ	ν τ
				e	μ	τ
			кварки		c	t	+2/3
					s	b	-1/3

Фундаментальными частицами являются 6 кварков и 6 лептонов (табл. 1), имеющих спин 1/2 (это фундаментальные фермионы) и несколько частиц со спином 1 (глюон, фотон, бозоны W ± и Z), а также гравитон (спин 2), называемые фундаментальными бозонами (табл. 2). Фундаментальные фермионы делятся на три группы (поколения), в каждой из которых 2 кварка и 2 лептона. Из частиц первого поколения (кварки u, d, электрон е −) состоит вся наблюдаемая материя: из кварков u и d состоят нуклоны, из нуклонов состоят ядра. Ядра с электронами на орбитах образуют атомы и т.д.

Таблица 2

Фундаментальные взаимодействия
Взаимодействие	Квант поля	Радиус, см	Константа взаимодействия (порядок величины)	Пример проявления
сильное	глюон	10 -13	1	ядро, адроны
электромагнитное	γ-квант		10 -2	атом
слабое	W ± , Z	10 -16	10 -6	γ-распад
гравитационное	гравитон	∞	10 -38	сила тяжести

Роль фундаментальных бозонов в том, что они реализуют взаимодействие между частицами, являясь “переносчиками” взаимодействий. В процессе различных взаимодействий частицы обмениваются фундаментальными бозонами. Частицы участвуют в четырёх фундаментальных взаимодействиях – сильном (1), электромагнитном (10 -2), слабом (10 -6) и гравитационном (10 -38). В скобках указаны цифры, характеризующие относительную силу каждого взаимодействия в области энергий меньше 1 ГэВ. Кварки (и адроны) участвуют во всех взаимодействиях. Лептоны не участвуют в сильном взаимодействии. Переносчиком сильного взаимодействия является глюон (8 типов), электромагнитного – фотон, слабого – бозоны W ± и Z, гравитационного – гравитон.
Подавляющее число частиц в свободном состоянии нестабильно, т.е. распадается. Характерные времена жизни частиц 10 -24 –10 -6 сек. Время жизни свободного нейтрона около 900 сек. Электрон, фотон, электронное нейтрино и возможно протон (и их античастицы) – стабильны.
Основой теоретического описания частиц является квантовая теория поля. Для описания электромагнитных взаимодействий используется квантовая электродинамика (КЭД), слабое и электромагнитное взаимодействие совместно описываются объединённой теорией – электрослабой моделью (ЭСМ), сильное взаимодействие – квантовой хромодинамикой (КХД). КХД и ЭСМ, совместно описывающие сильное, электромагнитное и слабое взаимодействия кварков и лептонов, образуют теоретическую схему, называемую Стандартной Моделью.

В физике элементарными частицами называли физические объекты в масштабах ядра атома, которые невозможно разделить на составные части. Однако, на сегодня, ученым все же удалось расщепить некоторые из них. Структуру и свойства этих мельчайших объектов изучает физика элементарных частиц.

О наименьших частицах, составляющих всю материю, было известно еще в древности. Однако, основоположниками так званого «атомизма» принято считать философа Древней Греции Левкиппа и его более известного ученика — Демокрита. Предполагается, что второй и ввел термин «атом». С древнегреческого «atomos» переводится как «неделимый», что определяет взгляды древних философов.

Позднее стало известно, что атом все же можно разделить на два физических объекта – ядро и электрон. Последний впоследствии и стал первой элементарной частицей, когда в 1897-м году англичанин Джозеф Томсон провел эксперимент с катодными лучами и выявил, что они представляют собой поток одинаковых частиц с одинаковыми массой и зарядом.

Параллельно с работами Томсона, занимающийся исследованием рентгеновского излучения Анри Беккерель проводит опыты с ураном и открывает новый вид излучения. В 1898 году французская пара физиков – Мария и Пьер Кюри изучают различные радиоактивные вещества, обнаруживая то же самое радиоактивное излучение. Позже будет установлено, что оно состоит из альфа (2 протона и 2 нейтрона) и бета-частиц (электроны), а Беккерель и Кюри получат Нобелевскую премию. Проводя свои исследования с такими элементами как уран, радий и полоний, Мария Склодовская-Кюри не предпринимала никаких мер безопасности, в том числе не использовала даже перчатки. Как следствие в 1934 году ее настигла лейкемия. В память о достижениях великого ученого, открытый парой Кюри элемент, полоний, был назван в честь родины Марии – Polonia, с латинского – Польша.

Фотография с V Сольвеевского конгресса 1927 год. Попробуйте найди всех ученых из этой статьи на данном фото.

Начиная с 1905-го года, Альберт Эйнштейн посвящает свои публикации несовершенству волновой теории света, постулаты которой расходились с результатами экспериментов. Что впоследствии привело выдающегося физика к идее о «световом кванте» — порции света. Позже, в 1926-м году, он был назван как «фотон», в переводе с греческого «phos» («свет»), американским физиохимиком — Гилбертом Н. Льюисом.

