После изучения главы необходимо знать следующее:

• Краткие исторические сведения по изучению физики элементарных частиц.

• Классификация элементарных частиц. Адроны. Лептоны. Кварки.

• Виды взаимодействия и их свойства.

• Основные характеристики и свойства элементарных частиц.

5.1. Краткие исторические сведения

Прошлый век ознаменовался рождением двух основных фундаментальных физических теорий – общей теории относительности Эйнштейна (ОТО) и квантовой механики, которые развивались независимо. Только к концу века появились скромные надежды на их объединение в рамках еще более универсального подхода – единой теории поля. Полевой подход крайне удобен для описания точечного тела в данной точке пространства в данный момент времени, но именно непрерывное и однородное представление о поле и не позволяло долгие годы объединить между собой ОТО и квантовую механику. Только уход от точечных объектов и событий, происходящих в сколь угодно малой области пространства, дали надежду в рамках единого подхода описать все возможные явления нашего материального мира.

Специальная теория относительности (СТО) объединила электричество и магнетизм в единую электромагнитную силу. Квантовая теория электромагнитного поля, основы которой были заложены в конце 1920–х годов П. Дираком, развиты на рубеже 1940 – 1950–х годов в работах Ю. Швингера, С. Томонаги и Р. Феймана, представляет собой логически последовательную основу для описания элементарных частиц и их фундаментальных взаимодействий.

В конце 1960 – х годов на основании работ Ш. Глэшоу, С. Вайнберга, А. Салама, была построена единая теория слабого и электромагнитного взаимодействий, в которой было показано, что электромагнитное и слабое взаимодействия могут быть объединены в электрослабое взаимодействие. Квантами (переносчиками) слабого взаимодействия выступают W⁺, W^- и Z⁰ – бозоны, называемые промежуточными векторными бозонами.

Согласно квантовой теории сильного взаимодействия элементарных частиц, возникшей в начале 1970–х годов, переносчиками сильных взаимодействий являются 8 глюонов. Кварки притягиваются, обмениваясь глюонами, и таким образом образуют адроны. Адроны с целым спином называют мезонами, а с полуцелым – барионами. Обычные мезоны состоят из пары кварк – антикварк, а барионы – из трех кварков. Недавно были открыты пентакварки – экзотические адроны, состоящие из пяти кварков.

В современной физике частицы взаимодействуют друг с другом посредством так называемых калибровочных полей, описываемых для всех четырех типов взаимодействия частиц в рамках квантовой теории калибровочных полей, являющейся в настоящее время общепринятой основой для физики элементарных частиц. Так что есть основания полагать, что все фундаментальные взаимодействия в конечном итоге объединятся. Если сравнивать сильное и электрослабое взаимодействия, то придется уходить в области все больших энергий, пока они не сравняются по силе и не сольются в одно в районе энергий 10¹⁶ ГэВ. При этой энергии константы трех взаимодействий становятся равными друг другу. При таких больших энергиях все три взаимодействия выступают вместе – как универсальное симметричное взаимодействие. В физике элементарных частиц, массы которых ничтожно малы, гравитационные силы никакой роли не играют. Гравитация же присоединится к ним согласно данной теории при энергиях порядка 10¹⁹ ГэВ. В настоящее время такие энергии сталкивающихся на ускорителях частиц (коллайдерах – установках для ускорения, накопления и столкновения встречных пучков частиц сверхвысоких энергий) вряд ли будут доступны в обозримом будущем. Однако теоретические исследования по поиску единой теории всех фундаментальных взаимодействий идут полным ходом.