Все бесчисленное многообразие животного мира, можно разделить на четыре царства: животные, растения, грибы, бактерии. Все процессы, наблюдаемые на сегодняшний день, сводятся всего к четырем видам взаимодействий: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. Так же можно классифицировать и элементарные частицы.

Лептоны

Лептоны - элементарные частицы со спином 1/2, не участвующие в сильных взаимодействиях. Известны три заряженных лептона: электрон, мюон и тау-лептон - и три нейтральных: электронное нейтрино мюонное нейтрино и тау-нейтрино. У каждой из этих частиц имеется соответствующая античастица.

В электромагнитных взаимодействиях рождаются пары заряженных лептонов. В слабых распадах каждый из заряженных лептонов рождается в сопровождении «своего» антинейтрино. Предполагается, что все лептоны обладают некоторым специфическим квантовым числом - лептонным числом, равным +1, а все антилептоны - лептонным числом, равным -1. Данное число во всех наблюдавшихся до сих пор процессах сохраняется. Процессы, в которых ожидают увидеть не сохранение лептонного числа: распад протона, двойной ?-распад, нейтринные осцилляции. Мюон и т-лептон распадаются за счет слабого взаимодействия. Электрон стабилен.

Слово «лептон» происходит от греческого слова «лептос» - мелкий, узкий (сравните: лепта - мелкая греческая монета).

Различают три поколения лептонов: первое поколение: электрон, электронное нейтрино; второе поколение: мюон, мюонное нейтрино; третье поколение: тау-лептон, тау-нейтрино. Плюс соответствующие античастицы. Таким образом, в каждое поколение входит отрицательно заряженный (с зарядом ?1e) лептон, положительно заряженный (с зарядом +1e) антилептон и нейтральные нейтрино и антинейтрино. Все они обладают ненулевой массой, хотя масса нейтрино весьма мала по сравнению с массами других элементарных частиц.

Адроны

Адроны - частицы, участвующие в сильных взаимодействиях. Адроны с целым спином называют мезонами, с полуцелым - барионами. Известно несколько сотен адронов.

Большинство адронов крайне нестабильны - это так называемые резонансы: они распадаются на более легкие адроны посредством сильного взаимодействия. Время жизни резонансов меньше 10 в -21 степени секунды.

Квазистабильные адроны живут гораздо дольше и распадаются посредством слабого и электромагнитного взаимодействий. Конечными продуктами распада квазистабильных мезонов являются более легкие мезоны, лептоны и фотоны и, если распадающиеся мезоны достаточно тяжелые, то пары барион + антибарион.

Самые легкие барионы (протон и нейтрон) называют нуклонами. Более тяжелые квазистабильные барионы называют гиперонами. Конечными продуктами распада гиперонов являются лептоны, фотоны, мезоны и обязательно нуклон.

Из протонов и нейтронов состоят атомные ядра. Остальные адроны в состав окружающего нас стабильного вещества не входят, они рождаются в столкновениях частиц, обладающих высокими энергиями. Источниками этих частиц являются ускорители и космические лучи. Согласно современным представлениям, адроны не являются истинно элементарными частицами: они состоят из кварков.

Слово «адрон» происходит от греческого слова «хадрос» - массивный, сильный, крупный. И на данный момент адроны являются самым многочисленным классом

Кварки

Далее, вполне планомерными становятся вопросы: «Что же такое кварк? И является ли кварк истинно элементарной частицей?» О них написано огромное количество работ, их изучением занимаются одни из самых выдающихся ученых и исследователей, и, разумеется, в этом реферате у меня нет возможности описать даже тысячную часть той информации, что имеется на данный момент о кварках. Но все же я попробую, пусть и в грубом приближении, но все же отвечу на эти вопросы, ссылаясь на работы различных ученых и исследовательских групп. Далее будут представлены несколько теорий о кварках, выписанных мной из публикаций известнейших в этой области ученых и расположенных в хронологическом порядке.