В 1913 году Эрнест Резерфорд, британский физик, основываясь на результатах уже проведенных на то время экспериментов, отметил, что массы ядер многих химических элементов кратны массе ядра водорода. Поэтому он предположил, что ядро водорода является составляющей ядер других элементов. В своем эксперименте Резерфорд облучал альфа-частицами атом азота, который в результате излучил некую частицу, названную Эрнестом как «протон», с др. греческого «протос» (первый, основной). Позже было экспериментально подтверждено, что протон – это ядро водорода.

Очевидно, протон, не единственная составная часть ядер химических элементов. К такой мысли приводит тот факт, что два протона в ядре отталкивались бы, и атом мгновенно распадался. Поэтому Резерфорд выдвинул гипотезу о наличии еще одной частицы, которая имеет массу, равную массе протона, но является незаряженной. Некоторые опыты ученых по взаимодействию радиоактивных и более легких элементов, привели их к открытию еще одного нового излучения. В 1932-м году Джеймс Чедвик определил, что оно состоит из тех самых нейтральных частиц, которые назвал нейтронами.

Таким образом, были открыты наиболее известные частицы: фотон, электрон, протон и нейтрон.

Далее открытия новых субъядерных объектов становились все более частым событием, и на данный момент известно около 350 частиц, которые принято полагать «элементарными». Те из них, которые до сих пор не удалось расщепить, считаются бесструктурными и называются «фундаментальными».

Что такое спин?

Прежде чем переходить к дальнейшим инновациям в области физики, следует определиться с характеристиками всех частиц. К наиболее известным, не считая массы и электрического заряда, относится также и спин. Данная величина называется иначе как «собственный момент импульса» и никоим образом не связана с перемещением субъядерного объекта как целого. Ученым удалось обнаружить частицы со спином 0, ½, 1, 3/2 и 2. Чтобы представить наглядно, хоть и упрощенно, спин, как свойство объекта, рассмотрим следующий пример.

Пусть у предмета имеется спин равный 1. Тогда такой объект при повороте на 360 градусов возвратится в исходное положение. На плоскости этим предметом может быть карандаш, который после разворота на 360 градусов окажется в исходном положении. В случае с нулевым спином, при любом вращении объекта он будет выглядеть всегда одинаково, к примеру, одноцветный мячик.

Для спина ½ потребуется предмет, сохраняющий свой вид при развороте на 180 градусов. Им может быть все тот же карандаш, только симметрично наточенный с обеих сторон. Спин равный 2 потребует сохранения формы при повороте на 720 градусов, а 3/2 – 540.

Данная характеристика имеет очень большое значение для физики элементарных частиц.

Стандартная модель частиц и взаимодействий

Имея внушительный набор микрообъектов, составляющих окружающий мир, ученые решили их структурировать, так образовалась известная всем теоретическая конструкция под названием «Стандартная модель». Она описывает три взаимодействия и 61 частицу при помощи 17-ти фундаментальных, некоторые из которых были ею предсказаны задолго до открытия.

Три взаимодействия таковы:

• Электромагнитное. Оно происходит между электрически заряженными частицами. В простом случае, известном со школы, — разноименно заряженные объекты притягиваются, а одноименно – отталкиваются. Происходит это посредством, так называемого переносчика электромагнитного взаимодействия – фотона.
• Сильное, иначе – ядерное взаимодействие. Как ясно из названия, его действие распространяется на объекты порядка ядра атома, оно отвечает за притяжение протонов, нейтронов и прочих частиц, также состоящих из кварков. Сильное взаимодействие переносится при помощи глюонов.
• Слабое. Действует на расстояниях в тысячу меньших размера ядра. В таком взаимодействии принимают участия лептоны и кварки, а также их античастицы. При этом в случае слабого взаимодействия они могут перевоплощаться друг в друга. Переносчиками являются бозоны W+, W− и Z0.

Так Стандартная модель сформировалась следующим образом. Она включает шесть кварков, из которых состоят все адроны (частицы, подверженные сильному взаимодействию):

• Верхний (u);
• Очарованный (c);
• Истинный (t);
• Нижний (d);
• Странный (s);
• Прелестный (b).

Видно, что эпитетов физикам не занимать. Другие 6 частиц – лептоны. Это фундаментальные частицы со спином ½, которые не принимают участие в сильном взаимодействии.

• Электрон;
• Электронное нейтрино;
• Мюон;
• Мюонное нейтрино;
• Тау-лептон;
• Тау-нейтрино.

А третьей группой Стандартной модели являются калибровочные бозоны, которые имеют спин равный 1 и представляются переносчиками взаимодействий:

• Глюон – сильное;
• Фотон – электромагнитное;
• Z-бозон — слабое;
• W-бозон – слабое.

К ним также относится и недавно обнаруженный , частица со спином 0, которая, упрощенно говоря, наделяет все другие субъядерные объекты инертной массой.

