Основные закономерности микромира

Элементарные частицы

В науке нет широкой столбовой дороги, и только тот может достигнуть ее сияющи вершин, кто, не страшась усталости, карабкается по ее каменистым вершинам.

К. Маркс

Для познания окружающего нас мира человеку пришлось пройти увлекательный, но мучительно длинный и трудный путь изучения вещества, начиная от самых сложных его форм и кончая элементарными частицами Мы рассмотрим этот путь не в прямом, а в обратном направлении. Зна свойства элементарных частиц, нам будет уже сравнительно просто построить из них более сложные объекты: атомные ядра и атомы — и понять и свойства.

Под элементарными частицами можно понимать такие микрочастицы, внутреннюю структуру которых на современном уровне развития наук нельзя представить как совокупность других частиц. Во всех наблюдавшихся до сих пор явлениях каждая такая частица ведет себя как едино целое. Элементарные частицы могут превращаться друг в друга. Чтоб объяснить свойства и поведение элементарных частиц, их приходится наделить, кроме массы, электрического заряда и спина, рядом дополнительных характерных для них величии (квантовых чисел). Как отмечалось выше известны также четыре вида взаимодействий между элементарными частицами: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Интенсивность взаимодействия принято характеризовать с помощью так называемой константы взаимодействия, которая представляет собой безразмерны параметр, определяющий вероятность процессов, обусловленных данны видом взаимодействия. Отношение значений констант дает относительну интенсивность соответствующих взаимодействий.

Все атомы, а значит, и все материальные тела вокруг нас представляют собой сочетания всего лишь трех материальных частиц, обладающих массой: протона, нейтрона и электрона. Четвертая частица, фотон, не имее массы и является единицей электромагнитного излучения. Протон, электрон и фотон представляют собой устойчивые частицы. Это означает, чт их существование не прерывается до тех пор, пока они не принимают участия в столкновениях с другими частицами, угрожающими им аннигиляцией. Распад нейтрона, напротив, может с легкостью произойти в любой момент. Этот процесс, получивший название бета-распада, представляет собой обычный механизм одной из разновидностей радиоактивных явлений. Нейтрино — еще одна частица, не имеющая массы, но характеризующаяся устойчивостью, подобно протону, электрону и фотону.

Частицы приведены в левой части рис. 7.1. Отражение справа представляет собой набор соответствующих античастиц. Кружками обведены стабильные частицы. Масса я°-мезонов составляет 264,2 (в единицах массы электронов).

Рис. 7.1. Таблица элементарных частиц.

Элементарные частицы обычно подразделяют на четыре класса. К одному из них относится только одна частица — фотон. Второй клас образуют лептоны, третий — мезоны и, наконец, четвертый класс — бари-оны. Мезоны и барионы часто объединяют в один класс сильно взаимодействующих частиц, называемых адронами (греч. «адрос» — крупный, массивный). Дадим краткую характеристику перечисленных классов частиц.

• 1. Фотоны (кванты электромагнитного поля) участвуют в электромагнитных взаимодействиях, но не обладают сильным, слабым гравитационным взаимодействиями.
• 2. Лептоны получили свое название от греческого слова «лептос», которое означает «легкий». К их числу относятся частицы, не обладающи сильным взаимодействием: мюоны (р, р⁺), электроны (е, е⁺), электронные нейтрино (У_е~, у_с⁺) и мюонные нейтрино (У_т~, у_т^ь). Все лептоны имею спин, равный ½, и следовательно, являются фермионами. Все лептон обладают слабым взаимодействием. Те из них, которые имеют электрический заряд (т.е. мюоны и электроны), обладают также электромагнитны взаимодействием.
• 3. Мезоны — сильно взаимодействующие нестабильные частицы не несущие так называемого барионного заряда. К их числу принадлежи я-мезоны, или пионы (я⁺, я^-, я⁰), К-мезоны, или каоны (К⁺, К~, /С°), и эта-мезон (г|). Масса К-мезонов составляет ~ 970/?г_е(494 М для заряженных и 498 М для нейтральных Л*-мезонов). Время жизни К-мезонов имеет величину порядка 10^-8 с. Они распадаются с образованием я-мезонов и лен-тонов или только лептонов. Масса эта-мезонов равна 549 М (1074т_в) время жизни порядка 10 ¹⁹ с. Эта-мезоны распадаются с образование я-мезонов и у-фогонов. В отличие от лептонов мезоны обладают не тольк слабым (и, если они заряжены, электромагнитным), но также и сильны взаимодействием, проявляющимся при взаимодействии их между собой, а также при взаимодействии между мезонами и барионами. Спин все мезонов равен нулю, так что они являются бозонами.
• 4. Класс барионов объединяет в себе нуклоны (р, п) и нестабильны частицы с массой, большей массы нуклонов, получившие название гиперонов. Все барионы обладают сильным взаимодействием и, следовательно активно взаимодействуют с атомными ядрами. Спин всех барионов раве ½, так что барионы являются фермионами. За исключением протона, вс барионы нестабильны. При распаде барионы наряду с другими частицам обязательно образуют барион. Эта закономерность является одним из проявлений закона сохранения барионного заряда.

