Иерархия элементарных частиц

     Вопрос  о структуре элементарных частиц  окончательно не решен. С одной стороны, понятно, что элементарные частицы обладают собственной структурой, а с другой — характер этой структуры остается во многом невыясненным. Элементарные частицы на самом деле не элементарны, т.е. не «неделимы», как думали раньше, а обладают внутренней структурой, могут распадаться и превращаться одна в другую. Об их строении пока мало что известно. Тем не менее на основе некоторых фактов можно утверждать, что элементарные частицы представляют собой вид материи, качественно отличный от более сложных частиц. Различие между ними так велико, что к элементарным частицам неприменимы категории простого и сложного, составной части и структурного целого, т.е. понятие «внутренней структуры», к которой мы привыкли при рассмотрении атомных ядер, атомов, молекул и макроскопических тел [3].

     Понятия «простого и сложного», «составной части» и «структурного целого» в мире элементарных частиц имеют совершенно иное содержание, чем в атомной или классической физике. Специфика элементарных частиц проявляется и в энергетических взаимодействиях. Энергия материальных тел, от макроскопических объектов до атомных ядер, складывается из двух составляющих: собственной энергии, соответствующей массе тела, и суммы энергий связей составных элементов. Хотя эти два вида энергий и неотделимы друг от друга, они в корне различны по своей природе. Собственная энергия объектов намного превышает энергию связи составных частей. Энергия связи элементов такова, что при помощи несколько большей энергии вполне возможно однозначное деление структуры на составные части. Например, можно разложить молекулу на атомы, но в самих атомах при этом не происходит заметных изменений. С элементарными частицами дело обстоит совершенно иначе. Энергия элементарных частиц не раскладывается на собственную энергию и энергию связи. Поэтому элементарные частицы не могут разлагаться на составные части, хотя, несомненно, имеют внутреннюю структуру, которую пока невозможно описать. Элементарные частицы не содержат частиц, из которых они возникли в более или менее неизменной форме.

     В структурной иерархии материальных систем свой единственный структурный уровень образуют и атомное ядро, и атом, и молекула, и макроскопические тела. Поэтому составляющие тела, с одной стороны, относительно просты по сравнению с телами следующего уровня и являются их составными частями. С другой стороны, они относительно сложны по сравнению с телами, лежащими на более низком уровне, и являющимися в свою очередь их составными частями.

     Все тела, начиная с атомных ядер до материальных тел самого большого размера, обладают следующим общим свойством: в каждом из них можно выделить относительно простые структурные элементы, которые образуют данное тело и в структурной иерархии лежат непосредственно под ними. Каждое тело можно разделить на части, из которых оно возникло. Процессы соединения и разделения по сути своей равнозначны. Например, молекула данного химического вещества может быть образована из некоторого числа определенных атомов и разложена точно на такие же атомы. Сложное целое обладает большей массой, чем масса каждой из его составляющих. Для элементарных частиц это положение недействительно. Продукты распада элементарной частицы не более просты, чем распавшаяся, точнее, «преобразовавшаяся» частица. Они так же являются элементарными частицами. Следовательно, согласно современным представлениям, продукты распада находятся на том же уровне структурной иерархии, что и породившая их частица [8].

     Например, из нейтрона при определенных условиях возникают протон, электрон и нейтрино. Но нейтрон не более сложен и не более прост, чем протон, электрон или нейтрино. Кроме того, протон и электрон можно получить и в других реакциях. Почти каждая элементарная частица может быть «составной частью» любой другой элементарной частицы. На элементарном уровне структурное целое не обязательно больше, чем каждая из его составляющих. Более того, его масса может быть и намного меньше. Например, в некоторых случаях из нуклона и антинуклона образуется мезон, масса которого значительно меньше массы нуклона. Это обусловлено тем, что высвобождающаяся при возникновении элементарной частицы энергия Е уносит такую массу, что продукт реакции С² уже не похож на первоначальную частицу.

