WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 |
ФИЗИКА ФИЗИКА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ЧАСТИЦЫ С. А. СЛАВАТИНСКИЙ Московский физико-технический институт, Долгопрудный Московской обл.

ВВЕДЕНИЕ Еще сравнительно недавно элементарными считались FUNDAMENTAL PARTICLES несколько сот частиц и античастиц. Детальное изучеS. A. SLAVATINSKII ние их свойств и взаимодействий с другими частицами и развитие теории показали, что большинство из них на самом деле не элементарны, так как сами состоят из A brief popular overview of one of the most простейших или, как сейчас говорят, фундаментальных significant accomplishments of high-energy частиц. Фундаментальные частицы сами уже ни из чего physics in the last thirty years, i.e., the modern не состоят. Многочисленные эксперименты показали, picture of the structure of particles based on что все фундаментальные частицы ведут себя как безthe quark model is presented.

размерные точечные объекты, не имеющие внутренней структуры, по крайней мере до наименьших, изученных сейчас расстояний 10- 16 см.

Приведен краткий популярный обзор одного из крупнейших достижений физики высо- Среди бесчисленных и разнообразных процессов взаимодействия между частицами имеются четыре оских энергий последних трех десятилетий – новных или фундаментальных взаимодействия: сильсоздания современной картины строения ное (ядерное), электромагнитное, слабое и гравитацичастиц на основе кварковой модели.

онное. В мире частиц гравитационное взаимодействие очень слабое, его роль еще неясна, и о нем дальше мы говорить не будем.

В природе существуют две группы частиц: адроны, которые участвуют во всех фундаментальных взаимодействиях, и лептоны, не участвующие только в сильном взаимодействии.

Согласно современным представлениям, взаимодействия между частицами осуществляются посредством испускания и последующего поглощения квантов соответствующего поля (сильного, слабого, электромагнитного), окружающего частицу. Такими квантами являются калибровочные бозоны, также являющиеся фундаментальными частицами. У бозонов собственный момент количества движения, называемый спином, равен целочисленному значению постоянной Планка h = = 1,05 10- 27 эрг с. Квантами поля и соответственно переносчиками сильного взаимодействия являются глюоны, обозначаемые символом g (джи), квантами электромагнитного поля являются хорошо известные нам кванты света – фотоны, обозначаемые (гамма), а квантами слабого поля и соответственно переносчика± www.issep.rssi.ru ми слабых взаимодействий являются W (дубль ве)- и Z (зет нуль)-бозоны.

СОРОСОВСКИЙ ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ ЖУРНАЛ, ТОМ 7, №2, Славатинский С.А., © ФИЗИКА В отличие от бозонов все остальные фундаменталь- Дж. Томсоном. Роль электронов в нашем мире огромные частицы являются фермионами, то есть частица- на. Они являются теми отрицательно заряженными часми, имеющими полуцелое значение спина, равное h/2. тицами, которые вместе с атомными ядрами образуют все атомы известных нам элементов Периодической В табл. 1 приведены символы фундаментальных таблицы Менделеева. В каждом атоме число электрофермионов – лептонов и кварков.

нов в точности равно числу протонов в атомном ядре, Каждой частице, приведенной в табл. 1, соответстчто и делает атом электрически нейтральным.

вует античастица, отличающаяся от частицы лишь знаЭлектрон стабилен, главной возможностью уничками электрического заряда и других квантовых чисел тожения электрона является его гибель при соударении (см. табл. 2) и направлением спина относительно нас античастицей – позитроном e+. Этот процесс получил правления импульса частицы. Античастицы мы будем название аннигиляции:

обозначать теми же символами, как и частицы, но с e- + e+ +. (1) волнистой чертой над символом.

Частицы в табл. 1 обозначены греческими и латин- В результате аннигиляции образуются два гаммаскими буквами, а именно: буквой (ню) – три различ- кванта (так называют фотоны высокой энергии), уносящие и энергии покоя e+ и e-, и их кинетические энерных нейтрино, буквами е – электрон, µ (мю) – мюон, гии. При высокой энергии e+ и e- образуются адроны и (тау) – таон, буквами u, c, t, d, s, b обозначены кварки;

кварковые пары (см., например, (5) и рис. 4).

их наименования и характеристики приведены в табл. 2.

