Элементарные частицы

1. Элементарные частицы - это микрообъекты, размеры которых не превышают размеров атомных ядер. К элементарным частицам относятся протоны, нейтроны, электро­ны, мезоны, нейтрино, фотоны и др.

Выражение элементарные частицы не следует понимать как бесструктурные части­цы, не способные к превращениям. Содержание любого научного термина по мере развития науки постепенно уходит от его этимологии. Так, атом оставался в представлениях людей неделимым вплоть до возникновения в начале XIX в. химической атомистики, В современ­ном научном знании атом - это сложная динамическая система, способная к многообразным перестройкам. Так и элементарные частицы по мере открытия их новых свойств обнаружи­вают все более сложную их структуру.

Наиболее важным свойством элементарных частиц является их способность рож­даться и взаимопревращаться друг в друга при столкновениях. Для протекания таких про­цессов необходимо, чтобы сталкивающиеся частицы обладали большой энергией. Поэтому физику элементарных частиц называют также физикой высоких энергий.

По времени жизни все элементарные частицы делятся на три группы: стабильные, не­стабильные и резонансы.

Стабильные частицы существуют в свободном состоянии неограниченно долго Та­ких частиц всего 11: протон р, электрон е , электронное нейтрино ν₀ , мюонное нейтрино νμ , таонное нейтрино ντ , их античастицы р, е , ν_e, νμ, ντ, и плюс фотон γ. Опытные факты спон­танного распада этих частиц пока неизвестны.

Нестабильные частицы имеют среднее время жизни τ. которое очень велико по сравнению с характерным временем ядерного пролёта 10^-23 с (времени прохождения светом поперечника ядер). Например, у нейтрона τ =16 мин, у мюона τ=10^-6 с, у наряженного пиона τ= 10^-8с, у гиперонов и каонов τ=10^-4с.

Резонансы имеют времена жизни, соизмеримые с пролётным временем 10^-23 с. Регистрируются они по резонансам на кривых зависимости сечений реакции от энергии. Многие резонансы толкуются как возбужденные состояния нуклонов и других частиц.

2. Фундаментальные взаимодействия. Вес многообразие взаимодействий, наблюдающихся между элементарными частицами и в природе в целом, сводится к 4 основным ти­пам: сильному, электромагнитному, слабому и гравитационному. Сильное взаимодействие удерживает нуклоны в атомных ядрах и присуще адронам (протонам, нейтронам, мезонам, гиперонам и др.). К электромагнитному сводятся взаимодействия, проявляющиеся на макро­уровне- упругие, вязкие, молекулярные, химические и др. Слабые взаимодействия вызыва­ют β -распад ядер и наряду с электромагнитными силами управляют поведением пептонов -элементарных частиц с полуцелым спином, не участвующих в сильных взаимодействиях. Гравитационное взаимодействие присуще всем материальным объектам.

Сравнивают фундаментальные взаимодействия между собой но их интенсивности. Однозначного определения этого понятия и метода сравнения интенсивностей нет. Поэтому используются сравнения по совокупности явлений.

 

Например, отношение силы гравитационного притяжения между двумя протонами к силе кулоновского отталкивания составляет G (m_pm_p/r²) /(e²/4πε₀r²) = 4πε₀G(m_p²/e²) =10^-36 . Это число и берется в качестве меры отношения гравитационного и электромагнитного взаимодействий.

Соотношение между сильным и электромагнитным взаимодействиями, определяемое по сечениям и энергиям ядерных реакций, оценивается как 10⁴: 1. Подобным же образом сравниваются интенсивности сильного и слабого взаимодействий.

Наряду с интенсивностью в качестве меры сравнения взаимодействий используют также время и расстояние взаимодействия. Обычно для сравнения времен берут скорости процессов при кинетических энергиях сталкивающихся частиц Е= 1 ГэВ. При таких энерги­ях процессы, вызываемые сильными взаимодействиями, совершаются за время ядерного пролёта 10^-23с, процессы, вызываемые электромагнитными взаимодействиями, - за время порядка 10^-19 с, слабыми - за время порядка 10^-9 с, гравитационными - 10⁺¹⁶ с.

B качестве расстояний для сравнения взаимодействий берут обычно длину свободно­го пробега частицы в веществе. Сильно взаимодействующие частицы с Е= 1 ГэВ задержи­ваются слоем тяжёлого металла толщиной до 1 м. Тогда как нейтрино, способное участво­вать только в слабом взаимодействии, при энергии в 100 раз меньше (Е= 10 МэВ) может за­держаться слоем 10⁹ км!

