ЛЕКЦИЯ № 18

ЭЛЕМЕНТЫ ФИЗИКИ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

1. Космическое излучение

Излучение, приходящее на Землю практически изотропно со всех направлений космического пространства. Космическое излучение бывает первичным и вторичным.

Первичное космическое излучение это излучение, приходящее непосредственно из космоса. Оно представляет собой поток элементарных частиц высокой энергии ( ~ 90% ― протоны, ~ 7% ― α-частицы, ~ 1% ― ядра тяжелых элементов Z > 20). При высоте ≥ 50 км интенсивность космического излучения постоянна и на этой высоте наблюдается лишь первичное излучение.

Вторичное космическое излучение это излучение, образующееся в результате взаимодействия первичного космического излучения с ядрами атомов земной атмосферы. Вторичное космическое излучение наблюдается с приближением к Земле (h < 20 км). Во вторичном космическом излучении встречаются все известные элементарные частицы. По мере приближения к Земле его интенсивность уменьшается (вторичные частицы испытывают поглощение). В составе вторичных космических частиц выделяют два компонента: мягкий (сильно поглощаются свинцом) и жесткий (обладающие в свинце большой проникающей способностью).

На рис. 1 представлена зависимость интенсивности космического излучения с высотой.

Рисунок 1. Зависимость интенсивности космического излучения с высотой

Изучение космического излучения позволило получить основные экспериментальные данные, на которых и базируется физика элементарных частиц, и изучить сейчас процессы с частицами сверхвысоких энергий до 10²¹ эВ.

2. Уровни микрочастиц

Рассмотрим структурные уровни микромира (рис.2):

Рисунок 2. Уровни элементарных частиц

Совсем недавно нуклоны, электроны и фотоны размещались на едином уровне элементарных частиц и рассматривались как его равноправные члены. Однако постепенно выяснилось, что протоны и нейтроны (и вообще все адроны) являются составными микрообъектами. Они построены из более “мелких” частиц, которые обозначаются символами u и d. Эти частицы принадлежат к классу кварков.

Сейчас по традиции, продолжают говорить об элементарных частицах. Так называют все субъядерные микрообъекты, хотя многие из них и не являются элементарными в первоначальном смысле этого слова. Данный термин повторил историю слова “атом”, которое в переводе с греческого означает неделимый.

Согласно современным воззрениям, единый ранее уровень элементарных частиц на самом деле оказывается расщепленным на два уровня. На верхнем из них ― адронном ― расположены составные частицы, в том числе протоны p и нейтроны n. Самый нижний уровень ― это уровень истинно элементарных частиц, часто называемых фундаментальными частицами. Именно на нем находятся электрон (лептоны), фотон (переносчики взаимодействий), а так же u и d (кварки).

Существуют ли еще более глубокие уровни строения материи, в настоящее время неизвестно, хотя такие возможности обсуждаются в научной литературы и даже строятся конкретные модели.

Этот важнейший вопрос может быть решен только экспериментально. Из соотношения неопределенностей следует, что для выявления деталей структуры с размерами порядка нужны зондирующие частицы с импульсами , не меньшими .

Таким образом, для изучения очень мелких деталей нужны частицы с очень большими энергиями. Интенсивные пучки заряженных частиц с высокими энергиями, необходимые для постановки соответствующих опытов, формируются ускорителями. С их помощью надеются выяснить, в частности, столь ли уж фундаментальны на самом деле фундаментальные частицы, т.е. обладает ли, например, электрон какой-то структурой или не обладает.