книги / Физика для бакалавра. Ч. 2-1

пространство сворачивается в некие микрообъекты, напоминая губку, и меньших расстояний попросту не бывает. Эти шарики и представляют собой геометрические кванты, или струны.

Сейчас термин «элементарные частицы» используется в не совсем точном значении: это группа мельчайших частиц, не являющихся атомами или атомными ядрами (исключение составляет протон – ядро атома водорода).

34.1. Основные классы элементарных частиц

Дж.Дж. Томсон в 1897 году открыл первую элементарную частицу – электрон. Он установил, что так называемые катодные лучи образованы потоком мельчайших частиц, названных впоследствии электронами.

Э. Резерфорд, пропуская α-частицы от естественного радиоактивного источника через тонкие фольги из разных веществ, в1911 году установил, что положительный заряд в атомах сосредоточен в компактных образованиях – ядрах. В 1919 году он обнаружил протоны – положительно заряженные частицы массой, в 1836,2 раза превышающей массу электрона, – среди частиц, выбитых из атомных ядер.

В1932 году Дж. Чедвиком при изучении взаимодействия α-частиц с бериллием была открыта третья частица, входящая

всостав атома, – нейтрон. Нейтрон имеет массу, близкую к массе протона, но не имеет заряда.

В1900 году М. Планк, предположив, что энергия абсолютно черного тела квантована, получил правильную формулу для спектра излучения. Эйнштейн, развивая идею Планка, постулировал, что электромагнитное излучение в действительности является потоком отдельных квантов (фотонов), и на этой основе объяснил закономерности фотоэффекта. Прямые экспериментальные доказательства существования фотона были получены Р. Милликеном (1912–1915) и А. Комптоном (1922).

От гипотезы В. Паули (1930), позволившей найти причину исчезновения части энергии в процессах β-распада радиоактив-

391

ных ядер, ведет свое начало открытие нейтрино – частицы, почти не взаимодействующей с веществом. Только в 1953 году Ф. Райнесом и К. Коуэном (США) экспериментально было подтверждено существование нейтрино.

К настоящему времени открыто около 350 элементарных частиц, различных по своим характеристикам: времени жизни, заряду, массе, спину и т.д.

34.2. Элементарные частицы и античастицы

Все частицы (в том числе неэлементарные и квазичастицы) делятся на бозоны (или бозе-частицы) и фермионы (или фермичастицы). Бозонами называются частицы или квазичастицы, обладающие нулевым или целым спином. Бозоны подчиняются статистике Бозе–Эйнштейна (отсюда и происходит их название). К бозонам относятся: гипотетический гравитон (спин 2), фотон (спин 1), промежуточные векторные бозоны (спин 1), глюоны (спин 1), мезоны и мезонные резонансы, а также античастицы всех перечисленных частиц.

Фермионами называются частицы или квазичастицы с полуцелым спином. Для них справедлив принцип Паули, и они подчиняются статистике Ферми–Дирака. К фермионам относятся лептоны, барионы, барионные резонансы и кварки (спин 1/2), а также соответствующие античастицы.

По времени жизни τ различают стабильные, квазистабильные и резонансные частицы или резонансы. Резонансными называют частицы, распадающиеся за счет сильного взаимодействия со временем жизни 10–23 с. Нестабильные частицы, время жизни которых превышает 10–20 с, распадаются за счет слабого или электромагнитного, но не за счет сильного взаимодействия. Такие частицы называются квазистационарными. Время 10–20 с, ничтожное в обыденных масштабах, должно считаться большим, если его сравнивать с ядерным временем. Ядерное время – это время, которое требуется свету, чтобы пройти диаметр ядра (10–13 см). За время 10–20 с может совершиться много внутринук-

392

лонных процессов, поэтому частицы, названные здесь квазистабильными, в справочниках именуются просто стабильными. Впрочем, абсолютно стабильными пока можно считать только 12 частиц: фотон γ, электрон e–, протон p+(?), электронное νe, мюонное νμ и таонное ντ нейтрино и соответствующие им античастицы – их распад на опыте не зарегистрирован.