Кроме перечисленных выше частиц, обнаружено большое число сильно взаимодействующих короткоживущих частиц, которые получили название резонансов. Эти частицы представляют собой резонансные состояния образованные двумя или большим числом элементарных частиц. Врем жизни резонансов составляет всего лишь «10^-23— 10^_22с.

Элементарные частицы, а также сложные микрочастицы удается наблюдать благодаря тем следам, которые они оставляют при своем прохождении через вещество. Характер следов позволяет судить о знаке заряда частицы ее энергии, импульсе и т.н. Заряженные частицы вызывают ионизаци молекул на своем пути. Нейтральные частицы следов не оставляют, но он могут обнаружить себя в момент распада на заряженные частицы ил в момент столкновения с каким-либо ядром. Следовательно, в конечно счете нейтральные частицы также обнаруживаются по ионизации, вызванной порожденными ими заряженными частицами.

Частицы и античастицы. В 1928 г. английскому физику П. Дираку удалось найти для электрона релятивистское квантовомеханическое уравнение, из которого вытекает ряд замечательных следствий. Прежде всего, из этого уравнения естественным образом, без каких-либо дополнительны предположений, получаются спин и числовое значение собственного магнитного момента электрона. Таким образом, выяснилось, что спин представляет собой величину одновременно и квантовую, и релятивистскую, Но этим не исчерпывается значение уравнения Дирака. Оно позволил также предсказать существование античастицы электрона — позитрона Из уравнения Дирака для полной энергии свободного электрона получаются не только положительные, но и отрицательные значения. Из уравнения следует, что при заданном импульсе частицы р существуют решени уравнения, соответствующие энергиям.

Между наибольшей отрицательной энергией (-т_ес²) и наименьшей положительной энергией (+т_ес²) имеется интервал значений энергии которые не могут реализоваться. Ширина этого интервала равна 2т_ес² Следовательно, получаются две области собственных значений энергии: В одна начинается с +т_ес² и простирается до +°°, другая начинается с —т_ес^2В и простирается до -°°.

Частица с отрицательной энергией должна обладать очень странными свойствами. Переходя в состояния со все меньшей энергией (т.е. с увеличивающейся по модулю отрицательной энергией), она могла бы выделят энергию, скажем, в виде излучения, причем, поскольку |Е| ничем не ограничен, частица с отрицательной энергией могла бы излучать бесконечн большое количество энергии. К аналогичному выводу можно прийти следующим путем: из соотношения Е = т_ес² вытекает, что у частицы с отрицательной энергией масса будет также отрицательна. Под действием тормозящей силы частица с отрицательной массой должна не замедляться, а ускоряться, совершая над источником тормозящей силы бесконечн большое количество работы. Ввиду этих трудностей следовало, казалос бы, признать, что состояние с отрицательной энергией нужно исключит из рассмотрения как приводящее к абсурдным результатам. Это, однако противоречило бы некоторым общим принципам квантовой механики Поэтому Дирак выбрал другой путь. Он выдвинул идею, что переход электронов в состояния с отрицательной энергией обычно не наблюдаютс по той причине, что все имеющиеся уровни с отрицательной энергией уж заняты электронами.

