Элементарные частицы
История физики элементарных частиц берет свое начало в 90-х годах прошлого столетия, когда в 1897 г. Дж. Томсоном был открыт электрон. В те не столь уж далекие времена физикам было вполне достаточно всего трех элементарных частиц - электрона, протона и фотона.
1932 год - знаменитый "год чудес". Сначала появилось сообщение английского физика Дж. Чедвика об открытии нейтрона (n). Затем американец Карл Андерсен, используя камеру Вильсона, обнаруживает в космическом излучении позитрон (е+) - античастицу по отношению к электрону. В том же году развертываются исследования свойств нейтрона и, прежде всего, его нестабильности. Физики приходят к выводу, что свободный нейтрон превращается не в две частицы (протон и электрон), а в три (протон, электрон и некая новая частица, которой Э. Ферми дал название "нейтрино". В1933 году швейцарский физик Вольфганг Паули дал теоретическое обоснование основных свойств нейтрино (v). .Прямое экспериментальное подтверждение реальности этой частицы было осуществлено много позднее - в 1953 году (в опытах Райнеса и Коуэна).
С 1932 года началось достаточно бурное решение задач по физике элементарных частиц. Теперь уже стало ясно, что наряду с электромагнитными и гравитационными в природе существуют еще два типа взаимодействий - ядерные (сильные) и слабые. Всего лишь две новые частицы - нейтрон и позитрон - разрушили существовавшую ранее гармонию, показали ее ложность. Исключение было принято за правило: тот факт, что электроны и протоны стабильны и самопроизвольно не превращаются в другие частицы, - это одно из очень немногих исключений в мире элементарных частиц (кроме них, стабильны еще только фотон и нейтрино). Правилом же являются взаимопревращения частиц - как самопроизвольные, так и происходящие при их взаимных столкновениях.
После того, как в 1932 году была выдвинута протонно-нейтронная модель атомного ядра (Д. Д. Иваненко) на первый план выступила проблема физического объяснения ядерных сил, связывающих протоны и нейтроны в ядре. В1935 году японский физик Х. Юкава предложил гипотезу, согласно которой эти силы возникают в результате происходящего между нуклонами обмена некими частицами. Юкава оценил возможную массу этих частиц, она оказалась равной примерно 200-300 массам электрона. В 1936 году Андерсен обнаруживает в космическом излучении новую частицу, чья масса равна 207m (m - масса электрона). Частица получила название мю-мезон; впоследствии ее стали называть мюоном Естественно, что мюон вначале считали той самой частицей, которая, согласно гипотезе Юкавы, должна являться переносчиком ядерного взаимодействия. Однако вскоре выяснилось, что мюон очень слабо взаимодействует с веществом. И по сей день, физики не знают, какую роль в природе играет мюон. Они часто называют его "тяжелым электроном", потому что он действительно сходен с электроном за исключением того, что тяжелее и не стабильнее: мюон "живет" всего лишь 10-6 секунды, после чего распадается на электрон, мюонное нейтрино и электронное антинейтрино. Исследования свойств мюона обнаружили, что в природе существует не одно, а два различных нейтрино (и соответственно два антинейтрино); одно из них стали называть электронным (vе), а другое мюонным (vM). Экспериментальное доказательство существования двух типов нейтрино было получено в 1962 году в опытах на ускорителе в Брукхейвене (США)
Частицы которые предсказывал Юкава, были обнаружены в космическом излучении в 1947 году английским физиком С. Ф. Пауэллом; затем они были получены в 1948 году на ускорителе в Беркли (США). Указанные частицы называют пи-мезонами или, короче, пионами. В 1950 году был открыт нейтральный пион, который, как оказалось, подобно фотону не имеет античастицы. Можно сказать, что нейтральный пион и фотон тождественны со своими античастицами, Масса заряженного пиона составляет 273m, а нейтрального - 264m. Заряженный пион распадается за время порядка 10-8 с, тогда как для распада нейтрального пиона требуется существенно меньшее время - 10-16 с. В начале 50-х годов была открыта целая группа новых частиц со сходными свойствами. Они рождались парами при столкновениях нуклонов (протонов и нейтронов) с пионами; эти процессы были обусловлены сильным взаимодействием и поэтому протекали очень быстро - за время порядка 10 -22 с.
