История развития физики элементарных частиц. Как изучают элементарные частицы

К физике атомного ядра тесно прилегает физика элементарных частиц. Эта область современной науки базируется на квантовых представлениях и в своем развитии всё дальше проникает в глубину материи, открывая загадочный мир ее первооснов. В физике элементарных частиц чрезвычайно велика роль теории. В силу невозможности прямого наблюдения таких материальных объектов их образы ассоциируются с математическими уравнениями, с наложенными на них запрещающими и разрешающими правилами.

По определению элементарные частицы – это первичные, неразложимые образования, из которых, по предположению, состоит вся материя. На самом же деле этот термин употребляется в более широком смысле – для обозначения обширной группы микрочастиц материи, структурно не объединенных в ядра и атомы. Большинство объектов исследования физики элементарных частиц не отвечают строгому определению элементарности, поскольку представляют собой составные системы. Поэтому частицы, удовлетворяющие этому требованию, принято называть истинно элементарными .

Первой элементарной частицей, открытой в процессе изучения микромира еще в конце XIX в., был электрон . Следующим был открыт протон (1919), затем пришла очередьнейтрона , открытого в 1932 г. Существованиепозитрона теоретически было предсказано П. Дираком в 1931 г., и в 1932 г. этот положительно заряженный «двойник» электрона был обнаружен в космических лучахКарлом Андерсоном . Предположение о существовании в природенейтрино было выдвинуто В. Паули в 1930 г., а экспериментально оно было обнаружено только в 1953 г. В составе космических лучей в 1936 г. были найденымю-мезоны (мюоны ) – частицы обоих знаков электрического заряда с массой около 200 масс электрона. Во всем остальном свойства мюонов очень близки к свойствам электрона и позитрона. Также в космических лучах в 1947 г. были открыты положительный и отрицательныйпи-мезоны , существование которых было предсказано японским физикомХидэки Юкавой в 1935 г. В дальнейшем выяснилось, что существует также нейтральный пи-мезон.

В начале 50-х гг. была открыта большая группа частиц с весьма необычными свойствами, что побудило назвать их «странными» . Первые частицы этой группы были обнаружены в космических лучах, этоК-мезоны обоих знаков иL -гиперон (лямбда-гиперон). Отметим, что мезоны получили свое название от греч. «средний, промежуточный» в силу того, что массы первых открытых частиц этого типа (пи-мезоны, мю-мезоны) имеют массу, промежуточную между массой нуклона и электрона. Гипероны же ведут свое название от греч. «сверх, выше», поскольку их массы превышают массу нуклона. Последующие открытия странных частиц делались уже на ускорителях заряженных частиц, которые стали основным инструментом изучения элементарных частиц.

Так были открыты антипротон , антинейтрон и ряд гиперонов. В 60-е гг. было обнаружено значительное число частиц с крайне малым временем жизни, которые получили названиерезонансов . Как выяснилось, к резонансам относится большинство известных элементарных частиц. В середине 70-х гг. было открыто новое семейство элементарных частиц, получивших романтическое название«очарованных », а в начале 80-х – семейства« красивых » частиц и так называемыхпромежуточных векторных бозонов . Открытие этих частиц явилось блестящим подтверждением теории, основанной накварковой модели элементарных частиц, которая предсказала существование новых частиц задолго до их обнаружения.

Таким образом, за время после открытия первой элементарной частицы – электрона – в природе выявлено множество (около 400) микрочастиц материи, и процесс открытия новых частиц продолжается. Оказалось, что мир элементарных частиц устроен весьма и весьма сложно, а их свойства разнообразны и зачастую крайне неожиданны.

Все элементарные частицы являются материальными образованиями чрезвычайно малых масс и размеров. Большинство из них имеют массы порядка массы протона (~10 –24 г) и размеры порядка 10 –13 м. Это определяет сугубо квантовую специфику их поведения. Важное квантовое свойство всех элементарных частиц (включая и относящийся к ним фотон) состоит в том, что все процессы с ними происходят в виде последовательности актов их испускания и поглощения (способность рождаться и уничтожаться при взаимодействии с другими частицами). Процессы с участием элементарных частиц относятся ко всем четырем видам фундаментального взаимодействия: сильному, электромагнитному, слабому и гравитационному.Сильным взаимодействием обусловлена связь нуклонов в атомном ядре.Электромагнитное взаимодействие обеспечивает связь электронов с ядрами в атоме, а также связь атомов в молекулах.Слабое взаимодействие вызывает, в частности, распад квазистабильных (т. е. относительно долгоживущих) частиц, имеющих время жизни в пределах 10 –12 ÷ 10 –14 с.Гравитационное взаимодействие на характерных для элементарных частиц расстояниях ~10 –13 см, в силу малости их массы, имеет крайне малую интенсивность, однако может оказаться существенным на сверхмалых расстояниях. Интенсивности взаимодействий: сильного, электромагнитного, слабого и гравитационного – при умеренной энергии процессов относятся соответственно как 1: 10 –2: 10 –10: 10 –38 . Вообще же с ростом энергии частиц это соотношение изменяется.

Элементарные частицы классифицируют по различным признакам, и надо сказать, что в целом принятая их классификация достаточно сложна.

В зависимости от участия в различных видах взаимодействия все известные частицы делят на две основные группы: адроны илептоны .

Адроны участвуют во всех видах взаимодействия, включая сильное. Они получили свое название от греч. «большой, сильный».

Лептоны не участвуют в сильном взаимодействии. Их название происходит от греч. «легкий, тонкий», поскольку массы известных до середины 70-х гг. частиц этого класса были заметно меньше масс всех других частиц (кроме фотона).

К адронам относятся все барионы (группа частиц с массой не меньше массы протона, названных так от греч. «тяжелый») имезоны . Самым легким барионом являетсяпротон .

Лептонами являются, в частности, электрон ипозитрон ,мюоны обоих знаков,нейтрино трех видов (легкие, электрически нейтральные частицы, участвующиетолько в слабом и гравитационном взаимодействиях ). Предполагается, что нейтрино столь же распространены в природе, как и фотоны, к их образованию приводит множество различных процессов. Отличительной особенностью нейтрино является его огромная проникающая способность, особенно при низких энергиях. Завершая классификацию по видам взаимодействия, следует отметить, чтофотон принимает участие только в электромагнитном и гравитационном взаимодействиях . Кроме того, в соответствии с теоретическими моделями, направленными на объединение всех четырех видов взаимодействия, существует гипотетическая частица, переносящая гравитационное поле, которая получила названиегравитон . Особенность гравитона состоит в том, что он (согласно теории) участвуеттолько в гравитационном взаимодействии . Заметим, что теория связывает с квантовыми процессами гравитационного взаимодействия еще две гипотетические частицы –гравитино игравифотон . Экспериментальное обнаружение гравитонов, т. е., по сути, гравитационного излучения, крайне затруднено из-за его чрезвычайно слабого взаимодействия с веществом.

В зависимости от времени жизни элементарные частицы разделяют на стабильные, квазистабильные инестабильные (резонансы ).

Стабильными частицами являются электрон (его время жизни τ > 10 21 лет), протон (τ > 10 31 лет), нейтрино и фотон. Квазистабильными считаются частицы, распадающиеся за счет электромагнитного и слабого взаимодействий, их время жизни τ > 10 –20 c.Резонансы – частицы, распадающиеся в результате сильного взаимодействия, их время жизни находится в интервале 10 – 22 ÷10 – 24 с.

Распространенным является еще один вид подразделения элементарных частиц. Системы частиц с нулевым и целым спином подчиняются статистике Бозе –Эйнштейна , поэтому такие частицы принято называтьбозонами . Совокупность же частиц с полуцелым спином описываетсястатистикой Ферми –Дирака , отсюда и название таких частиц –фермионы .

Каждая элементарная частица характеризуется определенным набором дискретных физических величин – квантовых чисел . Общими для всех частиц характеристиками являютсямасса m ,время жизни τ,спин J иэлектрический заряд Q . Спин элементарных частиц принимает значения, равные целым или полуцелым кратным постоянной Планка. Электрические заряды частиц являются целыми кратными величине заряда электрона, считающегосяэлементарным электрическим зарядом .

Кроме того, элементарные частицы дополнительно характеризуются так называемыми внутренними квантовыми числами . Лептонам приписывается специфическийлептонный заряд L = ±1, адроны с полуцелым спином несутбарионный заряд В = ±1 (адроны с В = 0 образуют подгруппу мезонов).

Важной квантовой характеристикой адронов является внутренняя четность Р , принимающая значение ±1 и отражающая свойство симметрии волновой функции частицы относительно пространственной инверсии (зеркального отображения). Несмотря на несохранение четности при слабом взаимодействии, частицы с хорошей точностью принимают значения внутренней четности, равные либо +1, либо – 1.

Адроны, кроме того, подразделяются на обычные частицы (протон, нейтрон, пи-мезоны), странные частицы (К -мезоны, гипероны, некоторые резонансы), «очарованные» и «красивые» частицы. Им соответствуют особые квантовые числа:странность S ,очарование С икрасота b . Эти квантовые числа введены в соответствии скварковой моделью для истолкования специфических процессов, характерных для этих частиц.

Среди адронов имеются группы (семейства) частиц с близкими массами, одинаковыми внутренними квантовыми числами, но различающиеся электрическим зарядом. Такие группы называются изотопическими мультиплетами и характеризуются общим квантовым числом –изотопическим спином , принимающим, как и обычный спин, целые и полуцелые значения.

В чем состоит уже неоднократно упоминавшаяся кварковая модель адронов ?

Обнаружение закономерности группировки адронов в мультиплеты послужило основанием для предположения о существовании особых структурных образований, из которых построены адроны, – кварков . Допуская существование таких частиц, можно считать, что все адроны являются комбинациями кварков. Эта смелая и эвристически продуктивная гипотеза была выдвинута в 1964 г. американским физикомМарри Гелл-Маном . Суть ее состояла в предположении о наличии трех фундаментальных частиц с полуцелым спином, являющихся материалом для построения адронов:u -,d - иs -кварков. В дальнейшем на основе новых экспериментальных данных кварковая модель строения адронов пополнилась еще двумя кварками: «очарованным» (с ) и «красивым» (b ). Считается возможным существование и других типов кварков. Отличительная особенность кварков состоит в том, что они обладаютдробными значениями электрического и барионного зарядов, не встречающимися ни у одной из известных частиц. С кварковой моделью согласуются все экспериментальные результаты по изучению элементарных частиц.