Вмикромире каждой частице соответствует античастица.

Внекоторых случаях частица полностью тождественна со своей античастицей. В таком случае частицу называют истинно нейтральной. К ним относятся фотон γ, π-мезон, η-мезон, υ (ип- силон)-частица. Если же частица и античастица не совпадают, то массы, спины, изотопические спины, времена жизни у частицы и античастицы одинаковы, а прочие характеристики одинаковы по абсолютной величине, но противоположны по знаку. Так, электрон и протон отличаются от позитрона и антипротона, прежде всего, знаком электрического заряда. Нейтрон и антинейтрон различаются знаком магнитного момента. Лептонные заряды у лептонов и атилептонов, барионные у барионов и антибарионов различаются по знаку.

Понятия частицы и античастицы относительны. С тем же успехом ученые могли назвать позитрон – частицей, а электрон – античастицей. Но электроны преобладают в нашей Вселенной, а позитроны являются экзотическими объектами, поэтому и названы так, как названы. Что называть частицей, а что античастицей – лишь вопрос соглашения.

Также существует деление частиц на фотоны, лептоны и адроны. Адроны – большой класс элементарных частиц, участвуют во всех видах взаимодействий. В зависимости от значения спина адроны, в свою очередь, делятся на мезоны и барионы. Мезоны – частицы с нулевым спином, барионы – со спином 1/2 (у омега-

гиперона – 3/2). Лептоны – частицы, участвующие вслабом

иэлектромагнитномвзаимодействиях.Спинлептоновравен1/2.

Внастоящее время известны четыре вида взаимодействий между элементарными частицами: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное (в порядке убывания интенсивности).

393

Сильное взаимодействие. Этот вид взаимодействия называют иначе ядерным, так как оно обеспечивает связь нуклонов в ядре. Интенсивность взаимодействия принято характеризовать безразмерной константой взаимодействия. Эта же константа характеризует вероятность процессов, обусловленных данным взаимодействием. Наибольшее расстояние, на котором проявляется сильное взаимодействие (радиус действия r), составляет примерно 10–13 см. Частица, пролетающая со скоростью, близкой к с, в непосредственной близости к другой частице, будет взаимодействовать с ней в течение времени t = 10–23 с. В соответствии с этим говорят, что сильное взаимодействие характеризуется временем взаимодействия ts порядка 10–23 с.

Электромагнитное взаимодействие. Радиус действия элек-

тромагнитного взаимодействия не ограничен. Константа взаимодействия равна 1/137. Следовательно, интенсивность электромагнитного взаимодействия примерно в 100 раз меньше, чем сильного. Время, необходимое для того, чтобы проявилось взаимодействие, обратно пропорционально его интенсивности (или вероятности). Поэтому для электромагнитного взаимодействия t = 10–21 с.

Слабое взаимодействие. Слабое, или распадное, взаимодействие ответственно за все виды β-распадов ядер, за многие распады элементарных частиц, а также за все процессы взаимодействия нейтрино с веществом. Слабое взаимодействие, как и сильное, является краткодействующим. Константа взаимодействия равна 10–14. Время взаимодействия t = 10–9 с.

Гравитационное взаимодействие. Радиус действия не ограничен. Константа взаимодействия мала: 10–39. Соответственно, время взаимодействия t = 109 с. Гравитационное взаимодействие является универсальным, ему подвержены все элементарные частицы. Но в процессах микромира гравитационное взаимодействие ощутимой роли не играет. Основные характеристики элементарных частиц: масса, электронный и барионный заряд, время жизни и их античастицы, а также систематика частиц представлены в табл. 34.1.

394

Таблица 34.1

Основные характеристики элементарных частиц

Окончание табл. 34.1

34.3. Свойства элементарных частиц

Для того чтобы понять утверждение о том, что адроны состоят из кварков, нужно сначала понять, что связывает протоны

инейтроны в ядро атома, пройти вместе с ними их путь в недра материи.

