Общие представления о систематике элементарных частиц. Фундаментальные микрочастицы

Классификация элементарных частиц

Под элементарными частицами понимают такие микрочастицы, внутреннюю структуру которых на современном уровне развития физики нельзя представить как объединение других частиц. Во всех наблюдавшихся до сих пор явлениях каждая такая частица ведет себя как единое целое. Элементарные частицы могут превращаться друг в друга.

Все частицы (в том числе неэлементарные и квазичастицы) делятся на бозоны (или бозе-частицы) и фермионы (или ферми-частицы). Бозонами называются частицы или квазичастицы, обладающие нулевым или целым спином. Бозоны подчиняются статистике Бозе-Эйнштейна (отсюда и происходит их название). К бозонам относятся: гипотетический гравитон (спин 2), фотон (спин 1), промежуточные векторные бозоны (спин 1), глюоны (спин 1), мезоны и мезонные резонансы, а также античастицы всех перечисленных частиц. Фермионами называются частицы или квазичастицы с полуцелым спином. Для них справедлив принцип Паули и они подчиняются статистике Ферми-Дирака. К фермионам относятся лептоны, барионы, барионные резонансы и кварки (спин Ѕ), а также соответствующие античастицы.

По времени жизни ф различают стабильные, квазистабильные и резонансные частицы или резонансы. Резонансными называют частицы, распадающиеся за счёт сильного взаимодействия со временем жизни 10ПІі с. Нестабильные частицы, время жизни которых превышает 10ПІє с, распадаются за счёт слабого или электромагнитного, но не за счёт сильного взаимодействия. Такие частицы называются квазистационарными. Время 10ПІє с, ничтожное в обыденных масштабах, должно считаться большим, если его сравнивать с ядерным временем. Ядерное время - это время, которое требуется свету, чтобы пройти диаметр ядра (10П№і см). За время 10 ПІє с может совершиться много внутринуклонных процессов, поэтому частицы, названные здесь квазистабильными, в справочниках именуются просто стабильными. Впрочем, абсолютно стабильными пока можно считать только 12 частиц: фотон г, электрон e-, протон p+(?), электронное нe, мюоннноенм и таоннноенф нейтрино и соответствующие им античастицы - их распад на опыте не зарегистрирован.

В микромире каждой частице соответствует античастица. В некоторых случаях частица полностью тождественна со своей античастицей. В таком случае частицу называют истинно нейтральной. К ним относятся фотон г, р0-мезон, з0-мезон, J? ш-мезон, ипсилон-частица. Если же частица и античастица не совпадают, то массы, спины, изотопические спины, времена жизни у частицы и античастицы одинаковы, а прочие характеристики одинаковы по абсолютной величине, но противоположны по знаку. Так, электрон и протон отличаются от позитрона и антипротона прежде всего знаком электрического заряда. Нейтрон и антинейтрон различаются знаком магнитного момента. Лептонные заряды у лептонов и атилептонов, барионные у барионов и антибарионов различаются по знаку.

Понятия частицы и античастицы относительно. С тем же успехом учёные могли назвать позитрон - частицей, а электрон - античастицей. Но электроны преобладают в нашей Вселенной, а позитроны являются экзотическими объектами, поэтому и названы так, как названы. Что называть частицей, а что античастицей - лишь вопрос соглашения.

Также существует деление частиц на фотоны, лептоны и адроны. Адроны - большой класс элементарных частиц, участвуют во всех видах взаимодействий. В зависимости от значения спина, адроны, в свою очередь, делятся на мезоны и барионы. Мезоны - частицы с нулевым спином, барионы - со спином 1/2(у омега-гиперона - 3/2). Лептоны - частицы, участвующие в слабом и электромагнитном взаимодействиях. Спин лептонов равен 1/2.

В настоящее время известны четыре вида взаимодействий между элементарными частицами: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное (в порядке убывания интенсивности).

Сильное взаимодействие. Этот вид взаимодействия называют иначе ядерным, так как оно обеспечивает связь нуклонов в ядре. Интенсивность взаимодействия принято характеризовать безразмерной константой взаимодействия G2. Эта же константа характеризует вероятность процессов, обусловленных данным взаимодействием. Наибольшее расстояние, на котором проявляется сильное взаимодействие (радиус действия r) составляет примерно 10 -13 см. Частица, пролетающая со скоростью, близкой к с, в непосредственной близости к другой частице, будет взаимодействовать с ней в течение времени t = 10-23 сек. В соответствии с этим говорят, что сильное взаимодействие характеризуется временем взаимодействия ts порядка 10-23 сек.