«Одной из любопытных схем описания элементарных частиц является модель кварков - еще одно изобретение М. Гелл-Манна. В этой модели предполагается, что все элементарные частицы являются комбинациями трех основных частиц (называемых кварками) и их античастиц. Кварки имеют необычные свойства: электрический заряд, равный ± 1/3е или ± 2/3е, и барионный заряд, равный ± 1/3. Таким образом, основные свойства кварков не похожи на свойства других частиц. Однако различные комбинации этих гипотетических частиц воспроизводят свойства всех известных адронов с поразительной точностью.

Кроме того, модель кварков успешно воспроизвела качественно известные времена жизни, магнитные моменты и типы распада элементарных частиц. Реальны ли кварки или модель кварков служит лишь удобным средством описания элементарных частиц, но лишена реального физического смысла? Пока это неизвестно.

Хотя модель кварков поразительно успешно объяснила ряд свойств адронов, однако пока она находится в весьма неудовлетворительном состоянии. Быть может, нам удастся в конце концов описать все сильные процессы с помощью только трех кварков и их античастиц, вместо того чтобы иметь дело с «зоологической коллекцией», содержащей примерно сотню экземпляров частиц. Но прежде чем это окажется возможным, необходимо обнаружить кварки и исследовать их свойства. Эксперименты по рассеянию быстрых электронов на нуклонах указывают на существование некоторой длины, малой по сравнению с 10~14 см, которая должна играть важную роль в структуре нуклонов. Возможно, внутри нуклона существуют некие малые объекты - может быть, и кварки.» [3]

«Кварки - частицы со спином 1/2, являющиеся составными элементами адронов. Известны кварки шести сортов (ароматов), из них три - down, strange, beauty, имеют электрический заряд -1/3, а остальные up, charm, true - заряд -2/3.

Согласно квантовой хромодинамике, сильные взаимодействия между кварками обусловлены наличием у кварков специфических цветовых зарядов. Кварки каждого аромата существуют в виде трех различных цветовых разновидностей: «желтого», «синего» и «красного». Кварк одного цвета может перейти в кварк другого цвета, испустив цветной глюон. Взаимодействие между кварками осуществляется путем обмена глюонами. Кварки находятся в адроиах в таких цветовых состояниях, что суммарный цветовой заряд адрона равен нулю. Поэтому про адроны говорят, что они бесцветные или белые.

Хотя группа Станфордского университета в течение ряда лет сообщала о наблюдении свободных дробно-заряженных частиц, опыты других групп по поискам свободных кварков дают отрицательные результаты, и большинство физиков скептически относится к идее о существовании свободных кварков. В рамках квантовой хромодинамики существует гипотеза о конфайнменте (справедливость ее пока что не доказана), согласно которой цветные частицы (кварки и глюоны и их цветные комбинации) в принципе не могут существовать в свободном состоянии.

Первые, косвенные, свидетельства о существовании кварков были получены на основе классификации адронов. В дальнейшем в экспериментах по глубоко-неупругому взаимодействию лептонов с адронами были зарегистрированы прямые столкновения лептонов с отдельными кварками. Эти столкновения происходят в глубине адрона и длятся очень короткое время, в течение которого кварк не успевает обменяться глюоном с другими кварками и взаимодействует почти как свободная частица. Чем больше переданный импульс, т.е. чем на меньших расстояниях происходит столкновение лептона с кварком, тем свободнее выглядит кварк. Это свойство, являющееся следствием асимптотической свободы, означает, что кварки являются не квазичастицами, не какими-то коллективными возбуждениями адронной материи, а, подобно лептонам, являются истинно элементарными частицами. Возможная не элементарность кварков, как и лептонов, может быть обнаружена лишь при еще более глубоком проникновении внутрь этих частиц, т.е. при еще больших переданных импульсах.

Термин «кварк» был введен в 1964 г. Гелл-Манном и взят им из романа Джеймса Джойса «Поминки по Финнигану» (герою снится сон, в котором чайки кричат: «Три кварка для мастера Марка»). По-немецки «кварк» - творог.» [4]

«Согласно стандартной модели - лучшей на сегодняшний день теории строения материи, - кварки, объединяясь, образуют всё многообразие адронов. Взаимодействие между кварками описывает теория квантовой хромодинамики (сокращенно КХД). В соответствии с этой теорией кварки взаимодействуют друг с другом, обмениваясь особыми частицами - глюонами.