В результате, согласно Стандартной модели, наш мир выглядит таким образом: все вещество состоит из 6 кварков, образующих адроны, и 6 лептонов; все эти частицы могут участвовать в трех взаимодействиях, переносчиками которых являются калибровочные бозоны.

Недостатки Стандартной модели

Однако, еще до открытия бозона Хиггса – последней частицы, предсказываемой Стандартной моделью, ученые вышли за ее пределы. Ярким примером тому есть т.н. «гравитационное взаимодействие», которое сегодня находится наравне с другими. Предположительно, переносчиком его есть частица со спином 2, которая не имеет массы, и которую физикам еще не удалось обнаружить — «гравитон».

Мало того, Стандартная модель описывает 61 частицу, а на сегодняшний день человечеству известно уже более 350 частиц. Это означает, что на достигнутом работа физиков-теоретиков не окончена.

Классификация частиц

Чтобы упростить себе жизнь, физики сгруппировали все частицы в зависимости от особенностей их строения и прочих характеристик. Классификация бывает по следующим признакам:

• Время жизни.
  1. Стабильные. В их числе протон и антипротон, электрон и позитрон, фотон, а также гравитон. Существование стабильных частиц не ограничено временем, до тех пор, пока они находятся в свободном состоянии, т.е. не взаимодействуют с чем-либо.
  2. Нестабильные. Все остальные частицы спустя некоторое время распадаются на свои составные части, потому называются нестабильными. Например, мюон живет всего лишь 2,2 микросекунды, а протон — 2,9 10*29 лет, после чего может распасться на позитрон и нейтральный пион.
• Масса.
  1. Безмассовые элементарные частицы, которых всего три: фотон, глюон и гравитон.
  2. Массивные частицы – все остальные.
• Значение спина.
  1. Целый спин, в т.ч. нулевой, имеют частицы, которые называются бозоны.
  2. Частицы с полуцелым спином — фермионы.
• Участие во взаимодействиях.
  1. Адроны (структурные частицы) – субъядерные объекты, что принимают участие во всех четырех типах взаимодействий. Ранее упоминалось, что они складываются с кварков. Адроны делятся на два подтипа: мезоны (целый спин, являются бозонами) и барионы (полуцелый спин — фермионы).
  2. Фундаментальные (бесструктурные частицы). К ним относятся лептоны, кварки и калибровочные бозоны (читайте ранее – «Стандартная модель..»).

Ознакомившись с классификацией всех частиц, можно, к примеру, точно определить некоторые из них. Так нейтрон является фермионом, адроном, а точнее барионом, и нуклоном, то есть имеет полуцелый спин, состоит из кварков и участвует в 4-х взаимодействиях. Нуклон же – это общее название для протонов и нейтронов.

• Интересно, что противники атомизма Демокрита, который предсказывал существование атомов, заявляли, что любое вещество в мире делится до бесконечности. В какой-то мере они могут оказаться правыми, так как ученым уже удалось разделить атом на ядро и электрон, ядро на протон и нейтрон, а их в свою очередь на кварки.
• Демокрит предполагал, что атомы имеют четкую геометрическую форму, и потому «острые» атомы огня – обжигают, шершавые атомы твердых тел крепко скрепляются своими выступами, а гладкие атомы воды проскальзывают при взаимодействии, иначе – текут.
• Джозеф Томсон составил собственную модель атома, который представлялся ему как положительно заряженное тело, в которое как бы «воткнуты» электроны. Его модель получила название «пудинг с изюмом» (Plum pudding model).
• Кварки получили свое название благодаря американскому физику Мюррею Гелл-Манну. Ученый хотел использовать слово, похожее на звук кряканья утки (kwork). Но в романе Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану» встретил слово «quark», в строке «Три кварка для мистера Марка!», смысл которого точно не определен и возможно, что Джойс использовал его просто для рифмы. Мюррей решил назвать частицы этим словом, так как на то время было известно лишь три кварка.
• Хотя фотоны, частицы света, являются безмассовыми, вблизи черной дыры, кажется, что они меняют свою траекторию, притягиваясь к ней при помощи гравитационного взаимодействия. На самом же деле сверхмассивное тело искривляет пространство-время, из-за чего любые частицы, в том числе и не имеющие массы, меняют свою траекторию в сторону черной дыры (см. ).
• Большой адронный коллайдер именно потому «адронный», что сталкивает два направленных пучка адронов, частиц размерами порядка ядра атома, которые участвуют во всех взаимодействиях.