Реакция (1) наглядно иллюстрирует справедливость Частицы в табл. 1 сгруппированы в три поколения знаменитой формулы А. Эйнштейна об эквивалентноI, II и III в соответствии со структурой современной теости массы и энергии: E = mc2.

рии [1]. Наша Вселенная построена из частиц первого Действительно, при аннигиляции остановившегопоколения – лептонов и кварков и калибровочных бося в веществе позитрона и покоящегося электрона вся зонов, но, как показывает современная наука о развимасса их покоя (равная 1,22 МэВ) переходит в энергию тии Вселенной, на начальной стадии ее развития важ -квантов, которые не имеют массы покоя.

ную роль играли частицы всех трех поколений.

Во втором поколении нижней строки табл. 1 расположен мюон – частица, являющаяся по всем своим Таблица свойствам аналогом электрона, но с аномально больЛептоны Кварки шой массой. Масса мюона в 207 раз больше массы электрона. В отличие от электрона мюон нестабилен. ВреI II III I II III мя его жизни t = 2,2 10- 6 с. Мюон преимущественно u c t e µ распадается на электрон и два нейтрино по схеме e µ d s b µ e- + e +. (2) µ ЛЕПТОНЫ Еще более тяжелым аналогом электрона является -лептон (таон). Его масса более чем в 3 тыс. раз преСначала рассмотрим более подробно свойства лептовосходит массу электрона (m = 1777 МэВ/с2), то есть нов. В верхней строке табл. 1 содержатся три разных таон тяжелее протона и нейтрона. Время его жизни нейтрино: электронное, мюонное и тау-нейтрино e µ равно 2,9 10- 13 с, а из более чем ста разных схем (кана. Их масса до сих пор точно не измерена, но опреде лов) его распада возможны следующие:



лен ее верхний предел, например для равный 10- 5 от e величины массы электрона (то есть 10- 32 г).

e- + e +, (3) При взгляде на табл. 1 невольно возникает вопрос µ + µ +.

о том, зачем природе потребовалось создание трех разных нейтрино. Ответа на этот вопрос пока нет, ибо не Говоря о лептонах, интересно сравнить слабые и создана такая всеобъемлющая теория фундаментальэлектромагнитные силы на некотором определенном ных частиц, которая бы указала на необходимость и расстоянии, например R = 10- 13 см. На таком расстоядостаточность всех таких частиц и описала бы их оснии электромагнитные силы больше слабых сил почти новные свойства. Возможно, эта проблема будет решев 10 млрд раз. Но это вовсе не значит, что роль слабых на в XXI веке (или позже).

сил в природе мала. Отнюдь нет.

Нижняя строка табл. 1 начинается с наиболее изу- Именно слабые силы ответственны за множество ченной нами частицы – электрона. Электрон был от- взаимных превращений различных частиц в другие крыт еще в конце прошлого века английским физиком частицы, как, например, в реакциях (2), (3), и такие СЛАВАТИНСКИЙ С.А. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ЧАСТИЦЫ ФИЗИКА взаимопревращения являются одной из характерней- мально большое время жизни ( 10- 8–10- 13 с) по сравнеших черт физики частиц. В отличие от реакций (2), (3) нию с характерным ядерным временем ( 10- 23 с). Сами в реакции (1) действуют электромагнитные силы. частицы были названы странными, в их состав входит один или несколько странных кварков и странных анГоворя о лептонах, необходимо добавить, что сотикварков. Рождение или исчезновение странных часвременная теория описывает электромагнитные и слатиц вследствие сильных взаимодействий происходят бые взаимодействия с помощью единой электрослабой парами, то есть в любой ядерной реакции сумма S до теории. Она разработана С. Вайнбергом, А. Саламом и реакции должна быть равна S после реакции. Однако Ш. Глэшоу в 1967 году [2].

в слабых взаимодействиях закон сохранения странности не выполняется.

КВАРКИ В опытах на ускорителях наблюдали частицы, коСама идея кварков возникла в результате блестящей торые было невозможно описать с помощью u-, d- и sпопытки классифицировать большое количество часкварков. По аналогии со странностью потребовалось тиц, участвующих в сильных взаимодействиях и наввести еще три новых кварка с новыми квантовыми зываемых адронами. М. Гелл-Ман и Г. Цвейг предпочислами С = +1, В = - 1 и Т = +1. Частицы, составленложили, что все адроны состоят из соответствующего ные из этих кварков, имеют существенно большую набора фундаментальных частиц – кварков, их антикмассу (>2 ГэВ/с2). Они имеют большое разнообразие варков и переносчиков сильного взаимодействия – схем распадов со временем жизни 10- 13 с. Сводка хаглюонов [3].