Согласно Дираку, вакуум — такое состояние, в котором все уровни отрицательной энергии заселены электронами, а уровни с положительно энергией свободны. Поскольку заняты все без исключения уровни, лежащие ниже запрещенной полосы, электроны на этих уровнях никак себ не обнаруживают. Если одному из электронов, находящихся на отрицательных уровнях, сообщить энергию Е > 2т_ес², то этот электрон перейде в состояние с положительной энергией и будет вести себя обычным образом, как частица с положительной массой и отрицательным зарядом. Эт первая из предсказанных теоретически частиц была названа позитроном При встрече позитрона с электроном они аннигилируют (исчезают) —В электрон переходит с положительного уровня на вакантный отрицательный. Энергия, соответствующая разности этих уровней, выделяется в вид излучения.

Существуют частицы, которые тождественны со своими античастицами (т.е. не имеют античастиц). Такие частицы называются абсолютно нейтральными. К их числу принадлежат фотон, л°-мезон и фмезон. Частицы тождественные со своими античастицами, не способны к аннигиляции Это, однако, не означает, что они вообще не могут превращаться в други частицы.

Если бариоиам (т.е. нуклонам и гиперонам) приписать барионный заряд (или барионное число) В = +1, антибарионам — барионный заряд В = -1 а всем остальным частицам — барионный заряд В = 0, то для всех процессов, протекающих с участием барионов и антибарионов, будет характерно сохранение барионного заряда, подобно тому как для процессов характерно сохранение электрического заряда. Закон сохранения барионного заряд обусловливает стабильность самого мягкого из барионов — протона. Преобразование всех величин, описывающих физическую систему, при котором все частицы заменяются античастицами (например, электроны протонами, а протоны электронами и т. д.), называется зарядом сопряжения.

Странные частицы. /С-мезоны и гипероны были обнаружены в составе космических лучей в начале 1950;х гг. Начиная с 1953 г. их получаю на ускорителях. Поведение этих частиц оказалось столь необычным, чт они были названы странными. Необычность поведения странных части заключалась в том, что рождались они явно за счет сильных взаимодействий с характерным временем порядка 10 ²³ с, а время их жизни оказалось порядка 10~⁸— 10^-10 с. Последнее обстоятельство указывало на то, чт распад частиц осуществляется в результате слабых взаимодействий. Был совершенно непонятно, почему странные частицы живут так долго, чт мешает им существовать за счет сильного взаимодействия, в результат которого они возникают. Поскольку и в рождении, и в распаде Л-гипероп участвуют одни и те же частицы (д-мезоны и протон), представлялос удивительным, что скорость (т.е. вероятность) обоих процессов столь различна. Дальнейшие исследования показали, что странные частицы рождаются парами. Это навело на мысль, что сильные взаимодействия не могу играть роли в распаде частиц вследствие того, что для их проявления необходимо присутствие двух странных частиц. По гой же причине оказывается запрещенным одиночное рождение странных частиц.

Чтобы объяснить запрет одиночного рождения странных частиц, М. Гелл-Манн и К. Нишиджима ввели в рассмотрение новое квантовое число, суммарное значение которого должно, по их предположению сохраняться при сильных взаимодействиях. Это квантовое число 5 был названо странностью частицы. При слабых взаимодействиях странност может не сохраняться. Поэтому она приписывается только сильно взаимодействующим частицам — мезонам и барионам.

Нейтрино. Нейтрино — единственная частица, которая не участвует ни в сильных, ни в электромагнитных взаимодействиях. Исключая гравитационное взаимодействие, в котором участвуют все частицы, нейтрин может принимать участие лишь в слабых взаимодействиях.

Долгое время оставалось неясным, чем отличается нейтрино от антинейтрино. Открытие закона сохранения комбинированной четности дало возможность ответить на этот вопрос: они отличаются спиральностыо. По спиралыюстыо понимается определенное соотношение между направлениями импульса Р и спина 5 частицы. Спиралыюсть считается положительной, если спин и импульс имеют одинаковое направление. В этом случа направление движения частицы (Р) и направление «вращения», соответствующее спину, образуют правый винт. При противоположно направленных спине и импульсе спиралыюсть будет отрицательной (поступательно движение и «вращение» образуют левый винт). Согласно развитой Янго и Ли, Ландау, а также Саламом теории продольного нейтрино все существующие в природе нейтрино независимо от способа их возникновения всегда бывают полностью продольно поляризованы (т.с. спин их направлен параллельно или антипараллельно импульсу Р). Нейтрино имеет отрицательную (левую) спиральность, антинейтрино — положительную (правую)В спиральность. Таким образом, спиральность — это то, что отличает нейтрино от антинейтрино.