Распадались новые частицы, естественно, поодиночке, но относительно медленно - за время 10-8-10-10 с (за счет слабых взаимодействий). Физики находили все это весьма странным, так как каждая из новых частиц распадалась на сильно
взаимодействующие частицы (например, нуклоны и пионы), среди продуктов распада не было ни электронов, ни мюонов, ни нейтрино. Поэтому было непонятно, что же мешает новым частицам распадаться за существенно более короткое время. Было также непонятно, почему они рождаются парами. По этим причинам новые частицы назвали странными. Заметим, что термин "странные частицы" прижился и теперь употребляется в физике как научный. К странным частицам, относят каоны (заряженный каон k+ с его античастицей k- и нейтральный каон k0 с его античастицей k~0 имеющие массу около 970m, а также группу частиц тяжелее нуклонов, объединяемую под названием "гипероны": лямбда - гиперон (л0, его масса составляет 2180m), три сигма-гиперона (массы 2330-2340m), два кси-гиперона (масса около 2580m), омега-гиперон (w- масса 3270m). У каждого гиперона есть своя античастиц. Чтобы объяснить загадки поведения новых частиц, надо принять во внимание, что большое (по масштабам времени в микромире) время жизни частицы всегда связано с каким-нибудь или даже с несколькими законами сохранения. Предположим, что частица характеризуется некоторой сохраняющейся величиной; ясно, что эта частица может прекратить свое существование лишь при условии передачи рассматриваемой величины каким-то другим частицам. Например, электрон обладает электрическим зарядом и при распаде должен кому-то передать этот электрический заряд, иначе нарушится закон сохранения электрического заряда. Но вследствие законов сохранения энергии и количества движения электрон может распасться лишь на такие частицы, у которых суммарная масса покоя меньше массы покоя электрона. Это могут быть только фотоны и нейтрино. Однако у этих частиц нет, не может быть электрического заряда (в соответствии с требованиями теории относительности). Получается, что электрону некому передавать свой электрический заряд. Таким образом, стабильность электрона оказывается следствием законов сохранения электрического заряда, энергии и количества движения. Чтобы объяснить удивительную "долгоживучесть" странных частиц, физики ввели специальную физическую величину, назвав ее странностью. И при этом стали считать, что она сохраняется в сильных взаимодействиях и не сохраняется в слабых.
В конце 50-х и начале 60-х годов было открыто довольно много таких частиц. Все они жили всего лишь10-22 - 10-23 с и распадались через сильные взаимодействияих назвали резононами (или резонансами).
Общее число обнаруженных резонансов к 1980 году превысило 300.
1. Существуют три типа взаимодействий (не считая гравитационного): сильное, электромагнитное, слабое. Сильное (ядерное) взаимодействие обеспечивает связь нуклонов в атомных ядрах, электромагнитное связывает электроны в атомах и атомы в молекулах, слабое ответственно за медленные распады частиц. Время жизни частиц, распадающихся через слабое взаимодействие, не меньше 10-10 с, тогда как для частиц, распадающихся через электромагнитное взаимодействие (например, для нейтрального пиона), оно составляет примерно 10-16 с, а через сильное взаимодействие 10-2 -10- 3 с.
2. Все элементарные частицы подразделяются на три группы:
а)фотоны;
б) лептоны (электрон, мюон, электронное нейтрино, мюонное нейтрино). Важно подчеркнуть, что лептоны не участвуют в сильном взаимодействии;
в) адроны, которые, в свою очередь, подразделяются на мезоны (пионы и каоны) и барионы (нуклоны и гипероны).
Среди мезонов и барионов имеется также большое число частиц, относящихся к резонансам.
3. Почти все частицы (кроме фотона, нейтрального пиона и некоторых других) имеют античастицы. Масса античастицы строго равна массе соответствующей частицы. Различные заряды частицы и античастицы (странность, электрический) имеют противоположные знаки
Больше всего физиков смущало сильное несоответствие между малым числом лептонов и огромным числом адронов. И вот в 1964 году американский физик М. Гелл-Ман выдвигает и обосновывает гипотезу что адроны представляют собой составные частицы, являются структурными образованиями из каких-то микрообъектов. Для новых микрообъектов было предложено название "кварки", имеющее случайное (чисто литературное) происхождение. Были постулированы три кварка (и, d, s) и три антикварка (й, d, s).