КХД развивает идеи первой успешной теории из ряда калибровочных - квантовой электродинамики, или КЭД. Согласно КЭД, электромагнитная сила между электрически заряженными частицами возникает в результате обмена фотонами (квантами света). Аналогично устроена и КХД, только вместо электрических зарядов взаимодействия между кварками обусловлены свойством особого рода, который ученые назвали цветом. Он может иметь три значения или, если хотите, три оттенка. Ученые условно называют их красный, желтый и синий, но буквально эти термины понимать не следует. Цвет присущ только кваркам, но не барионам и мезонам, в состав которых они входят. Барионы (к которым относятся, в частности, протон и нейтрон) состоят из трех кварков - красного, желтого и синего, - цвета которых взаимно гасятся. А мезоны - из пары «кварк + антикварк», поэтому они тоже бесцветны. Вообще, в КХД действует принцип, согласно которому кварки в природе могут образовывать только такие комбинации, суммарный цвет которых оказывается нейтральным.

Взаимодействие между кварками осуществляется посредством восьми разновидностей частиц, называемых глюонами (от английского glue - «клей, клеить»; глюоны как бы «склеивают» кварки между собой). Именно они выступают посредниками в сильном взаимодействии. Однако, в отличие от фотонов в КЭД, которые электрическим зарядом не обладают, глюоны имеют собственный цветовой заряд и могут изменять цвет кварков, с которыми взаимодействуют. Например, если при поглощении глюона синий кварк превращается в красный, значит, глюон нес на себе единичный положительный заряд красного цвета и единичный отрицательный заряд синего. Поскольку совокупный цветовой заряд кварка при этом не меняется, такие взаимодействия в рамках КХД допустимы и даже необходимы.

КХД функционирует с начала 1980-х годов и с тех пор успешно прошла целый ряд экспериментальных проверок - пока что все ее прогнозы относительно результатов соударений элементарных частиц высоких энергий подтверждаются фактическими данными, полученными на ускорителях.» [5]

Рассмотрев виды элементарных частиц, было бы неправильным не исследовать и взаимодействия, которым эти частицы подвержены. В рамках «Стандартной теории» их четыре, но следуя теме данной работы, рассматривать необходимо только два из них.

3. Взаимодействия частиц

частица атом элементарный кварк

Важнейший вопрос физики - вопрос о взаимодействиях. Если бы не взаимодействия, то частицы материи двигались бы независимо, не подозревая о существовании других частиц. Благодаря взаимодействиям частицы обретают, как бы способность распознавать другие частицы и реагировать на них, благодаря чему рождается коллективное поведение. Поскольку вся материя состоит из частиц, для объяснения природы сил необходимо, в конечном счете, обратиться к физике элементарных частиц. Сделав это, физики обнаружили, что все взаимодействия, независимо от того, как они проявляются в больших масштабах, можно свести к четырем фундаментальным типам: гравитационному, электромагнитному и двум типам ядерных.

На уровне кварков доминируют ядерные взаимодействия. Сильное взаимодействие связывает кварки в протоны и нейтроны и не дает ядрам разваливаться. На уровне атомов преобладает электромагнитное взаимодействие, связывающее атомы и молекулы. В астрономических масштабах господствующим становится гравитационное взаимодействие.

В последние годы физики заинтересовались соотношением между четырьмя фундаментальными взаимодействиями, которые в совокупности управляют Вселенной. Существует ли между ними какая-либо связь? Не являются ли они всего лишь различными ипостасями единственной основополагающей суперсилы? Если такая суперсила существует, то именно она представляет собой действующее начало всякой активности во Вселенной - от рождения субатомных частиц до коллапса звезд. Разгадка тайны суперсилы невообразимо увеличила бы нашу власть над природой и даже позволила бы объяснить само «сотворение» мира.

Мы уже знаем, что элементарные частицы взаимодействуют друг с другом посредством других частиц, которые они непрерывно испускает и поглощает. Слои этих частиц экранируют заряды, поэтому частица с различных высот до нее выглядит заряженной по-разному. Именно так, всегда различно заряженными, видят друг друга сталкивающиеся частицы. Чем больше их энергия, тем глубже они проникают друг в друга и тем отчетливее ощущают «дыхание» их центральных неэкранированных зарядов. Поэтому можно ожидать, что с ростом энергии различные типы взаимодействий будут становиться все более похожими и при высоких энергиях сольются в одно-единое взаимодействие - суперсилу. Произойдет «великое объединение» всех сил природы.

