Физика элементарных частиц. Зоопарк.
Мы уже знаем, что ни атомы, ни находящиеся внутри атома протоны с нейтронами (нуклоны) не являются неделимыми, а потому возникает вопрос: что же такое настоящие элементарные частицы – те исходные кирпичи, из которых все состоит?
Все известные частицы во Вселенной можно разделить на две группы: фермионы, из которых состоит вещество во Вселенной, и бозоны, которые создают силы, действующие между частицами вещества.
Частицы вещества подчиняются так называемому принципу запрета Паули, открытому в 1925 г. австрийским физиком Вольфгангом Паули. Принцип гласит, что две одинаковые частицы не могут существовать в одном и том же состоянии (с одинаковым спином) на одной орбитали атома, т. е. не могут иметь координаты и скорости, одинаковые с той точностью, которая задается принципом неопределенности. Принцип Паули имеет крайне важное значение, так как он позволил объяснить, почему материя не коллапсирует в желе.
Спин частицы дает нам сведения о том, как выглядит частица, если смотреть на нее с разных сторон. Частица со спином 0 похожа на точку: она выглядит со всех сторон одинаково. Частицу со спином 1 можно сравнить со стрелой: с разных сторон она выглядит по - разному и принимает тот же вид лишь после полного оборота на 360 град. Частицу со спином 2 можно сравнить со стрелой, заточенной с обеих сторон: любое ее положение повторяется после полуоборота (180 град.). Аналогичным образом частица с более высоким спином возвращается в первоначальное состояние при повороте на еще меньшую часть полного оборота. Целочисленный спин бывает у бозонов (переносчиков взаимодействия).
Существуют частицы, которые после полного оборота не принимают прежний вид: их нужно дважды полностью повернуть. Говорят, что такие частицы обладают спином 1/2. Дробный спин бывает у фермионов (частиц материи).
Гипотеза кварков была независимо предложена физиками Мюрреем Гелл-Манном и Джорджем Цвейгом в 1964 г. К 1995 г. эксперименты на ускорителях частиц принесли доказательства существования всех шести видов кварков.
Согласно Стандартной Модели, к фермионам относятся кварки различных сортов (по три кварка входит в состав протона и нейтрона) и лептоны (например, электрон и нейтрино, открытое в 1956 г.). Нейтрино очень трудно регистрировать - они имеют крошечную (но не нулевую) массу и проходят сквозь обычное вещество почти незаметно.
Имеется шесть видов (или ароматов) кварков: верхний (U-up), нижний (D-down) , очарованный, странный, истинный (T-top) и прелестный (B - bottom).
Кварк каждого «аромата» может быть еще и трех «цветов» – красного, зеленого и синего (это просто обозначения, так как размер кварков значительно меньше длины волны видимого света и поэтому цвета в обычном смысле слова у них нет). В сравнительно стабильных частицах встречаются только верхний и нижний кварки, и они наиболее распространены во Вселенной. Протон и нейтрон состоят из трех кварков разных «цветов».
Кварки несут дробный электрический заряд. Например, заряд нижнего кварка равен -1 /3 , а заряд верхнего +2/3 (в единицах заряда электрона). Нейтроны — частицы с нулевым электрическим зарядом — состоят из одного верхнего кварка и двух нижних (udd), а положительно заряженный протон — из двух верхних кварков и одного нижнего (uud). Одиночных кварков не бывает. Они входят только в состав составных частиц с целым электрическим зарядом. Частицы можно строить и из других кварков (странного, очарованного, b и t), но все эти кварки обладают гораздо большей массой и очень быстро распадаются на протоны и нейтроны. Как правило, такие частицы рождаются в столкновениях при высоких энергиях. В обычном состоянии, даже при влиянии извне, элементарные частицы существуют долю секунду. Свободный нейтрон, например, живет 15 минут. А вот фотоны, электроны, протоны и нейтрино могли бы практически вечно существовать. Фотоны и различного рода нейтрино по своей скорости равны скорости света. Они не могут замедлиться или ускорится. Они безмассовы. Их импульс и энергия во всех системах равны нулю.
Все частицы, построенные из кварков, называются адронами. Они все участвуют в сильном взаимодействии. Другой класс частиц, называемых лептонами, куда входит, в частности, электрон, не состоят из кварков.
Кварки прочно связаны мощными короткодействующими силами — их называют цветными силами. Они переносятся частицами, которые называют глюонами, а теорию, описывающую эти сильные взаимодействия кварков и глюонов, - квантовой хромодинамикой (современной версией ядерной физики).
Всего, список стандартной модели включает в себя 36 кварков, 8 глюонов, 6 типов лептонов (электрон, мюон, тау-лептон, и соответствующие им античастицы), два типа W-бозонов, Z-бозонов, бозон Хиггса, фотон и нейтрино. Взаимодействия между частицами описано фейнмановскими диаграммами.
Кварки и электроны считаются истинно элементарными частицами: они ни из чего не состоят, но могут превращаться в другие частицы. Этих частиц и кванта электромагнитного поля (фотона) достаточно для построения всего «обычного» вещества в земных условиях. Если нам, к примеру, нужны еще и «обычные» ядерные реакции (чтобы зажечь Солнце), то понадобится еще четвертая частица — электронное нейтрино. Его можно описать как электрон без электрического заряда.
Большая часть массы окружающих нас объектов, сосредоточена в протонах и нейтронах. И еще небольшая часть в электронах. Таким образом, когда мы говорим о массе объекта, мы имеем в виду массу нуклонов.