Согласно кварковой модели, барионы состоят из трех кварков, мезоны – из кварка и антикварка . Поскольку некоторые барионы являются комбинацией трех кварков в одном и том же состоянии, что запрещено принципом Паули (см. выше), каждому типу («аромату ») кварка было приписано дополнительное внутреннее квантовое число«цвет» . Кварк каждого типа («аромата» –u, d, s, c, b ) может находиться в трех «цветовых» состояниях. В связи с использованием цветовых понятий теория сильного взаимодействия кварков получила названиеквантовой хромодинамики (от греч. «цвет»).

Можно считать, что кварки являются новыми элементарными частицами, причем они претендуют на роль истинно элементарных частиц для адронной формы материи. Однако остается неразрешенной проблема наблюдения свободных кварков и глюонов. Несмотря на систематические поиски в космических лучах, на ускорителях высокой энергии, обнаружить их в свободном состоянии пока так и не удалось. Имеются веские основания считать, что здесь физика столкнулась с особым явлением природы – так называемым удержанием кварков .

Дело в том, что существуют серьезные теоретические и экспериментальные доводы в пользу предположения о том, что силы взаимодействия кварков с расстоянием не ослабевают. Это означает, что для разделения кварков требуется бесконечно большая энергия, следовательно, появление кварков в свободном состоянии невозможно. Это обстоятельство придает кваркам статус совершенно особых структурных единиц вещества. Возможно, именно начиная с кварков принципиально невозможно опытное наблюдение ступеней дробления материи. Признание кварков в качестве реально существующих объектов материального мира не только олицетворяет собой яркий случай первичности идеи по отношению к существованию материальной сущности. Встает вопрос о пересмотре таблицы фундаментальных мировых постоянных, ибо заряд кварка втрое меньше заряда протона, а следовательно, и электрона.

Начиная с открытия позитрона наука встретилась с частицами антивещества. Сегодня очевидным является то, что для всех элементарных частиц с ненулевыми значениями хотя бы одного из квантовых чисел, таких как электрический заряд Q ,лептонный заряд L ,барионный заряд В ,странность S ,очарование С икрасота b , существуютантичастицы с теми же значениями массы, времени жизни, спина, но с противоположными знаками вышеуказанных квантовых чисел. Известны частицы, тождественные своим античастицам, они называютсяистинно нейтральными . Примерами истинно нейтральных частиц служат фотон и один из трех пи-мезонов (два других являются по отношению друг к другу частицей и античастицей).

Характерной особенностью взаимодействия частиц и античастиц является их аннигиляция при столкновении, т. е. взаимоуничтожение с образованием других частиц и выполнением законов сохранения энергии, импульса, заряда и т. п. Типичным примером аннигиляции пары является процесс превращения электрона и его античастицы – позитрона – в электромагнитное излучение (в фотоны или гамма-кванты). Аннигиляция пар происходит не только при электромагнитном взаимодействии, но и при сильном взаимодействии. При высоких энергияхлегкие частицы могут аннигилировать с образованием более тяжелых частиц – при условии, что полная энергия аннигилирующих частиц превышает порог рождения тяжелых частиц (равный сумме их энергий покоя).

При сильном и электромагнитном взаимодействиях имеет место полная симметрия между частицами и их античастицами, т. е. все процессы, происходящие между первыми, возможны и для вторых. Поэтому антипротоны и антинейтроны могут образовывать ядра атомов антивещества , т. е. из античастиц в принципе вполне может быть построено антивещество. Возникает очевидный вопрос: если каждая частица имеет античастицу, то почему же в изученной области Вселенной отсутствуют скопления антивещества? Действительно, о наличии их во Вселенной, даже где-то «вблизи» Вселенной, можно было бы судить по мощному аннигиляционному излучению, приходящему к Земле из области соприкосновения вещества и антивещества. Однако современная астрофизика не располагает данными, которые позволили бы хотя бы предположить наличие во Вселенной областей, заполненных антивеществом.

Как же произошел во Вселенной выбор в пользу вещества и в ущерб антивеществу, хотя законы симметрии в основном выполняются? Причиной этого феномена, скорее всего, стало именно нарушение симметрии, т. е. флуктуация на уровне основ материи.

Ясно одно: если бы такой флуктуации не возникло, участь Вселенной была бы печальной – вся ее материя существовала бы в виде бесконечного облака фотонов, появившихся в результате аннигиляции частиц вещества и антивещества.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1. В чем состоит феномен научных революций? Как он соотносится с общефилософскими законами?

2. Что такое научный метод? Каков его алгоритм? Какую роль при его реализации играет выдвижение гипотез?

3. Изложите смысл принципа соответствия, выдвинутого Н. Бором. Как он определяет судьбу устаревающих теорий?

4. В чем состоит базовая концепция И. Ньютона, положенная им в основу классической физики?

5. Какие обстоятельства привели к смене корпускулярной теории света волновой теорией?

6. Какие взаимодействия между материальными объектами имеют статус фундаментальных?

7. Какое противоречие вызвало необходимость разработки специальной теории относительности?

8. В чем разница между инерциальными и неинерциальными системами отсчета? Как возникла общая теория относительности?

9. В чем состоит принципиальное различие в движении макрообъектов и квантовых частиц? Каким образом атомы вещества испускают кванты излучения?

10. В чем состоит концепция корпускулярно-волнового дуализма материи? Имеется ли у электрона длина волны?

ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ

1 . Посредством выдвижения и логической проверки гипотез разрешите следующие противоречия:

1.1. Атомное ядро состоит из электрически нейтральных нейтронов и положительно заряженных протонов. Одноименные заряды, как известно, отталкиваются (запишите классическую формулу электростатического закона Кулона, вспомните, какой из законов Ньютона записывается в аналогичной форме).

_____________________________________________________________________________________________________________________

1.2. Объясните, каким образом ядро сохраняет стабильность и высокую плотность. Используйте следующие справочные данные:

– плотность ядра имеет порядок 10 13 г/см 3 , что на 11 порядков больше плотности металлов;

– размер атома порядка 10 –8 см, размер ядра – 10 –13 см;

– в природе известно четыре вида фундаментальных взаимодействий: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое;

– интенсивность фундаментальных взаимодействий убывает от сильного к электромагнитному и далее к слабому и гравитационному в соотношении: 1: 10 –2: 10 –8: 10 –38 .

_____________________________________________________________________________________________________________________

Проверьте все возможные гипотезы и найдите единственную логически непротиворечивую. Начните с выдвижения гипотезы общего вида.

2 . Волновая теория света утвердилась после успешного объяснения широкого круга световых явлений, в том числе явлений дифракции и интерференции, которые в понятиях корпускулярной теории света не могут быть объяснены.

Объясните :

2.1. Каким образом при интерференции происходит гашение света светом, не нарушается ли при этом закон сохранения энергии.

_____________________________________________________________________________________________________________________

2.2. В чем состоит сходство и в чем – отличие явлений, определяемых явно созвучными терминами «рефракция» и «дифракция».

_____________________________________________________________________________________________________________________

Ответьте на следующие вопросы :

2.3. Какие явления не могут быть объяснены в понятиях волновой теории света?

_____________________________________________________________________________________________________________________

2.4. В чем состоит концепция корпускулярно-волнового дуализма и какой общефилософский закон она отражает?

_____________________________________________________________________________________________________________________

2.5. Какими экспериментами можно осуществить эмпирическую проверку гипотезы о наличии у частиц вещества (например, электронов) волновых свойств?

_____________________________________________________________________________________________________________________

2.6. Действие какого современного прибора основано на использовании волновых свойств электронов?

_____________________________________________________________________________________________________________________

3 . В соответствии с классификацией элементарных частиц по их участию в фундаментальных взаимодействиях фотон участвует не только в электромагнитном, но и в гравитационном взаимодействии. Известно также, что масса покоя фотона равна нулю.

Следовательно, если руководствоваться законом всемирного тяготения Ньютона, возникает явное противоречие.

3.1. Разрешите это противоречие, исходя из следующих данных:

– закон всемирного тяготения, точно прогнозируя результат измерения, не вскрывает природы гравитации;

– природу гравитации объясняет общая теория относительности, показывающая, что тяготеющая материя изменяет геометрию пространства-времени.

_____________________________________________________________________________________________________________________

3.2. Объясните, как определяется масса релятивистской частицы.

_____________________________________________________________________________________________________________________

3.3. Почему никакая релятивистская частица, кроме ультрарелятивистского фотона, не может достичь скорости света?

_____________________________________________________________________________________________________________________

ЛИТЕРАТУРА

Основная :

1. Азимов А. Выбор катастроф. – М.: Амфора, 2001.

2. Вернадский В. И. Философские мысли натуралиста. – М., 1988.

3. Дубнищева Т. Я. Концепции современного естествознания. – Новосибирск, 1988.

4. Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса. – М., 1986.

5. Салопов Е. Ф. Концепции современного естествознания. – М.: Владос, 1998.

Дополнительная :

6. Вайнберг С. Первые три минуты. Современный взгляд на происхождение Вселенной – М.: Наука, 1981.

7. Гайденко В. Б., Смирнов Г. А. Западноевропейская наука в Средние века. – М.: Наука, 1989.

8. Капица П. Л. Эксперимент, теория, практика. – М.: Наука, 1981.

9. Кириллин В. А. Страницы истории науки и техники. – М.: Наука. 1986.

10. Клименко И. С., Энгвер Н. Н. Концепции современного естествознания. – М., 2002.

11. Кун Т. Структура научных революций – М.: Прогресс, 1975.

12. Лакатос И. Методология научных исследовательских программ // Вопросы философии. – 1995. – № 4.

13. Лосев А. Ф., Тахо-Годи А. А. Платон. Аристотель. – М.: Молодая гвардия, 1993.

14. Эйнштейн А., Инфельд Л. Эволюция физики. – М.: Молодая гвардия, 1966.

15. Эмсли Дж. Элемент. – М.: Мир, 1993.

ТЕРМИНОЛОГИЧЕСКИЙ СЛОВАРЬ

Адроны (от греч. αδpos – большой, сильный) – класс элементарных частиц, участвующих всильном взаимодействии . К адронам относятся всебарионы имезоны , включаярезонансы .

