Физика элементарных частиц

              Основные задачи экспериментаторов состоит в изготовлении источников и детекторов, в реальном проведении опыта по рассеянию и в регистрации рассеянных частиц вместе с их характеристиками. Цель – теоретиков – по заданному начальному состоянию частиц до рассеяния и известному взаимодействию между ними предсказать результат опыта, т. е. конечное состояние частиц. Но чаще всего приходиться решать обратную задачу: по заданному начальному состоянию и по экспериментальным данным о конечных состояниях восстанавливать характеристики взаимодействия и детали структуры частиц.

              Взаимодействия между частицами обуславливают самые разнообразные процессы. Они делятся на три большие группы.

              1.При упругом рассеянии, частицы не претерпевают превращения, а изменяют состояние своего движения.

              2.В неупругих процессах (реакциях) сталкивающиеся частицы превращаются в частицы других сортов. Например, рождение электрон-позитронной пары, процесс образования антипротона.

              3.Частицы, рождающиеся в процессах рассеяния, за редким исключениями, являются нестабильными и претерпевают распады.

              Следует отметить, что образующиеся частицы не содержатся в исходных частицах, а рождаются непосредственно в процессах их соударений (рассеяния) или распада. Например, фотон также не содержится в составе атома, а рождается непосредственно при переходе электрона с одного энергетического уровня на другой. Именно в процессах взаимопревращений и открывают ранее неизвестные частицы.

      ЛЕПТОНЫ, АДРОНЫ, КВАРКИ, ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ

ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ, ГЛЮОНЫ.

Перейдём дальше к краткому обсуждению отдельных больших классов элементарных частиц, о которых уже упоминали.

ЛЕПТОНЫ

              Лептоны считаются истинно элементарными частицами. Хотя лептоны могут иметь электрический заряд, а могут и не иметь, спин у всех у них равен 1/2. Среди лептонов наиболее известен электрон. Электрон — это первая из открытых элементарных частиц. Как и все остальные лептоны, электрон, по-видимому, является элементарным (в собственном смысле этого слова) объектом. Насколько известно, электрон не состоит из каких-то других частиц.

Другой хорошо известный лептон — нейтрино. Нейтрино являются наиболее распространенными частицами по Вселенной. Вселенную можно представить безбрежным нейтринным морем, в котором изредка встречаются острова в виде атомов. Но несмотря на такую распространенность нейтрино, изучать их очень сложно. Нейтрино почти неуловимы. Не участвуя ни в сильном, ни в электромагнитном взаимодействиях, они проникают через вещество, как будто его вообще нет. Нейтрино —  это некие "призраки физического мира".

Достаточно широко распространены в природе мюоны, на долю которых приходится значительная часть космического излучения. Во многих отношениях мюон напоминает электрон: имеет тот же заряд и спин, участвует в тех те взаимодействиях, но имеет большую массу (около 207 масс электрона) и нестабилен. Примерно за две миллионные доли секунды мюон распадается на электрон и два нейтрино. В конце 70-х годов был обнаружен третий заряженный лептон, получивший название "тау-лептон". Это очень тяжелая частица. Ее масса около 3500 масс электрона. Но во всем остальном он ведет себя подобно электрону и мюону.

В 60-х годах список лептонов значительно расширился. Было установлено, что существует несколько типов нейтрино: электронное нейтрино, мюонное нейтрино и тау-нейтрино. Таким образом, общее число разновидностей нейтрино равно трем, а общее число лептонов — шести. Разумеется, у каждого лептона есть своя античастица; таким образом, общее число различных лептонов равно двенадцати. Нейтральные лептоны участвуют только в слабом взаимодействии; заряженные - в слабом и электромагнитном. Все лептоны участвуют в гравитационном взаимодействии, но не способны к сильным.

                                                   АДРОНЫ

Адронами называют элементарные частицы, которые могут участвовать и реально участвуют в сильном взаимодействии.

              Адронов существует очень много, их сотни. Поэтому часто считают их не элементарными частицами, а составленными из других. Они бывают электрически заряженные и нейтральные.

Все адроны участвуют в сильном, слабом и гравитационном взаимодействиях. Среди них самые известные – протон и нейтрон. Различают стабильные адроны (со средними временами жизни) и резонансы. Самой характерной особенностью резонансов является то, что они распадаются в результате сильного взаимодействия, тогда как распады «стабильных» адронов обусловлены гораздо менее интенсивными взаимодействиями.

Классификация адронов происходит по спину и типу статистики.

Адроны, обладающие целыми спинами, называют мезонами; имеющие полуцелый заряд – барионами. По типу статистики мезоны относятся к бозонам (частицы переносящие взаимодействие), а барионы – к фермионам.

Все мезоны и барионы подразделяются на «обычные», «странные», «очарованные» и «прелестные». Адроны рассортированы по массе, заряду и спину. В этом помогла гипотеза кварков, или частиц, составляющих адроны.

                                                     КВАРКИ

Практически доказано, что все адроны состоят из кварков – весьма необычных по своим свойствам  фундаментальных частиц, у которых имеются и античастицы – антикварки.

Кварковая модель строения элементарных частиц существует с 1964 г. Сначала кварки рассматривались как структурные гипотетические элементы с дробным электрическим зарядом, но потом заняли в квантовой хромодинамике роль основных частиц.

Кварки могут соединяться для этого тройками, составляя барионы, либо парами кварк – антикварк, составляя мезоны (средние) частицы.              Кварки имеют заряд 1/3 или 2/3 заряда электрона. Тогда в комбинации они дадут 0 или 1. Все кварки имеют спин = ½, т.е. они относятся к фермионам. Считается, что они сцепляются сильным взаимодействием, но участвуют и в слабом.              Исходя из особенностей сильного взаимодействия, кварки характеризуются типами (ароматами): «верхний», «нижний» и «странный».