Нестабильные элементарные частицы

Все остальные элементарные частицы нестабильны, то есть самопроизвольно распадаются на другие частицы в свободном состоянии. Экспериментально установлено, что вероятность распада нестабильной элементарной частицы не зависит от продолжительности её существования и времени наблюдения за ней. Предсказать момент распада данной элементарной частицы невозможно. Можно предсказать лишь среднее время жизни большого числа частиц одного вида . Вероятность P {\displaystyle P} того, что частица распадется в течение ближайшего короткого промежутка времени δ t {\displaystyle \delta t} равна δ t τ {\displaystyle {\frac {\delta t}{\tau }}} и зависит лишь от постоянной τ {\displaystyle \tau } и не зависит от предыстории. Этот факт является одним из подтверждений принципа тождественности элементарных частиц . Получаем уравнение для зависимости числа частиц от времени: N P = N δ t τ = − δ t d N d t {\displaystyle NP={\frac {N\delta t}{\tau }}=-\delta t{\frac {dN}{dt}}} , d N d t = − N τ {\displaystyle {\frac {dN}{dt}}=-{\frac {N}{\tau }}} . Решение этого уравнения имеет вид : , где N 0 {\displaystyle N_{0}} - число частиц в начальный момент . Таким образом, время жизни нестабильной элементарной частицы является случайной величиной с экспоненциальным законом распределения .

Нестабильность частиц является одним из проявлений свойства взаимопревращаемости частиц, являющегося следствием их взаимодействий: сильного, электромагнитного, слабого, гравитационного. Распад нестабильных элементарных частиц происходит вследствие их взаимодействия с нулевыми колебаниями того поля, которое ответственно за их распад. Взаимодействия частиц вызывают превращения частиц и их совокупностей в другие частицы, если такие превращения не запрещены законами сохранения энергии, импульса, момента количества движения, электрического заряда, барионного заряда и др.

Время жизни элементарных частиц

Важной характеристикой элементарных частиц, наряду с массой, спином, электрическим зарядом является её время жизни. Временем жизни называется постоянная τ {\displaystyle \tau } в законе экспоненциального распада: N (t) = N 0 exp ⁡ (− t / τ) {\displaystyle N(t)=N_{0}\exp(-t/\tau)} . Например, время жизни нейтрона τ n = 880 {\displaystyle \tau _{n}=880} сек, время жизни заряженного пи-мезона τ π + = 2 , 6033 (5) × 10 − 8 {\displaystyle \tau _{\pi ^{+}}=2,6033(5)\times 10^{-8}} сек. Время жизни τ {\displaystyle \tau } нестабильных частиц зависит от вида взаимодействия, вызывающего их распад . Наибольшие времена жизни имеют элементарные частицы, чей распад вызван слабым взаимодействием (нейтрон - 880 {\displaystyle 880} сек, мюон - 2 , 2 × 10 − 6 {\displaystyle 2,2\times 10^{-6}} сек, заряженный пион - 2 , 6 × 10 − 8 {\displaystyle 2,6\times 10^{-8}} сек, гиперон - 10 − 10 − 10 − 8 {\displaystyle 10^{-10}-10^{-8}} сек, каон - 1 , 2 × 10 − 8 {\displaystyle 1,2\times 10^{-8}} сек). Меньшие времена жизни имеют элементарные частицы, чей распад вызван электромагнитным взаимодействием (нейтральный пион - 8 , 2 × 10 − 17 {\displaystyle 8,2\times 10^{-17}} сек, эта-мезон - 5 , 1 × 10 − 19 {\displaystyle 5,1\times 10^{-19}} сек). Наименьшие времена жизни имеют резонансы - 10 − 24 − 10 − 22 {\displaystyle 10^{-24}-10^{-22}} сек.

Для короткоживущих частиц (резонансов) вместо времени жизни используется ширина, обладающая размерностью энергии: Γ = ℏ τ {\displaystyle \Gamma ={\frac {\hbar }{\tau }}} . Это следует из соотношения неопределённостей между энергией и временем Δ E Δ t ≈ ℏ {\displaystyle \Delta E\Delta t\approx \hbar } . Например, масса нуклонной изобары Δ {\displaystyle \Delta } равна 1236 Мэв, а её ширина - 120 Мэв ( τ ≈ 5 × 10 − 24 {\displaystyle \tau \approx 5\times 10^{-24}} с), что составляет около 10% от массы .

Вероятность распада ω {\displaystyle \omega } характеризует интенсивность распада нестабильных частиц и равна доле частиц некоторого ансамбля, распадающейся в единицу времени: ω = 1 τ {\displaystyle \omega ={\frac {1}{\tau }}} , где τ {\displaystyle \tau } - время жизни элементарной частицы .

Многие элементарные частицы имеют несколько способов распада. В этом случае общая вероятность распада частицы за некоторое время равна сумме вероятностей распада по различным способам: 1 τ = 1 τ 1 + 1 τ 2 + . . . + 1 τ N {\displaystyle {\frac {1}{\tau }}={\frac {1}{\tau _{1}}}+{\frac {1}{\tau _{2}}}+...+{\frac {1}{\tau _{N}}}} , где N {\displaystyle N} - число способов распада, τ {\displaystyle \tau } - время жизни. Относительная вероятность распада по i {\displaystyle i} -му способу равна: P i = 1 τ i 1 τ {\displaystyle P_{i}={\frac {\frac {1}{\tau _{i}}}{\frac {1}{\tau }}}} . Независимо от числа типов её распада, элементарная частица всегда имеет только одно время жизни τ {\displaystyle \tau } .