Систематика элементарных частиц. Закономерности, наблюдаемые в мире элементарных частиц, могут быть сформулированы в виде законо сохранения. Таких законов накопилось уже довольно много. Некоторы из них, оказываются не точными, а лишь приближенными. Каждый зако сохранения выражает определенную симметрию системы. Законы сохранения импульса Р, момента импульса Е и энергии Е отражают свойств симметрии пространства и времени: сохранение Е есть следствие однородности времени, сохранение Р обусловлено однородностью пространства, а сохранение Ь — его изотропностью. Закон сохранения четности связа с симметрией между правым и левым (Т-инвариантность). Симметри относительно зарядового сопряжения (симметрия частиц и античастиц) В приводит к сохранению зарядовой четности (С-инвариантиость). Закон сохранения электрического, барионного и лептонного зарядов выражаю особую симметрию ф-функции. Наконец, закон сохранения изотопическог спина отражает изотропность изотопического пространства. Несоблюдени одного из законов сохранения означает нарушение в данном взаимодействии соответствующего вида симметрии.

Кварки. Частиц, называемых элементарными, стало так много, что возникли серьезные сомнения в их элементарности. Каждая из сильно взаимодействующих частиц характеризуется тремя независимыми аддитивными квантовыми числами: зарядом (2, гиперзарядом У и барионным зарядом Б. В связи с этим появилась гипотеза о том, что все частицы построены из трех фундаментальных частиц — носителей этих зарядов. В 1964 г Гелл-Манн и независимо от него швейцарский физик Цвейг выдвинул гипотезу, согласно которой все элементарные частицы построены из тре частиц, названных кварками. Этим частицам приписываются дробны квантовые числа, в частности электрический заряд, равный +2/3, -1/3 + 1/3 соответственно для каждого из трех кварков. Эти кварки обычно обозначаются буквами и, О, 5. Кроме кварков, рассматриваются антикварк (и, (1, х). Мезоны образуются из пары кварк-антикварк, а барионы — из тре кварков. Каждому кварку приписывается одинаковый магнитный момен р_кв, величина которого из теории не определяется.

В основном цвет кварка (подобно знаку электрического заряда) стал выражать различие в свойстве, определяющем взаимное притяжени и отталкивание кварков. По аналогии с квантами полей различных взаимодействий (фотонами в электромагнитных взаимодействиях, л-мезонам в сильных взаимодействиях и т. д.) были введены частицы — переносчик взаимодействия между кварками. Эти частицы были названы глюонами Они переносят цвет от одного кварка к другому, в результате чего кварк удерживаются вместе.

Идея кварков оказалось весьма плодотворной. Она позволила не только систематизировать уже известные частицы, но и предсказать целый ряд новых. Положение, сложившееся в физике элементарных частиц, напоминает положение, создавшееся в физике атома после открытия в 1869 г. Д. И. Менделеевым периодического закона. Хотя сущность этого закон была выяснена только спустя примерно 60 лет, после создания квантовой механики, он позволил систематизировать известные к тому времен химические элементы и, кроме того, привел к предсказанию существования новых элементов и их свойств. Точно так же физики научились систематизировать элементарные частицы, причем разработанная систематик в ряде случаев позволила предсказать существование новых частиц и предвосхитить свойства этих частиц.

В мире элементарных частиц действует правило: разрешено все, что не запрещают законы сохранения. Последние играют роль прави запрета, регулирующих взаимопревращения частиц. Прежде всего отмети законы сохранения энергии, импульса и электрического заряда. Например эти три закона объясняют стабильность электрона. Из сохранения энергии и импульса следует, что суммарная масса покоя продуктов распад должна быть меньше массы покоя распадающейся частицы. Значит, электрон мог бы распадаться только на нейтрино и фотоны. Но эти частиц электрически нейтральны. Вот и получается, что электрону просто неком передать свой электрический заряд; поэтому он стабилен.