11.12. Элементарные частицы

Первые сведения о том, что в природе существуют элементарные частицы, было получены после открытия электрона.

Согласно современным представлениям существуют микроскопические порции материи, которые не имеют внутренней структуры, но в различных комбинациях друг с другом создают все многообразие свойств живой и неживой природы.

Почему существуют элементарные частицы именно в том виде, какие они есть, пока не доказано?

Таблица 11.1

Взаимо- действие	Интенсив- ность	Радиус действия сил, м
Сильное Электро- магнитное Слабое Гравита- ционное	1 103 1014 1039	1015  <1017 

В настоящее время известно более 350 элементарных частиц, у большинства из которых, кроме фотона и лептонов, обнаружена внутренняя структура.

Анализ свойств частиц показал, что существует четыре типа фундаментальных взаимодействий:

сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное.

Все они резко отличаются по интенсивности взаимодействий и радиусом действия (табл. 11.1, где интенсивность сильного взаимодействия принята за единицу).

В сильных взаимодействиях участвуют многие частицы.

Например, нуклоны, пионы, каоны, гипероны и др. – называют адронами.

Электромагнитное взаимодействие осуществляется посредством электромагнитного поля и охватывает процессы, протекающие в структурах с пространственными масштабами от 10^14 до 10⁵ м.

К ним относятся электрические и магнитные явления, оптические, тепловые, механические и химические.

Слабые взаимодействия малы по интенсивности.

Например, поток нейтрино, которые участвуют только в слабых взаимодействиях, ослабляется незначительно, пронизывая толщи звезд.

Однако интенсивность слабых взаимодействий быстро возрастает с уменьшением расстояния между частицами.

На расстояниях 10^21 м может сравняться с интенсивностью сильного взаимодействия.

Слабые взаимодействия, несмотря на малую интенсивность, играли и играют важную роль, например, для осуществления протекания термоядерной реакции в процессе эволюции звезд при превращении водорода в гелий.

При этом возможна реакция, вызываемая только слабыми взаимодействиями:

. (11.32)

В слабых взаимодействиях участвуют все частицы, кроме фотона.

К настоящему времени, в физике элементарных частиц, применяется теория (Вайнберг, Салам, Глэшоу), в которой электромагнитное и слабое взаимодействия объединены в единое электрослабое взаимодействие.

Гравитационные взаимодействия являются самыми слабыми.

В этом взаимодействии участвуют все без исключения частицы, так как эти силы универсальны.

Силы гравитации имеют неограниченный радиус действия и всегда являются только силами притяжения.

Поэтому гравитационные силы возрастают с увеличением масс тел и особенно значительны для тел космических масштабов (планеты, звезды, галактики и т. д.). Для элементарных частиц гравитация мала, если расстояние между ними не сократится до 10^35 м. Общим свойством всех фундаментальных взаимодействий является их способность вызывать распады частиц.

Среди известных частиц особенно стабильны:

протон, фотон, электрон, позитрон, антипротон, электронное нейтрино,-мюонное нейтрино и тау–нейтрино и их античастицы.

Остальные частицы либо нестабильны, либо являются резонансами.

В зависимости от принадлежности элементарных частиц к фермионам или бозонам, а также в зависимости от способности их участвовать в фундаментальных взаимодействиях они условно подразделяются на четыре большие группы.

Первая группа состоит только из одной частицы - фотона, которая является бозоном (спин S = 1) и совсем не участвует в сильных взаимодействиях.

Во вторую группу входят лептоны, которые также не участвуют в сильных взаимодействиях. Все они являются фермионами с полуцелым спином. Известно 12 лептонов:

электрон, мюон,  – лептон, нейтрино: – электронное (_е), мюонное (_,),

–нейтрино (_) и их античастицы.

Третью группу составляют мезоны.

Они являются бозонами и участвуют в сильных взаимодействиях.

Четвертую группу образуют барионы, которые участвуют в сильных взаимодействиях и являются фермионами.

Мезоны и барионы называют адронами (табл. 11.2).

В физике элементарных частиц законы сохранения играют особую роль.

