Физика элементарных частиц

СОДЕРЖАНИЕ

              Введение…………………………………………….............. стр.2

              1. Состав ядра. Элементарные частицы..…………………..стр.3                                          2. Взаимопревращаемость элементарных частиц…………стр.6

              3. Лептоны, адроны, кварки, фундаментальные

             взаимодействия, глюоны…………………………………..стр.7  

              Заключение…………………………………………..............стр.12                                                                                                                       

              Список используемой литературы…………………………стр.13

ВВЕДЕНИЕ

              В середине и второй половине ХХ века в тех разделах физики, которые заняты изучением фундаментальной структуры материи, были получены поистине удивительные результаты. Прежде всего это проявилось в открытии целого множества новых субатомных частиц. Их обычно называют элементарными частицами, но далеко не все из них действительно элементарны. Элементарные  частицы в точном значении этого термина — пер­вичные, далее неразложимые частицы, из которых, по предположению, состоит вся материя, но многие из них в свою очередь состоят из еще более элементарных частичек.

Мир субатомных частиц поистине многообразен. В настоящее время известно более 350 элементарных частиц. К ним относятся протоны и нейтроны, составляющие атомные ядра, а также обращающиеся вокруг ядер электроны. Но есть и такие частицы, которые в окружающем нас веществе практически не встречаются. Если среднее время жизни нейтрона, находящегося вне атомного ядра, составляет 15 минут, то  время жизни таких короткоживущих частиц чрезвычайно мало, оно составляет мельчайшие доли секунды. По истечении этого чрезвычайно короткого времени они распадаются на обычные частицы. Таких нестабильных короткоживущих частиц поразительно много: их известно уже несколько сотен. Однако нельзя считать, что нестабильные элементарные частицы «состоят» из стабильных хотя бы потому, что одна и та же частица может распадаться несколькими способами на различные элементарные частицы.

Каждая элементарная частица (за исключением абсолютно нейтральных частиц) имеет свою античастицу.

Существование элементарных частиц физики обнаружили при изучении ядерных процессов, поэтому вплоть до середины XX века физика элементарных частиц была разделом ядерной физики. В настоящее время физика элементарных частиц и ядерная физика являются близкими, но самостоятельными разделами физики, объединенными общностью многих рассматриваемых проблем и применяемыми методами исследования. Главная задача физики элементарных частиц — это исследование природы, свойств и взаимных превращений элементарных частиц.

В 60-70-е годы физики были совершенно сбиты с толку многочисленностью, разнообразием и необычностью вновь открытых субатомных частиц. Казалось, им не будет конца. Совершенно непонятно, для чего столько частиц. Являются ли эти элементарные частицы хаотическими и случайными осколками материи? Или, возможно, они таят в себе ключ к познанию структуры Вселенной? Развитие физики в последующие десятилетия показало, что в существовании такой структуры нет никаких сомнений. В конце ХХ века физика начинает понимать, каково значение каждой из элементарных частиц.

Миру субатомных частиц присущ глубокий и рациональный порядок. В основе этого порядка — фундаментальные физические взаимодействия.

СОСТАВ ЯДРА. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ

              Ядром называется центральная часть атома, в которой сосредоточена практически вся масса атома и его положительный электрический заряд. Все атомные ядра состоят из элементарных частиц: протонов и нейтронов, которые считаются двумя зарядовыми состояниями одной частицы – нуклона. Протон имеет положительный заряд, равный по абсолютной величине заряду электрона, нейтрон не имеет электрического заряда.

       Элементарными называют частицы, входящие в состав считавшегося «неделимым» атома. Первыми были обнаружены электрон, протон, нейтрон и фотон – квант электромагнитного поля. Из первых трёх строили вещество, а фотон осуществлял их взаимодействие. Раньше считали, что они ни на что далее не могут быть разложены и поэтому являются «первичными кирпичиками» мироздания. Позднее эти представления изменились, прежние элементарные частички имеют внутреннюю структуру и могут превращаться друг в друга. После второй мировой войны благодаря мощной технике были открыты, помимо электрона, протона, нейтрона, фотона и позитрона, ещё много частиц претендующих на «элементарность».