     Согласно  современным представлениям, структура  элементарных частиц описывается посредством  непрерывно возникающих и снова  распадающихся «виртуальных» частиц. Например, мезон строится из виртуального нуклона и антинуклона, которые в процессе аннигиляции (лат. annihildtio, буквально уничтожение) непрерывно исчезают, а затем образуются снова. Формальное привлечение виртуальных частиц означает, что внутреннюю структуру элементарных частиц невозможно описать через другие частицы.

     В масштабах микромира фактически теряется разница между частицами  вещества и частицами (квантами) поля, поэтому в соответствии с общепринятой в настоящее время стандартной моделью все известные на сегодняшний день элементарные частицы делятся на два больших класса:

     1.частицы - источники взаимодействий;

     2. частицы - переносчики взаимодействий (рис. 1).

Рис. 1. Стандартная модель элементарных частиц

     Частицы первого класса, в свою очередь, подразделяются на две группы, отличающиеся тем, что частицы первой группы – адроны - участвуют во всех четырех фундаментальных взаимодействиях, включая сильные, а частицы второй группы – лептоны - не участвуют в сильных взаимодействиях. К адронам относится очень много различных элементарных частиц, большинство из которых имеет своего «двойника» - античастицу. Как правило, это довольно массивные частицы, с малым временем жизни. Исключение составляют нуклоны, причем считается, что время жизни протона превышает возраст Вселенной.

     Лептонами являются шесть элементарных частиц: электрон е, мюон m и таон t, а также связанные с ними три нейтрино nе, nm и nt. Кроме того, каждая из этих частиц также имеет своего «двойника» - соответствующую античастицу. Все лептоны настолько похожи друг на друга по некоторым, специфическим в масштабах микромира свойствам, что мюон и таон можно было бы назвать тяжелыми электронами, а нейтрино - электронами, «потерявшими» заряд и массу. В то же время, в отличие от электронов, мюоны и таоны являются радиоактивными, а все нейтрино чрезвычайно слабо взаимодействуют с веществом и поэтому настолько неуловимы, что, например, их поток проходит через Солнце, практически не ослабляясь.

     Отметим, что нейтрино в последнее время  привлекают к себе огромный интерес, особенно в связи с проблемами космологии, так как считается, что  в потоках нейтрино сосредоточена  значительная часть массы Вселенной. 
Что касается адронов, то сравнительно недавно, около 30 лет назад, физики нащупали еще один «этаж» в их строении. Рассматриваемая стандартная модель предполагает, что все адроны являются суперпозицией нескольких кварков и антикварков. Кварки различаются по свойствам, многие из которых не имеют аналогов в макромире. Различные кварки обозначаются буквами латинского алфавита: u («up» ), d («down»), c («charm»), b («beauty»), s («strange»), t («truth»).

     Кроме того, каждый из перечисленных кварков может существовать в трех состояниях, которые называются «цветом»: «синем», «зеленом» и «красном». В последнее время стало общепринятым говорить еще и об «аромате» кварка - так называют все его параметры, не зависящие от «цвета». Конечно, все эти термины не имеют ничего общего с обычными значениями соответствующих слов. Этими вполне научными терминами обозначаются физические характеристики, которым как правило невозможно дать макроскопическую интерпретацию.

     Предполагается, что кварки имеют дробный электрический  заряд (-е/3 и +2е/3, где е = 1,6 Ч 10-19 Кл - заряд электрона) и взаимодействуют друг с другом с «силой», увеличивающейся с расстоянием. Поэтому кварки нельзя «разорвать», они не могут существовать отдельно друг от друга. В определенном смысле кварки являются «настоящими», «истинными» элементарными частицами для адронной формы материи. Теория, описывающая поведение и свойства кварков, называется квантовой хромодинамикой.

     Частицы - переносчики взаимодействий включают в себя восемь глюонов (от английского слова glue - клей), ответственных за сильные взаимодействия кварков и антикварков, фотон, осуществляющий электромагнитное взаимодействие, промежуточные бозоны, которыми обмениваются слабо-взаимодействующие частицы, и гравитон, принимающий участие в универсальном гравитационном взаимодействии между всеми частицами.

     В физике элементарных частиц рассматривается понятие поколение — это часть классификации элементарных частиц, относящаяся к фундаментальным фермионам (кваркам и лептонам). Частицы разных поколений отличаются только массой и ароматом; все фундаментальные взаимодействия и квантовые числа идентичны. Согласно Стандартной Модели, существует всего три поколения.