Электрический заряд, выраженный в единицах заряда электрона, а также странность этих микрообъектов: кварки антикварки и d s и d s
Электрический заряд +2/3 -1/3 -1/3 -2/3 +1/3 +1/3
Странность 0 0 -1 0 0 +1
Правило построения адронов из кварков: барион состоит из трех кварков, антибарион - из трех антикварков, мезон или антимезон состоят из двух микрообъектов: кварка и антикварка. Надо подчеркнуть, что кварковая структура предложена только для адронов (то есть мезонов и барионов). Согласно современным представлениям, каждый кварк (антикварк) существует в трех разновидностях, называемых условно цветом. Так, есть красный s-кварк, желтый s-кварк, синий s-кварк. Существенно, что в состав любого бариона входят кварки разных цветов. Используя цветовую терминологию, можно сказать, что в каждом барионе перемешаны три основных цвета и поэтому барионы могут рассматриваться как бесцветные "белые" объекты. Антибарионы также "бесцветны". Если для бариона в качестве основных выбираются цвета красный, желтый и синий, то для антибаритона основными цветами являются фиолетовый, оранжевый и зеленый. Мезоны также "бесцветны", поскольку цвет антикварка оказывается всякий раз компенсирующим по отношению к цвету кварка в данном мезоне. Компенсирующим по отношению к красному, желтому и синему являются соответственно цвета зеленый, фиолетовый, оранжевый. Теория цветных кварков (ее называют квантовой хромодинамикой) объясняет, почему в природе не встречаются частицы, сконструированные из двух или четырех кварков и свободные кварки. Эта теория утверждает, что наблюдаемые в природе адроны и антиадроны должны быть обязательно бесцветными ("правило невылетания цвета"). Недаром экспериментальный поиск свободных кварков продолжается уже двадцать лет - и безрезультатно. К концу 70-х годов физики пришли к единодушному мнению: кварковая гипотеза связана с существованием атомизма нового типа. Оказалось, что три кварка плюс три антикварка позволяют сконструировать все адроны и антиадроны, открытые до 1974 года, и все формально созданные структуры были обнаружены на опыте. Кварковая модель позволила правильно рассчитать различные характеристики адронов, вероятности взаимопревращений и т.д. Реальность кварковой гипотезы окончательно подтвердило открытие нового типа частиц, получивших название - "очарованные частицы". В ноябре 1974 года на ускорителе в Стэнфорде (США) была открыта новая частица массой около 6000т и временем жизни порядка 10-20 с. Сегодня эта частица известна как джей-пси-мезон. Новый мезон не укладывался в разработанные теоретические схемы, поэтому для описания его кварковой структуры пришлось ввести новый с- кварк и новую сохраняющуюся величину, получившую название "очарование". Подобно странности, очарование сохраняется в сильных и не сохраняется в слабых взаимодействиях. Закон сохранения очарования объясняет относительно большое время жизни нового мезона. С введением с-кварка общее число типов кварков стало равно четырем. Электрический заряд нового кварка равен +2/3. Этот кварк называют носителем очарования, подобно тому, как S-кварк является носителем странности. Кварковая структура джей-пси-мезона есть сс, в 1976 году были открыты -мезон (структура сu) и D+-мезон (структура сd). В последующие годы были обнаружены следующие новые очарованные мезоны, а также очарованные барионы. Открытие очарованных частиц экспериментально подтвердило существование с-кварка. Поскольку сам с-кварк, его свойства органически связаны со свойствами кварков и, d, s, то тем самым получает экспериментальное обоснование кварковая модель в целом. В течение ряда лет существовала теория, точнее гипотеза: в слабых взаимодействиях представителями адронов являются кварки. Пусть рассматривается распад свободного нейтрона.
Обычно реакцию распада записывают в виде п - p + e-+Ve
Согласно предположенной гипотезе, этот процесс надо трактовать как превращение одного из d-кварков, входящих в состав нейтрона, в u-кварк с одновременным рождением электрона и электронного антинейтрино: d - u+e-+ve.
При этом разрешается противоречие между небольшим числом типов лептонов и огромным количеством адронов: число лептонов надо сопоставлять не с числом адронов, а с числом кварков, из которых построены адроны. Из рассмотренной гипотезы следовало, что число типов лептонов должно точно равняться числу типов кварков (так называемая кварк-лептонная симметрия). И вот, казалось бы, убедительное подтверждение этой симметрии: четыре лептона (е-, vе, м, vм) и четыре кварка (и, d, s, с). Но для объяснения всей совокупности известных экспериментальных фактов требовалось наличие не менее шести лептонов и соответственно такого же количества кварков. В 1975 году происходит открытие нового отрицательно заряженного лептона - тaoна (масса около 3500m и время жизни порядка 10-12 с). Физики уверены, что существование таона почти достоверно указывает и на существование еще одного нейтрино - таонного нейтрино, т. е. шестого лептона. Пятый и шестой кварки заранее "вычислили" и дали названия: b-кварк (носитель новой сохраняющейся величины, названной "прелестью" и t-кварк (носитель новой сохраняющейся величины, названной "истиной". Заряд b-кварка равен -1/3, а t-кварка +2/3. Начались экспериментальные поиски предсказанных кварков на сверхмощных ускорителях. Летом 1977 года был открыт ипсилон-мезон массой около 20000т. Его кварковая структура есть bb. В последнее время появились указания на существование других прелестных адронов, так что b-кварк может сегодня рассматриваться как реальность. Проводятся исследования по обнаружению адронов, содержащих в своей структуре t-кварк. Схема из шести лептонов и шести кварков хорошо упорядочивает накопленные данные по элементарным частицам. В будущем решение задач по физике покажет, является ли кварк-лептонная схема окончательной, или число лептонов (кварков) будет расти. Об этом говорит успешное преодоление кризиса физики элементарных частиц 50-х годов, триумф кварковой модели адронов, обоснование кварк-лептонной симметрии, создание общей теории электромагнитных и слабых взаимодействий.
Составитель - Кускова Анастасия, 11 Г
Руководитель
– учитель физики Львовский М.Б.Москва, 2005 г.
