Модуль 26

Глава 19 Элементарные частицы

19.1 Виды взаимодействий и классы элементарных частиц

В ядерной физике под термином «элементарные частицы» понимается название для всех микроскопических частиц, отличных от атомов и атомных ядер. В настоящее время открыто несколько сотен частиц, подавляющее большинство которых нестабильно. Многие из частиц имеют внутреннюю структуру. К их числу относятся, например, нуклоны и пионы. Те частицы, которые не имеют внутренней структуры, принято называть истинно элементарными. Такими являются, например, электрон, нейтрино, фотон.

Естественным источником различных частиц высоких энергий являются космические лучи. В настоящее время источниками заряженных частиц высоких энергий являются в основном ускорители. Вместе с детекторами они позволяют исследовать процессы, в которых образуются и взаимодействуют различные элементарные частицы. Вот почему физику элементарных частиц называют также физикой высоких энергий.

В природе существует четыре типа фундаментальных взаимодействий: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное.

Интенсивность взаимодействия определяется вероятностью или скоростью процессов, вызываемых ими. Сравнительные характеристики этих четырех типов взаимодействий приведены в табл. 1, где указаны интенсивности взаимодействий по сравнению с сильным, принятым на единицу, а также среднее время жизни частиц, распадающихся за счет данного вида взаимодействия. В последнем столбце таблицы приведен радиус действия соответствующих сил.

Таблица 1

Взаимодействие	Интенсивность	Время жизни, с	Радиус действия, м
Сильное Электромагнитное Слабое Гравитационное	1 10-2 10-14 10-31	10-23 10-20 10-9 -	10-15 10-18

Остановимся более подробно на характеристике этих взаимодействий.

1. Сильные взаимодействия вызывают процессы, протекающие наиболее быстро по сравнению с другими процессами. Этот вид взаимодействия обеспечивает связь нуклонов в ядре. В сильных взаимодействиях участвуют также пионы, каоны, гипероны и другие элементарные частицы. Эти взаимодействия вызывают интенсивное рождение новых частиц при столкновениях частиц с высокими энергиями. Все частицы, подверженные сильным взаимодействиям, называются адронами (от греческого слова «адрос» - крепкий или сильный). Эти взаимодействия короткодействующие: на расстояниях свыше 10^-15 м они прекращаются, вследствие чего сильные взаимодействия не способны создавать структуры макроскопических размеров.

2. Электромагнитное взаимодействие осуществляется через электромагнитное поле. Оно значительно слабее сильных взаимодействий, однако из-за дальнодействия электромагнитные силы во многих случаях оказываются главными. Именно эти силы вызывают разлет осколков, которые образуются при делении ядер. Эти силы ответственны за все электрические и магнитные явления, наблюдаемые нами в различных формах их проявления: оптических, механических, тепловых, химических и т.д.

3. Слабые взаимодействия весьма малы по сравнению с сильными и электромагнитными. Об этом красноречиво свидетельствует следующий факт. Поток нейтрино, которые участвуют только в слабых взаимодействиях, ослабляется очень незначительно, пронизывая толщу Солнца.

Все виды – распада ядер (включая – захват), а также все процессы взаимодействия нейтрино с веществом, происходят за счет слабого взаимодействия. В этих взаимодействиях участвуют все частицы, кроме фотона. Это свойство называетсяуниверсальностью слабых взаимодействий. Оно является короткодействующим.

4. Гравитационные взаимодействия самые слабые. В этих взаимодействиях участвуют все частицы без исключения, так что эти взаимодействия абсолютно универсальны. Силы гравитации имеют неограниченный радиус действия и всегда являются только силами притяжения. Гравитационное взаимодействие доминирует в случае больших макроскопических масс (планет, звезд). Но для элементарных частиц оно никакого значения не имеет, поэтому современная физика элементарных частиц – это физика без гравитации. В связи с этим в дальнейшем под фундаментальными мы будем понимать только сильные, электромагнитные и слабые взаимодействия.

Общим свойством всех фундаментальных взаимодействий является их способность вызывать распады частиц. Среди известных частиц стабильные только 11 частиц: фотон (), электрон (), протон (), три типа нейтрино () и их античастицы позитрон (), антипротон (), три типа антинейтрино (). Все остальные частицы нестабильны. Время жизни таких частиц варьируется в пределах от 10^-18 до 10^-11 с (у так называемых резонансов еще меньше). Но в некоторых случаях оно оказывается весьма продолжительным: например, время жизни свободного нейтрона составляет 11,7 мин, затем нейтрон распадается за счет слабого взаимодействия.

