Лекция 24. Элементарные частицы

Благодаря мощным ускорителям, в которых частицы разгоняются до огромных скоростей, было установлено существование свыше трехсот элементарных частиц. Кроме того, большое количество различных элементарных частиц попадают на Землю из космоса – от Солнца и других звезд и галактик. Потоки этих частиц называют космическими лучами.

Космические лучи – это ионизирующее излучение вредное для живых организмов, поскольку вызывает мутации и онкологические заболевания. Космические лучи высокой интенсивности могут привести к сбоям в работе электронной аппаратуры или даже вывести ее из строя, так как сильно влияют на полупроводниковые микросхемы.

Земля защищена от космических лучей атмосферой и магнитным полем. Однако мощные потоки солнечной плазмы (электроны и протоны) иногда сильно искажают магнитное поле нашей планеты, вызывая магнитные бури.

24.1. Некоторые характеристики элементарных частиц

Основными характеристиками элементарных частиц являются масса, заряд, спин и среднее время жизни.

Некоторые частицы, например, фотоны не имеют массы покоя. Фотоны вообще не существуют в состоянии покоя (относительно любой системы отсчета фотон движется со скоростью света). Остальные частицы по величине массы покоя делятся на три группы1. Лептоны – легкие частицы: электрон, позитрон, нейтрино. Мезоны – средние частицы с массой покоя от одной до 1000 масс электрона: π-мезоны, К-мезоны, η-мезоны,… Барионы – тяжелые частицы, чья масса превышает 1000 масс электрона: протон, нейтрон, гипероны, и многие резонансы.

Электрический заряд является важнейшей характеристикой элементарных частиц. За единицу заряда в физике элементарных частиц принят заряд электрона (по модулю). Заряд частиц может быть, к примеру, +2, +1, 0, –1, –2. И запись К+ означает, что это К-мезон, имеющий положительный заряд, по величине равный одному заряду электрона. Каждой заряженной частице соответствует античастица с противоположным зарядом, например, электрон – позитрон, протон – антипротон и т.д.

Кварки, входящие в состав мезонов и барионов (общее название частиц, имеющих кварковый состав – адроны), имеют дробный заряд. В настоящее время известно 6 кварков: u – up, d – down, s – strange, c – charm, b – beauty и t – top2. Каждому кварку соответствует антикварк (обозначается с верхней чертой). Кварки u, c, t имеют заряд +2/3, а кварки d, s, b имеют заряд –1/3. Несколько

1Следует отметить, что классификация частиц по массе несколько условна. Так существуют тяжелые лептоны, например, мюоны и таоны. Если точнее, то к лептонам относят частицы, не участвующие в сильных взаимодействиях и имеющие спин 1/2.

2Соответственно верхний, нижний, странный, очаровательный, прелестный и высший. Два последних иногда называют b – bottom (дно, низ); t – truth (правдивый).

154

примеров кваркового состава частиц: протон p → uud; нейтрон n → udd; мезо-

ны: π+ →ud , π− → ud , π0 →uu , K + → us , K − → us , K0 → ds ; гипероны:

Ω− → sss , + →uud , ++ → uuu . Кварки существуют только в составе частиц (адронов) и в свободном виде не обнаружены. Лептоны кваркового состава не имеют.

Спин характеризует собственный момент импульса микрочастицы. Грубая механическая аналогия – шарик, вращающийся вокруг своей оси. Чем массивнее шарик или чем быстрее он крутится, тем больше его момент импульса (спин). Спин элементарных частиц измеряется в единицах постоянной Планка ħ

иможет быть целым или полуцелым от ħ. Например, спин электрона ħ/2, а спин фотона 1·ħ. Частицы с полуцелым спином называются фермионами – это все лептоны и барионы. Частицы с целым спином называют бозонами – это фотон

ивсе мезоны.

Для фермионов швейцарский физик В. Паули сформулировал принцип запрета: в каждом квантовом состоянии может находиться только одна частица с полуцелым спином. Для электронов этот принцип рассмотрен в п. 22.2.