а. Сильное взаимодействие не только самое интенсивное, но и самое короткодействующее в природе. На расстояниях, превышающих 10^-15м, его роль становится ничтожной. Обеспечивая стабильность ядер, это взаимодействие не влияет практически на атомные явления. Сильное взаимодействие не универсально. Оно присуще не всем частицам, а только адронам - нуклонам, мезонам, гиперонам и др. Существуют частицы - фотоны, электроны, мюоны, нейтрино, не подверженные сильному взаимодействию и не рождающиеся за его счёт при столкновениях.

б. Электромагнитное взаимодействие по интенсивности на 4 порядка уступает сильному. Главной областью его проявления являются расстояния, начиная от поперечника ядра 10^-15м и вплоть примерно до 1 м. Сюда входят структура атомов, молекул, кристаллов, химические реакции, деформации, трение, свет, радиоволны и многие другие физические явления, доступные восприятию человека.

Наиболее сильно электромагнитное взаимодействие у электрически заряженных час­тиц. У нейтральных частиц с ненулевым спином оно проявляется слабее и лишь благодаря тому, что такие частицы имеют магнитный момент порядка М=eћ/2m. Ещё слабее электромагнитное взаимодействие проявляется у нейтральных пионов π⁰ и у нейтрино.

Исключительно важным свойством ЭМ-взаимодействия является наличие как отталкивания между одноимённо заряженными, так и притяжения между разноименно заряжен­ными частицами. Благодаря этому ЭМ-взаимодействие между атомами и любыми другими объектами с нулевым суммарным зарядом имеет относительно короткий радиус действия, хотя кулоновские силы между заряженными частицами являются дальнодействующими.

е. Слабое взаимодействиеничтожно мало по сравнению с сильным и электромагнит­ным. Но с уменьшением расстояний оно стремительно нарастает. Если допустить, что дина­мика нарастания сохраняется достаточно глубоко, то при расстояниях порядка 10^{-20 м слабое взаимодействие сравняется с сильным. Но экспериментальному исследованию такие рас­стояния пока недоступны.}

Слабое взаимодействие обуславливает некоторые процессы взаимопревращений час­тиц. Например, частица сигма - плюс - гиперон только под влиянием слабого взаимодейст­вия распадается на протон и нейтральный пион, Σ⁺ => р + π⁰. Благодаря слабому взаимодей­ствию идетβ - распад. Такие частицы как гипероны, каоны, мюоны при отсутствии слабого взаимодействия были бы стабильными.

г. Гравитационное взаимодействие самое слабое. Но оно характерно дальнодейст­вием, абсолютной универсальностью (гравитируют все тела) и одинаковым знаком между любой парой частиц. Последнее свойство приводит к тому, что гравитационные силы всегда растут с увеличением массы тел. Поэтому гравитация, несмотря на всё ничтожную относи­тельную интенсивность, во взаимодействиях космических тел - планет, звёзд, галактик -приобретает решающую роль

В мире элементарных частиц роль гравитации ничтожна. Поэтому в физике атома, яд­ра и элементарных частиц гравитационное взаимодействие не принимается во внимание.

3. Характеристики элементарных частиц. До начала 50-х годов XX в., пока коли­чество открытых частиц было относительно невелико, для описания частиц использовались общефизические величины - масса m, кинетическая энергия Е, импульс р и одно квантовое число - спин s, позволявший судить о величине механического и магнитного моментов час­тицы. Для нестабильных частиц добавлялось сюда ещё среднее время жизни τ.

Но постепенно в закономерностях рождений и распада определённых частиц удава­лось выделить некоторые признаки, специфические для этих частиц. Для обозначения этих свойств пришлось вводить новые квантовые числа. Некоторые из них были названы заряда­ми.

Например, выяснилось, что при распаде тяжёлых частиц, например, нейтрона, нико­гда не бывает так, чтобы образовались одни лёгкие, например, электроны е^-, е⁺ и нейтрино. И наоборот, при столкновении электронов и позитронов нельзя получить нейтрон, хотя зако­ны сохранения энергии и импульса выполняются. Для отражения этой закономерности было введено квантовое число барионныи заряд В. Стали полагать, что у таких тяжёлых частиц -бариоиов В = 1, у их античастиц В =-1. У лёгких частиц B = 0. В результате открытая зако­номерность приняла форму закона сохранения барионного заряда.

Аналогично для лёгких частиц эмпирически были введены квантовые числа - лептонные заряды L — признаки запретности некоторых превращений. Условились Считать, что лептонные заряды L_е = +1 для электронов е_- и электронных нейтрино ν_e ,L_µ= + 1 для отрица­тельных мюонов µ^- и мюонных нейтрино ν_µ ,L_τ = +1 для отрицательных таонов τ^- и таонных нейтрино v_τ. Для соответствующих античастиц L= -1. Как и барионныи, лептонные заряды сохраняются во всех взаимодействиях.