Алгоритм (от лат. algorithmi – транслитерации имени среднеазиатского ученого аль-Хорезми, оказавшего большое влияние на развитие математики в Европе) – конечный набор правил, позволяющих чисто механически решать любую конкретную задачу из некоторого класса однотипных задач.

Анализ (от лат. analysis – разложение, расчленение) – метод научного исследования, состоящий в мысленном или фактическом разложении целого на составные части (элементы); часто используется как синоним научного исследования вообще; анализ неразрывно связан ссинтезом (соединение элементов в единое целое).

Аннигиляция (от позднелат. annihilatio – исчезновение, превращение в ничто) – один из видов взаимопревращений элементарных частиц, происходящий при столкновении частицы с античастицей; при аннигиляцииматерия не исчезает, а превращается из одной формы в другую, например при аннигиляцииэлектрона ипозитрона возникаюткванты электромагнитного излучения.

Античастицы (от греч. αυτι – против) – элементарные частицы, имеющие ту же массу, спин, время жизни и другие внутренние характеристики, что и их «двойники», но отличающиеся от них знаком некоторых характеристик взаимодействия (например, электрического заряда, магнитного момента).

Атом (от греч. αтομοs – неделимый) – мельчайшая частица химического элемента, сохраняющая его свойства; состоит из тяжелогоядра , обладающего положительным электрическим зарядом, и окружающих его легких частиц –электронов с отрицательными электрическими зарядами, образующих электронные оболочки атома.

Барионы (от греч. βαρυς – тяжелый) – группа «тяжелых» элементарных частиц с полуцелымспином и массой, не меньшей массыпротона ; участвуют во всех известных фундаментальных взаимодействиях. К барионам относятсянуклоны (протон инейтрон ),гипероны , а также многиерезонансы и «очарованные» частицы .

Близкодействие – представление, согласно которому взаимодействие между удаленными друг от друга телами осуществляется через промежуточную среду или промежуточные звенья, передающие взаимодействие от точки к точке с конечной скоростью.

Верификация (от лат. verus – истинный и facio – делаю) – проверка, эмпирическое подтверждение теоретических положений науки путем сопоставления их с наблюдаемыми объектами, данными экспериментов.

Волновая функция – в квантовой механике величина, полностью описывающая состояние микрообъекта и вообще любой квантовой системы. Квадрат волновой функции дает значение вероятностей тех величин, от которых зависит сама волновая функция. Волновую функцию называют также амплитудой вероятности.

Гипотеза (от греч. υποθεσις – основание) – научное предположение, выдвигаемое для объяснения какого-либо явления и требующее проверки на опыте и теоретического обоснования для того, чтобы стать достоверной научной теорией.

Дальнодействие – представление, согласно которому действие тел друг на друга передается мгновенно через пустоту на сколь угодно большие расстояния; открытие электромагнитного поля показало, что концепция дальнодействия неверна.

Детерминизм (от лат. determino – определять) – философское учение об объективной закономерной взаимосвязи и причинной обусловленности всех явлений.

Дискретность (от лат. discretus – разделенный) – прерывность; противопоставляется непрерывности, вместе с ней составляет категории, характеризующие строение материи и процесс ее развития.

Дифракция (от лат. diffractus – разломанный) – отклонение волн, возникающее при их распространении в неоднородных средах, огибание ими препятствий.

Инвариантность (от лат. invariantis – неизменяющийся) – неизменность какой-либо величины при изменении физических условий или по отношению к некоторым преобразованиям, обычно преобразованиям координат и времени.

Интеграция (от лат. integratio – восстановление) – процесс сближения и связи наук, происходящий наряду с процессами ихдифференциации ; вообще – понятие, означающее состояние связанности отдельных частей системы в целое, а также процесс, ведущий к такому состоянию.

Интерференция волн – явление, наблюдающееся при одновременном распространении в пространстве двух или нескольких волн, когда при их сложении в разных точках пространства происходит усиление или ослабление результирующей волны. Интерференция характерна для волн любой природы.

Квант – понятие, введенное М. Планком для обозначения элементарной дискретной порции энергии.

Кварки – гипотетические материальные частицы, из которых, по современным представлениям, состоят всеадроны . В наиболее распространенном варианте теории постулируется существование четырех кварков (и соответствующих антикварков), каждый из которых может находиться в трех состояниях, различающихся квантовым числом – «цветом».

Концепция (от лат. conceptio – система) – определенный способ понимания, трактовки каких-либо явлений, основная точка зрения, руководящая идея для их освещения; ведущий замысел, конструктивный принцип различных видов интеллектуальной деятельности.

Корпускулярно-волновой дуализм – положение о том, что любые микрообъекты материи (фотоны, электроны, протоны и др.) обладают свойствами и частиц (корпускул), и волн.

Лептоны (от греч. λεπτος – легкий) –элементарные частицы с полуцелымспином , не участвующие в сильном взаимодействии. К лептонам относятсяэлектрон ,мюон ,нейтрино и другие частицы.

Мезоны (от греч. μεσος – средний, промежуточный) – нестабильныеэлементарные частицы с нулевым или целымспином , принадлежащие к классуадронов и не имеющие барионного заряда; являются переносчиками ядерных сил.

Нейтрино (итал. neutrino – уменьшительное от «нейтрон») – стабильная, незаряженная элементарная частица с полуцелым спином и, предположительно, нулевой массой; относится клептонам , участвует только в слабом и гравитационном взаимодействии.

Нейтрон (англ. neutron, от лат. neuter – ни тот, ни другой) – электрически нейтральнаяэлементарная частица с полуцелымспином и массой, незначительно превышающей массупротона ; относится к классуадронов и входит в группубарионов . Из нейтронов и протонов построены всеатомные ядра .

Неопределенности принцип – фундаментальное положение квантовой теории, утверждающее, что любая физическая система не может находиться в состояниях, в которых координаты ее центра инерции и импульс одновременно принимают вполне определенные значения.

Нуклон (от лат. nucleus – ядро) – общее названиепротона инейтрона , являющихся составными частямиатомных ядер .

Парадигма (от греч. παραδειγμα – образец) – исходная концептуальная модель постановки проблем и их решения, методов исследования, господствующих в течение определенного исторического периода в научном соообществе.

Позитрон (от лат. positivus – положительный) – элементарная частица с положительным электрическим зарядом,античастица по отношению кэлектрону .

Постулат (от лат. postulatum – требование) – утверждение, принимаемое в рамках какой-либо научной теории за истинное, хотя и не доказуемое ее средствами, и поэтому играющее в ней роль аксиомы.

Протон (от греч. πρωτος – первый) – стабильнаяэлементарная частица с полуцелым спином и массой в 1836 электронных масс.

Соответствия принцип – сформулированный Н. Бором принцип взаимоотношений последовательно меняющих друг друга теорий, заключающийся в том, что всякая новая теория не отвергает полностью предшествующую, а включает ее в себя в качестве частного случая.

Спин (от англ. spin – вращение) – собственный момент импульса (количества движения) микрочастицы, имещий квантовую природу и не связанный с перемещением частицы как целого; измеряется в единицах постоянной Планка.

Фальсификации принцип (от лат. falsifico – подделывать) – принцип разграничения научного и ненаучного знания, состоящий в том, что критерием научности теории является ее фальсифицируемость, т. е. опровержимость.

Фотон (от греч. φωτος – свет) – квант электромагнитного поля, нейтральнаяэлементарная частица с нулевой массой и единичным спином.

Флуктуации (от лат. fluctuatio – колебание) – случайные отклонения от средних значений наблюдаемых величин, характеризующих систему из большого числа частиц; имеют место для любых случайных процессов.

Эволюция (от лат. evolutio – развертывание) – представление об изменениях в природе и обществе, их направленности, порядке и закономерностях.

Электрон – перваяэлементарная частица , открытая в физике, материальный носитель наименьшей массы и наименьшего электрического заряда в природе.

Элементарные частицы

Энтропия (от греч. εν + τροπη – превращение) – функция состояния термодинамической системы. Неравновесные процессы в изолированной системе сопровождаются ростом энтропии. Понятие энтропии широко используется в физике, химии, биологии, теории информации.

Ядро атомное – центральная массивная часть атома, состоящая изнуклонов (протонов и нейтронов), связанных ядерными силами.

Ставя физические опыты, ученые фактически задают природе вопросы. Если опыт поставлен грамотно, если все технические тонкости учтены и если результат его правильно интерпретирован - ученые получают ответ природы, новое знание о физическом мире.

Физики задают природе вопросы и об устройстве микромира. Для общения с природой на эту тему был найден удобный язык, этакая «азбука Морзе» для разговоров о микромире . «Буквами» этого языка служат разнообразные элементарные частицы и их характеристики, «словами» - комбинации элементарных частиц, которые рождаются в каком-то столкновении на коллайдере и затем регистрируются в детекторе. А последовательность из большого числа одинаковых столкновений с самыми разными результатами - это целые «фразы», которыми природа рассказывает нам о каком-то своем свойстве.

Задача физика-экспериментатора - правильно распознать все буквы и слова, найти в этом потоке информации от природы фразы и правильно понять их смысл.

Этапы изучения элементарных частиц

То же самое можно выразить и менее поэтическим языком. Физикам требуется:

зарегистрировать частицы, рождающиеся в столкновениях, и аккуратно измерить их характеристики;
понять, как частицы комбинируются друг с другом: какая вместе с какой рождается, какая на какую распадается, какая с какой взаимодействует;
повторить такое столкновение много раз, набрать большой объем данных и, анализируя его статистическими методами, извлечь закономерности;
проверить, согласуются ли эти закономерности друг с другом и с теоретическими предсказаниями.

Все эти этапы вместе и составляют задачу изучения элементарных частиц. Перечислим некоторые тонкости этих этапов.

Регистрация событий

Элементарные частицы, родившись в столкновении внутри коллайдера, разлетаются прочь с околосветовой скоростью. Если на пути частицы поставить какой-нибудь простой датчик, то он, может быть, зарегистрирует пролет частицы, но не расскажет ни о ее сорте, ни о ее заряде, энергии, массе, времени жизни и прочих характеристиках. Всю эту информацию приходится «выцарапывать» с помощью сложных многослойных детекторов элементарных частиц .

Многослойность нужна потому, что каждый слой оптимизирован для измерения какой-то одной характеристики. Внутренние части детектора очень точно измеряют траектории частиц и почти не мешают их движению. Следующие слои, напротив, стараются полностью поглотить интенсивно взаимодействующие частицы, чтобы измерить их энергию. А на самой периферии детектора установлены датчики, которые отслеживают плохо взаимодействующие частицы (в основном, мюоны).