Электромагнитное взаимодействие. Радиус действия электромагнитного взаимодействия не ограничен. Константа взаимодействия равна 1\137. Следовательно, интенсивность электромагнитного взаимодействия примерно в 100 раз меньше, чем сильного. Время, необходимое для того, чтобы проявилось взаимодействие, обратно пропорционально его интенсивности (или вероятности). Поэтому, для электромагнитного взаимодействия t = 10-21 сек.

Слабое взаимодействие. Слабое или распадное взаимодействие ответственно за все виды в-распадов ядер, за многие распады элементарных частиц, а также за все процессы взаимодействия нейтрино с веществом. Слабое взаимодействие, как и сильное, является краткодействующим. Константа взаимодействия равна 10-14. Время взаимодействия t = 10-9.

Гравитационное взаимодействие. Радиус действия не ограничен. Константа взаимодействия мала: 10-39. Соответственно, время взаимодействия t = 109. Гравитационное взаимодействие является универсальным, ему подвержены все элементарные частицы. Но в процессах микромира гравитационное взаимодействие ощутимой роли не играет.

15. фундаментальные взаимодействия и концепции их объединения в современной физической исследовательской программе – единой теории поля

В свой повседневной жизни человек сталкивается с множеством сил, действующих на тела. Здесь и сила ветра или набегающего потока воды, давление воздуха, мощный выброс взрывающихся химических веществ, мускульная сила человека, вес тяжелых объектов, давление квантов света, притяжение и отталкивание электрических зарядов, сейсмические волны, вызывающие подчас катастрофические разрушения, и вулканические извержения, приводившие к гибели цивилизации, и т. д. Одни силы действуют непосредственно при контакте с телом, другие, например, гравитация, действуют на расстоянии, через пространство. Но, как выяснилось в результате развития теоретического естествознания, несмотря на столь большое разнообразие, все действующие в природе силы можно свести всего лишь к четырем фундаментальным взаимодействиям: гравитационное, слабое, электромагнитное и сильное. Каждое из этих взаимодействий характеризуется соответствующим параметром, называемым константой связи, численное значение которого определяет интенсивность взаимодействия.

Именно эти взаимодействия в конечном счете отвечают за все изменения в мире, именно они являются источником всех преобразований тел и процессов.

Каким образом физические объекты осуществляют фундаментальные взаимодействия между собой? На качественном уровне ответ на этот вопрос выглядит следующим образом. Фундаментальные взаимодействия переносятся квантами. При этом в квантовой области фундаментальным взаимодействиям отвечают соответствующие элементарные частицы, называемые элементарными частицами - переносчиками взаимодействий. В процессе взаимодействия физический объект испускает частицы - переносчики взаимодействия, которые поглощаются другим физическим объектом. Это ведет к тому, что объекты как бы чувствуют друг друга, их энергия, характер движения, состояние изменяются, то есть они испытывают взаимное влияние.

В современной физике высоких энергий все большее значение приобретает идея объединения фундаментальных взаимодействий. Согласно идеям объединения, в Природе существует только одно единое фундаментальное взаимодействие, проявляющее себя в конкретных ситуациях как гравитационное, или как слабое, или как электромагнитное, или как сильное, или как их некоторая комбинация. Успешной реализацией идей объединения послужило создание ставшей уже стандартной объединенной теории электромагнитных и слабых взаимодействий. Идет работа по развитию единой теории электромагнитных, слабых и сильных взаимодействий, получившей название теории великого объединения. Предпринимаются попытки найти принцип объединения всех четырех фундаментальных взаимодействий. В данной главе я последовательно рассмотрю основные проявления фундаментальных взаимодействий.

Единая теория поля, физическая теория, задачей которой является единое описание всех элементарных частиц (или хотя бы группы частиц), выведение свойств этих частиц, законов их движения, их взаимных превращений из неких универсальных законов, описывающих единую "первоматерию", различные состояния которой и соответствуют различным частицам.

Первым примером Е. т. п. была попытка Х. А. Лоренца объяснить всю инерцию электрона (т. е. вывести значение его массы) на основе классической электродинамики. Сам электрон выступал при этом в роли "сгустка" электромагнитного поля, так что управляющие его движением законы в конечном итоге должны были сводиться к законам, описывающим это поле. Последовательное проведение этой программы оказалось невозможным, но сама попытка "примирить" дискретное (электрон рассматривался как материальная точка) и непрерывное (электромагнитное поле), попытка единого описания разных фундаментальных видов материи возобновлялась и в более позднее время.