При открытии гиперонов, рождающихся в сильных взаимодействиях, оказалось, что их время жизни не равно времени пролёта 10^-23 с, что характерно для сильно взаимодейст­вующих частиц, а в 10¹³ раз больше. Это представлялось неожиданным и странным и могло быть объяснено лишь тем, что частицы, родившиеся в сильных взаимодействиях, распадают­ся в слабых взаимодействиях. Для отражения такого свойства частиц ввели квантовое число странность S. У странных частицS = + 1, у их античастиц S=- 1, у других частиц S = 0.

Электрический заряд Q микрочастиц выражается через его отношение к положитель­ному элементарному заряду е⁺. Поэтому электрический заряд Q частиц также целочислен­ное квантовое число. У протона Q = + 1, у электрона Q = -1, у нейтрона, нейтрино и других нейтральных частицQ = 0.

Кроме названных параметров элементарные частицы имеют и другие характеристи­ки, которые здесь не рассматриваются.

4. Законы сохранения в физике элементарных частиц можно разделить на три труппы: всеобщие законы сохранения, точные законы сохранения зарядов и приближённые законы сохранения.

а. Всеобщие законы сохранения выполняются точно независимо от масштаба явле­ний - в микро-, макро- и мегамире. Эти законы вытекают из геометрии пространства - вре­мени. Однородность времени приводит к закону сохранения энергии, однородность про­странства - к закону сохранения импульса, изотропность пространства - к закону сохранения момента импульса, равноправие ИСО - к закону сохранения центра инерции. Кроме этих 4-х законов сюда входят ещё два, связанные с симметрией пространства - времени относитель­но зеркальных отражений координатных осей. Из зеркальной симметрии координатных осей следует, что право-левые симметрии пространства тождественны (закон сохранения чёт­ности). Закон, связанный с зеркальной симметрией времени, говорит о тождественности явлений в микромире относительно изменения знака времени.

б. Точные законы сохранения зарядов. Любой физической системе приписывается целочисленный заряд каждого сорта. Каждый заряд аддитивен и сохраняется. Таких заря­дов 5: электрический Q, барионныи В, три леигонных - электронный L_e, мюониый L_µ тон­ный L_τ . Все заряды целочисленны и могут иметь как положительные, так и отрицательные значения в нуль.

Электрический заряд имеет двойное значение. Он представляет собой не только квантовое число, но и является источником силового поля. Барионный и лептонные заряды не являются источниками силового поля. Для сложной системы полный заряд любого сорта ра­вен сумме соответствующих зарядов входящих в систему элементарных частиц.

в. Приближённые законы сохранениявыполняются лишь в некоторых видах фундаментальных взаимодействий. Они относятся к таким характеристикам, как странность S и др.

Все перечисленные законы сохранения сведены в таблицу 26.2.

5. Частицы и античастицы имеют одинаковую массу, но все заряды у них противо­положны Выбор из пары частицы и античастицы произволен. Например, в паре электрон + позитрон договорились считать электрон е^- частицей, а позитрон е⁺ - античастицей. Заряды электрона Q =-1, В = 0, Le = +1, Lµ= 0,Lτ =0. Заряды позитрона Q = +1, В = 0, Le=-1, , Lµ= 0,Lτ =0

Все заряды системы частица + античастица равны нулю. Такие системы, у которых все заряды равны нулю, называются истинно нейтральными. Есть истинно нейтральные и частицы. Их две: γ - квант (фотон) и η - мезон. Частицы и античастицы здесь тождественны.

6. Классификация элементарных частиц не завершена до сих пор. В основу одной из классификаций в настоящее время положены среднее время жизни τ, масса m, спин s, пять видов зарядов, странность S и другие параметры частиц. Все частицы делятся на 4 класса.

1- й класс образует одна частица - фотон. У фотона равны нулю масса покоя и все за­ряды. Фотон-не подвержен сильным взаимодействиям. Его спин равен 1, то есть по статисти­ке он бозон.

2- й класс образуют лептоны. Это легкие частицы с нулевым барионным зарядом. У каждой частицы - лептопа один из лентонных зарядов не равен нулю. Лептоны не подверже­ны сильным взаимодействиям. Спин всех лептонов 1/2, то есть по статистике они фермионы.

3- й класс образуют мезоны. Это частицы с нулевыми барионным и лептонными заря­дами, участвующие в сильных взаимодействиях. Все мезоны имеют целый спин, то есть по статистике они бозоны.

4- й класс составляют барионы. Это тяжёлые частицы с отличным от нуля барионным зарядом В ≠ О и с нулевыми лептонными, Le,Lµ,Lτ = 0. Они имеют полуцелый спин (фермио­ны) и участвуют в сильных взаимодействиях. По способности частиц 3-го и 4-го классов участвовать в сильных взаимодействиях их называют еще адронами.