В каждом слое используются свои инженерные решения, которые зачастую были придуманы специально для этого детектора. Так что современный детектор вовсе не собирается из каких-то стандартных готовых блоков, а изобретается почти с нуля. Поэтому все детекторы, установленные на Большом адронном коллайдере, непохожи друг на друга и имеют свои изюминки. При этом многие из них специально оптимизированы для какого-то определенного класса «вопросов природе», и лишь два самых крупных детектора - CMS и ATLAS - являются многоцелевыми.

Сразу после того, как столкновение зарегистрировано, оно моментально - за доли микросекунды! - оценивается на предмет его «научной интересности». Это решение принимается электроникой, установленной рядом с детектором; эта совокупность электроники называется триггером . Если в том «снимке события», который запечатлел детектор, прослеживаются намеки на частицы большой энергии или прочие интересные объекты, триггер разрешает полностью оцифровать событие и пропускает его дальше. Оно затем поступает в вычислительные центры и записывается для будущего анализа.

Анализ статистики

Анализ событий начинается не сразу, а после того, как накопится заметное число событий. В рамках крупной коллаборации выделяется несколько десятков небольших групп, каждая из которых в течение месяцев или даже лет работает над определенным типом анализа. Это может быть поиск хиггсовского бозона, измерение массы топ-кварка, изучение распадов B-мезонов, и многое другое.

Работа этой группы, в общих чертах, выглядит так. Исследователи изучают ранее накопленный опыт изучения таких частиц и вырабатывают критерии поиска (какие события отбирать, а какие игнорировать, на какие характеристики частиц обращать внимание прежде всего, какого сорта проверки полезно делать). Они (а точнее, написанные ими программы) перебирают всю накопленную статистику и отбирают события, удовлетворяющие их критериям. Затем с этой выборкой идет длительная работа: физики классифицируют события, строят распределения, выделяют области, наиболее чувствительные к искомому эффекту, и т. д.

Параллельно они проводят моделирование с помощью специально созданных программных пакетов, в которых заложена та или иная теоретическая модель, либо Стандартная модель , либо какой-то вариант Новой физики . Эти программы генерируют псевдоданные , то есть они как бы эмулируют работу коллайдера в рамках какого-то теоретического предположения. Эти псевдоданные тоже могут подвергаться тем же самым критериям отбора, которые применяются и к настоящим данным коллайдера. Экспериментаторы сравнивают одни с другими, и это позволяет им не только сказать что-то о результатах измерений, но и еще больше оптимизировать анализ данных. При этом сравнение и оптимизация делаются так, чтобы не допустить предвзятость самих исследователей (см. пример в новости Что означает «слепой анализ» при поиске новых частиц?)

Разумеется, вся эта работа очень сложна и содержит множество подводных камней. Результат, который получают экспериментаторы, вовсе не идеально точен, а содержит разнообразные погрешности самого разного происхождения. Грамотная оценка всех источников погрешностей - один из ключевых этапов работы исследовательской группы.

После того как результат получен и перепроверен внутри маленькой группы, пишется статья с изложением результата, и она выносится на обсуждение всей коллаборации. Проходит несколько этапов обсуждения работы, и после того, как коллаборация дает добро, статья публикуется. Именно в этот момент «внешний мир» узнает, что такая-то коллаборация провела такой-то анализ и опубликовала статью.

Желающим ближе познакомиться со всеми этими этапами работы на одном конкретном примере можно порекомендовать большой популярный рассказ Анатомия одной новости, или Как на самом деле физики изучают элементарные частицы .

В физике элементарных частиц принято все свежие статьи выкладывать в полностью открытый архив е-принтов arxiv.org (так и читается, «архив»). Одновременно статья направляется для публикации в научный журнал, и после прохождения этапа рецензирования статья появляется в печати. Стоит подчеркнуть, что политика ЦЕРНа такова, что абсолютно все статьи с результатами Большого адронного коллайдера находятся в свободном доступе - не важно, в каком журнале они опубликованы. Так что с результатами LHC во всех деталях может познакомиться любой желающий.

ПЛАН

Введение

1. Открытие элементарных частиц

2. Теории элементарных частиц

2.1. Квантовая электродинамика (КЭД)

2.2. Теория кварков

2.3. Теория электрослабого взаимодействия

2.4. Квантовая хромодинамика

Заключение

Литература

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. Многие из них в свою очередь состоят из еще более элементарных частичек.

Мир субатомных частиц поистине многообразен. 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. Время их жизни 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.

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 в. физика начинает понимать, каково значение каждой из элементарных частиц.

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

1. Открытие элементарных частиц.

Открытие элементарных часиц 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 элементарной частицей 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).

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 элементарных частиц 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. 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 элементарные частицы, которые и становятся предметом изучения.

С начала 50-х гг. ускорители превратились в основной инструмент для исследования элементарных частиц. 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 - т. н. нарушению пространств, чётности (1956). Ввод в строй протонных ускорителей с энергиями в миллиарды электронвольт 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 элементарными частицами) 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 элементарных частиц.

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), означающее необходимость пересмотра привычных взглядов на поведение физических процессов при операции отражения времени.

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 элементарных частиц - “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 элементарных частиц оказался достаточно сложно устроенным. Неожиданными во многих отношениях оказались свойства обнаруженных элементарных частиц. 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 элементарных частиц - странность (К. Нишиджима, М. Гелл-Ман, 1953), “очарованных” элементарных частиц - “очарование” (американские физики Дж. Бьёркен, Ш. Глэшоу, 1964); уже названия приведённых характеристик отражают необычность описываемых ими свойств элементарных частиц.

Изучение внутреннего строения материи и свойств элементарных частиц 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.

2. Теории элементарных частиц

2.1. Квантовая электродинамика (КЭД)

Квантовая механика позволяет описывать движение элементарных частиц, но не их порождение или уничтожение, т. е. применяется лишь для описания систем с неизменным числом частиц. Обобщением квантовой механики является квантовая теория поля - это квантовая теория систем с бесконечным числом степеней свободы (физических полей). Потребность в такой теории порождается квантово-волновым дуализмом, существованием волновых свойств у всех частиц. В квантовой теории поля взаимодействие представляют как результат обмена квантами поля.

В середине ХХ в. была создана теория электромагнитного взаимодействия - квантовая электродинамика КЭД - это продуманная до мельчайших деталей и оснащенная совершенным математическим аппаратом теория взаимодействия фотонов и электронов. В основе КЭД - описание электромагнитного взаимодействия с использованием понятия виртуальных фотонов - его переносчиков. Эта теория удовлетворяет основным принципам как квантовой теории, так и теории относительности.

В центре теории анализ актов испускания или поглощения одного фотона одной заряженной частицей, а также аннигиляции электронно-позитронной пары в фотон или порождение фотонами такой пары.

Если в классическом описании электроны представляются в виде твердого точечного шарика, то в КЭД окружающее электрона электромагнитное поле рассматривается как облако виртуальных фотонов, которое неотступно следует за электроном, окружая его квантами энергии. После того, как электрон испускает фотон, тот порождает (виртуальную) электрон-позитронную пору, которая может аннигилировать с образованием нового фотона. Последний может поглотиться исходным фотоном, но может породить новую пару и т.д. Таким образом электрон покрывается облаком виртуальных фотонов, электронов и позитронов, находящихся в состоянии динамического равновесия. Фотоны возникают и исчезают очень быстро, а электроны движутся в пространстве не по вполне определенным траекториям. Еще можно тем или иным способом определить начальную и конечную точки пути - до и после рассеяния, но сам путь в промежутке между началом и концом движения остается неопределенным.

Описание взаимодействия с помощью частицы-переносчика привело к расширению понятия фотона. Вводятся понятия реального (кванта видимого нами света) и виртуального (скоротечного, призрачного) фотона, который "видят" только заряженные частицы, претерпевающие рассеяние.

Чтобы проверить, согласуется ли теория с реальностью, физики сосредоточили внимание на двух эффектах, представлявших особый интерес. Первый касался энергетических уровней атома водорода - простейшего атома. Согласно КЭД, уровни должны быть слегка смещены относительно положения, которое они занимали бы в отсутствие виртуальных фотонов. Вторая решающая проверка КЭД касалась чрезвычайно малой поправки к собственному магнитному моменту электрона. Теоретические и экспериментальные результаты проверки КЭД совпадают с высочайшей точностью - более девяти знаков после запятой. Столь поразительное соответствие дает право считать КЭД наиболее совершенной из существующих естественно-научных теорий.

После подобного триумфа КЭД была принята как модель для квантового описания трех других фундаментальных взаимодействий. Разумеется, полям, связанным с другими взаимодействиями, должны соответствовать иные частицы-переносчики.

2.2. Теория кварков

Теория кварков - это теория строения адронов. Основная идея этой теории очень проста. Все адроны построены из более мелких частиц, называемых кварками. Значит, кварки - это более элементарные частицы, чем адроны. Кварки несут дробный электрический заряд: они обладают зарядом, величина которого составляет либо -1 / 3 или +2 / 3 фундаментальной единицы - заряда электрона. Комбинация из двух и трех кварков может иметь суммарный заряд, равный нулю или единице. Все кварки имеют спин Ѕ ,поэтому они относятся к фермионам. Основоположники теории кварков Гелл-Манн и Цвейг, чтобы учесть все известные в 60-е гг. адроны ввели три сорта (аромата) кварков: u (от up- верхний), d (от down- нижний) и s (от strange - странный).

Кварки могут соединяться друг с другом одним из двух возможных способов: либо тройками, либо парами кварк - антикварк. Из трех кварков состоят сравнительно тяжелые частицы - барионы, что означает "тяжелые частицы". Наиболее известны из барионов нейтрон и протон. Более легкие пары кварк - антикварк образуют частицы, получившие название мезоны - "промежуточные частицы". Например, протон состоит из двух u- и одного d-кварков (uud), а нейтрон - из двух d-кварков и одного u-кварка (udd).Чтобы это "трио" кварков не распадалось, необходима удерживающая их сила, некий "клей".

