17. Физика элементарных частиц

В конце XIX в. был открыт электрон Томпсоном (поток электронов в вакуумной трубке), в 1919 г. – протон (Резерфорд), 1932 г. – нейтрон (Чедвик). С конца 30-х гг. начинается «эйфория»: открыли много различных частиц (мезоны, лептоны…). Всего на сегодняшний день известно свыше 350 элементарных частиц.

Характеристика элементарных частиц:

1) масса покоя (m): за единицу измерения обычно берут массу электрона (например, m_p≈1836m_e);

2) электрический заряд (Q): заряд всегда дискретен (Q=-1, 0, +1); m_p=+1, m_e=-1, m_n=0;

3) время жизни (t): есть стабильные частицы (t неограниченное: p, e, 𝛎 – нейтрино, γ – фотоны), время жизни нейтрона вне атома=15 мин.; у остальных частиц – миллионные и триллионные доли секунды;

4) спин (s) – квантовая характеристика, а именно: собственный момент импульса частицы:

- фермионы (полуцелый спин): открыл Ферми́; s=1/2ћ (чаще); 3/2ћ;

- бозоны (целый спин): открыл Бозе́; s=0;1;2ћ (реже).

5) все элементарные частицы существуют обычно в 2 разновидностях: частица и античастица; античастица имеет такое же значение массы покоя, спин, время жизни, но противоположный электрический заряд и другие характеристики (странность, очарование, красоты); e^- (электрон, s=1/2, Q=-1) и e⁺ (позитрон, s=1/2, Q=+1), p (протон) и p^- (антипротон), n (нейтрон) и ñ (антинейтрон) – отличаются магнитным моментом; γ – античастицы нет;

6) общее свойство частиц – взаимопревращаемость, т.е. частицы могут превращаться друг в друга, могут возникать и исчезать.

Классы элементарных частиц.

1. Лептоны (греч. лептос – легкий  малая масса): e (электрон), μ (мюон), τ (таон), ν_e (электронное нейтрино), ν_μ (мюонное), ν_τ (таонное).

Стабильные частицы – электроны, нейтрино.

Частицы-античастицы: e^- и e⁺, μ^- и μ⁺, τ^- и τ⁺, ν_e и ν̃_e, ν_μ и ν̃_μ, ν_τ и ν̃_τ (всего 12 частиц).

Все лептоны – фермионы (s=1/2ћ).

Особая характеристика лептонов – лептонный заряд (L) – квантовая характеристика: при превращении лептонов обязательно образуется лептон.

Р еакция аннигиляции:

e^- + e⁺

Закон сохранения электрического заряда (Q):

-1 + (+1) = 0 + 0

Закон сохранения лептонного заряда (L)

1 + (-1) = 0 + 0

2. Адроны (греч. адрос – сильный) – участвуют в сильных взаимодействиях; самое многочисленное семейство.

- мезоны (мезос – средний): π, κ, η-мезоны (s=0;1ћ);

- барионы (барос – тяжелый): p, n; гипероны (s=1/2; 3/2ћ) – Λ (лямбда), Σ (сигма), Ξ (хи), Ω (омега); барионные резонанс.

B – барионный заряд (сохраняется особое свойство)

B: +1+1 + 0 + 0 (0 – т.к. не барионы).

Теория кварков.

1963 г. – разработана, чтобы объяснить сложную природу адронов (М. Геллман, О. Цвейг).

Все адроны состоят из нескольких кварков.

Свойства:

- дробный электрический заряд: Q=±2/3e; ±1/3e;

- дробный барионный заряд: B= 1/3; -1/3;

- «цвет» (заряд сильного поля): R (красный), G (зеленый), B (синий) - 3; могут менять свой цвет;

- «аромат» (связан с обменом квантами слабого поля): u (верхний), d (нижний), c (очаровательный), s (странный), t (правдивый), b (прелестный) - 6;

- «пленение»: кварки пленены внутри адронов (в свободном виде не существуют); из 3 кварков строятся барионы, из 2 кварков строятся все мезоны.