     В каждом поколении два лептона  и два кварка. Два лептона —  это один лептон с электрическим  зарядом −1 (подобный электрону) и один нейтральный (нейтрино); из двух кварков один имеет заряд −1/3 (типа d-кварка), а второй +2/3 (типа u-кварка).

     Первое  поколение включает в себя: электрон, электронное нейтрино, d-кварк и u-кварк.

     Второе  поколение включает в себя: мюон, мюонное нейтрино, s-кварк и c-кварк.

     Третье  поколение включает в себя: тау-лептон, тау-нейтрино, b-кварк и t-кварк.

     Каждый  член следующего поколения имеет  массу большую, чем соответствующая  частица предыдущего (для нейтрино это остаётся лишь предположением, обратная иерархия масс не исключена экспериментально). Например, заряженный лептон первого поколения (электрон) имеет массу всего 0,511 МэВ, мюон (второе поколение) имеет массу 106 МэВ, а тау-лептон (третье поколение) имеет массу 1777 МэВ (почти в два раза тяжелее протона) [5].

     Все обычные атомы содержат частицы  первого поколения. Электроны окружают атомное ядро, состоящее из протонов и нейтронов, которые содержат u- и d-кварки. Второе и третье поколения  заряженных частиц не присутствуют в  обычной материи и наблюдаются только в условиях очень высоких энергий. Нейтрино всех поколений пронизывают вселенную, но редко взаимодействуют с обычной материей. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 

    Таким образом, элементарных частиц  иерархия — это одновременно и способ построения систем, и метод их логического анализа. Каждая из выделенных иерархий отражает некоторую сущность системы - они не исключают друг друга, а лишь дополняют. То есть констатируется возможность параллельного установления различных систем иерархизации.

    Принцип неисчерпаемости материи основывается на признании бесконечного многообразия форм материи, отсутствия какого-либо исходного уровня в ее структуре, первой ступени ее развития.

    Все это приводит к признанию несостоятельными идей, основанных на представлениях о самосогласованности уровня элементарных частиц, его замкнутости на самого себя. К тому же современная физика обнаружила сложную иерархию уровней элементарных частиц, сложную структуру физического вакуума, на очереди физика протокварков.

     Удовлетворительной теории происхождения и структуры и взаимоотношений элементарных частиц пока нет. Многие учёные считают, что такую теорию можно создать только при учете космологических обстоятельств. Большое значение имеет исследование рождения элементарных частиц из вакуума в сильных гравитационных и электромагнитных полях, поскольку здесь устанавливается связь микро- и мегамиров. Фундаментальные взаимодействия во Вселенной в мегамире определяют структуру элементарных частиц и их превращения. Очевидно, потребуется выработка новых понятий для адекватного описания структуры материального мира.  
 
 
 
 

СПИСОК  ЛИТЕРАТУРЫ 

1. Ващекин Н.П. Концепции современного естествознания. – М.: МГУК, 2000. – 189 с.
2. Горбачев В. В. Концепции современного естествознания. –В 2-х ч. - 2-е изд., испр. и доп. — М.: ОНИКС 21 век, «Мир и Образование», 2005. — 672 с.
3. Горелов А.А. Концепции современного естествознания: учебное пособие для вузов. - М.: Владос, 1999. - 511 с.
4. Дубнищева Т. Я. Концепции современного естествознания. – Новосибирск: ЮКЭА, 1997. – 834 с.
5. Дягилев Ф. М. Концепции современного естествознания. – М.: ИМПЭ, 1998. – 192 с.
6. Карпенков С. Х., Шахнов В. А. Концепции современного естествознания: учебник для студентов вузов. - М.: ЮНИТИ, 1997. - 520 с.
7. Концепции современного естествознания / Под ред. С. И. Самсыгина. – Ростов на Дону: Феникс, 1999. – 576 с.
8. Концепции современного естествознания: учебник для студентов вузов / Под ред. В. Н. Лавриненко, В. П. Ратникова. – 4-е изд., перераб. и доп. - М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2008. – 319 с.