Оказалось, что результирующее взаимодействие между нейтронами и протонами в ядре представляет собой просто остаточный эффект более мощного взаимодействия между самими кварками. Это объяснило, почему сильное взаимодействие кажется столь сложным. Когда протон "прилипает" к нейтрону или другому протону, во взаимодействии участвуют шесть кварков, каждый из которых взаимодействует со всеми остальными. Значительная часть сил тратится на прочное склеивание трио кварков, а небольшая - на скрепление двух трио кварков друг с другом. (Но выяснилось, что кварки участвуют и в слабом взаимодействии. Слабое взаимодействие может изменять аромат кварка. Именно так происходит распад нейтрона. Один из d-кварков в нейтроне превращается в u-кварк, а избыток заряда уносит рождающийся одновременно электрон. Аналогичным образом, изменяя аромат, слабое взаимодействие приводит к распаду и других адронов.)

То обстоятельство, что из различных комбинаций трех основных частиц можно получить все известные адроны, стало триумфом теории кварков. Но в 70-е гг. были открыты новые адроны (пси-частицы, ипсилон-мезон и др.). Этим был нанесен удар первому варианту теории кварков, поскольку в ней уже не было места ни для одной новой частицы. Все возможные комбинации из кварков и их антикварков были уже исчерпаны.

Проблему удалось решить за счет введения трех новых ароматов. Они получили название - charm (очарование), или с; b -кварк (от bottom - дно, а чаще beauty - красота, или прелесть); впоследствии был введен еще один аромат - t (от top - верхний).

Кварки скрепляются между собой сильным взаимодействием. Переносчики сильного взаимодействия - глюоны (цветовые заряды). Область физики элементарных частиц, изучающая взаимодействие кварков и глюонов, носит название квантовой хромодинамики. Как квантовая электродинамика - теория электромагнитного взаимодействия, так квантовая хромодинамика - теория сильного взаимодействия.

Хотя и существует некоторая неудовлетворенность кварковой схемой, большинство физиков считает кварки подлинно элементарными частицами - точечными, неделимыми и не обладающими внутренней структурой. В этом отношении они напоминают лептоны, и уже давно предполагается, что между этими двумя различными, но сходными по своей структуре семействами должна существовать глубокая взаимосвязь.

Таким образом, наиболее вероятное число истинно элементарных частиц (не считая переносчиков фундаментальных взаимодействий) на конец ХХ века равно 48. Из них: лептонов (6х2) = 12 плюс кварков (6х3)х2 =36.

2.3. Теория электрослабого взаимодействия

В 70-е ХХ века в естествознании произошло выдающееся событие: два взаимодействия из четырех физики объединили в одно. Картина фундаментальных оснований природы несколько упростилась. Электромагнитное и слабое взаимодействия, казалось бы весьма разные по своей природе, в действительности оказались двумя разновидностями единого т.н. электрослабого взаимодействия. Теория электрослабого взаимодействия решающим образом повлияла на дальнейшее развитие физики элементарных частиц в конце ХХ в.

Главная идея в построении этой теории состояла в описании слабого взаимодействия на языке концепции калибровочного поля, в соответствии с которой ключом к пониманию природы взаимодействий служит симметрия. Одна из фундаментальных идей в физике второй половины ХХ в. - это убеждение, что все взаимодействия существуют лишь для того, чтобы поддерживать в природе некий набор абстрактных симметрий. Какое отношение имеет симметрия к фундаментальным взаимодействиям? На первый взгляд, само предположение о существовании подобной связи кажется парадоксальным и непонятным.

Прежде всего о том, что понимается под симметрией. Принято считать, что предмет обладает симметрией, если предмет остается неизменным в результате проведения той или иной операции по его преобразованию. Так, сфера симметрична, потому что выглядит одинаково при повороте на любой угол относительно ее центра. Законы электричества симметричны относительно замены положительных зарядов отрицательными и наоборот. Таким образом, под симметрией мы понимаем инвариантность относительно некой операции.

Существуют разные типы симметрий: геометрические, зеркальные, негеометрические. Среди негеометрических есть так называемые калибровочные симметрии . Калибровочные симметрии носят абстрактный характер и непосредственно не фиксируются. Они связаны с изменением отсчета уровня, масштаба или значения некоторой физической величины. Система обладает калибровочной симметрией, если ее природа остается неизменной при такого рода преобразовании. Так, например, в физике работа зависит от разности высот, а не от абсолютной высоты; напряжение - от разности потенциалов, а не от их абсолютных величин и др. Симметрии, на которых основан пересмотр понимания четырех фундаментальных взаимодействий, именно такого рода. Калибровочные преобразования могут быть глобальными и локальными. Калибровочные преобразования, изменяющиеся от точки к точке, известны под названием "локальных" калибровочных преобразований. В природе существует целый ряд локальных калибровочных симметрий и необходимо соответствующее число полей для компенсации этих калибровочных преобразований. Силовые поля можно рассматривать как средство, с помощью которого в природе создаются присущие ей локальные калибровочные симметрии. Значение концепции калибровочной симметрии заключается в том, что благодаря ей теоретически моделируются все четыре фундаментальных взаимодействия, встречающиеся в природе. Все их можно рассматривать как калибровочные поля.

Представляя слабое взаимодействие в виде калибровочного поля, физики исходят из того, что все частицы, участвующие в слабом взаимодействии, служат источниками поля нового типа - поля слабых сил. Слабо взаимодействующие частицы, такие, как электроны и нейтрино, являются носителями "слабого заряда", который аналогичен электрическому заряду и связывает эти частицы со слабым полем.

Для представления поля слабого взаимодействия как калибровочного прежде всего необходимо установить точную форму соответствующей калибровочной симметрии. Дело в том, что симметрия слабого взаимодействия гораздо сложнее электромагнитного. Ведь и сам механизм этого взаимодействия оказывается более сложным. Во-первых, при распаде нейтрона, например, в слабом взаимодействии участвуют частицы по крайней мере четырех различных типов (нейтрон, протон, электрон и нейтрино). Во-вторых, действие слабых сил приводит к изменению их природы (превращению одних частиц в другие за счет слабого взаимодействия). Напротив, электромагнитное взаимодействие не изменяет природы участвующих в нем частиц.

Это определяет то обстоятельство, что слабому взаимодействию соответствует более сложная калибровочная симметрия, связанная с изменением природы частиц. Выяснилось, что для поддержания симметрии здесь необходимы три новых силовых поля, в отличие от единственного электромагнитного поля. Было получено и квантовое описание этих трех полей: должны существовать три новых типа частиц - переносчиков взаимодействия, по одному для каждого поля. Все весте они называются тяжелыми векторными бозонами со спином 1 и являются переносчиками слабого взаимодействия.

Частицы W + и W - являются переносчиками двух из трех связанных со слабым взаимодействием полей. Третье поле соответствует электрически нейтральной частице-переносчику, получившей название Z -частицы. Существование Z -частицы означает, что слабое взаимодействие может не сопровождаться переносом электрического заряда.

В создании теории электрослабого взаимодействия ключевую роль сыграло понятие спонтанного нарушения симметрии: не всякое решение задачи обязано обладать всеми свойствами его исходного уровня. Так, частицы, совершенно разные при низких энергиях, при высоких энергиях могут оказаться на самом деле одной и той же частицей, но находящейся в разных состояниях. Опираясь на идею спонтанного нарушения симметрии, авторы теории электрослабого взаимодействия Вайнберг и Салам сумели решить великую теоретическую проблему - они совместили казалось бы несовместимые вещи (значительная масса переносчиков слабого взаимодействия, с одной стороны, и идею калибровочной инвариантности, которая предполагает дальнодействующий характер калибровочного поля, а значит нулевую массу покоя частиц-переносчиков, с другой) и таким образом соединили электромагнетизм и слабое взаимодействие в единой теории калибровочного поля.

В этой теории представлено всего четыре поля: электромагнитное поле и три поля, соответствующие слабым взаимодействиям. Кроме того, введено постоянное на всем пространстве скалярное поле (т. н. поля Хиггса), с которым частицы взаимодействуют по разному, что и определяет различие их масс. (Кванты скалярного поля представляют собой новые элементарные частицы с нулевым спином. Их называют хиггсовскими (по имени физика П.Хиггса, предположившего их существование). Число таких хиггсовских бозонов может достигать нескольких десятков. На опыте такие бозоны пока не обнаружены. Более того, ряд физиков считает их существование необязательным, но совершенной теоретической модели без хиггсовскмих бозонов пока не найдено) Первоначально W и Z -кванты не имеют массы, но нарушение симметрии приводит к тому, что некоторые частицы Хиггса сливаются с W и Z -частицами, наделяя их массой.

Различия свойств электромагнитного и слабого взаимодействий теория объясняет нарушением симметрии. Если бы симметрия не нарушалась, то оба взаимодействия были бы сравнимы по величине. Нарушение симметрии влечет за собой резкое уменьшение слабого взаимодействия. Можно сказать, что слабое взаимодействие имеет столь малую величину потому, что W и Z -частицы очень массивны. Лептоны редко сближаются на столь малые расстояния (r < 1 0 n см., где n = - 1 6). Но при больших энергиях (> 1 0 0 Гэв), когда частицы W и Z могут свободно рождаться, обмен W и Z бозонами осуществляется столь же легко, как и обмен фотонами (безмассовыми частицами). Разница между фотонами и бозонами стирается.В этих условиях должно существовать полная симметрия между электромагнитным и слабым взаимодействием - электрослабое взаимодействие.

Проверка новой теории заключалась в подтверждении существования гипотетических W и Z -частиц. Их открытие стало возможным только с созданием очень больших ускорителей новейшего типа. Открытие в 1983 г. W и Z -частиц означало торжество теории электрослабого взаимодействия. Не было больше нужды говорить о четырех фундаментальных взаимодействиях. Их осталось три.

2.4. Квантовая хромодинамика

Следующий шаг на пути Великого объединения фундаментальных взаимодействий - слияние сильного взаимодействия с электрослабым. Для этого необходимо придать черты калибровочного поля сильному взаимодействию и ввести обобщенное представление об изотопической симметрии. Сильное взаимодействие можно представлять как результат обмена глюонами, который обеспечивает связь кварков (попарно или тройками) в адроны.

Замысел здесь состоит в следующем. Каждый кварк обладает аналогом электрического заряда, служащим источником глюонного поля. Его назвали цветом (Разумеется, это название не имеет никакого отношения к обычному цвету). Если электромагнитное поле порождается зарядом только одного сорта, то для создания более сложного глюонного поля потребовалось три различных цветовых заряда. Каждый кварк "окрашен" в один из трех возможных цветов, которые совершенно произвольно были названы красным, зеленым и синим. И соответственно антикварки бывают антикрасные, антизеленые и антисиние.