Когда заряженные частицы взаимодействуют друг с другом, они как бы играют в бадминтон – обмениваются «воланчиком» – фотоном. Одна частица испускает фотон, а вторая ловит

иотбрасывает назад. Чем ближе частицы друг к другу, тем

396

сильнее взаимодействие, тем быстрее идет игра. Фотон мелькает так быстро, что между частицами протягивается что-то вроде ремня, только очень тонкого и не сплошного, но это неважно – ведь и обычный ремень в основном состоит из пустоты. Но нейтрон в такой «бадминтон» не играет – он электрически нейтрален, и «воланчик» попросту не замечает.

Исследуя реакции по испусканию ядром электрона, физики нашли таинственную пропажу энергии – суммарная энергия ядра и электрона после реакции всегда оказывалась чуточку меньше, чем энергия еще не распавшегося ядра. Это приводило к выбору: признать, что закон сохранения энергии неверен, или допустить существование неизвестной частицы, не имеющей заряда и уносящий часть энергии. Гипотезу о существовании такой частицы высказал Вольфганг Паули. Эту частицу назвали нейтрино (в переводе с итальянского – нейтрончик).

Основываясь на этой гипотезе, Д.Д. Иваненко и И.Е. Тамм предположили, что частицы в ядре обмениваются не только фотонами, но и парами частиц – позитроном и нейтрино или электроном и нейтрино. Испустив позитрон и нейтрино, протон становится нейтроном, а, поглотив их, нейтрон становится протоном. Возникает вопрос – почему нуклоны обмениваются двумя частицами, а не одной, например? Оказывается, это невозможно. Частицы постоянно вращаются вокруг своей оси. Вращение их одинаково, различие лишь в его направлении – справа налево или слева направо. Отрываясь от протона или нейтрона, одна частица унесет с собой их вращение, а невращающихся нуклонов не существует. А если испускается пара частиц, они могут вращаться в противоположных направлениях, и в сумме пара никакого вращения не уносит.

Эта теория на некоторое время стала главным событием физики, но более точные расчеты показали, что испускание двух частиц происходит слишком редко, и образуемых ими связей недостаточно, чтобы скрепить ядро.

397

Тем не менее способ объяснить внутриядерные силы «бадминтоном» каких-то частиц выглядел очень заманчивым. Молодой японский теоретик Хидеки Юкава пошел по этому пути

ирешил принять на веру то, что протоны и нейтроны обмениваются какой-то неизвестной доселе частицей, и установить ее свойства. Вышло, что эта частица должна быть в 200–300 раз тяжелее электрона и частота испускания-поглощения ее в тысячу раз больше, чем для фотона. Как будто вместо легкого волан- чика-фотона игроки-нуклоны использовали в своем «бадминтоне» тяжелый валун, к тому же перебрасываясь им с огромной скоростью.

Частица массой в 200 раз больше электронной была обнаружена в космических лучах и названа мезоном от греческого «мезо» – средний. Средний между электроном и протоном.

Когда протон находится рядом с другим протоном, они играют в мезонный «бадминтон». Если же протон одинок, то он «играет» сам с собой – испускает π-мезон и тут же поглощает его обратно и так далее – как жонглер в цирке. Время акта испускания и поглощения очень мало, но из-за многократного повторения возникает размазка заряда и массы в пространстве. Образно говоря, нуклон мигает: вспыхнет «мезонным светом»

итут же погаснет, и так без конца. Испустив π+-мезон, протон становится нейтроном, а нейтрон при испускании π–-мезона становится протоном. При испускании π0-мезона протон и нейтрон остаются сами собой. Во всех случаях π-мезон входит в состав нуклона.

Сам π-мезон тоже окружает себя «шубкой» из элементарных частиц. Он на короткое время испускает пару π-мезонов. Почему именно пару, а не один мезон – сложный вопрос, связанный с особенностями этой частицы. Главное, что π-мезон состоит из частей, которые не отличаются от целого! Мезон состоит из мезонов! Более того, π-мезон может на короткое время превратиться в нуклон и антинуклон. Например, π+-мезон в протон и антинейтрон, а π0-мезон – в протон и антипротон.