Реальное положение дел несколько сложнее. Экранирующие облака образуются не только вокруг заряда, но и вокруг каждой частички-переносчика, которыми прощупывают друг друга сталкивающиеся частицы. Если переносчики взаимодействия очень тяжелые, то взаимодействие переносится на ультрамалые расстояния. Вдали от центра такие частицы почти не встречаются и связанное с ними взаимодействие проявляется очень слабо. В других случаях переносчики легкие (например, фотоны), они способны далеко уйти от испустившего их заряда, и с их помощью происходит взаимодействие на больших расстояниях.

Таким образом, не только частицы, но и силы, связывающие их, оказываются необычайно сложными. Простейшими точками их уже никак не назовешь! И трудно поверить, что сила тяготения двух электронов и в миллиарды большая сила их электромагнитного отталкивания - ветви одного дерева.

К идее «великого объединения» физики пришли совсем недавно - каких-нибудь двадцать-тридцать лет назад, хотя первый шаг сделали еще Фарадей и Максвелл, объединившие электричество и магнетизм, которые как тогда считалось, совсем разные взаимодействия. Они же ввели и понятие «поля». Фарадей доказал, что электричество и магнетизм - два компонента одного и того же электромагнитного поля.

Следующий шаг на пути к «великому объединению» был значительно более трудным. Он был сделан лишь в середине 60-х годов ХХ века. Внимание физиков привлекло тогда слабое взаимодействие. Оно обладало странной особенностью: для всех других сил можно указать промежуточное поле, кванты которого служат переносчиком взаимодействия, а в распадных процессах частицы «разговаривают» так сказать, напрямую, без всяких посредников, толкая друг друга как бильярдные шары.

Естественно предположить, что в этом случае тоже происходит обмен между частицами, но только такими тяжелыми, что весь процесс происходит на очень малых расстояниях, и со стороны это выглядит как будто частицы просто толкают друг друга.

Расчеты показали: если бы не большая масса промежуточных частиц, то такое взаимодействие по своим свойствам было бы очень похожим на электромагнитное. И вот трое физиков: Абдус Салам, Стив Вайнберг и Шелдон Глешоу допустили, что фотон и тяжелые промежуточные частицы слабого взаимодействия - это одна и та же частица, только в разных «шубах». Разработанную ими теорию стали называть «электрослабой», поскольку она, как частный случай, содержит электродинамику и старую теорию слабых взаимодействий. Вскоре на ускорителях были выловлены тяжелые кванты электрослабого поля - три брата-мезона с массой, почти в сто раз больше протонной. Создание теории электрослабого поля и экспериментальное открытие его переносчиков было отмечено сразу двумя Нобелевскими премиями.

Вдохновленные открытием электрослабого поля, физики увлеклись новой идеей дальнейшего объединения - слияние сильного взаимодействия с электрослабым. Суть этой идеи в следующем. Каждый кварк обладает аналогом электрического заряда, названный цветом. В отличие от заряда, видов цветов у кварка - три. Поэтому глюонное поле более сложное. Оно состоит из восьми составляющих силовых полей. В типичном адроне - протоне или нейтроне - комбинация трех кварков - красного, зеленого и синего - всегда имеет «белый» цвет. Испускаемые мезоны содержат пары кварк-антикварк, поэтому они тоже «бесцветны». Так как мы знаем, что при взаимодействиях частиц происходит экранировка их зарядов, то это и приводит к тем эффектам различия в дальности взаимодействий различных видов частиц. Оценка расстояния, при котором все взаимодействия становятся сравнимы по величине, составляет около 10 в -29 степени сантиметров. Переносчик взаимодействия - Х-частица - обладает массой, равной примерно 10 в 14 степени масс протона. На протяжении того ничтожного отрезка времени, какой существует Х-частица, энергия и масса имеют громадную неопределенность. И в этом отношении мы похожи на Фалеса и других греческих философов, которые размышляли о свойствах атомов, не имея ни малейшей надежды хоть когда-нибудь увидеть их.