На следующем этапе теория сильного взаимодействия развивается по той же схеме, что и теория слабого взаимодействия. Требование локальной калибровочной симметрии (т.е. инвариантности относительно изменений цвета в каждой точке пространства) приводит к необходимости введения компенсирующих силовых полей. Всего требуется восемь новых компенсирующих силовых полей. Частицами - переносчиками этих полей являются глюоны, и, таким образом, из теории следует, что должно быть целых восемь различных типов глюонов. (В то время как переносчик электромагнитного взаимодействия - всего лишь один (фотона), а переносчиков слабого взаимодействия - три.) Глюоны имеют нулевую массу покоя и спин 1. Глюоны также имеют различные цвета, но не чистые, а смешанные (например, сине-антизеленый). Поэтому, испускание или поглощение глюона сопровождается изменением цвета кварка ("игра цветов"). Так, например, красный кварк, теряя красно-антисиний глюон, превращается в синий кварк, а зеленый кварк, поглощая сине-антизеленый глюон, превращается в синий кварк. В протоне, например, три кварка постоянно обмениваются глюонами, изменяя свой цвет. Однако такие изменения носят не произвольный характер, а подчиняются жесткому правилу: в любой момент времени "суммарный" цвет трех кварков должен представлять собой белый свет, т.е. сумму "красный + зеленый + синий". Это распространяется и на мезоны, состоящие из пары кварк - антикварк. Поскольку антикварк характеризуется антицветом, такая комбинация заведомо бесцветна ("белая"), например красный кварк в комбинации с антикрасным кварком образует бесцветный мезон.

С точки зрения квантовой хромодинамики (квантовой теории цвета) сильное взаимодействие есть не что иное, как стремление поддерживать определенную абстрактную симметрию природы: сохранение белого цвета всех адронов при изменении цвета их составных частей. Квантовая хромодинамика великолепно объясняет правила, которым подчиняются все комбинации кварков, взаимодействие глюонов между собой (глюон может распадаться на два глюона или два глюона слить в один - поэтому и появляются нелинейные члены в уравнении глюонного поля), сложную структуру адрона, состоящего из "одетых" в облака кварков и др.

Возможно, пока преждевременно оценивать квантовую хромодинамику как окончательную и завершенную теорию сильного взаимодействия, тем не менее ее достижения многообещающи.

Заключение.

Происхождение многих свойств элементарных частиц 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 элементарных частиц будет построена.

ЛИТЕРАТУРА

Алексеев В.П. Становление человечества. М.,1984. Бор Н. Атомная физика и человеческое познание. М.,1961 Борн М. Эйнштейновская теория относительности.М.,1964.

Дорфман Я.Г. Всемирная история физики с начала 19 века до середины 20 века. М.,1979.

Кемпфер Ф. Путь в современную физику. М.,1972.

Найдыш В.М. Концепции современного естествознания. Учебное пособие. М.,1999.

Баженов Л.Б. Строение и функции естественнонаучной теории. М.,1978.

Розенталь И.Л. Элементарные частицы и структура Вселенной. М, 1984.

III Микромир

Движение и физическое взаимодействие.

Основополагающие принципы современной физики и квантовой механики: принцип симметрии, принцип дополнительности и соотношения неопределенностей, принцип суперпозиции, принцип соответствия. «Апофатизм» в описании структуры и механики микромира.

Богословское осмысление тенденций к построению «Теории Всего».

Литература для изучения:

1. Барбур И. Религия и наука: история и современность. – М.: Библейско-Богословский институт св. ап. Андрея, 2001. – C. 199-216; 230-238; 253-256. (Электронный ресурс: http://www.mpda.ru/publ/text/59427.html)

2. Горелов А.А. Концепции современного естествознания. – М.: Высшее образование, 2006. – C. 110-120.

3. Грин Б. Элегантная вселенная. Суперструны, скрытые размерности и поиски окончательной теории: Пер. с англ. – М.: КомКнига, 2007.

4. Грин Б. Ткань космоса: Пространство, время и текстура реальности: Пер. с англ. – М.: URSS, 2009.

5. Осипов А.И. Путь разума в поисках истины. – СПб.: Сатис, 2007. - С. 100-110.

6. Садохин А.П. Концепции современного естествознания: курс лекций. – М.: Омега-Л, 2006. – С. 64-78.

7. Фейнман Р ., Характер физических законов. – М.: Наука, 1987. (Электронный ресурс: http://vivovoco.rsl.ru/VV/Q_PROJECT/FEYNMAN/CONT.HTM)

История открытия элементарных частиц: атомы, адроны, кварки, струны.

Согласно древнегреческим философам Левкиппу (Λεύκιππος, V век до р. Х.) и Демокриту (Δημόκριτος; ок. 460 до н. э. - ок. 370 до р. Х.) – основоположникам атомизма, в основе мира лежат атомы - мельчайшие неделимые частицы, которые сцепляются и образуют все живое и неживое.

К XVIII в. стало понятно, что атом является элементарной химически неделимой частицей, в то время как молекула , - элементарная частица вещества, сохраняющая его свойства, - состоит из определенных «сортов» атомов. Атомы одного вида получили названия элементов. В 1869 г. Дмитрий Иванович Менделеев создал свою Периодическую систему, включающую 64 элемента (на октябрь 2009 года известно 117 химических элементов с порядковыми номерами с 1 по 116 и 118, из них 94 обнаружены в природе (некоторые - лишь в следовых количествах), остальные 23 получены искусственно в результате ядерных реакций).

Однако уже в 1910-х гг. физики приходят к выводу о делимости атома (ἄτομος - неделимый!). Создаются ряд моделей атома, из которых признание завоевала «планетарная» модель атома с внесенными поправками-постулатами (Э. Резерфорд, Ernest Rutherford; 1871 – 1937, Н. Бор, Niels Bohr; 1885 - 1962).

Планетарная модель атома весьма скоро была признана непригодной из-за принципиального противоречия с фактом линейчатого характера спектра излучения: электрон, вращающийся вокруг положительно заряженного ядра, непрерывно излучает, т.е., теряет энергию и скоро неизбежно должен «падать» на ядро. Положение исправили постулаты Бора, в которых электрон не мог непрерывно терять энергию, излучение происходит в результате скачкообразного перехода на нижележащую орбиту. Создание квантовой теории атома в 20-х годах показало, что от постулатов Бора необходимо отказаться. Представление о ядре атома в то же время оставалось все таким же, как после опытов Резерфорда по рассеиванию альфа-частиц в начале ХХ в.: ядро состоит из протонов и некоторого, меньшего числа электронов. Нейтрон был открыт английским физиком Дж. Чедвиком (James Chadwick; 1891 - 1974) в 1932 году. Тут наступил следующий акт драмы. Считалось, что электрон, который вылетает из ядра при бета-распаде, - это один из электронов, которые находились в ядре. Но теперь уже было известно, что ядро состоит из протонов и нейтронов. Откуда же берется электрон? Выдающийся итальянский физик Э. Ферми (Enrico Fermi; 1901 - 1954) выдвинул парадоксальную гипотезу. Электронов в ядре нет, при распаде происходит рождение электрона, а нейтрон превращается в протон. Такое решение вопроса казалось настолько неприемлемым, что солидный журнал Nature отказался опубликовать статью Ферми на эту тему. Это первый прецедент рождения частицы из энергии. Цепочка странных идей не этом не оборвалась. Японский физик-теоретик Хидэки Юкава (1907 - 1981) построил простую физическую модель, в которой в результате обмена нуклонов частицей с ненулевой массой возникает сила, удерживающая нуклоны в ядре. Юкава также рассчитал массу этой «виртуальной» частицы. Однако по понятиям физиков того времени частицу можно признать существующей, если она обнаружена также в свободном состоянии. Были предприняты поиски частицы Юкавы в космических лучах, и, казалось бы, частица была найдена. Однако найденная частица имела меньшую массу, чем частица Юкавы. Кроме того, появились данные, что найденная частица подобна электрону, но тяжелее. В дальнейшем частица была названа мю-мезоном (греч. μέσος - средний). Поиски продолжались, и в сороковых годах была найдена другая полностью подходящая частица (ее назвали пи-мезоном). В 1948 году Юкава получил Нобелевскую премию.

Таким образом, физики осознали возможность существования частиц в виртуальном состоянии, т.е., при расщеплении ядра частица не обнаруживается, но реально обеспечивает взаимное притяжение нуклонов в ядре. Оказалось, что неделимы не только атомы, но и «кирпичики», слагающие их ядра, - протоны и нейтроны.

В 1960-х гг. было доказано, что и эти частицы состоят из еще более маленьких частиц с дробным положительным или отрицательным зарядом (1 /3 е или 2/3 е ) - кварков . Гипотеза о том, что «элементарные» частицы построены из специфических субъединиц, была впервые выдвинута американскими физиками М. Гелл-Манном (Murray Gell-Mann; род. в 1929 г.) и Дж. Цвейгом (род. в 1937 г.) в 1964 году. В период с 1969 по 1994 гг. удалось экспериментально обосновать, по крайней мере косвенно, возможность существования кварков.

Слово «кварк» было заимствовано Гелл-Манном из художественного романа Дж. Джойса «Поминки по Финнегану», где в одном из эпизодов звучит фраза «Three quarks for Muster Mark!» (обычно переводится как «Три кварка для м. Марка!»). Само слово «quark» в этой фразе предположительно является звукоподражанием крику морских птиц или означает на немецком сленге что-то в роде «чепуха».

Кварки не существуют автономно, «сами по себе», а только в системе – «элементарной» частице (протон, нейтрон и т. д.), и описываются такими специфическими параметрами как «аромат» (6 видов, см. схему) и «цвет» («красный, «синий», «зеленый», «антикрасный», «антисиний», «антизеленый»). Суммарный заряд 2-х или 3-х кварков, объединенных в систему должен быть целочисленным (0 или 1). Сумма цветов также равна «нулю» (белый).

Кварки «сцепляются» между собой благодаря сильному физическому взаимодействию. Высказано предположение, что кварки участвуют также в электромагнитных и слабых взаимодействиях. Причем в первом случае кварки не меняют свой цвет и аромат, а во втором – меняют аромат, сохраняя цвет.