6x3=18

18x2=36 (кварку соответствует античастица)

Кварки могут существовать в 36 различных состояниях.

Кварковая структура адронов.

p (протон) n (нейтрон)

все кварки разных цветов кварки разных цветов

Q= +2/3 +2/3 -1/3=1 Q= +2/3 - 1/3 - 1/3=0

B= 1/3 + 1/3 + 1/3=1 B= 1/3 + 1/3 + /1/3=1

Фундаментальные физические взаимодействия и их проявления в природе.

1. Гравитационное взаимодействие (Ньютон, XVII в.):

- a_G – обозначение гравитационного взаимодействия;

- 10^-39 – интенсивность;

- ∞ - радиус действия

может распространяться на любые расстояния.

- законченной теории на данный момент не существует;

- в астро­номическом масштабе гравитационное взаимодействие, как прави­ло, играет главную роль; гравитация не позволяет Вселенной развалиться на части: она удерживает планеты на орбитах, звезды в галактиках, галактики в скоплениях, скопления в Метагалактике;

- проявляется и в повседневной жизни: мы ощущаем гравитацию потому, что все атомы Земли сообща притяги­вают нас.

2. Электромагнитное взаимодействие (XX в.)

- a_E – обозначение электромагнитного взаимодействия;

- 1/137 (≈10^-2) – интенсивность (намного порядков мощнее гравитационного);

- ∞ - радиус действия почти безграничен;

- определяет очень многое: сила упругости имеет электромагнитную природу (возникает как силы электромагнитного притяжения между атомами, молекулами); силы трения, поверхностного натяжения капиллярные силы…; вся химическая наука основана на электромагнитном взаимодействии атомов (все химические связи), т.к. эта сила определяет структуру атомов, агрегатные состояния вещества и др;

Закон Кулона - , где

- теория: в микромире – квантовая электродинамика, а в макромире – теория поля Максвелла;

- полярные сияния, вспышки молнии и др.

3. Слабое ядерное взаимодействие.

- a_W (week – слабый) – обозначение слабого взаимодействия;

- 10^-5 – интенсивность;

- 10^-18 м – радиус действия (намного меньше размеров атомного ядра – короткодействующее поле);

- теория: теория электрослабого взаимодействия;

- связано с распадами элементарных частиц (распад нейтрона);

- большинство нестабильных элементарных частиц участвуют в слабом взаимодействии.

4. Сильное ядерное взаимодействие.

- a_S (strong – сильный) – обозначение сильного взаимодействия;

- 1 – интенсивность;

- 10^-15 м – радиус действия (размер атомных ядер, на бо́льших расстояниях почти мгновенно исчезает);

- теория – квантовая хромодинамика;

- скрепляет нуклоны в ядре.

У элементарных части мала́ масса  малы́ гравитационные силы.

Микромир – 3 силы.

Макромир – гравитационная, электромагнитная.

Мегамир (звезды, галактики) – гравитационная.

Частицы-переносчики взаимодействий.

1. Гравитационное взаимодействие (a_G): гравитон g (? – гипотетическая частица), s=2, m_пок=0, v=c.

2. Электромагнитное взаимодействие (a_E): фотон γ (это бозоны) - 1, s=1, m_пок=0, v =c=3600 км/с.

радиус взаимодействия:

фотон m=0  R=∞.

3. Слабое взаимодействие (a_W): векторные бозоны w⁺, w^-, z⁰ (3); целый спин s=1, m_пок≠0.

4 . Сильное взаимодействие (a_S): глюоны (gl) – 8 разновидностей, соединяются по принципу цвет-антицвет, склеивают частицы в ядра, s=1, m_пок=0.

Квантовая теория поля и вакуум.

Квантовая теория поля - является теоретической основой описания микрочастиц, их взаимодействий и превращений. Именно на квантовой теории поля базируется вся физика высоких энергий, физика элементарных частиц и физика конденсированного состояния.