Элементарные частицы нельзя разделить на более простые части (именно поэтому их и назвали «элементарными»). В любых известных сегодня реакциях эти частицы лишь переходят друг в друга - взаимопревращаются. Причем из легких могут родиться более тяжелые частицы - если они движутся с достаточной скоростью (кинематическая энергия переходит в массу)

Элементарные частицы различаются по заряду, спину, массе, времени жизни и так далее. Например, время жизни протона больше времени жизни Вселенной, а ро-мезон живет 10 в -23 степени секунды. Масса фотонов и нейтрино равна нулю, а масса еще не открытого, но предсказанного теоретиками максимона (самой тяжелой элементарной частицы, которая только может существовать) - что-то около микрограмма - как у крупной, видимой глазом пылинки. Их можно разбить на семейства, и членов каждого рассматривать как различные состояния одной и той же частицы. Семейства объединяются в более сложные группы - кланы, или мультиплеты. Но главное - мультиплеты связаны определенными правилами симметрии. В целом получается что-то вроде периодической таблицы элементарных частиц, наподобие Менделеевской. Можно предполагать, физики нащупали следующий ярус строения материи.

Большую роль в развитии знаний сыграли ускорители элементарных частиц. Электронное просвечивание показало, что протон на самом деле не точка, а довольно крупный объект радиусом около 10 в -13 степени сантиметров. Анализируя результаты новых опытов по рассеянию электронов, ученые сделали вывод, что нуклоны являются роем каких-то очень мелких частичек, которые при меньшем увеличении выглядят как сгусток накладывающихся и проникающих друг в друга мезонов и других элементарных частиц. Теоретики, занимавшиеся классификацией частиц, обрадовались, так как уже давно догадывались о существовании таких частиц, только называли их по-своему: кварки.

Когда кварки замелькали на страницах теоретических статей, многие ученые считали их всего лишь неким курьезом, временными строительными лесами на пути к более совершенной теории. Однако не успели физики оглянуться, как оказалось, что с помощью кварков очень просто и наглядно объясняются самые различные экспериментальные факты, а теоретические вычисления сильно упрощаются. Без кварков стало просто невозможно обойтись, также как без молекул и атомов.

Опыты по зондированию нуклона доказали, что в центре элементарной частицы кварки почти не связаны взаимодействием и ведут себя как плавающие в воздухе воздушные шарики. Если же они попытаются разойтись, то сразу же возникают стягивающие их силы. На периферии кварки могут находиться лишь в форме связанных сгустков - например, в виде пи-мезонов, что согласуется с теорией ядерного взаимодействия на основе мезонов. Но как взаимодействуют друг с другом кварки? Так как другого способа организовать взаимодействие, чем посредством передачи частицы-носителя взаимодействия, наука не знает, то были предложены глюоны - склеивающие кварки частицы. Глюоны похожи на фотоны, только с зарядом. Фотон никакого поля вокруг себя не создает, поэтому наибольшую интенсивность поле имеет возле своего источника - заряда, дальше оно постепенно рассеивается и ослабевает. Глюон же своим зарядом рождает новые глюоны, те в свою очередь - следующие и так далее, поэтому глюонное поле не ослабевает, а наоборот, возрастает при удалении от породившего его кварка. Удаляющийся кварк, как пеной обрастает новыми глюонами и их связь становится более сильной.

Физика элементарных частиц представляет собой удивительный сплав эксперимента и теории. Свойства мельчайших частиц вещества установлены и продолжают устанавливаться в экспериментах, по сложности не имеющих себе равных в других областях науки. Эти уникальные эксперименты сочетают поистине индустриальный размах с ювелирной точностью. В большинстве случаев сами объекты исследования - частицы - создаются тут же в лаборатории с помощью ускорителей и живут столь ничтожные промежутки времени, что по сравнению с ними мгновение кажется вечностью. Случай какого-нибудь редкого распада частицы приходится находить среди миллиардов похожих на него «неинтересных» распадов. Все сведения об элементарных частицах добываются в результате тщательных измерений.

Размещено на Allbest.ru