Время жизни элементарной частицы τ {\displaystyle \tau } и её период полураспада T 1 / 2 {\displaystyle T_{1/2}} связаны соотношением: T 1 / 2 = ln ⁡ 2 τ = 0 , 693 τ {\displaystyle T_{1/2}=\ln {2}\tau =0,693\tau }

1. Элементарные частицы - это микрообъекты, размеры которых не превышают размеров атомных ядер. К элементарным частицам относятся протоны, нейтроны, электро­ны, мезоны, нейтрино, фотоны и др.

Выражение элементарные частицы не следует понимать как бесструктурные части­цы, не способные к превращениям. Содержание любого научного термина по мере развития науки постепенно уходит от его этимологии. Так, атом оставался в представлениях людей неделимым вплоть до возникновения в начале XIX в. химической атомистики, В современ­ном научном знании атом - это сложная динамическая система, способная к многообразным перестройкам. Так и элементарные частицы по мере открытия их новых свойств обнаружи­вают все более сложную их структуру.

Наиболее важным свойством элементарных частиц является их способность рож­даться и взаимопревращаться друг в друга при столкновениях. Для протекания таких про­цессов необходимо, чтобы сталкивающиеся частицы обладали большой энергией. Поэтому физику элементарных частиц называют также физикой высоких энергий.

По времени жизни все элементарные частицы делятся на три группы: стабильные, не­стабильные и резонансы.

Стабильные частицы существуют в свободном состоянии неограниченно долго Та­ких частиц всего 11: протон р, электрон е, электронное нейтрино ν 0 , мюонное нейтрино νμ , таонное нейтрино ντ , их античастицы р, е, ν e , νμ, ντ, и плюс фотон γ. Опытные факты спон­танного распада этих частиц пока неизвестны.

Нестабильные частицы имеют среднее время жизни τ. которое очень велико по сравнению с характерным временем ядерного пролёта 10 -23 с (времени прохождения светом поперечника ядер). Например, у нейтрона τ =16 мин, у мюона τ=10 -6 с, у наряженного пиона τ= 10 -8 с, у гиперонов и каонов τ=10 -4 с.

Резонансы имеют времена жизни, соизмеримые с пролётным временем 10 -23 с. Регистрируются они по резонансам на кривых зависимости сечений реакции от энергии. Многие резонансы толкуются как возбужденные состояния нуклонов и других частиц.

2. Фундаментальные взаимодействия . Вес многообразие взаимодействий, наблюдающихся между элементарными частицами и в природе в целом, сводится к 4 основным ти­пам: сильному, электромагнитному, слабому и гравитационному. Сильное взаимодействие удерживает нуклоны в атомных ядрах и присуще адронам (протонам, нейтронам, мезонам, гиперонам и др.). К электромагнитному сводятся взаимодействия, проявляющиеся на макро­уровне- упругие, вязкие, молекулярные, химические и др. Слабые взаимодействия вызыва­ют β -распад ядер и наряду с электромагнитными силами управляют поведением пептонов -элементарных частиц с полуцелым спином, не участвующих в сильных взаимодействиях. Гравитационное взаимодействие присуще всем материальным объектам.

Сравнивают фундаментальные взаимодействия между собой но их интенсивности. Однозначного определения этого понятия и метода сравнения интенсивностей нет. Поэтому используются сравнения по совокупности явлений.

Например, отношение силы гравитационного притяжения между двумя протонами к силе кулоновского отталкивания составляет G (m p m p /r 2) /(e 2 /4πε 0 r 2) = 4πε 0 G(m p 2 /e 2) =10 -36 . Это число и берется в качестве меры отношения гравитационного и электромагнитного взаимодействий.

Соотношение между сильным и электромагнитным взаимодействиями, определяемое по сечениям и энергиям ядерных реакций, оценивается как 10 4: 1. Подобным же образом сравниваются интенсивности сильного и слабого взаимодействий.

Наряду с интенсивностью в качестве меры сравнения взаимодействий используют также время и расстояние взаимодействия. Обычно для сравнения времен берут скорости процессов при кинетических энергиях сталкивающихся частиц Е= 1 ГэВ. При таких энерги­ях процессы, вызываемые сильными взаимодействиями, совершаются за время ядерного пролёта 10 -23 с, процессы, вызываемые электромагнитными взаимодействиями, - за время порядка 10 -19 с, слабыми - за время порядка 10 -9 с, гравитационными - 10 +16 с.

