3. Фундаментальные частицы и фундаментальные взаимодействия

Изучение частиц, которые считали долгое время элементарны­ми (их число достигло более трех сотен вместе с античастицами), их свойств и взаимодействий, а также развитие теории показали, что они сами состоят из простейших или, как говорят, фунда­ментальных, частиц. Многочисленные эксперименты доказали, что все фундаментальные частицы ведут себя как безразмерные точечные объекты, не имеющие внутренней структуры, по край­ней мере, до наименьших, изученных сейчас расстояний ≈10 ^-18 м.

Согласно квантовой теории поля, взаимодействия между ча­стицами осуществляются посредством испускания и последующего поглощения квантов соответствующего поля (сильного, слабого, электромагнитного, гравитационного), окружающего частицу. Такими квантами являются бозоны — фундаментальные частицы, у которых спин s равен целочисленному значению постоянной Планка ћ = 1,054572•10^-34 Дж • с. На бозоны не распространяется принцип Паули, т.е. в одном и том же энергетическом состоянии может находиться сколько угодно бозонов. В классической физи­ке одинаковые частицы отличаются своим положением в простран­стве, в квантовой — пространственно неразличимы, так как по своей вероятностной природе они все относятся к одной области пространства. Одинаковые частицы полностью неразличимы, или в квантовой теории работает принцип тождественности час­тиц. Следствием является принцип Паули.

Кванты фундаментальных взаимодействий приведены в табл. 8.2.

Таблица 8.2

Фундаментальное взаимодействие	Кванты полей
Гравитационное	Гравитоны
Электромагнитное	Фотоны
Сильное	Глюоны (8)
Слабое	Промежуточные векторные бозоны: W+, W- , Z°

Квантами поля и соответственно переносчиками сильного взаи­модействия являются глюоны, квантами электромагнитного поля —фотоны, а квантами слабого поля и, соответственно, переносчика­ми слабых взаимодействий — W^± и Z⁰-бозоны. Квантами грави­тационного поля считаются гипотетические частицы — гравито­ны, которые пока экспериментально не обнаружены, возможно, из-за слабости этого взаимодействия.

Слабое взаимодействие отличается от всех других взаимодей­ствий тем, что не вызывает появления сил в обычном понима­нии — оно вызывает превращение одних частиц в другие, дей­ствует в диапазонах 10 ^-16—10 ^-17 м. Однако результат этого дей­ствия может проявляться и в космических масштабах — оно от­ветственно за вспышки сверхновых звезд. Примером служит рас­пад нейтрона: п —> р + е ^- + , в результате распада образуются но­вые частицы: р— протон, е ^- — электрон и — антинейтрино. Современная квантовая электродинамика описывает электромаг­нитные и слабые взаимодействия с помощью единой электрослабой теории, разработанной С. Вайнбергом, А. Саламом и Ш. Глэ­шоу в 1967 г. В этой теории разделение электрослабого взаимо­действия на слабое и электромагнитное связано со спонтанным нарушением калибровочной симметрии.

Фундаментальными частицами, образующими вещество, яв­ляются фермионы — лептоны и кварки. Они имеют спин s = ħ/2, т.е. фермионы подчиняются принципу Паули. В табл. 8.3 приведе­ны символы фундаментальных фермионов — лептонов и кварков.

Частицы сгруппированы в три поколения I, II и III. Наша Все­ленная построена из частиц первого поколения, но на начальной стадии ее развития важную роль играли частицы всех трех поко­лений.

Таблица 8.3

Лептоны			Кварки
I	II	III	I	II	III
e (электрон)	μ (мюон)	τ (таон)	и	с	t
νe	νμ	ντ	d	s	b

Примечание. ν_e — нейтрино электронное; ν_μ — нейтрино мюонное; ν_τ — тау нейтрино.

Каждой частице, приведенной в табл. 8.3, соответствует античастица, отличающаяся от частицы лишь знаком электри­ческого заряда или других квантовых чисел. Античастицы обознача­ются теми же символами, как и частицы, но с волнистой чертой над символом.

Кварки несут лишь часть (+2/3 и -1/3) электрического элементарного заряда. Всего открыто шесть типов кварков, они получили красочное название ароматов: и-(верхний), d-(нижний), с-(очарованный), s-(cmpaнный), t-(ucmuнный) и b-(прелестный). Каждому кварку соответствует антикварк, их спин s = ½ (в единицах ħ) .

Каждый кварк может находиться в одном из трех состояний, которым условно присвоили названия цвета «красный», «синий» и «зеленый», хотя они не имеют ничего общего с обычным цве­том. Можно сказать, сопоставляя образные названия квантовой хромодинамики с квантовой электродинамикой, что кварк — ана­лог электрона, цвет — аналог заряда, фотон — аналог глюона. Но здесь существенно, что частицы, которые построены из кварков, не окрашены, поэтому три цвета кварков в сумме должны давать белый цвет (подобно тому как заряды противоположных знаков дают нейтральную частицу). Позже обнаружили, что цвет важнее аромата.