Резонансами называют частицы, распадающиеся за счет сильного взаимодействия, с временем жизни ~ 10^-23 с. Это время называется характерным ядерным временем: время, которое требуется свету на прохождение диаметра ядра (10^-15 м). Действительно, c. Нестабильные частицы с временем жизни, превышающим 10^-20 с, распадаются за счет электромагнитного или слабого взаимодействия. Это время 10^-20 с намного больше ядерного времени (10^-23 с). За время 10^-20 с свет успевает пробежать расстояние в 10³÷10⁴ нуклонных диаметров и может совершиться еще много внутринуклонных процессов. Поэтому частицы с временем жизни с называютквазистабильными.

Несмотря на свою сравнительно небольшую интенсивность слабые взаимодействия играют очень важную роль в природе. Поясним это таким примером. Звезды излучают энергию за счет термоядерной реакции образования гелия из водорода. Чтобы такая реакция протекала, необходимо предварительное превращение половины протонов – ядер водорода в нейтроны. Иначе, ядро гелия , в котором кроме двух протонов есть еще два нейтрона, возникнуть не сможет. Необходимое количество нейтронов образуется, например, в составе дейтронов в результате превращения:

,

вызываемого только слабыми взаимодействиями. Таким образом, если бы этих взаимодействий не было, то звезды не могли бы существовать.

Бозоны и фермионы Все частицы подразделяются на бозоны и фермионы. Бозоны – это частицы с нулевым или целочисленным спином. Бозоны подчиняются статистике Бозе – Эйнштейна. К бозонам относятся фотон (спин 1), гипотетический гравитон (спин 2), промежуточные векторные бозоны (спин 1), глюоны (спин 1), пионы(спин 0), а также их античастицы. Частицы с полуцелым спином называются фермионами (или ферми–частицами). Для них справедлив принцип Паули, и они подчиняются статистике Ферми-Дирака. К фермионам относятся электрон, мюон, таон, нейтрино, протон, нейтрон, кварки (у всех спин ½), а также их античастицы.

В зависимости от способности участвовать в различных фундаментальных взаимодействиях, а также в зависимости от принадлежности к бозонам или фермионам все элементарные частицы подразделяются на четыре класса. Первый класс состоит из частиц-переносчиков взаимодействия, второй класс образуют лептоны, третий – мезоны, четвертый – барионы. Мезоны и барионы часто объединяют в один класс сильно взаимодействующих частиц, называемых адронами.

Дадим характеристику перечисленных классов частиц.

1. Переносчики взаимодействия Фотоны, (кванты электромагнитного поля), - переносчики электромагнитного взаимодействия, промежуточные векторные бозоны– переносчики слабого взаимодействия, глюоны– переносчики сильного взаимодействия, гипотетические гравитоны (кванты гравитационного поля)-переносчики гравитационного взаимодействия. Экспериментально гравитоны еще не обнаружены. Все частицы являются бозонами (у всех спин 1, только у гравитона спин 2).

2. Лептоны получили свое название от греческого слова «лептос», которое означает «легкий». Это частицы, не участвующие в сильных взаимодействиях и имеющие спин ½. Они являются фермионами. Известно 12 лептонов – электрон , мюон,– лептон (или таон), три типа нейтрино – электронное, мюонноеи– нейтрино, а также шесть соответствующих античастиц (). Нейтрино принимает участие только в слабых взаимодействиях, все остальные лептоны и в слабых и в электромагнитных взаимодействиях. Все лептоны, в отличие от адронов, не имеют внутренней структуры, поэтому их можно считать истинно элементарными частицами. Лептоны еще называют точечными частицами.

3. Мезоны (от греческого слова «мезос» - средний) – сильно взаимодействующие частицы (адроны) с нулевым или целочисленным спином. Они являются бозонами. К ним относятся – мезоны или пионы (),– мезоны или каоны () и эта-мезон (), а также множество мезонных резонансов, т.е. мезонов с временем жизни ~ 10^-23 с. Мезоны участвуют в слабых, электромагнитных (если они заряжены) и сильных взаимодействиях, которые проявляются при взаимодействия их между собой, а также при взаимодействии между мезонами и барионами. Позднее были открыты более тяжелые мезоны - мезоны, их масса больше массы протона.

4. Барионы (от греческого слова «бариос» - тяжелый) – это адроны с полуцелым спином (т.е. фермионы) и с массами, не меньшими массы протона. К ним относятся нуклоны (протоны и нейтроны), гипероны и множество барионных резонансов. За исключением протона (лет), все барионы нестабильны. Нестабильные барионы с массами, большими массы протона и большим временем жизни (сравнительно с ядерным ~ 10^-23 с) называют гиперонами. Это гипероны . Все гипероны имеют спин ½, за исключением, спин которого 3/2. За времяс они распадаются на нуклоны и легкие частицы (– мезоны, электроны, нейтрино,– кванты).

Сведем для наглядности основные классы элементарных частиц в таблицу 2.

Таблица 2

Переносчики взаимодействия	Лептоны	Адроны
		Мезоны	Барионы
			Нуклоны	Гипероны
, глюоны , гравитоны		и резонансы		и резонансы