В зависимости от времени жизни элементарные частицы делятся на стабильные, квазистабильные1 и нестабильные (резонансы). Стабильные частицы «живут» долго, например электрон около 1021 лет, протон 1032 лет. К квазистабильным относятся частицы, распадающиеся за счет электромагнитного и слабого взаимодействий. Время их жизни превышает 10–20 с. К примеру, нейтрон имеет время жизни 15,3 мин. Резонансами называют элементарные частицы, распадающиеся за счет сильного взаимодействия и очень мало живущие 10–24 – 10–22 с. Эти частицы рождаются и исчезают в ядерных реакциях. Краткую классификацию элементарных частиц можно изобразить в виде схемы.

бозоны Элементарные частицы фермионы

а

д

фотон мезоны р барионы лептоны

о

н

ы

Все элементарные частицы участвуют в ядерных реакциях, превращаясь из одних в другие.

24.2. Фундаментальные физические взаимодействия

Важнейшей характеристикой элементарных частиц является тип взаимодействия между ними. Действительно, чтобы не «развалился» протон, кварки должны быть хорошо «скреплены» между собой, а чтобы не распалось ядро, протоны и нейтроны тоже должны удерживаться какими-то силами.

В природе на сегодняшний день различают четыре вида фундаментальных взаимодействий: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое.

1 Приставка квази- означает как бы-, условно-.

155

Гравитационное взаимодействие является самым слабым из всех и, как правило, не учитывается в теории элементарных частиц. Гравитационное взаимодействие имеет неограниченный радиус действия (дальнодействующее взаимодействие) и решающее значение приобретает в космических масштабах.

Электромагнитное взаимодействие тоже дальнодействующее и свойст-

венно заряженным частицам. Переносчиком электромагнитного взаимодействия является фотон – квант электромагнитного поля. Благодаря электромагнитному взаимодействию, электроны и атомные ядра соединяются в атомы, а атомы в молекулы.

Следующие два взаимодействия – короткодействующие. Сильное взаимодействие существует на уровне атомных ядер и представляет собой притяжение между протонами и нейтронами. Оно действует на расстояниях порядка 10–13 см. Сильное взаимодействие очень прочно связывает протоны и нейтроны в ядрах. Именно поэтому ядра атомов являются довольно устойчивыми. Сильным взаимодействием обусловлена также связь кварков в протонах и нейтронах (и в других адронах тоже). Переносчиками взаимодействия являются глюоны.

Слабое взаимодействие связано главным образом с распадом частиц. Так, распад нейтрона n → p + e– + ν обусловлен именно слабым взаимодействием. Радиус действия слабого взаимодействия порядка 10–16 см. Переносчиками взаимодействия являются W± и Z0 промежуточные векторные бозоны. В соответствии с современными представлениями нестабильность некоторых частиц обусловлена именно слабым взаимодействием. В отличие от других видов взаимодействия слабое не скрепляет вещество, а наоборот разрушает его.

По словам академика И.Е. Тамма «Сейчас мы подходим к новому этапу познания фундаментальнейших законов строения природы, из которых как частный случай общего должны вытекать и квантовая теория, и теория относительности, и теория Ньютона… Нельзя предсказать, когда и как будет создана новая последовательная физическая теория, но тот факт, что громадная армия экспериментаторов и теоретиков во всем мире работает на этом передовом для физики фронте, позволяет надеяться, что это время не за горами».

Вопросы к лекции 24

1.Что такое космические лучи, и как они влияют на технические и биологические объек-

ты?

2.По каким параметрам характеризуются элементарные частицы?

3.Что такое кварки? Какой кварковый состав имеют протон и нейтрон?

4.С какими частицами работает адронный коллайдер?

5.Чем отличаются бозоны и фермионы?

6.Могут ли находиться в одном квантовом состоянии два протона в ядре гелия? Ответ обоснуйте.

7.В сильных электромагнитных полях возможны многофотонные процессы, когда переход атома с одного энергетического уровня на другой сопровождается испусканием не одного, а сразу нескольких фотонов. Могут ли эти фотоны иметь одинаковую частоту и спин? Ответ обоснуйте.

8.Какие фундаментальные физические взаимодействия известны на сегодняшний день? В чем их сущность, и почему они действительно фундаментальные?

156