Развитие квантовых представлений показало, что задача состоит не в том, чтобы "примирить" частицы и поля, дискретное и непрерывное. Любые "частицы" и "поля" имеют двойственную природу, объединяя в себе как свойства корпускул, так и свойства волн (см. корпускулярно-волновой дуализм). Однако при этом каждый из видов "волно-частиц" обладает своими индивидуальными свойствами, своими специфическими законами движения. У электрона эти законы другие, чем, например, у нейтрино или фотона. Открытие каждой новой "элементарной частицы" рассматривается в современной теории как обнаружение нового типа материи. По мере того как открывались новые частицы (а поскольку все частицы имеют и волновые свойства, можно сказать: новые типы полей), всё настоятельнее становилась потребность понять, почему их так много (сейчас уже более двухсот), объяснить их свойства и расшифровать, наконец, что означает само слово "элементарная" применительно к частице. Снова — уже на более высоком уровне — появились попытки единого описания материи.

Большую стимулирующую роль сыграла в этом отношении общая теория относительности А. Эйнштейна (см. Тяготение). В этой теории и законы тяготения, и уравнения движения притягивающихся масс получаются как следствие общих законов, определяющих гравитационное поле. Общая теория относительности связывает гравитацию с геометрическими свойствами пространства-времени. В некоторых работах делались попытки более широкой "геометризации" теории, т. е. вводились такие гипотезы, касающиеся геометрии, которые позволили бы включить в рассмотрение и электромагнитные поля, а также учесть квантовые эффекты. Такой "геометрический" подход очень привлекателен, но пока в этом направлении существенно продвинуться не удалось.

Совершенно новый подход — его можно назвать модельным — ведёт своё начало от работ Л. де Бройля по нейтринной теории света. В этих работах предполагается, что фотоны — кванты света — представляют собой пары "слившихся" нейтрино (отсюда название — "теория слияния"). Нейтрино не имеет электрического заряда, его масса покоя равна нулю и спин равен 1/2 (в единицах постоянной Планка). Сливаясь, два нейтрино могут образовать нейтральную частицу с нулевой массой и спином 1, т. е. с характеристиками фотона.

Нейтринная теория света, хотя и не свободная от недостатков, была первой в ряду моделей составных частиц. Среди них — модель Э. Ферми и Ян Чженьнина, рассматривающая p-мезон как связанное состояние нуклона и антинуклона, модель СёитиСаката (Япония), М. А. Маркова и Л. Б. Окуня, в которой все сильно взаимодействующие частицы строились из трёх фундаментальных частиц, и др.

Особенное распространение в последние годы получила модель кварков, предложенная впервые (1964) М. Гелл-Маном и Г. Цвейгом. Согласно этой модели, все сильно взаимодействующие частицы (мезоны, барионы, резонансные частицы) состоят из особых "субчастиц" с дробными электрическими зарядами — из кварков трёх типов, а также соответствующих античастиц (антикварков). Эта модель, оказавшаяся весьма плодотворной для систематики элементарных частиц (см. Элементарные частицы) и объяснившая ряд тонких эффектов, связанных с массами частиц, их магнитными моментами, и некоторые др. экспериментальные факты, резко снижает число претендентов на звание "истинно элементарных" частиц и, следовательно, в известной мере решает задачу единого описания материи. Однако теория ещё далека от необходимой ясности, равно как и эксперименту надлежит ответить на ряд кардинальных вопросов. Достаточно сказать, что кварки в свободном состоянии ещё не обнаружены и не исключено, что это невозможно в принципе. В этом случае кварковая модель потеряет свой смысл как составная модель.

Ещё до создания кварковой модели В. Гейзенберг (1957) начал развивать теорию, в которой за основу принимается универсальное единое поле, описываемое величинами, которые в математике называются спинорами; поэтому теория получила название единой нелинейной спинорной теории. В отличие от описанной выше теории слияния это фундаментальное, описывающее "материю в целом" поле не связывается непосредственно ни с какой реальной частицей. Второе существенное отличие основного уравнения теории Гейзенберга — нелинейность, отражающая взаимодействия фундаментального поля с самим собой. Математически это выражается в появлении в уравнении движения членов, пропорциональных не самой, описывающей поле величине, а отличной от единицы её степени. Как и в общей теории относительности, благодаря этой нелинейности уравнения движения реальных частиц должны получаться из основного уравнения. Из этого же уравнения должны вытекать значения масс, электрических зарядов, спинов и др. характеристик частиц.

Математическое исследование уравнения Гейзенберга представляет собой трудную задачу, которую пока удалось решить лишь в довольно грубом приближении. Более того, до сих пор ещё не доказанасамосогласованность процедуры устранения бесконечностей в теории Гейзенберга. Вместе с тем количественные результаты, полученные в этой теории, кажутся обнадёживающими и общая программа нелинейной Е. т. п. продолжает считаться перспективной.

Таким образом, Е. т. п. ещё не построена. Однако неразрывная связь между всеми частицами, универсальная взаимная превращаемость частиц, всё более явственно проявляющиеся черты единства материи заставляют искать пути перехода от современной квантовой теории поля, ограничивающейся констатацией многообразия форм материи, к единой теории, которая призвана это многообразие объяснить.

……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….