398

Сегодня известно, что все частицы содержат в себе много разных типов легких и тяжелых частиц. Более легкие частицы могут удалиться на достаточно большое расстояние, пока не будут поглощены обратно. Более тяжелые, наоборот, жмутся к центру. Поэтому центральная часть любой частицы (керн) более тяжелая, чем периферия, окраина.

Все элементарные частицы одеты в «шубу» из рождающихся и быстро исчезающих частиц. Даже фотоны и нейтрино имеют свои «шубы» – вокруг них рождаются электроны и позитроны, правда, это происходит весьма редко.

Элементарные частицы состоят из элементарных частиц. Получается сеть, в которой все частицы являются простыми и сложными одновременно. Природа устроена хитрее и изобретательнее любой человеческой фантазии. Но как быть с законами сохранения энергии и массы? Ведь если протон оторвал от себя увесистый кусочек в виде π-мезона и остался протоном, откуда тогда взялся материал для π-мезона?

Противоречие налицо, особенно при превращении π-мезона

внуклон и антинуклон. В этом случае части весят в 14 раз больше целого!

Оказывается, эффект давления жидкости снизу на тело присутствует и внутри частиц. Только место воды там занимает энергия. «Куски» частицы погружены в силовое поле взаимодействия – своеобразную энергетическую ванну, и их масса уменьшается. Энергия в нуклоне имеет отрицательный знак, потому что для растаскивания притягивающихся друг к другу частей требуется трата энергии. Энергетическая «ванна» есть и

ватоме. В нее «налита» энергия электромагнитного взаимодействия электронов с ядром. Оно в тысячи раз слабее сил, действующих внутри самих элементарных частиц и поэтому плотность энергии во внутриатомной «ванне» очень мала. Электроны теряют в весе столько же, сколько и люди в атмосфере.

Потеря веса внутри ядра составляет уже проценты, а внутри элементарной частицы она настолько велика, что они как бы

399

растворяются в энергии взаимодействия. На связь частей уходит значительная часть общей энергии и массы. В этом главное отличие элементарной частицы от всех других микрочастиц. Современную физику недостаточно просто выучить, к ней надо привыкнуть! Но с «лестницей», ведущей в недра материи, творится что-то странное: атомы расположены глубже молекул, ядра глубже атомов, а вот в протоне творится что-то невообразимое. Ступеньки громоздятся друг на друга и уже не так легко понять, спускаемся ли мы вниз или топчемся на месте. Когда задача становится слишком сложной и запутанной, полезно взглянуть на нее с другой стороны. Забудем, что протон элементарный, попробуем просветить его какими-либо лучами.

Далее путем электронного «просвечивания» удалось увидеть протон ближе. Он выглядит примерно как планета с массивным ядром и протяженной атмосферой. Радиус протонного керна всего лишь в несколько раз меньше размеров его мезонной «шубы». Можно было ожидать, что нейтрон имеет аналогичное строение. Простая модель испускания-поглощения мезона подсказывает, что окраинные области у протона и нейтрона отличаются лишь знаком заряда. Опыт неожиданно показал совсем другое – радиус облака электрических зарядов у нейтрона оказался равным нулю! Иными словами, в нейтроне есть что-то, что нейтрализует заряд мезонного облака или модель «жонглирования» неверна, и тогда наше представление о строении элементарных частиц несправедливо, и физикам придется начинать все заново. Было от чего прийти в волнение! Ученые всего мира собирали конгрессы, пытались сообща понять, в чем тут дело. Работали над этим в научном центре в Дубне.

Непонятно, почему происходит нейтрализация облаков, но прежде надо удостовериться, что эти облака существуют. Это можно установить, поместив нейтрон в сильное электрическое поле. Тогда все положительные заряды сместятся в одну сторону, а отрицательные – в другую. Нейтрон превратится из шарика в гантель, что скажется на его взаимодействиях с атомными яд-

400