3.9. Элементарные частицы.

В 1897г. Дж.Томсон открыл первую элементарную частицу – электрон, в 1919г. Э. Резерфорд открыл протон, а в 1932 г. Дж. Чедвик – нейтрон. Впоследствии выяснилось, что и само атомное ядро имеет сложную структуру и состоит из протонов и нейтронов.

В 1930 г. для объяснения β-распада В. Паули высказа­л предположение о существовании еще одной элементарной частицы - нейтрино. Су­ществование нейтрино было доказано лишь в 1953 г. Ф. Райнесом и К. Коуэном в прямом эксперименте с ядерным реакто­ром. К. Андерсон (1932) в космических лучах открыл первую ан­тичастицу – позитрон, существование которой следовало из ре­лятивистской квантовой теории П. Дирака. В 1933г. Ф.Жолио-Кюри обнаружил, что при столкновении частицы с античастицей они исчезают, превращаясь в два фотона: e^– + e⁺ → γ + γ. Этот процесс называется аннигиляцией. При этом выполняются законы сохранения электрического заряда, энергии, импульса и момента импульса (спина). В том же году был открыт и обратный процесс: рождение электронно-позитронных пар при прохождении γ-кванта большой энергии вблизи атомного ядра: γ → e^– + e⁺ .

Последующие три десятилетия принесли много открытий, особенно благодаря исследованию космических лучей и вводу в строй новых мощных ускорителей. В 1936 г. К. Андерсон и С. Недермейер в космических лучах обнаружили мюоны, а в 1947 г. С. Пауэлл с коллегами – π-мезоны. После Второй миро­вой войны с вводом в строй новых мощных ускорителей нача­лась новая эра в исследовании структуры микромира. Помимо открытия антипротона (1955) и антинейтрона (1956) были обна­ружено множество новых необычных и странных частиц, в основном короткоживущих и нестабильных. Во второй половине XX в. назрела острая необходимость выделить среди всей массы частиц более фун­даментальные, которые составили бы основу строения и свойств всех адронов. Задача похожая на ту, которая была решена в первой половине XX в., когда на основе всего трех частиц (протон, нейтрон и электрон), более фундаментальных, чем молекула и атом, смогли объяснить строение и основные свойства всех хи­мических элементов.

С амой лучшей и удобной в настоящее время является базо­вая классификация элементарных частиц, разделяющая их на большие классы и подклассы в зависимости от типов фундамен­тальных взаимодействий, в которых эти частицы участвуют (рис.).

Лептоны – класс элемен­тарных частиц, не участвующих в сильном взаимодействии. Все лептоны имеют спин 1/2, т.е. являются фермионами. К лептонам отно­сят 6 видов частиц: электроны, мюоны, таоны, соответствующие им нейтрино (е^-, μ, τ, ν_е, ν_μ ,ν_τ ) и столько же античастиц. Все леп­тоны относятся к истинно элементарным части­цам; им приписывается характеристика, назы­ваемая лептонным зарядом L. Частица-лептон имеет заряд L = +1; у античастицы лептонный заряд равен L = −1. Согласно закону сохранения лептонного заряда, общее количество лептонов в реакциях сохра­няется. Все лептоны, кроме мюона, являются стабильными час­тицами. Пока остается открытым важный вопрос о существова­нии массы у нейтрино.

Адроны – час­тицы, участвующие в сильном взаимодействии. Класс адронов подразделяется на два больших подкласса – барионы и мезоны. Только адроны, уча­ствуя в сильном взаимодействии, обладают особым видом сим­метрии – изотопической инвариантностью, состоящей в том, что сильное взаимодействие для всех адронов одинаково, т.е. не зависит от электрического заряда.

Барионы – группа элементар­ных частиц с полуцелым спином, несущих барионный заряд, который является их внутренней характеристикой и равен единице (В=1). Все барионы, кроме протона, являются не­стабильными и распадаются на протон и более легкие части­цы. Нейтрон стабилен только в связанном состоянии, т.е. в атомных ядрах. Закон сохранения барионного заряда указывает на строгое сохранение числа барионов при любых реакциях и любых взаимодействиях элемен­тарных частиц. Барионы, в свою очередь, разделяются на ги­пероны и нуклоны. Все барионы имеют античастицы.

Гипероны – нестабильные очень тяжелые частицы. Время их жизни ~ 10 ^–10 с.