рактеристик всех кварков приведена в табл. 2.

Полное число адронов, наблюденное в настоящее Каждому кварку табл. 2 соответствует свой антивремя, составляет более ста частиц (и столько же антикварк. У антикварков все квантовые числа имеют знак, частиц). Много десятков частиц еще не зарегистриропротивоположный тому, который указан для кварка. О вано. Все адроны подразделяются на тяжелые частицы, величине массы кварков необходимо сказать следуюназванные барионами, и средние, названные мезонами.

щее. Приведенные в табл. 2 значения соответствуют Барионы характеризуются барионным числом b = массам голых кварков, то есть собственно кварков без для частиц и b = - 1 для антибарионов. Их рождение и учета окружающих их глюонов. Масса одетых кварков уничтожение всегда происходят парами: бариона и анза счет энергии, несомой глюонами, больше. Особенно тибариона. У мезонов барионный заряд b = 0. Согласно это заметно для легчайших u- и d-кварков, глюонная идее Гелл-Мана и Цвейга, все барионы состоят из трех шуба которых имеет энергию около 300 МэВ.

кварков, антибарионы – из трех антикварков. Поэтому Кварки, которые определяют основные физическаждому кварку было приписано барионное число 1/3, кие свойства частиц, называют валентными кварками.

чтобы в сумме у бариона было b = 1 (или - 1 для антибаПомимо валентных кварков в составе адронов имеются риона, состоящего из трех антикварков). Мезоны имевиртуальные пары частиц – кварки и антикварки, коют барионное число b = 0, поэтому они могут быть соторые испускаются и поглощаются глюонами на очень ставлены из любой комбинации пар любого кварка и короткое время любого антикварка. Помимо одинаковых для всех h кварков квантовых чисел – спина и барионного числа t --- (4) E имеются другие важные их характеристики, такие, как величина их массы покоя m, величина электрического (где Е – энергия виртуальной пары), что происходит с заряда Q/e (в долях заряда электрона е = 1,6 10- 19 кунарушением закона сохранения энергии в соответствии лон) и некоторого набора квантовых чисел, характес соотношением неопределенности Гейзенберга [4].

ризующих так называемый аромат кварка. К ним отВиртуальные пары кварков называют кварками моря носятся:

или морскими кварками. Таким образом, в структуру 1) величина изотопического спина I и величина его адронов входят валентные и морские кварки и глюоны.





третьей проекции, то есть I3. Так, u-кварк и d-кварк обГлавная особенность всех кварков в том, что они разуют изотопический дублет, им приписан полный являются обладателями соответствующих сильных заизотопический спин I = 1/2 с проекциями I3 = +1/2, сорядов. Заряды сильного поля имеют три равноправные ответствующей u-кварку, и I3 = - 1/2, соответствующей разновидности (вместо одного электрического заряда в d-кварку. Обе компоненты дублета имеют близкие знатеории электрических сил). В исторически сложившейчения массы и идентичны по всем остальным свойстся терминологии эти три разновидности заряда называм, за исключением электрического заряда;

вают цветами кварков, а именно: условно красным, зе2) квантовое число S – странность характеризует леным и синим. Таким образом, каждый кварк в табл. странное поведение некоторых частиц, имеющих ано- и 2 может быть в трех ипостасях и является цветной СОРОСОВСКИЙ ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ ЖУРНАЛ, ТОМ 7, №2, ФИЗИКА Таблица 2. Характеристики кварков Кварки u (up) d (down) s (strange) c (charm) b (bottom) t (top) Масса m0 (1,5–5) МэВ/с2 (3–9) МэВ/с2 (60–170) МэВ/с2 (1,1–4,4) ГэВ/с2 (4,1–4,4) ГэВ/с2 174 ГэВ/сИзотопоспин I 1/2 1/2 0 0 0 Проекция I3 +1/2 - 1/2 0 0 0 Электрический заряд Q/e +2/3 - 1/3 - 1/3 +2/3 - 1/3 +2/Странность S 00 - 10 0 Чарм C 000 +1 0 Боттом B 0000 - Топ T 00000 +частицей. Смешение всех трех цветов, подобно тому, мбн как это имеет место в оптике, дает белый цвет, то есть ++ обесцвечивает частицу. Все наблюдаемые адроны бесцветны.