              Причём слабое взаимодействие может поменять «аромат» кварка. Например, при распаде нейтрона один из «нижних» кварков становится «верхним», а избыток заряда уносит рождающийся электрон. Сильное взаимодействие не может менять «аромат», а без изменения «аромата» невозможен распад адрона. Сейчас считают, что существует 12 кварков – фундаментальных частиц и столько же античастиц. Шесть частиц – это кварки с экзотическими именами: «верхний», «нижний», «очарованный», «странный», «истинный», «прелестный». Они являются порождением теории, стремящейся к упорядоченности и красоте, и открыты все, за исключением «истинного».

              Остальные шесть – лептоны: электрон, мюон, t-частица и соответствующие им нейтрино.

              Эти 12 частиц, или два по шесть, группируются в три поколения, каждое из трёх членов. В первом поколении – «верхний» и «нижний» кварки, электрон и электронное нейтрино; во втором – «очарованный» и «странный» кварки, мюон и мюонное нейтрино; в третьем – «истинный» и «прелестный» кварки и t-частица со своим нейтрино. Всё обычное вещество состоит из частиц первого поколения. Протон, например, состоит из двух «верхних» кварков и одного «нижнего». Нейтрон – из двух «нижних» кварков и одного «верхнего».

              Кваркам было приписано дополнительное квантовое число, названное цветом, а три его значения обозначили символами R (красный), G (зеленый), B (голубой). Разумеется, к физиологии зрения «цвет» никакого отношения не имеет, но принятая терминология весьма удобна. Красный, зелёный и голубой цвет являются основными, и при смешивании их в равной пропорции получается белый цвет. Антикваркам приписываются «антицвета» R, G, B, которые можно рассматривать как дополнительные к основным цветам. Таким образом, у кварков имеется шесть ароматов и три цвета.

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

              Все процессы, в которых участвуют элементарные частицы, обусловлены взаимодействиями между ними.

              В настоящее время различают 4 типа фундаментальных взаимодействий: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное.

-Сильное взаимодействие свойственно частицам, называемым адронами (сильный, массивный, крупный), к числу которых принадлежат, в частности, протон и нейтрон. Наиболее известное его проявление – ядерные силы, обеспечивающие существование атомных ядер. Пример сильного взаимодействия – реакции рождения антипротона и антинейтрона.

              -В электромагнитном взаимодействии, наиболее известном и наиболее изученном, непосредственно участвуют только электрически заряженные частицы и фотоны (нейтральные и безмассовые). Одно из его проявлений – кулоновские силы, обуславливающие существование атомов. Именно электромагнитное взаимодействие ответственно за подавляющее большинство макроскопических свойств вещества. Оно же ответственно за процессы рождения электрон-позитронной пары, за процессы упругого рассеяния электронов на ядрах, протонах и т.д.

              -Слабое взаимодействие присуще всем частицам, кроме фотонов. Наиболее известное его проявление – бета-превращения атомных ядер. Оно же обеспечивает нестабильность многих элементарных частиц, например нейтрона. Примерами слабых процессов служат также распады мюонов. В последнее время интенсивно изучаются слабые процессы рассеяния нейтрино и антинейтрино на атомных ядрах, протонах и электронах. В этом отношении нейтрино – уникальные частицы, так они могут участвовать только в слабом взаимодействии (если не считать гравитационного).

              -Гравитационное взаимодействие свойственно всем телам Вселенной, проявляясь в виде сил всемирного тяготения. Эти силы обусловливают существование звёзд, планетных систем и т.д. Гравитационное взаимодействие предельно слабое, и в мире элементарных частиц при обычных энергиях непосредственной роли не играет.

              Фундаментальные взаимодействия динамически различаются типами обменного механизма, а также свойственными им законами сохранения. При этом, чем более интенсивно взаимодействие, тем больше ему отвечает законов сохранения.

                                                             ГЛЮОНЫ

              Переносчиками сильного взаимодействия являются восемь электрически нейтральных и безмассовых глюонов (клей).

              Каждый глюон несёт некоторые цвет и антицвет, но не несёт аромат. Поэтому, например, кварк uR может испустить глюон g =RG, превратившись в кварк  uG  того же аромата, но другого цвета, а рядом расположенный кварк uG  может поглотить этот глюон, превратившись в uR. Цвет для сильного взаимодействия играет роль, аналогичную роли электрического заряда для электромагнитного взаимодействия.

Именно поэтому в сильном взаимодействии участвуют кварки, обладающие цветом, но не могут участвовать лептоны, являющиеся бесцветными (белыми) частицами.

Современной теорией сильного взаимодействия является квантовая хромодинамика, основы которой заложены, но которая пока не завершена. Последнее обстоятельство связано с тем, что глюоны в отличие от электрически нейтральных фотонов сами несут цвет, а потому взаимодействуют друг с другом.

К числу элементарных актов сильного взаимодействия относятся не только процессы испускания и поглощения глюонов, но и процессы «расщепления» одного глюона на два и даже на три глюона. В частности, не исключено существование весьма экзотических частиц – глюболов, представляющих собой сгустки глюонного поля без кварков. 

                                                                      ЗАКЛЮЧЕНИЕ

              Рассмотрим кратко основные типы элементарных частиц. Вещество состоит из молекул, молекулы – из атомов, а всякий атом представляет собой ядро, окружённое оболочкой. В состав атомного ядра входят протоны и нейтроны. Каждый атом состоит из тяжёлого ядра (сильно связанных протонов и нейтронов), окруженного электронным облаком.