Элементарные частицы

                                                                 План: 
Введение.

 
Краткие исторические сведения.

 
Основные свойства элементарных частиц. Классы взаимодействий.

 
Характеристики элементарных частиц.

 
Классификация элементарных частиц. а) Унитарная симметрия. б) Кварковая модель адронов

 
Элементарные частицы и квантовая  теория поля.

 
Заключение. Некоторые общие проблемы теории элементарных частиц. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                                 Введение. 
Э. ч. в точном значении этого термина - первичные, далее неразложимые частицы, из которых, по предположению, состоит вся материя. В понятии "Э. ч." в современной физике находит выражение идея о первообразных сущностях, определяющих все известные свойства материального мира, идея, зародившаяся на ранних этапах становления естествознания и всегда игравшая важную роль в его развитии.

Понятие "Э. ч." сформировалось в тесной связи с установлением дискретного  характера строения вещества на микроскопическом уровне. Обнаружение на рубеже 19-20 вв. мельчайших носителей свойств вещества - молекул и атомов - и установление того факта, что молекулы построены  из атомов, впервые позволило описать  все известные вещества как комбинации конечного, хотя и большого, числа  структурных составляющих - атомов. Выявление в дальнейшем наличия составных слагающих атомов - электронов и ядер, установление сложной природы ядер, оказавшихся построенными всего из двух типов частиц (протонов и нейтронов), существенно уменьшило количество дискретных элементов, формирующих свойства вещества, и дало основание предполагать, что цепочка составных частей материи завершается дискретными бесструктурными образованиями - Э. ч. Такое предположение, вообще говоря, является экстраполяцией известных фактов и сколько-нибудь строго обосновано быть не может. Нельзя с уверенностью утверждать, что частицы, элементарные в смысле приведённого определения, существуют. Протоны и нейтроны, например, длительное время считавшиеся Э. ч., как выяснилось, имеют сложное строение. Не исключена возможность того, что последовательность структурных составляющих материи принципиально бесконечна. Может оказаться также, что утверждение "состоит из..." на какой-то ступени изучения материи окажется лишённым содержания. От данного выше определения "элементарности" в этом случае придется отказаться. Существование Э. ч. - это своего рода постулат, и проверка его справедливости - одна из важнейших задач физики.

Термин "Э. ч." часто употребляется  в современной физике не в своём  точном значении, а менее строго - для наименования большой группы мельчайших частиц материи, подчинённых  условию, что они не являются атомами  или атомными ядрами (исключение составляет простейшее ядро атома водорода - протон). Как показали исследования, эта группа частиц необычайно обширна. 
Помимо упоминавшихся протона (р), нейтрона (n) и электрона (e-) к ней относятся: фотон (g), пи-мезоны (p), мюоны (m), нейтрино трёх типов 
(электронное ve, мюонное vm и связанное с т. н. тяжёлым лептоном vt), т. н. странные частицы (К-мезоны и гипероны), разнообразные резонансы, открытые в 1974-77 y-частицы, "очарованные" частицы, ипсилон-частицы (Ў) и тяжёлые лептоны (t+, t-) - всего более 350 частиц, в основном нестабильных. Число частиц, включаемых в эту группу, продолжает расти и, скорее всего, неограниченно велико; при этом большинство перечисленных частиц не удовлетворяет строгому определению элементарности, поскольку, по современным представлениям, они являются составными системами (см. ниже). 
Использование названия "Э. ч." ко всем этим частицам имеет исторические причины и связано с тем периодом исследований (начало 30-х гг. 20 в.), когда единственно известными представителями данной группы были протон, нейтрон, электрон и частица электромагнитного поля - фотон. Эти четыре частицы тогда естественно было считать элементарными, т. к. они служили основой для построения окружающего нас вещества и взаимодействующего с ним электромагнитного поля, а сложная структура протона и нейтрона не была известна.