              Атомное ядро окружено сравнительно рыхлой и легко перестраиваемой оболочкой из Z-электронов. Именно электронные оболочки ответственны за химические и многие физические свойства веществ. Это связано с тем, что электроны могут теряться атомом и присоединяться к нему, образуя положительно и отрицательно заряженные ионы. Кроме того, они могут переходить с одного энергетического уровня на другой, в результате чего атом будет испускать или поглощать кванты света.

              Элементарными частицами называются такие частицы, которым нельзя приписать внутренней структуры, являющейся простым соединением других стабильных частиц. При взаимодействии с другими частицами и полями элементарная частица ведёт себя как единое целое. Термин «элементарная» частица имеет, в сущности, условный характер.

              С квантовой точки зрения элементарные возбуждения электромагнитного поля обладают всеми свойствами частиц. Они называются – фотонами. Сравнительно недавно нуклоны, электроны и фотоны размещались на едином уровне элементарных частиц и рассматривались как его равноправные члены. Однако постепенно выяснилось, что протоны и нейтроны (и вообще все адроны) являются составными микрообъектами. Они построены из более «мелких» частиц, эти частицы принадлежат к классу кварков. Кварки необходимы для построения других адронов, отличных от протона и нейтрона.

              Почти у каждой частицы, кроме фотона, оказалась ещё и античастица. Сейчас элементарных частиц уже более 300. К ним относятся и полученные при помощи мощных циклотронов, синхротронов и других ускорителей частиц. Есть элементарные частицы, возникающие при прохождении через атмосферу космических лучей, они существуют несколько миллионных долей секунды, потом распадаются, видоизменяются, превращаясь в другие элементарные частицы, или испускают энергию в форме излучения.

ОБЩИЕ СВОЙСТВА ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

              Основными характеристиками элементарных частиц являются масса, электрический заряд, спин, среднее время жизни, магнитный момент, пространственная чётность, барионный заряд и квантовые числа.

              Массу элементарных частиц понимают как массу покоя, поскольку она не зависит от состояния движения. Её определяют по отношению к массе покоя электрона me, самой маленькой из масс покоя. Нейтрон и протон тяжелее электрона почти в 2000 раз. Но есть и очень тяжёлые частицы. Так, например, Z-частица, получаемые на ускорителях, имеют массу покоя  2 000 000 me. Фотоны вообще не имеют массы покоя. Наиболее тяжёлая из известных сейчас частиц (промежуточный бозон) почти в 100 раз массивнее протона и самая нестабильная из всех известных элементарных частиц.

              Среднее время жизни служит мерой стабильности частицы и выражается в секундах. Электрон, протон, фотон и нейтрино абсолютно стабильны, во всяком случае, их распады экспериментально не зарегистрированы.

Существует несколько групп элементарных частиц, различающихся своими свойствами и характером взаимодействия друг с другом.

              В основе лежат их различия по массам покоя: лептоны (лёгкие), мезоны (средние, промежуточные частицы) и барионы (тяжёлые), которые подразделяются на нуклоны и гипероны.

              - по наличию электрического заряда, измеренного в единицах элементарного заряда, различают положительные, отрицательные и нейтральные частицы. Теоретически предсказаны частицы с дробными электрическими зарядами (кварки).

              - по значениям спина элементарные частицы подразделяются на частицы с полуцелым, целым или нулевым спином.

              - по временам жизни – на стабильные и нестабильные, характеризуемые временем жизни частицы и преимущественной схемой распада.

Среди лептонов наиболее известен электрон, вероятно, он не состоит из других частиц, т.е. элементарен. Другой лептон – нейтрино. Это самый распространенный лептон во Вселенной и в тоже время самый неуловимый. Нейтрино не участвует ни в сильном, ни в электромагнитном взаимодействиях. После предсказания эта частица была обнаружена только через 30 лет на ускорителях. Нейтрино бывает 3 видов – электронное, мюонное и t-нейтрино, они рождаются вместе с тем или иным лептоном.