Всего же на протяжении ХХ века было обнаружено около 400 элементарных частиц. Одни из них, как было сказано выше, имеют определенную структуру (протон, нейтрон), другие являются бесструктурными (электрон, нейтрино, фотон, кварк).

Элементарные частицы обладают довольно большим количеством параметров, поэтому существует несколько стандартных типов их классификаций, приводимые ниже.

1. По массе покоя частицы (масса покоя, определяемая по отношению к массе покоя электрона, считающегося самой легкой из всех частиц, имеющих массу):

фотоны (φῶς, φωτός - свет) - частицы, не имеющие массы покоя и движущиеся со скоростью света;

лептоны (λεπτός - легкий) - легкие частицы (электрон и разные виды нейтрино);

мезоны (μέσος - средний, промежуточный) - средние частицы с массой от одной до тысячи масс электрона;

барионы (βαρύς - тяжелый) - тяжелые частицы с массой более тысячи масс электрона (протоны, нейтроны, гипероны, многие резонансы).

2. По электрическому заряду, всегда кратному фундаментальной единице заряда - заряду электрона (-1), который рассматривается в качестве единицы отсчета зарядов. Заряд частиц может быть отрицательным, положительным или нулевым. Как было сказано выше, для кварков характерен дробный электрическим заряд.

3. По типу физического взаимодействия (см. ниже), в котором принимают участие те или иные элементарные частицы. По данному показателю их можно разделить на три группы:

· адроны (ἁδρός - тяжелый, крупный, сильный), участвующие в электромагнитном, сильном и слабом взаимодействиях (мезоны и барионы);

· лептоны, участвующие только в электромагнитном и слабом взаимодействиях;

· частицы - переносчики взаимодействий (фотоны - переносчики электромагнитного взаимодействия, глюоны - переносчики сильного взаимодействия, тяжелые векторные бозоны - переносчики слабого взаимодействия, гипотетические гравитоны - частицы, обеспечивающие гравитационное взаимодействие).

4. По времени жизни частиц:

· стабильные «долгожители» (фотон, нейтрино, нейтрон, протон, электрон; время жизни –до бесконечности);

· квазистабильные (резонансы) ; время существования составляет 10 -24 -10 -26 с.; распадаются в результате электромагнитного и слабого взаимодействия;

· нестабильные (большинство элементарных частиц; время их жизни - 10 -10 - 10 -24 с).

5. По спину (от англ. spin – веретено, вертеть(ся)) - собственному моменту количества движения (импульса) частицы, ее внутренней степени свободы, обеспечивающей дополнительное физическое состояние. В отличие от классического момента количества движения, который может принимать любые значения, спин принимает только пять возможных значений. Он может равняться целому (0, 1, 2) или полуцелому (1/2 (электрон, протон, нейтрон), 3/2 (омега-гиперон)) числу. Частицы с полуцелым спином называются фермионами , а с целым - бозонами (фотоны со спином 1; мезоны - 0; гравитоны - 2).

Каждая частица имеет свою античастицу (вещество и антивещество). При их встрече происходит взаимное уничтожение (аннигиляция) и выделяется большое количество энергии.

Найденные закономерности в свойствах элементарных частиц и подразделение их на «семейства» или «поколения» позволили поставить вопрос о наличии внутренних глубинных закономерностях, определяющих их свойства (см. схему).

Существуют теории, объясняющие структуру микромира (например, Стандартная модель). В 1970-х гг. появилась весьма оригинальная теория струн (Джон Хенри Шварц, Schwartz, р. 1941; Г. Венециано,Gabriele Veneziano; род. 1942; М. Грин, Michael Greene, и др.). Теория струн - направление математической физики, изучающее не точечные частицы, как многие разделы физики, а одномерные протяженные геометрические объекты - квантовые струны . Теория основана на гипотезе, предполагающей, что все фундаментальные частицы и их взаимодействия возникают в результате колебаний (возбужденных состояний) и взаимодействий ультрамикроскопических энергетических квантовых струн на масштабах порядка т.н. планковской длины 10 −33 м, подобно тому, как звуки разной частоты порождаются вибрацией струны музыкального инструмента. Более того, само пространство и время рассматриваются как производные определенных модусов колебаний струн. Вселенная, состоящая из бесчисленного количества этих колеблющихся струн, подобна звучащей «космической симфонии». Несмотря на разрешение целого ряда существующих проблем, теория струн остается в настоящее время в основном математической абстракцией, требующей экспериментального подтверждения.

Ядерная физика зародилась при изучении явлений, обнаруженных впервые всего 50-70 лет тому назад. За прошедшие после этого годы проводились глубокие исследования, в результате которых многократно исправлялись и изменялись взгляды на природу процессов, происходящих в микромире. Был накоплен большой экспериментальный материал, который еще анализируется и систематизируется. Это привело к созданию новых отраслей науки. Так, прошло немногим более десяти лет с тех пор, как выделилась особая ветвь ядерной физики, предметом изучения которой являются первичные свойства, пространственная структура, взаимодействия и взаимные связи различных элементарных частиц.

Часто эту отрасль ядерной физики называют физикой высоких энергий, потому что для проведения большинства экспериментов в данной области нужны частицы весьма высокой энергии. Это обусловлено двумя причинами: во-первых, для изучения пространственной структуры элементарных частиц необходимо использовать пучки частиц с очень малой длиной волны К, сравнимой с изучаемыми расстояниями; во-вторых, для генерации новых частиц необходимо превысить порог генерации, определяемый их массами. Так, если при изучении ядерных реакций были достаточны энергии бомбардирующих частиц порядка энергии связи нуклонов в ядрах, т. е. то для опытов по рождению пионов потребовались протоны, ускоренные до энергий а для экспериментов по рождению протон-антипротонных пар-частицы - с энергией 6 млрд. эв.

Естественным источником частиц высоких энергий являются космические лучи. Не случайно поэтому, что до начала 50-х годов развитие физики элементарных частиц было тесно связано с изучением процессов в космических лучах. Однако интенсивность потока их сравнительно мала, и поэтому интересующие исследователей события крайне редки. Кроме того, космические частицы

неуправляемы, многие параметры их при высоких энергиях неизвестны, и поэтому опыты не вполне однозначны.

Совершенно новые возможности появились, когда частицы высоких энергий научились получать в лабораториях с помощью ускорителей заряженных частиц. Современные ускорители - это огромные инженерные сооружения, оснащенные сложнейшей управляющей, контрольной и измерительной аппаратурой. Будущее физики элементарных частиц тесно связано с развитием и усовершенствованием ускорительной техники для генерации частиц еще больших энергий в пучках повышенной плотности.

В настоящее время, когда интенсивно разрабатывается теория элементарных частиц, на основе которой можно будет предсказывать и объяснять их характеристики, для подтверждения высказанных гипотез и теоретических построений необходима постановка новых экспериментов, проведение которых невозможно с помощью существующей аппаратуры. Поэтому разрабатываются все более сложные установки для исследования взаимодействий при энергиях в космических лучах и новые ускорители, на которых можно будет производить прецизионные опыты при энергиях -

В начале тридцатых годов были известны только четыре частицы: электрон протон нейтрон -квант. Первая элементарная частица - электрон - была предсказана Лоренцом и открыта Томсоном в 1897 г. Вторая частица - протон - открыта Резерфордом в 1911 г. Открытие нейтрона Чадвиком привело к представлению о том, что из этих четырех частиц можно построить все известные формы материи: ядра, атомы вещества и электромагнитное поле. Открытие других частиц значительно усложнило картину.

Остановимся на важнейших этапах проникновения в мир элементарных частиц.

Античастицы. Существование античастиц было предсказано Дираком, как об этом уже говорилось в § 26. В настоящее время известно, что, за немногими исключениями, всякой элементарной частице, в том числе и электрически нейтральной, соответствует так называемая античастица. Массы, спины, изотопические спины и четности частицы и античастицы в точности равны. Знаки электрического и нуклонного зарядов, странностей а также магнитных моментов частицы и античастицы противоположны. В вакууме античастицы имеют то же время жизни, что и частицы; так, например, позитрон и антипротон стабильны.

Отличительной особенностью пары - частица и античастица - является их способность аннигилировать при встрече друг с другом, превращаясь в другие формы материи; при этом энергия, эквивалентная сумме масс покоя пары, переходит в энергию покоя и кинетическую энергию новых частиц или в энергию

Наоборот, для рождения пары требуется затратить энергию, эквивалентную или превышающую ту, которая определяется их массами покоя.

Открытие Дирака послужило основанием для формулировки общего свойства материи, названного зарядовым сопряжением, согласно которому наряду с частицей должна существовать ее античастица.

Известны три частицы, у которых античастиц не существует. Можно сказать, что такие частицы тождественны своим античастицам. Это - фотон, -мезон и -мезон, их называют абсолютно нейтральными.

Принцип зарядового сопряжения 1 гласит, что законы природы не меняются для системы, в которой все частицы заменены античастицами. Как выяснилось впоследствии, этот принцип справедлив для ядерных («сильных») и электромагнитных взаимодействий и не выполняется для слабых взаимодействий. Иными словами, если исключить из рассмотрения слабое взаимодействие, то мир, составленный из частиц, и мир, составленный из античастиц, тождественны по своим свойствам.

Первой античастицей, которую обнаружили экспериментально, был позитрон. В 1933 г. впервые удалось наблюдать процесс образования пары фотонами радиоактивных источников по фотографиям треков в камере Вильсона.

И только более 20 лет спустя удалось наблюдать рождение пары протон-антипротон и таким образом доказать существование частицы зарядово сопряженной протону. Так как масса покоя протона почти в две тысячи раз превышает массу покоя электрона, то и энергия для создания протон-антипротонной пары должна быть в несколько тысяч раз больше энергии, затрачиваемой на электронно-позитронную пару. В лабораторных условиях частицы с энергией в миллиарды электрон-вольт удалось получить только в 1953 г. Поэтому лишь в 1955 г. группа американских физиков обнаружила антипротоны среди других частиц, создаваемых при бомбардировке медной мишени протонами с энергией в Появление антипротона при этом происходило в результате реакции

После столкновения каждая из четырех частиц движется в среднем с кинетической энергией порядка Пороговая энергия для рождения пары при столкновении двух свободных нуклонов в лабораторной системе координат (принимается, что один из нуклонов до соударения покоился) равна Если соударение происходит с нуклоном, связанным в ядре то пороговая энергия уменьшается за счет внутриядерного движения

нуклонов. Таким образом, энергии протонов, ускоренных в беватроне до достаточно для рождения пары

План первого опыта основывался на трех свойствах антипротона. Во-первых, так как стабилен, то он может пройти через длинную установку. Во-вторых, знак заряда может быть определен по отклонению в магнитном поле, а величина заряда - по ионизации среды. В-третьих, зная, скорость частицы, можно вычислить ее массу по кривизне траектории в данном магнитном поле.