Открытие  новых микроскопических частиц материи  постепенно разрушило эту простую  картину. Вновь обнаруженные частицы, однако, во многих отношениях были близки к первым четырём известным частицам. Объединяющее их свойство заключается  в том, что все они являются специфическими формами существования  материи, не ассоциированной в ядра и атомы (иногда по этой причине их называют "субъядерными частицами"). Пока количество таких частиц было не очень велико, сохранялось убеждение, что они играют фундаментальную роль в строении материи, и их относили к категории Э. ч. Нарастание числа субъядерных частиц, выявление у многих из них сложного строения показало, что они, как правило, не обладают свойствами элементарности, но традиционное название "Э. ч." за ними сохранилось.

В соответствии со сложившейся практикой термин "Э. ч." будет употребляться  ниже в качестве общего назв. субъядерных  частиц. В тех случаях, когда речь будет идти о частицах, претендующих на роль первичных элементов материи, при необходимости будет использоваться термин "истинно Э. ч.".

                        Краткие исторические сведения.

Открытие  Э. ч. явилось закономерным результатом  общих успехов в изучении строения вещества, достигнутых физикой в  конце 19 в. Оно было подготовлено всесторонними  исследованиями оптических спектров атомов, изучением электрических явлений  в жидкостях и газах, открытием  фотоэлектричества, рентгеновских  лучей, естественной радиоактивности, свидетельствовавших о существовании  сложной структуры материи. 
Исторически первой открытой Э. ч. был электрон - носитель отрицательного элементарного электрического заряда в атомах. В 1897 Дж. Дж. Томсон установил, что т. н. катодные лучи образованы потоком мельчайших частиц, которые были названы электронами. В 1911 Э. Резерфорд, пропуская альфа- частицы от естественного радиоактивного источника через тонкие фольги различных веществ, выяснил, что положительный заряд в атомах сосредоточен в компактных образованиях - ядрах, а в 1919 обнаружил среди частиц, выбитых из атомных ядер, протоны - частицы с единичным положительным зарядом и массой, в 1840 раз превышающей массу электрона. Другая частица, входящая в состав ядра, - нейтрон - была открыта в 1932 Дж. Чедвиком при исследованиях взаимодействия a-частиц с бериллием. Нейтрон имеет массу, близкую к массе протона, но не обладает электрическим зарядом. Открытием нейтрона завершилось выявление частиц - структурных элементов атомов и их ядер.

Вывод о существовании частицы электромагнитного  поля - фотона - берёт своё начало с  работы М. Планка (1900). Предположив, что  энергия электромагнитного излучения  абсолютно чёрного тела квантованна, Планк получил правильную формулу для спектра излучения. Развивая идею Планка, А. Эйнштейн (1905) постулировал, что электромагнитное излучение (свет) в действительности является потоком отдельных квантов (фотонов), и на этой основе объяснил закономерности фотоэффекта. Прямые экспериментальные доказательства существования фотона были даны Р. Милликеном

(1912-1915) и А. Комптоном (1922; см. Комптона эффект).

Открытие  нейтрино - частицы, почти не взаимодействующей  с веществом, ведёт своё начало от теоретической 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 космических лучей К. 
Андерсоном был обнаружен позитрон (е+) - частица с массой электрона, но с положительным электрическим 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 американские физики К. Андерсон и С. 
Неддермейер обнаружили при исследовании осмических лучей мюоны (обоих знаков электрического заряда) - частицы с массой примерно в 200 масс электрона, а в остальном удивительно близкие по свойствам к е-, е+. 
В 1947 также в космических лучах группой С. Пауэлла были открыты p+ и p-- мезоны с массой в 274 электронные массы, играющие важную роль во взаимодействии протонов с нейтронами в ядрах. Существование подобных частиц было предположено Х. Юкавой в 1935.