B качестве расстояний для сравнения взаимодействий берут обычно длину свободно­го пробега частицы в веществе. Сильно взаимодействующие частицы с Е= 1 ГэВ задержи­ваются слоем тяжёлого металла толщиной до 1 м. Тогда как нейтрино, способное участво­вать только в слабом взаимодействии, при энергии в 100 раз меньше (Е= 10 МэВ) может за­держаться слоем 10 9 км!

а. Сильное взаимодействие не только самое интенсивное, но и самое короткодействующее в природе. На расстояниях, превышающих 10 -15 м, его роль становится ничтожной. Обеспечивая стабильность ядер, это взаимодействие не влияет практически на атомные явления. Сильное взаимодействие не универсально. Оно присуще не всем частицам, а только адронам - нуклонам, мезонам, гиперонам и др. Существуют частицы - фотоны, электроны, мюоны, нейтрино, не подверженные сильному взаимодействию и не рождающиеся за его счёт при столкновениях.

б. Электромагнитное взаимодействие по интенсивности на 4 порядка уступает сильному. Главной областью его проявления являются расстояния, начиная от поперечника ядра 10 -15 м и вплоть примерно до 1 м. Сюда входят структура атомов, молекул, кристаллов, химические реакции, деформации, трение, свет, радиоволны и многие другие физические явления, доступные восприятию человека.

Наиболее сильно электромагнитное взаимодействие у электрически заряженных час­тиц. У нейтральных частиц с ненулевым спином оно проявляется слабее и лишь благодаря тому, что такие частицы имеют магнитный момент порядка М=eћ/2m. Ещё слабее электромагнитное взаимодействие проявляется у нейтральных пионов π 0 и у нейтрино.

Исключительно важным свойством ЭМ-взаимодействия является наличие как отталкивания между одноимённо заряженными, так и притяжения между разноименно заряжен­ными частицами. Благодаря этому ЭМ-взаимодействие между атомами и любыми другими объектами с нулевым суммарным зарядом имеет относительно короткий радиус действия, хотя кулоновские силы между заряженными частицами являются дальнодействующими.

е. Слабое взаимодействие ничтожно мало по сравнению с сильным и электромагнит­ным. Но с уменьшением расстояний оно стремительно нарастает. Если допустить, что дина­мика нарастания сохраняется достаточно глубоко, то при расстояниях порядка 10 -20 м слабое взаимодействие сравняется с сильным. Но экспериментальному исследованию такие рас­стояния пока недоступны.

Слабое взаимодействие обуславливает некоторые процессы взаимопревращений час­тиц. Например, частица сигма - плюс - гиперон только под влиянием слабого взаимодейст­вия распадается на протон и нейтральный пион, Σ + => р + π 0 . Благодаря слабому взаимодей­ствию идетβ - распад. Такие частицы как гипероны, каоны, мюоны при отсутствии слабого взаимодействия были бы стабильными.

г. Гравитационное взаимодействие самое слабое. Но оно характерно дальнодейст­вием, абсолютной универсальностью (гравитируют все тела) и одинаковым знаком между любой парой частиц. Последнее свойство приводит к тому, что гравитационные силы всегда растут с увеличением массы тел. Поэтому гравитация, несмотря на всё ничтожную относи­тельную интенсивность, во взаимодействиях космических тел - планет, звёзд, галактик -приобретает решающую роль

В мире элементарных частиц роль гравитации ничтожна. Поэтому в физике атома, яд­ра и элементарных частиц гравитационное взаимодействие не принимается во внимание.

3. Характеристики элементарных частиц . До начала 50-х годов XX в., пока коли­чество открытых частиц было относительно невелико, для описания частиц использовались общефизические величины - масса m, кинетическая энергия Е, импульс р и одно квантовое число - спин s, позволявший судить о величине механического и магнитного моментов час­тицы. Для нестабильных частиц добавлялось сюда ещё среднее время жизни τ.

Но постепенно в закономерностях рождений и распада определённых частиц удава­лось выделить некоторые признаки, специфические для этих частиц. Для обозначения этих свойств пришлось вводить новые квантовые числа. Некоторые из них были названы заряда­ми.

Например, выяснилось, что при распаде тяжёлых частиц, например, нейтрона, нико­гда не бывает так, чтобы образовались одни лёгкие, например, электроны е - , е + и нейтрино. И наоборот, при столкновении электронов и позитронов нельзя получить нейтрон, хотя зако­ны сохранения энергии и импульса выполняются. Для отражения этой закономерности было введено квантовое число барионныи заряд В. Стали полагать, что у таких тяжёлых частиц -бариоиов В = 1, у их античастиц В =-1. У лёгких частиц B = 0. В результате открытая зако­номерность приняла форму закона сохранения барионного заряда.

Аналогично для лёгких частиц эмпирически были введены квантовые числа - лептонные заряды L - признаки запретности некоторых превращений. Условились Считать, что лептонные заряды L е = +1 для электронов е - и электронных нейтрино ν e ,L µ = + 1 для отрица­тельных мюонов µ - и мюонных нейтрино ν µ ,L τ = +1 для отрицательных таонов τ - и таонных нейтрино v τ . Для соответствующих античастиц L= -1. Как и барионныи, лептонные заряды сохраняются во всех взаимодействиях.