Рис. 94. Схема эксперимента для обнаружения антипротона

Основная трудность заключается в том, что при бомбардировке мишени протонами рождается огромное количество -мезонов с такими же импульсами, какие должны быть у антипротона (на один антипротон рождается примерно 62 000 -мезонов). Они имеют ту же траекторию, но значительно большую скорость из-за малости массы. Разница в скоростях и была использована для отделения антипротонов от -мезонов. Схема первого опыта приведена на рис. 94. Медная мишень бомбардировалась пучком протонов. Рожденные при столкновении отрицательные частицы отклонялись магнитными призмами и фокусировались магнитными линзами и При заданных полях через линзы проходили единично заряженные частицы с импульсами, равными Для определения скорости частиц на их пути ставились два быстродействующих люминесцентных счетчика на расстоянии друг от друга. С точностью до сек они регистрировали время пролета частицами -метрового интервала. Антипротоны проходили его за сек, а -мезоны за сек при одинаковой величине импульса. Для исключения случайных совпадений в счетчиках вызванных двумя -мезонами, на пути пролетающих частиц

были поставлены два черенковских счетчика Счетчик регистрировал только те частицы, которые проходят со скоростью от 75 до 78% скорости света, т. е. со скоростью антипротона. Счетчик включенный в схему антисовпадений, давал сигнал, когда проходила частица со скоростью, большей 78% скорости света -мезона с импульсом относительная скорость Для исключения частиц, которые могут попасть снаружи, ставился люминесцентный счетчик регистрирующий только частицы, движущиеся в направлении пучка.

В результате частица регистрировалась как антипротон лишь по выполнении следующих требований: счетчики указывали, что она прошла за сек, счетчик не давал сигнала, скорость частицы, зарегистрированная счетчиком лежала в интервале скорости света, счетчик указывал, что частица прошла через всю длину селектора.

Всего в первом опыте было зарегистрировано 60 антипротонов. Для проверки надежности методики ставились контрольные опыты. Изменялись направления магнитных полей, и в установку направлялись протоны с таким же импульсом, равным Из результатов этого и последующих экспериментов стало очевидно, что массы протона и антипротона равны, что антипротон является стабильной частицей и исчезает только в результате аннигиляции, сопровождающейся в основном рождением нескольких -мезонов К

Антинейтроны впервые были получены в 1956 г. Для их получения использовался пучок антипротонов, которые в результате взаимодействия с нуклонами могут совершать так называемые процессы перезарядки:

Антинейтрон отличается от нейтрона направлением магнитного момента, оно уантинейтрона совпадает с направлением спина. Подобно антипротону, при встрече с нуклоном, антинейтрон аннигилирует с ним, в результате чего выделяется энергия

которая идет на образование и -мезонов. Именно это свойство антинейтрона было использовано для его обнаружения.

Так же как и нейтрон, антинейтрон является частицей нестабильной с тем же периодом полураспада мин. Распадается он по схеме

Как уже говорилось, в настоящее время античастицы известны почти для всех элементарных частиц.

Нейтрино. Следующая элементарная частица - нейтрино - также была предсказана теоретически в 1931 г. в связи с процессами -распада (см. § 19). Но только 20 лет спустя удалось обнаружить прямое взаимодействие ее с веществом.

Нейтрино с энергией имеет эффективное сечение взаимодействия что соответствует длине свободного пробега, равной примерно плотного вещества. Для сравнения укажем, что расстояние от Земли до Солнца составляет всего лишь Чтобы зарегистрировать хотя бы один акт взаимодействия при столь ничтожном эффективном сечении, надо располагать огромными потоками нейтрино. Поэтому такое наблюдение стало возможным только после появления мощных ядерных реакторов, внутри которых идут процессы -распада с образованием антинейтрино. Поток антинейтрино от реактора мощностью около 100 тыс. за толстой стеной, защищающей от нейтронов и но легко проницаемой для нейтрино, огромен и составляет приблизительно сек.

Это дало возможность Рейнесу и К. Коуэну в 1956 г. при работе с реактором зарегистрировать процесс:

Такая реакция возможна, если энергия антинейтрино превышает (это связано с тем, что масса нейтрона и позитрона на превышает массу протона и антинейтрино).

Детектором и одновременно мишенью в данных опытах служил жидкий сцинтиллятор объемом свысоким содержанием водорода и, кроме того, насыщенный кадмием. Его окружали свыше ста фотоумножителей, которые должны были регистрировать световые вспышки. На рис. 95 приведена схема процессов, идущих внутри детектора антинейтрино.

Рис. 95. Схема опыта для обнаружения нейтрино

Итак, антинейтрино вызывает превращению протона в нейтрон и позитрон в точке 1. Позитрон замедляется и аннигилирует с испусканием двух с энергией по в точке 2. За счет фото- и комптон-электронов они дают первую вспышку в сцинтилляторе. Нейтрон в течение нескольких микросекунд замедляется водородом, содержащимся в

сцинтилляторе, потом захватывается кадмием в точке 3. Происходит реакция и возникающие при этом захвате, дают второю вспышку. Схема запаздывающих совпадений регистрирует эти две вспышки.

Теоретически время аннигиляции позитрона имеет порядок сек. Диффузия нейтрона, который должен замедлиться до тепловых скоростей происходит в течение сек, т. е. на два порядка медленнее. Таким образом, на выходе радиосхемы появляются два коррелированных импульса с интервалом в 1 мксек. Этому соответствует сечение реакции (113), равное

Так как частота событий была мала и не превышала уровня фона от космических лучей, то возникла необходимость в постановке контрольных опытов:

а) изменялась мощность реактора, соответственно изменялась частота событий;

б) увеличивалось содержание кадмия в сцинтилляторе, в результате чего время диффузии нейтрона уменьшалось и интервал времени между импульсами сокращался.

В результате длительной работы установки было найдено, что детектор регистрирует за час примерно 3 импульса. Эти опыты по существу впервые дали экспериментальное доказательство существования нейтрино.

Согласно принципу зарядового сопряжения у нейтрино также должна быть античастица. Действительно, уже экспериментальные данные 1956-1957 гг. свидетельствовали в пользу существования антинейтрино, отличного по своим свойствам от нейтрино.

В 1962 г. был обнаружен совершенно новый факт: слабовзаимодействующие нейтральные частицы с нулевой массой существуют двух типов: при -распаде образуется так называемое электронное нейтрино - а при распаде -мезона образуется нейтрино мюонно - Эксперимент показал, что они отличаются друг от друга по типу взаимодействий.

Мезоны. Как уже говорилось в § 11, существование мезонов - частиц с массой, промежуточной между массами электрона и протона, - было предсказано в 1935 г. Юкава при построении теории ядерных сил.

Эти частицы являются квантами ядерного поля, испускаются и поглощаются протонами и нейтронами в процессе взаимодействия, а при подходящих условиях могут породить нуклон - анти-нзуклонные пары. При аннигиляции нуклона с антинуклоном их энергия и импульс переходят к мезонам.

В 1947 г. английский физик Пауэлл, изучая фотоэмульсионные пластинки, облученные на горах космическими лучами, обнаружил следы от частиц с массой . Эти частицы были названы -мезонами, или пионами. Последующие опыты показали, что существуют -мезоны с электрическим зарядом (+), (-) и (0). Положительный и отрицательный -мезоны нужно рассматривать

соответственно, как частицу и античастицу. Каждый из них имеет массу . Масса нейтрального -мезона равна . Спины ионов равны нулю. Все пионы являются нестабильными частицами. Заряженные ямезоны, имея время жизни сек, распадаются по схеме

Время жизни нейтрального -мезона порядка сек и распадается он на два

Свойства пионов оказались именно такими, какие предсказывались теорией Юкавы. Было подтверждено сильное взаимодействие -мезонов с ядром.

На десять лет ранее пиона в космических лучах был открыт -мезон (или мюон), который в отличие от -мезонов не взаимодействует с ядром и поэтому не может быть ответственным за поле ядерных сил. Возникает мюон в результате распада пиона, и за промежуток времени 2-10-6 сек в свою очередь распадается спонтанно на электрон (позитрон), нейтрино и антинейтрино по схеме

Масса мюонов равна они имеют либо отрицательный, либо положительный заряд. Нейтрального мюона не существует. Подобно электрону и позитрону и являются частицей и античастицей. Свойства мюонов, тип взаимодействий, в которых они участвуют, аналогичны свойствам электронов. В этом смысле их часто и рассматривают как нестабильные тяжелые электроны.

Поиски частиц Юкава привели к открытию и другого семейства мезонов - К-мезонов (каонов). Это еще более тяжелые нестабильные частицы. Масса К-мезонов равна . Время жизни -мезон является античастицей -мезона. Они могут распадаться самыми различными способами, преимущественно образуя и -мезоны.

Кроме заряженных существуют два нейтральных зарядовосопряженных К-мезона: Массы их равны 974 те, что несколько больше масс заряженных каонов. Нейтральные К-мезоны исключительно интересны, потому что каждый из них является изменяющейся суперпозицией двух других элементарных нейтральных частиц и имеют разное время жизни, различные схемы распада и слегка различные массы. Время жизни К равно сек и распадается он преимущественно на два -мезона.

Такие каоны называют короткоживущими. Время жизни равно сек и распадается он в большинстве случаев на три пиона. Его называют долгоживущим каоном. Разница в их массах определяется величиной

История развития физики элементарных частиц. Как изучают элементарные частицы

Этапы изучения элементарных частиц

Регистрация событий

Анализ статистики

Консультация для родителей "«Влияние народных промыслов на эстетическое воспитание детей дошкольного возраста»

Амортизационная премия в налоговом учете: как сэкономить быстро

Появление человека разумного

Требования к контрактному управляющему 44 фз контрактный управляющий кто может

Уточненная декларация по НДС

История развития физики элементарных частиц. Как изучают элементарные частицы

Этапы изучения элементарных частиц

Регистрация событий

Анализ статистики

Похожие статьи