Поле, как и вещество, имеет дискретную (прерывистую) природу, т.е. состоит из частиц – кванты взаимодействия. Кванты поля обладают особенными свойствами: могут возникать и исчезать – их иногда называют виртуальными.

Это теория физических систем с бесконечным числом степеней свободы учитывающая требования и квантовой механики, и теории относительности. Пример - электромагнитное поле, для полного описания которого в каждый момент времени требуется задание напряжённостей поля в каждой точке пространства, т. е. задание бесконечного числа величин.

Современная квантовая теория поля включает три типа взаимодействия элементарных частиц: слабые взаимодействия, обусловливающие главным образом распад неустойчивых частиц, сильные и электромагнитные, ответственные за превращение частиц при их столкновении.

Под физическим вакуумом в современной физике понимают полностью лишённое массы пространство. Вакуум в квантовой теории поля – это низшее энергетическое состояние квантового поля; среднее число частиц - квантов поля в вакууме равно 0, однако в нем может происходить рождение виртуальных частиц, которые влияют на физические процессы (что обнаружено экспериментально). Например, эффект Казимира (взаимное притяжение проводящих незаряженных тел в вакууме) атомных уровней объясняется нулевыми колебаниями электромагнитного поля в физическом вакууме.

Поиск бозонов Хиггса

Бозон Хиггса является квантом так называемого поля Хиггса, при прохождении через которое частицы испытывают сопротивление, представляемое нами как поправки к массе; бозон нестабилен и имеет большу́ю массу; физиков интересует не столько сам бозон Хиггса, сколько механизм нарушения симметрии электрослабого взаимодействия.

♦ поиски бозона Хиггса в Европейском центре ядерных исследований на Большом электрон-позитронном коллайдере (2001 г.) не увенчались успехом (3 события-кандидата при массе 114 ГэВ);

♦ 2004 г. - повторная обработка данных эксперимента на синхротроне Тэватрон; переоценка верхней границы массы бозона Хиггса до 251 ГэВ;

♦ 2010 г. - эксперименты на Тэватроне: 1% отклонение результатов от предсказанных; гипотеза: причиной расхождения могло стать существование не 1, а 5 бозонов Хиггса;

♦ июль 2011 г. коллаборации ATLAS и CMS выявили отклонение в районе массы 130-150 ГэВ, что возможно указывает на существование бозона Хиггса;

♦ нояб. 2011 г. коллаборации сузили интервал масс бозона до 114-141 ГэВ;

♦ дек. 2011 г. коллаборации представили предварительные результаты обработки данных 2011 г., основной вывод: бозон Хиггса, если он существует, скорее всего, имеет массу в интервале 115-130 ГэВ; наблюдается превышение сигнала над фоном в этом интервале в различных предполагаемых каналах распада бозона Хиггса;

Предполагается, что вопрос о существовании бозона Хиггса прояснится окончательно после нескольких лет работы Большого адронного коллайдера. Данные с коллайдера продолжают поступать, они нуждаются в последующей обработке.

Программа «Великого объединения» и «супергравитации».

Физики хотят выявить общую природу всех сил.

Первые успехи – 1980-е гг. – выяснена единая природа электромагнитного и слабого поля (С. Ванбер, А. Салам) – электрослабое взаимодействие: a_E (поле с ненарушенной симметрией) + a_W (с нарушенной симметрией).

Следующая задача – подключить сюда сильное поле (теория «Великого объединения»): a_E + a_W + a_S; a_S – является центральным по природе.

- энергия объединения оказывается порядка 10¹⁵ ГэВ;

- но наибольшая энергия, достижимая на современных ускорителях, не превышает 10³ ГэВ;

- предсказывают распад протона и существование магнитного монополя большой массы.

Последующая задача – объединение всех 4 взаимодействий (модель супергравитации): a_E + a_W + a_S + a_G; нужно понять природу гравитации на квантовом уровне

Теория супергравитации используют многомерные построения: можно построить мир из разного числа измерений (используют 11- и 26-мерные модели); четыре известных взаимодействия рассматривают как геометрические конструкции, имеющие более пяти измерений.