При открытии гиперонов, рождающихся в сильных взаимодействиях, оказалось, что их время жизни не равно времени пролёта 10 -23 с, что характерно для сильно взаимодейст­вующих частиц, а в 10 13 раз больше. Это представлялось неожиданным и странным и могло быть объяснено лишь тем, что частицы, родившиеся в сильных взаимодействиях, распадают­ся в слабых взаимодействиях. Для отражения такого свойства частиц ввели квантовое число странность S. У странных частицS = + 1, у их античастиц S=- 1, у других частиц S = 0.

Электрический заряд Q микрочастиц выражается через его отношение к положитель­ному элементарному заряду е + . Поэтому электрический заряд Q частиц также целочислен­ное квантовое число. У протона Q = + 1, у электрона Q = -1, у нейтрона, нейтрино и других нейтральных частицQ = 0.

Кроме названных параметров элементарные частицы имеют и другие характеристи­ки, которые здесь не рассматриваются.

4. Законы сохранения в физике элементарных частиц можно разделить на три труппы: всеобщие законы сохранения, точные законы сохранения зарядов и приближённые законы сохранения.

а. Всеобщие законы сохранения выполняются точно независимо от масштаба явле­ний - в микро-, макро- и мегамире. Эти законы вытекают из геометрии пространства - вре­мени. Однородность времени приводит к закону сохранения энергии, однородность про­странства - к закону сохранения импульса, изотропность пространства - к закону сохранения момента импульса, равноправие ИСО - к закону сохранения центра инерции. Кроме этих 4-х законов сюда входят ещё два, связанные с симметрией пространства - времени относитель­но зеркальных отражений координатных осей. Из зеркальной симметрии координатных осей следует, что право-левые симметрии пространства тождественны (закон сохранения чёт­ности). Закон, связанный с зеркальной симметрией времени, говорит о тождественности явлений в микромире относительно изменения знака времени.

б. Точные законы сохранения зарядов . Любой физической системе приписывается целочисленный заряд каждого сорта. Каждый заряд аддитивен и сохраняется. Таких заря­дов 5: электрический Q, барионныи В, три леигонных - электронный L e , мюониый L µ тон­ный L τ . Все заряды целочисленны и могут иметь как положительные, так и отрицательные значения в нуль.

Электрический заряд имеет двойное значение. Он представляет собой не только квантовое число, но и является источником силового поля. Барионный и лептонные заряды не являются источниками силового поля. Для сложной системы полный заряд любого сорта ра­вен сумме соответствующих зарядов входящих в систему элементарных частиц.

в. Приближённые законы сохранения выполняются лишь в некоторых видах фундаментальных взаимодействий. Они относятся к таким характеристикам, как странность S и др.

Все перечисленные законы сохранения сведены в таблицу 26.2.

5. Частицы и античастицы имеют одинаковую массу, но все заряды у них противо­положны Выбор из пары частицы и античастицы произволен. Например, в паре электрон + позитрон договорились считать электрон е - частицей, а позитрон е + - античастицей. Заряды электрона Q =-1, В = 0, Le = +1, Lµ= 0,Lτ =0. Заряды позитрона Q = +1, В = 0, Le=-1, Lµ= 0,Lτ =0

Все заряды системы частица + античастица равны нулю. Такие системы, у которых все заряды равны нулю, называются истинно нейтральными. Есть истинно нейтральные и частицы. Их две: γ - квант (фотон) и η - мезон. Частицы и античастицы здесь тождественны.

6. Классификация элементарных частиц не завершена до сих пор. В основу одной из классификаций в настоящее время положены среднее время жизни τ, масса m, спин s, пять видов зарядов, странность S и другие параметры частиц. Все частицы делятся на 4 класса.

1- й класс образует одна частица - фотон. У фотона равны нулю масса покоя и все за­ряды. Фотон-не подвержен сильным взаимодействиям. Его спин равен 1, то есть по статисти­ке он бозон.

2- й класс образуют лептоны. Это легкие частицы с нулевым барионным зарядом. У каждой частицы - лептопа один из лентонных зарядов не равен нулю. Лептоны не подверже­ны сильным взаимодействиям. Спин всех лептонов 1/2, то есть по статистике они фермионы.

3- й класс образуют мезоны. Это частицы с нулевыми барионным и лептонными заря­дами, участвующие в сильных взаимодействиях. Все мезоны имеют целый спин, то есть по статистике они бозоны.

4- й класс составляют барионы. Это тяжёлые частицы с отличным от нуля барионным зарядом В ≠ О и с нулевыми лептонными, Le,Lµ,Lτ = 0. Они имеют полуцелый спин (фермио­ны) и участвуют в сильных взаимодействиях. По способности частиц 3-го и 4-го классов участвовать в сильных взаимодействиях их называют еще адронами.