Кроме известных из классической физики законов сохранения, для элементарных частиц существуют еще законы сохранения, кроме электрического закона сохранения заряда Q, законов сохранения других зарядов, не электрического происхождения, а именно:

барионный В, лептонный L, второй лептонный L^* и третий лептонный L^**.

Таблица 11.2

Название	Частица	Анти-части- ца	Масса, МэВ	Спин	Изотопи-ческий спин, странность, шарм: Т, S, C	Время жизни, с
1	2	3	4	5	6	7
Фотон			0	1		Стаб.

Лептоны (В = 0, L = 1, L^* = 0, L^**= 0)

Электрон, позитрон Нейтрино электронное

е- е

е+

0,511 <3,510-5

 

Стаб. Стаб.

Лептоны (В = 0, L = 0, L^* = 0, L^**= 0)

Мюон Нейтрино мюонное

- 

+

106 0,51

 

106 Стаб.

Лептоны (В = 0, L = 0, L^* = 0, L^**= 1)

лептон нейтрино

  

+

1807 <250

 

1012 

Мезоны (В = 0, L = 0, L^* = 0, L^**= 0)

Заряженный пион Нейтральный пион Заряженный каон Нейтральный каон   мезон D+мезон D0-мезон

+ 0 К+ К0  D+ D0

  0 К  D

140 135 494 498 549 1868 1863

0

1, 0, 0 1, 0, 0 , 1, 0 , 1, 0 0, 0,0 , 0, 1 , 0, 1

108 1016 108 109 1019  

Продолжение табл. 11.2

Барионы (В = 1, L = 0, L^* = 0, L^**= 0)

Протон Нейтрон Лямбда-гиперон Сигма-плюс-гиперон Сигмануль гиперон Сигма минус гиперон Кси-нуль-гиперон Кси-минус-гиперон Омега-минус-гиперон

р n  + 0 - 0  

938,2 939,6 1116 1189 1192 1197 1315 1321 1672

, 0, 0 , 0, 0 0, 1, 0 1, 1, 0 1, 1,0 1, 1,0 , 2, 0 , 2, 0 0, 3, 0

Стаб. 103 1010 1010 1014 1010 1010 1010 1010

Например, каждый нуклон имеет барионный заряд В = 1. Электрон имеет лептонный заряд L = 1, а у протона и нейтрона L = 0. Существуют еще некоторые приближенные законы сохранения. Например, закон сохранения странности S и шарма (очарования) С, которые выполняются в сильных и электромагнитных взаимодействиях, но нарушаются слабыми взаимодействиями. Частицы, у которых S  0, называют странными, а частицы с С  0  очарованными. Частицы с S = 0 и С = 0 являются обычными. Все адроны имеют внутреннюю структуру. Поиски первичных элементов адронной материи привели к созданию кварковой модели адронов.

В квантовой теории поля предполагается, что 4мерное пространство- время остается непрерывным и плоским (неискривленным) вплоть до самых малых расстояний.

Однако это в действительности не совсем так по нескольким причинам:

1. Истинно элементарные частицы должны быть материальными объетами конечной протяженности.

2. К истинно элементарным частицам относят лептоны, кварки (спин s = ), глюоны, фотон, массивные промежуточные бозоны (спин s = 1), гравитон (спин s = 2).

Сколько всего существует в природе элементарных частиц, пока науке неизвестно.

2. Свойства пространства-времени в малых объемах, определяемых фундаментальной длиной

10^35 м,

должны резко отличаться от макроскопических свойств.

3. На расстояниях 10^35 м сказываются изменения геометрических свойств пространства-времени за счет гравитации. Если плотность вещества истинно элементарных частиц достаточно велика, то гравитационное притяжение может обеспечить устойчивое существование этих материальных объектов размером 10^35 м. Их гравитационные свойства могут проявиться на малых расстояниях, в области, где существенно изменяется пространство-время.

В настоящее время теория приближается к новому качественному рубежу, связанному с возникновением представлений об уровне элементарности более высоком, чем кварклептонный уровень, т. е. возможно существование частиц более элементарных, чем кварки и лептоны.