Мезоны – не­стабильные частицы, не имеющие барионного заряда (В = 0) и обладающие нулевым или целочисленным спином. Свое на­звание они получили в связи с тем, что массы первых откры­тых мезонов имели промежуточные значения между массами протона и электрона. Не все мезоны имеют античастицы.

Кварки. В 1964 г. Г. Цвейг и М. Гелл-Ман предложили кварковую модель, согласно которой фундаментальными частицами являются не барионы и мезоны, а входящие в их состав более мелкие частицы – кварки, проявляющие необычные физические свой­ства.

Все кварки обладают дробным барионным зарядом B=+1/3 и дробным электрическим зарядом: Q = +2/3·e или Q = –1/3·е. Соответствующие антикварки имеют противоположные знаки всех зарядов. Исходя из соображений симметрии было сделано пред­положение, что общее количество разновидностей кварков, как и лептонов, должно быть равно шести. Эти разновидности были назва­ны «ароматами»: u, d, c, s, t, b. Согласно модели, все мезоны (В = 0) состоят из пары кварк–антикварк (например, ), а барионы (В = 1) – из трех кварков (например, p=uud , n=udd). Сразу следует сказать, что все окру­жающее нас вещество во Вселенной состоит только из и-кварков (Q=+2/3·e) и d-кварков (Q = –1/3·е), которые являются са­мыми легкими.

Кварки в свободном состоянии обнаружить не удалось ни в каких экспериментах и наблюдениях. Благодаря сильному взаимодействию кварки и антикварки, обмениваясь глюонами, оказываются запертыми внутри адронов и в свободном состоянии никогда не наблюда­ются. Явление ненаблюдаемости кварков в свободном состоянии на­звано конфайнментом. Внутри адронов кварки ведут себя как свободные частицы (обладают т.н. асимптотической свободой), но при попытках разделить адрон, «растащить» кварки включаются мощные силы притяжения, возрастающие с увеличением расстояния между кварками.

Частицы–переносчики взаимодействий. До недавнего времени в этом классе микрочастиц присутствовал лишь один безмассо­вый фотон. Но в 1983 г. было экспериментально подтверждено существование промежуточных векторных бозонов. Кроме того, теперь можно с уверенностью сказать о существовании глюонов, так как на этот счет имеются надежные косвенные доказатель­ства. Гипотетический гравитон пока не обнаружен.

Фотон – квант электромагнитного излучения, элементарная частица –переносчик электромагнитно­го взаимодействия.

В результате нулевой массы фотон распространяется со скоростью света и делает ра­диус электромагнитного взаимодействия равным бесконечности. Фотон относится к бозо­нам, так как его спин равен 1.

Промежуточные векторные бозоны – группа из трех вектор­ных (так как спин равен 1) очень тяжелых частиц-переносчи­ков слабого взаимодействия. Огромная масса (электрозаряжен­ные W⁺ и W^– около 80 ГэВ, электронейтральный Z⁰ около 90 ГэВ) делает их чрезвычайно короткоживущими (~ 10^–25 с), что определяет, в свою очередь, очень малый радиус действия сла­бого взаимодействия ~ 10 ^–18м.

Глюоны – частицы-переносчики силь­ного взаимодействия, обеспечивающие связь кварков внутри адронов. Глюоны по целому ряду признаков очень похожи на фотоны: их масса покоя равна 0, спин равен 1, электрический за­ряд равен 0. Но по одному признаку – цвету – они радикально отличаются не только от фотонов, но и от всех остальных частиц. Экспериментально существование кварков было доказано наблюдением так называемой третьей адронной струи, возникающей при аннигиляции высокоэнергичной электрон-позитронной пары.

Гравитоны – гипотетические частицы-переносчики гравита­ционного взаимодействия, являющиеся квантами гравитацион­ного поля. Считается, что их масса равна 0, следователь­но, в вакууме они должны распространяться со скоростью света и обеспечивать дальнодействие гравитационному взаимодействию. Спин гравитонов равен 2. Чрезвычайная слабость гравитационного взаимодействия пока не позволяет экспериментально обнаружить эти частицы. Сейчас оказывается, что одними гравитонами не удается описать гравитацию. Приходится вводить еще одну частицу – переносчик гравитации – гравитино. Кроме того, для объяснения обнаруженного в последние десятилетия ускоренного расширения Вселенной вводится частица – грави-фотон, которая может создавать антигравитацию.

26