В таблице 26. 3 приведены хорошо известные частицы - не резонансы с их основными характеристиками. Приведены частицы и античастицы. Истинно нейтральные частицы, не имеющие античастиц, помещены посредине столбца. Названия приведены только для час­тиц. Соответствующая античастица получается просто прибавлением к названию Частицы приставки «анти». Например, протон - антипротон, нейтрон - антинейтрон.

Антиэлектрон е + имеет исторически сложившееся название позитрон. По отношению к заряженным пионам и каонам термин «античастица» практически не применяется. Они от­личаются лишь Электрическим зарядом.Поэтому просто говорят о положительных или от­рицательных пионах и каонах.

Верхний знак заряда относится к частице, нижний к античастице. Например, для пары электрон - позитрон Le= ± 1. Это значит, что у электрона Le= + 1, а у позитрона Le= -1.

В таблице приняты обозначения: Q - электрический заряд, В барионный заряд Le,Lµ,Lτ, - соответственно, электронный, мюонный, таонный лептопные заряды, S - странность, s- спин, τ - среднее время жизни.

Масса покоя т указана в мегаэлектронвольтах. Из релятивистского уравнения mc 2 =еU следует m=eU/c 2 . Энергии частицы 1 МэВ соответствует масса m=eU/c 2 =1,6 *10 -19 /9*10 16 =17,71*10 -31 кг. Это около двух электронных масс. Разделив на массу электрона m e = 9, 11*10 -31 кг, получаем m = 1,94 m е.

Масса электрона, выраженная через энергию, составляет m е =0,511 МэВ.

7. Кварковая модель адронов . Адронами называются элементарные частицы, участ­вующие в сильных взаимодействиях. Это мезоны и барионы. В 1964 г. американцы Мюррей Гелл-Ман и Джордж Цвейг выдвинули гипотезу, что структура и свойства адронов могут быть поняты глубже, если предположить, что адроны состоят из более фундаментальных частиц, названных Гелл-Маном кварками. Кварковая гипотеза оказалась очень плодотвор­ной и является сейчас общепринятой.

Число предполагаемых кварков постоянно увеличивается. К настоящему времени наиболее хорошо изучены 5 разновидностей (ароматов) кварков: кварк u с массой m u = 5 МэВ, кварк d с массой m d = 7 МэВ, кварк s с ms= 150 МэВ, кварк c с mc = 1300 МэВ и кварк b с mb=5000 МэВ. У каждого кварка имеется свой антикварк.

Все перечисленные кварки имеют одинаковый спин 1/2 и одинаковый барионный заряд В = 1/3. Кварки u, c имеют дробный положительный заряд Q = + 2/3, кварки d, s,b имеют

дробный отрицательный заряд Q = - 1/3. Кварк s является носителем странности, кварк с -носителем очарования, кварк b - красоты (таблица 26.4).

Каждый адрон может быть представлен как ком­бинация нескольких квар­ков. Квантовые числа Q, В, S адронов получаются как сумма соответствующих чи­сел составляющих адрон кварков. Если в адрон входят два одинаковых кварка то их спины противоположны.

Барионы имеют полуцелый спин, поэтому могут состоять из нечетного числа кварков. Например, протон состоит из трех кварков, р => uud. Электрический заряд протона Q =+ 2/3+2/3 – 1/3 = 1, барионный заряд протона B = 1/3+ 1/3 + 1/3 = 1, странность S = О, спин s = 1/2 – 1/2 +1/2=1/2.

Нейтрон состоит также из трёх кварков, n => udd. Q =2/3-1/3- 1/3 =О, B = 1/3+1/3+1/3=1, S = 0, s = 1/2 – 1/2 + 1/2 = 1/2. Комбинацией из трёх кварков удаётся представить следующие барионы: Λ 0 (uds), Σ + (uus), Σ 0 (uds), Σ - (dds),Ξ 0 (uss), Ξ - (dss),Ω - (sss)a°(uss). В последнем случае спины всех кварков направлены в одну сторону. Поэтому Ω - - гиперон имеет спин 3/2.

Античастицы барионов образуются из соответствующих антикварков.

Мезоны состоят из двух любых кварка и антикварка. Например, положительный пион π + (ud). Его заряд Q = +2/3- (-1/3) = 1, В = 1/3-1/3= О, S = 0, спин 1/2 – 1/2= 0.

Кварковая модель предполагает, что внутри адронов кварки существуют, а опыт пока­зывает, что вылететь из адронов они не могуг. Но крайней мере, при тех энергиях, которые достижимы на современных ускорителях. Велика вероятность, что кварки вообще не могут существовать в свободном состоянии.

Современная физика высоких энергий полагает, что взаимодействие между кварками осуществляется посредством особых частиц - глюонов. Масса покоя глюонов равна нулю, спин равен единице. Допускается существование около десятка разных видов глюонов.

← Вернуться