Взаимодействия кварков осуществляют восемь разных глюонов. Термин “глюон” означает в переводе +p с английского языка клей, то есть эти кванты поля есть частицы, которые как бы склеивают кварки между соT бой. Как и кварки, глюоны являются цветными частицами, но поскольку каждый глюон изменяет цвета сра0 Tmax 500 1000 МэВ зу двух кварков (кварка, который испускает глюон, и + кварка, который поглотил глюон), то глюон окрашен Рис. 1. Зависимость сечения p-взаимодействия от кинетической энергии пиона. При энергии дважды, неся на себе цвет и антицвет, как правило от++ Tmax 200 МэВ образуется -резонанс личный от цвета.

Масса покоя глюонов, как и у фотона, равна нулю.

но рассматривать как возбужденное состояние стаКроме того, глюоны электрически нейтральны и не оббильных частиц, так как они имеют тот же кварковый ладают слабым зарядом.

состав, что и их стабильные аналоги, хотя масса резоАдроны принято также делить на стабильные час- нансов больше за счет энергии возбуждения.

тицы и резонансы: барионные и мезонные. Для резоКВАРКОВАЯ МОДЕЛЬ АДРОНОВ нансов характерно чрезвычайно малое время жизни ( 10- 20–10- 24 с), так как их распад обусловлен сильным Кварковую модель адронов начнем описывать с рисунвзаимодействием.

ка силовых линий, исходящих из источника – кварка с цветным зарядом и заканчивающихся на антикварке Десятки таких частиц были открыты американ(рис. 2, б). Для сравнения на рис. 2, а мы показываем, ским физиком Л.В. Альваресом. Поскольку путь таких что в случае электромагнитного взаимодействия силочастиц до распада столь мал, что они не могут наблювые линии расходятся от их источника – электрическодаться в детекторах, регистрирующих следы частиц (таго заряда веером, ибо виртуальные фотоны, испущенких, как пузырьковая камера и др.), все они были обнаные одновременно источником, не взаимодействуют ружены косвенно, по наличию пиков в зависимости друг с другом. В результате получаем закон Кулона.

вероятности взаимодействия различных частиц друг с другом от энергии. Рисунок 1 поясняет сказанное. На В отличие от этой картины глюоны сами обладают рисунке приведена зависимость сечения взаимодейст- цветными зарядами и сильно взаимодействуют друг с вия (пропорциональное величине вероятности) поло- другом. В результате вместо веера из силовых линий мы + жительного пиона с протоном p от кинетической имеем жгут, показанный на рис. 2, б. Жгут протянут энергии пиона. При энергии около 200 МэВ виден пик между кварком и антикварком, но самое удивительное в ходе сечения. Его ширина = 110 МэВ, а полная масса то, что сами глюоны, имея цветные заряды, становятся ++ частицы равна T' + Mpc2 + M c2 = 1232 МэВ/с2, источниками новых глюонов, число которых нарастает max где T' – кинетическая энергия соударения частиц в по мере их удаления от кварка. Такая картина взаимоmax системе их центра масс. Большинство резонансов мож- действия соответствует зависимости потенциальной СЛАВАТИНСКИЙ С.А. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ЧАСТИЦЫ ФИЗИКА ла в тысячи раз больше! Таким образом, перед физикааб ми открылась новая грандиозная картина цветных сил в природе, на много порядков превышающих ныне из~ qq вестные ядерные силы. Конечно, сразу же возникает и вопрос о том, можно ли такие силы заставить работать как источник энергии. К сожалению, ответ на этот вопрос отрицательный.

в Естественно, встает и другой вопрос: до каких рас~ ~ ~ qq qq qq стояний R между кварками потенциальная энергия ли+ нейно растет с ростом R Ответ простой: при больших расстояниях жгут силовых линий рвется, так как энерРис. 2. Схема силовых линий электрического поля в электростатике (а) и глюонного поля между кварком гетически более выгодно образовать разрыв с рождении антикварком (б), а также схема разрыва жгута при ем кварк-антикварковой пары частиц. Это происходит, его большом растяжении (в) когда потенциальная энергия в месте разрыва больше массы покоя кварка и антикварка. Процесс разрыва жгуэнергии взаимодействия между кварками от расстоята силовых линий глюонного поля показан на рис. 2, в.

Pages:     || 2 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.