Конец 40-х - начало 50-х гг. ознаменовались открытием  большой группы частиц с необычными свойствами, получивших название "странных". Первые частицы этой группы К+- и К--мезоны, L-, S+ -, S- -, X- -гипероны были открыты в космических 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., которые и становятся предметом изучения. 
С начала 50-х гг. ускорители превратились в основной инструмент для исследования Э. ч. В 70-х гг. энергии частиц, разогнанных на ускорителях, составили десятки и сотни млрд. электронвольт (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 некоторых 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 
W- (с массой около двух масс протона). В 1960-х гг. на ускорителях было открыто большое число крайне неустойчивых (по сравнению с др. нестабильными 
Э. ч.) частиц, получивших название "резонансов". Массы большинства резонансов превышают массу протона. Первый из них D1 (1232) был известен с 
1953. Оказалось, что резонансы составляют основная 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 Цзун-дао и Ян 
Чжэнь-нином и независимо Л. Д. Ландау в 1956; см. Комбинированная инверсия), означающее необходимость пересмотра привычных взглядов на поведение физических 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 y-частицы, с временем жизни, необычно большим для резонансов. Они оказались тесно связанными с новым семейством Э. ч. - 
"очарованных", первые представители которого (D0, D+, Lс) были открыты в 
1976. В 1975 были получены первые сведения о существовании тяжёлого аналога электрона и мюона (тяжёлого лептона t). В 1977 были открыты Ў-частицы с массой порядка десятка протонных масс. 
Таким образом, 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 классической физики, таких, как электрический заряд, масса, момент количества движения, потребовалось ввести много новых специальных характеристик, в частности для описания странных Э. ч. - странность (К. Нишиджима, М. Гелл-Ман, 1953), "очарованных" Э. ч. - "очарование" (американские физики Дж. Бьёркен, Ш. Глэшоу, 1964); уже названия приведённых характеристик отражают необычность описываемых ими свойств Э. ч.

Изучение  внутреннего 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  классической механики и электродинамики, что потребовали для своего описания совершенно новых теоретических  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 следующий  шаг - квантование классических полей (т. н. квантование вторичное) и разработка квантовой теории поля. Важнейшими этапами на пути её развития были: формулировка квантовой электродинамики (П. Дирак, 1929), квантовой теории b- распада (Э. Ферми, 1934), положившей начало современной теории слабых взаимодействий, квантовой мезодинамики (Юкава, 1935). Непосредственной предшественницей последней была т. н. b-теория ядерных сил (И. Е. Тамм, Д. Д. Иваненко, 1934; см. Сильные взаимодействия). Этот период завершился созданием последовательного вычислительного аппарата квантовой электродинамики (С. Томонага, Р. Фейнман, Ю. Швингер; 1944-49), основанного на использовании техники перенормировки (см. Квантовая теория поля). Эта техника была обобщена впоследствии применительно к другим 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 значительной мере остаются неясными. Возможно, понадобится ещё не одна перестройка всех представлений и гораздо более глубокое понимание взаимосвязи свойств микрочастиц и геометрических 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 
1,6Ч10-24 г (заметно меньше лишь масса электрона: 9Ч10-28 г). Определённые из опыта размеры протона, нейтрона, p-мезона по порядку величины равны 10-13 см. Размеры электрона и мюона определить не удалось, известно лишь, что они меньше 10-15 см. Микроскопические массы и размеры Э. ч. лежат в основе квантовой специфики их поведения. Характерные длины волн, которые следует приписать Э. ч. в квантовой теории ( , где - постоянная Планка, m - масса частицы, с - скорость света) по порядку величин близки к типичным размерам, на которых осуществляется их взаимодействие (например, для p-мезона 1,4Ч10- 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 специфические кванты материи, более точно - кванты соответствующих физических полей (см. ниже). Все процессы с Э. ч. протекают через последовательность актов их поглощения и испускания. Только на этой основе можно понять, например, процесс рождения p+-мезона при столкновении двух протонов (р + р ® р + n+ p+) или процесс аннигиляции электрона и позитрона, когда взамен исчезнувших частиц возникают, например, два g-кванта (е+ +е- ® g + g). Но и процессы упругого рассеяния частиц, например е- +p ® е- + р, также связаны с поглощением начальных частиц и рождением конечных частиц.