В таблице 26. 3 приведены хорошо известные частицы - не резонансы с их основными характеристиками. Приведены частицы и античастицы. Истинно нейтральные частицы, не имеющие античастиц, помещены посредине столбца. Названия приведены только для час­тиц. Соответствующая античастица получается просто прибавлением к названию Частицы приставки «анти». Например, протон - антипротон, нейтрон - антинейтрон.

Антиэлектрон е⁺ имеет исторически сложившееся название позитрон. По отношению к заряженным пионам и каонам термин «античастица» практически не применяется. Они от­личаются лишь Электрическим зарядом.Поэтому просто говорят о положительных или от­рицательных пионах и каонах.

Верхний знак заряда относится к частице, нижний к античастице. Например, для пары электрон - позитрон Le= ± 1. Это значит, что у электрона Le= + 1, а у позитрона Le= -1.

В таблице приняты обозначения: Q - электрический заряд, В барионный заряд Le,Lµ,Lτ, - соответственно, электронный, мюонный, таонный лептопные заряды, S - странность, s- спин, τ - среднее время жизни.

Масса покоя т указана в мегаэлектронвольтах. Из релятивистского уравнения mc²=еU следует m=eU/c² . Энергии частицы 1 МэВ соответствует масса m=eU/c² =1,6 *10^-19 /9*10¹⁶ =17,71*10^{-31 кг. Это около двух электронных масс. Разделив на массу электрона} m_e = 9, 11*10^{-31 кг, получаем} m = 1,94 m_е.

Масса электрона, выраженная через энергию, составляет m_е =0,511 МэВ.

7. Кварковая модель адронов. Адронами называются элементарные частицы, участ­вующие в сильных взаимодействиях. Это мезоны и барионы. В 1964 г. американцы Мюррей Гелл-Ман и Джордж Цвейг выдвинули гипотезу, что структура и свойства адронов могут быть поняты глубже, если предположить, что адроны состоят из более фундаментальных частиц, названных Гелл-Маном кварками. Кварковая гипотеза оказалась очень плодотвор­ной и является сейчас общепринятой.

Число предполагаемых кварков постоянно увеличивается. К настоящему времени наиболее хорошо изучены 5 разновидностей (ароматов) кварков: кварк u с массой m_u = 5 МэВ, кварк d с массой m_d= 7 МэВ, кварк s с ms= 150 МэВ, кварк c с mc = 1300 МэВ и кварк b с mb=5000 МэВ. У каждого кварка имеется свой антикварк.

Все перечисленные кварки имеют одинаковый спин 1/2 и одинаковый барионный заряд В = 1/3. Кварки u, c имеют дробный положительный заряд Q = + 2/3, кварки d, s,b имеют

дробный отрицательный заряд Q = - 1/3. Кварк s является носителем странности, кварк с -носителем очарования, кварк b - красоты (таблица 26.4).

Каждый адрон может быть представлен как ком­бинация нескольких квар­ков. Квантовые числа Q, В, S адронов получаются как сумма соответствующих чи­сел составляющих адрон кварков. Если в адрон входят два одинаковых кварка то их спины противоположны.

Барионы имеют полуцелый спин, поэтому могут состоять из нечетного числа кварков. Например, протон состоит из трех кварков, р => uud. Электрический заряд протона Q =+ 2/3+2/3 – 1/3 = 1, барионный заряд протона B = 1/3+ 1/3 + 1/3 = 1, странность S = О, спин s = 1/2 – 1/2 +1/2=1/2.

Нейтрон состоит также из трёх кварков, n => udd. Q =2/3-1/3- 1/3 =О, B = 1/3+1/3+1/3=1, S = 0, s = 1/2 – 1/2 + 1/2 = 1/2. Комбинацией из трёх кварков удаётся представить следующие барионы: Λ⁰ (uds), Σ⁺(uus), Σ⁰ (uds), Σ^- (dds),Ξ⁰ (uss), Ξ^- (dss),Ω^- (sss)a°(uss). В последнем случае спины всех кварков направлены в одну сторону. Поэтому Ω^- - гиперон имеет спин 3/2.

Античастицы барионов образуются из соответствующих антикварков.

Мезоны состоят из двух любых кварка и антикварка. Например, положительный пион π⁺ (ud). Его заряд Q = +2/3- (-1/3) = 1, В = 1/3-1/3= О, S = 0, спин 1/2 – 1/2= 0.

Кварковая модель предполагает, что внутри адронов кварки существуют, а опыт пока­зывает, что вылететь из адронов они не могуг. Но крайней мере, при тех энергиях, которые достижимы на современных ускорителях. Велика вероятность, что кварки вообще не могут существовать в свободном состоянии.

Современная физика высоких энергий полагает, что взаимодействие между кварками осуществляется посредством особых частиц - глюонов. Масса покоя глюонов равна нулю, спин равен единице. Допускается существование около десятка разных видов глюонов.