Современные представления о структурных уровнях микромира

Основное содержание главы

Открытие большого числа элементарных частиц стимулировало теоретические и экспериментальные поиски фундаментальных частиц, играющих роль первооснов для остального мира составных микрочастиц. К настоящему времени установлено существование трех поколений фундаментальных частиц (кварков и лептонов), выдвинуты гипотезы многомерных струи для объяснения спектра масс и зарядов фундаментальных частиц.

З.1 Частицы и античастицы микромира

В 1930 г. английский физик Пол Дирак теоретически предсказал существование античастицы электрона, которая имеет такую же массу, что и электрон, но отличается от него знаком (но не абсолютной величиной) электрического заряда. Для нее знак заряда должен был быть противоположным знаку заряда электрона, т. е. положительным.

В этом нашло свое проявление свойство симметрии уравнения Дирака относительно знака электрического заряда частиц. Считают, что это говорит также о наличии свойств симметрии в основных законах природы, в данном случае это пример зарядовой симметрии. Вскоре такая частица была обнаружена экспериментально (А. Андерсон, 1932 г.).

Позднее были открыты античастицы для протона (антипротон), нейтрона (антинейтрон) и нейтрино (антинейтрино). В последних двух случаях заряды частиц и античастиц одинаковы, но по ряду других свойств они все же отличаются друг от друга. При записи обозначений античастиц используют знак частицы-партнера, но с добавлением к нему тильды над символом, например антипротон обозначают символом Р, а для обозначения антинейтрона используют символ П .

Оказалось, что рождение античастицы всегда происходит в паре с соответствующей частицей, так что при этом выполняется закон сохранения общего электрического заряда Вселенной. От появления пары разноименных и одинаковых по абсолютной величине зарядов нейтральность вселенной не нарушается.

Античастицы являются редкими «гостями» среди мира обычных частиц и быстро исчезают в актах аннигиляции. Аннигиляция — это взаимное уничтожение, исчезновение пары «частица — античастица» с образованием кванта электромагнитного излучения с высокой энергией.

(гамма-кванта). Символически реакцию аннигиляцию электрона и позитрона (т. е. антиэлектрона) записывают в виде.

Рождение двух гамма-квантов обусловлено проявлением закона сохранения импульса в изолированной системе. До начала реакции частицы, сближаясь навстречу друг другу, имеют вполне определенную сумму векторов импульсов. Чтобы не изменить (сохранить) величину этой суммы, импульсы гамма-квантов после возникновения должны быть направлеными в противоположные стороны.

Прежде чем проаннигилировать, позитрон и электрон образуют иногда водородоподобную систему, вполне описываемую теорией Бора. В пей обе частицы вращаются на общей круговой орбите вокруг центра масс. По размерам атом позитрония примерно в два раза больше атома водорода.

Недавно (в 2008 г.) появилось сообщение о наблюдении молекулы позитрония, в которой связаны два атома позитрония. Для обозначения столь экзотических атомов и молекул был предложен символ тайдзы (инь и ян), используемый для обозначения единства противоположных начал в китайском мистицизме и символические обозначения Ps и Ps₂ (рис. 30). Кстати сказать, это еще один пример сосуществования научных и мистических образов в современной единой культуре.

Рис. 30. Атом и молекула позитрония

Кроме того, к настоящему времени в лабораториях физиков удалось получить небольшие количества антивещества в виде антиводорода и антигелия. В этих соединения вместо «нормальных» частиц присутствуют их антиподы — антипротоны, антинейтроны, позитроны.

Долгое время полагали, что нейтрино не только не имеет электрического заряда, но не имеет и массы. К настоящему времени экспериментально установлено, что нейтрино имеет массу, отличную от нуля. Более того, открыты три вида нейтрино с различными значениями массы: электронное нейтрино (v_e), самое легкое, мюонное нейтрино (v_M) и таонное нейтрино (v_T), самое тяжелое из трех.

Вместе с электроном (е), мюоном (р) и таоном (т), три нейтрино образуют семейство лептонов (табл. 6).

Таблица 6.

Семейство пептонов

Основанием для объединения этих частиц в единую группу служит то обстоятельство, что перечисленные частицы могут превращаться друг в друга. Так, например, мюон может превращаться в электрон, антинейтрино и нейтрино по реакции.

Кроме того, иногда мюон замещает электрон в атомах. В согласии с теорией Бора, радиус мюонной орбиты оказывается во столько раз меньше электронной, во сколько раз масса мюона больше массы электрона. Парадоксально, но в тяжелых атомах мюонная орбита попадает в область ядра атома. Спиновое число лептонов равноони участвуют в так называемых слабых взаимодействиях.

Другую группу элементарных частиц образует семейство мезонов. Она более многочисленная, чем семейство лептонов, и в табл. 7 приведены только некоторые частицы из данной группы.

Таблица 7.

Семейство мезонов

Все мезоны имеют нулевое значение спина, именно это является одним из оснований для отнесения элементарной частицы данному семейству. Еще более многочисленной является группа барионов — элементарных частиц, спиновое квантовое число для которых является.

¹ о

кратным величине —. В это семейство входят, в частности, протоны и нейтроны. Эти две частицы являются составными частями ядер атомов, где они тесно связаны ядерными силами. Ядерныс силы индифферентны (нечувствительны) к электрическому заряду протонов. Поэтому в составе ядер атомов оба типа частиц называют нуклонами, т. е. частицами ядра.

В целом, к началу 70-х годов XX в. при исследовании каскадов реакций рождения микрочастиц, подобных приведенному на рис. 31, было открыто более 350 видов частиц, относившихся по терминологии того времени к классу элементарных частиц. (В эти годы иногда совокупность элементарных частиц сравнивали с коллекцией марок.).

Рис. 31. Каскад реакций рождения элементарных частиц при столкновении встречных пучков протонов и антипротонов

К настоящему времени список открытых частиц микромира (вместе с так называемыми резонансными, очень корогкоживущими состояниями) превысил рубеж 500 наименований. С учетом наличия античастиц «общество» элементарных частиц становится еще большим. Оно намного превышает количество химических элементов, сгруппированных в таблицу Д. И. Менделеева.

Невольно возникали сомнения по поводу элементарности столь большого числа частиц. Может быть, большая их часть все-таки имеет внутреннюю структуру?

Традиция поиска первооснов, заложенная еще в античные времена, стимулировала ученых на поиск действительно элементарных, не имеющих в своем составе каких-либо частей, фундаментальных частиц. Поскольку экспериментаторы «сделали свою часть работы», открыв большое число микрочастиц, очередь была за теоретиками.