Сами кварки не могут находиться в свободном состоянии. Они входят в состав адронов — частиц, участвующих в сильных взаимо­действиях. Сами адроны подразделяются на тяжелые частицы — барионы, и средние — мезоны. Все барионы состоят из трех квар­ков, антибарионы — из трех антикварков. Причем суммарный цвет этих трех кварков должен быть белым («красный» + «синий» + «зеленый» = «белый»). Мезоны могут быть составлены из любой комбинации пар любого кварка и любого антикварка.

Протоны и нейтроны, входящие в состав ядра атома, относят­ся к барионам, т. е. состоят из трех кварков. Протон состоит из двух верхних кварков, имеющих заряд +2/3, и одного нижнего кварка с зарядом -1/3( uud). Суммарный заряд этих трех кварков равен +1. Нейтрон состоит из двух нижних кварков, имеющих заряд -1/3, и одного верхнего кварка с зарядом +2/3 (ddu). Суммарный заряд этих трех кварков равен 0. Эксперименты показывают, что в реакциях сильного взаимодействия протон и нейтрон ведут себя одинако­во, отличаясь лишь знаком заряда. Говорят: один нуклон нахо­дится в двух состояниях — протонном и нейтронном. Математи­чески это записывается как симметрия по отношению к вращени­ям в некотором виртуальном пространстве, называемом изото­пическим. И как электрон может быть в двух состояниях (проек­ций спина на ось квантования: s = +1/2 и s = -1/2), так и нуклон с квантовым числом — изотопическим спином 1/2 — может быть протоном или нейтроном. Данную аналогию предложил В. Гей­зенберг (1940) — это инвариантность уравнений теории сильных взаимодействий относительно вращений в изотопическом про­странстве, которая описывается группой SU(2).

Суммарный спин кварков, входящих в протон и нейтрон, ра­вен 1/2, т.е. два кварка с параллельными (↑↑) спинами и один — с противоположным направлением (↓) спина. За счет орбиталь­ного движения кварков суммарный спин частиц может быть боль­ше. Если те же три кварка имеют параллельные спины, то это будет другая частица. Например, два верхних и один нижний кварк с параллельными спинами образуют так называемый Δ⁺ резонанс (частицы с временами жизни 10^-22— 10^-24 с).

В соответствии с квантовой теорией сильного взаимодействия (квантовой хромодинамикой) переносчиками взаимодействия меж­ду кварками являются восемь разных глюонов. Глюон (от англ. — клей) — кванты поля, частицы, «склеивающие» кварки между со­бой. Как и кварки, глюоны — цветные частицы, но поскольку каждый глюон изменяет цвета сразу двух кварков (кварка, испус­кающего глюон, и кварка, поглощающего глюон), то он «окрашен дважды». Глюон несет на себе цвет и антицвет, как правило, от­личный от цвета. Кроме того, глюоны электрически нейтральны и не обладают слабым зарядом. Масса глюонов, как и фо­тона, равна нулю (поэтому велик радиус действия электромагнит­ных взаимодействий). Но глюоны в отличие от фотонов обладают цветными зарядами и сильно взаимодействуют друг с другом, по­этому сильное взаимодействие короткодействующее. В результате вместо веера из силовых линий, характерных для электрического поля зарядов разных знаков (рис. 8.3, а), образуется жгут (струна), соединяющий кварк и антикварк (рис. 8.3, б).

Кроме этого, глюоны, имея цветные заряды, становятся источ­никами новых глюонов, число которых нарастает по мере их уда­ления от кварка. Отсюда — особый характер изменения силы с расстоянием. При r ~ 10 ^{- 17} м кварки почти свободные частицы. На расстоянии более 10 ^{- 15} м сила постоянна, при попытке разде­ления кварков потенциальная энергия сильно возрастает и достигает значений, достаточных для рождения новой пары кварк —антикварк и образования новой частицы (см. рис. 8.3, в). Именно поэтому невозможно выделить кварки в свободном со­стоянии.

Кварки существовали свободными в первые мгновения после Большого взрыва, когда частицы обладали столь большими энер­гиями (порядка 10¹⁵ ГэВ), что не могли образоваться адроны. По мере расширения Вселенной и охлаждения кварки и антикварки образовали барионы и мезоны. Мезоны распались, а барионы вош­ли в состав вещества.

Если сравнить цветную силу с ядерными силами между прото­ном и нейтроном внутри атомного ядра, то оказывается, что цветная сила в тысячи раз больше. Сила взаимодействия между нук­лонами в ядре представляет собой остаточный эффект цветных сил. Как известно, электромагнитное поле удовлетворяет прин­ципу суперпозиции: поля источников независимы и складывают­ся как векторы. Из-за взаимодействия глюонов друг с другом прин­цип суперпозиции не работает и квантовая хромодинамика — су­щественно нелинейная теория.