Мюон – тоже широко распространенный в природе лептон. Он был обнаружен в космических лучах ещё в 1936 г; это чрезвычайно нестабильная частица, а в остальном он очень похож на электрон.

В конце 70-хгг. был обнаружен третий заряжённый лептон (помимо электрона и мюона) – t-лептон. Он ведёт себя, как и собратья, но тяжелее электрона в 35000 раз. У каждого лептона есть и античастица, т.е. всего их 12.

Электрический заряд меняется от нуля до положительного или отрицательного.

Каждой частице, кроме фотона, нейтрино и двух мезонов, соответствует частица с противоположным зарядом, или античастица. Из теории следует, что массы, времена жизни и спины частицы и античастицы должны быть одинаковыми, и это подтверждается на опыте. Остальные характеристики, в том числе и электрический заряд, и магнитный момент у них равны по модулю, но противоположны по знаку. У некоторых частиц (истинно нейтральных), все «заряды» равны нулю, и они тождественны своим античастицам, например, фотон.

Особенностью античастиц является их способностью к быстрому воссоединению со своими частицами, например, позитронов с электронами, антипротонов с протонами. Это связано с тем, что вещества, из которых построена окружающая нас природа, состоят из электронов, протонов и нейронов.

              Спин – одна из важнейших характеристик элементарных частиц, определяемая собственным моментом импульса частицы, т.е. её момент импульса в системе отчёта покоя. Спин не имеет классического аналога, так как элементарную частицу нельзя представить в виде вращающегося шарика. В частности, для покоящейся частицы только вектор спина задаёт выделенное направление в пространстве.

Обычно спин выражается в единицах и принимает только целые и полуцелые значения. Спин фотона равен 1, это означает, что частица примет тот же вид после полного оборота на 360 градусов. Частица со спином ½ примет прежний вид при обороте в 2 раза больше, т.е. в 720 градусов. Спин протона, нейтрона и электрона – ½. Существуют частицы со спином в 3/2, 5/2 ит.д. Частица со спином, равным нулю, одинаково выглядит при любом угле поворота. В зависимости от значения спина все частицы делят на две группы:

              Фермионы – к ним относят частицы с полуцелыми (1/2, 3/2...) спинами. Фермионы составляют вещество и, в свою очередь, делятся на два класса: лептоны (лёгкий) и кварки. Кварки входят в состав протонов, нейтронов и других подобных им частиц, называемых в совокупности адронами (сильный).

              Бозоны – это частицы с целыми спинами (0,1,2..), переносящие взаимодействие.

              Между частицами существуют 4 типа взаимодействия, каждое из которых переносится своим типом бозонов:

-фотон, квант света, переносит электромагнитные взаимодействия;

              -гравитон - силы тяготения, действующие между любыми телами, имеющими массу;

              -восемь глюонов (клей) осуществляют перенос сильных ядерных взаимодействий, вызывающих кварки;

              -промежуточные векторные бозоны переносят слабые взаимодействия, ответственные за некоторые распады частиц. Считается, что к этим 4  взаимодействиям сводятся все силы в природе.

ВЗАИМОПРЕВРЕЩЕНИЯ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

              Основным экспериментальным и теоретическим методом исследования в физике микромира является метод рассеяния. Всякий опыт по рассеянию всегда становится так, что весь процесс можно разделить на три основных этапа.

              1.Подходящие источники создают один или два параллельных пучка невзаимодействующих частиц с энергиями, примерно одинаковыми в каждом пучке. Раньше использовался один пучок, который направлялся на неподвижную мишень. В последнее время широко применяются встречные пучки – протон-протонные, протон-антипротонные, электрон-электронные, электрон-позитронные.

              2.Частицы из разных пучков сближаются и вступают в область взаимодействия. В результате они рассеиваются: изменяется состояние их движения или рождаются новые частицы.

              3.Рассеянные частицы расходятся на большие (в масштабе микромира) расстояния и регистрируются детекторами, назначение которых – зафиксировать образовавшиеся частицы и измерить необходимые их характеристики (массу, энергию, импульс, спин, электрический заряд и т.д.)