Лекции по физике 2 семестр / 32 ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ

Одной из первых элементарных частиц был открыт электрон. Он имеет отрицательный заряд, наименьший по величине. Затем был открыт протон, имеющий положительный заряд по величине равный заряду электрона. После того как стали исследовать ядро и ядерные реакции, стали открывать другие элементарные частицы. Число их стало быстро расти после того как начали строить ускорители частиц. Уже в 50-х годах ХХ столетия возникала проблема систематики обнаруженных элементарных частиц, поскольку их число превысило сотню. Термин «элементарная» все больше вызывал сомнения по поводу его использования. Начало систематики было положено работами Гелл-Мана и Цвейга. Эта теория постепенно развивалась, пока не приобрела законченный вид. Сейчас теория элементарных частиц называется стандартной моделью. В 2012 г. за эту теорию была присуждена очередная нобелевская премия.

Прежде всего, рассмотрим взаимодействия, в котрых участвуют элементарные частицы. Это фундаментальные взаимодействия.

Сильное или ядерное взаимодействие. Обеспечивает существование ядер атомов. Оно короткодействующее, радиус его действия примерно м. В нем принимают участие не все частицы, а только адроны.

Электромагнитное взаимодействие. Взаимодействие частиц посредством электромагнитного поля. Оно ответственно за существование атомов и молекул, поскольку связывает в одно целое положительно заряженные ядра и отрицательно заряженные электроны. Радиус действия электромагнитного взаимодействия равен бесконечности. В нем участвуют частицы, имеющие электрический заряд.

Слабое взаимодействие. Это взаимодействие ответственно за распад частиц. Радиус его действия не превышает м. В нем принимают участие не все частицы.

Гравитационное взаимодействие. Присуще всем без исключения частицам. Гравитация определяется массой частицы, поэтому для элементарных частиц оно не существенно. Радиус действия равен бесконечности. Оно играет определяющую роль в формирование звездных систем и галактик.

Если оценивать взаимодействия с точки зрения силы, то сильное взаимодействие примерно в 100 раз превышает электромагнитное и в раз слабое. Чем сильнее взаимодействие, тем с большей интенсивностью протекают процессы, обусловленные этим взаимодействием.

Элементарные частицы делятся на три группы.

А) фотоны. В этой группе всего одна частица – фотон. Это квант электромагнитного взаимодействия.

Б) лептоны. ( легкие) сюда относятся частицы, которые участвуют в электромагнитных и слабых взаимодействиях. К ним относится, в частности, электрон.

В) адроны. (тяжелый) к ним относятся частицы, которые, наряду с электромагнитным и слабым взаимодействиями, участвуют в сильных взаимодействиях. К ним относятся, в частности, протон и нейтрон. В этой группе очень большое число частиц. Среди них выделяются крайне нестабильные частицы, время жизни которых с. Они образуют группу частиц, которые называются резонансами.

Каждая частица характеризуется набором параметров, которые сохраняются в реакциях взаимных превращений. Таким образом, можно говорить о законах сохранения этих параметров. Как правило, законы сохранения справедливы для всех видов взаимодействий. Однако есть исключения.

Практически у каждой частицы есть своя античастица. Частица и её античастица при столкновении аннигилируют, испытывая при этом превращения в набор других элементарных частиц. Эти взаимные превращения являются фундаментальным свойством всех элементарных частиц. Однако есть частицы, у которых нет античастиц. Такие частицы называются истинно нейтральными частицами. К ним относятся фотон, - мезон и - мезон.

Если в начале XX века были известны электрон, протон, нейтрон и фотон, то в конце число частиц, полученных в экспериментах с использованием ускорителей, превысило две сотни. Эти частицы в основном короткоживущие. Нужна классификация частиц. Для этого необходимо было решить проблему элементарности частиц. Современные эксперименты позволяют разрешить детали структуры частиц не превышающие м. Частицы, которые не обладают структурой, считаются элементарными. Элементарные частицы делятся на две группы. Первая группа объединяет частицы, которые участвуют в слабом (все) и электромагнитном (верхняя строка) взаимодействиях. Они существуют в свободном виде и называются «лептонами».

±1
0

Электрон и нейтрино легкие частицы, однако, мезоны имеют большую массу. Масса мюона равна 207 , где - масса электрона, масса таона равна 3500 . Первый столбец показывает знак электрического заряда частиц соответствующей строки. Массы нейтрино равны нулю или настолько малы, что получить достоверных результатов пока не удается. Каждая частица имеет античастицу, заряд которой имеет противоположный знак. Это обеспечивает закон сохранения заряда в реакциях с участием элементарных частиц. Кроме электрического заряда все частицы обладают лептонным зарядом. Лептонный заряд может быть трех видов: электронный, мюонный и таонный. Согласно современным данным при свободном движении нейтрино возникают «нейтринные осцилляции», при которых электронное нейтрино превращается в мюонное и наоборот. Этот факт свидетельствует о наличии малой массы у нейтрино. Нейтрино обладают большой проникающей способностью. Нейтрино, идущие от Солнца, пронизывают Землю практически без рассеяния.

Вторая группа – это частицы, участвующие в сильном взаимодействие. Они называются адронами. Экспериментально наблюдаемые частицы являются составными. Они состоят из элементарных частиц – кварков.

2/3
1/3

Первоначально было три кварка (,,), но по мере достижения новых энергий появлялись частицы с новыми свойствами, что потребовало расширить таблицу. Первый столбец содержит абсолютное значение электрического заряда. Он оказался дробным. Кварки ,,, имеют не только электрический, но и другие заряды. Именно из закона сохранения этих зарядов они были обнаружены. Всего зарядов помимо электрического четыре: «странность», «очарование», «прелесть», «истина». Наряду с кварками существуют и антикварки. Адроны состоят из кварка и антикварка (это группа мезонов) либо из трех кварков (нуклоны). Структура протона выражается формулой , нейтрона . Кварки в свободном состоянии не обнаружены. Анализируя процессы с участием адронов Боголюбов пришел к выводу, что все кварки обладают ещё одним зарядом, который был назван цветом. Он может принимать три значения: синий, желтый и красный. В свободном состоянии существуют только бесцветные адроны, состоящие либо из трех кварков всех трех цветов – это нуклоны, либо из кварка с цветом и антикварка с антицветом – это мезоны. Все элементарные частицы подразделяются на два класса: фермионы и бозоны. Элементарные фермионы, перечисленные выше, образуют материальные структуры. Элементарные бозоны являются переносчиками взаимодействия.

Электромагнитное взаимодействие осуществляется путем испускания и поглощения -квантов или фотонов. Масса покоя равна нулю. Фотоны могут распространяться на большие расстояния. Переносчиками слабого взаимодействия являются тяжелые бозоны . Их масса почти в 100 раз больше массы протона, поэтому слабое взаимодействие происходит на расстояниях порядка м. Эти бозоны отличаются от фотона также тем, что два из них имеют электрический заряд. Сильное взаимодействие имеет своих переносчиков, которые называются глюонами - . Глюоны связывают кварки, перенося цвет. В приведенной таблице нет переносчиков гравитации. Гравитационное поле настолько слабое, что при самых высоких достигнутых энергиях его влияние на внутриядерные процессы пренебрежимо мало. Чтобы обнаружить это влияние, необходимо повысить энергию ускоренных частиц в раз. Основные характеристики элементарных частиц: масса, время жизни, электрический, барионный и лептонный заряды, спин, четность и другие внутренние характеристики.