Дополнительный_материал

Элементарные частицы и их взаимодействия

Элементарные частицы — первичные, неразложимые далее частицы, которые нельзя считать соединением других частиц, существующих в свободном состоянии.

Элементарные частицы способны взаимодействовать друг с другом. Для всех элементарных частиц характерна способность возникать и поглощаться (рождаться и уничтожаться) при взаимодействии с другими частицами. Например, хотя нейтрон и не состоит из протона, электрона и антинейтрино, но он может превращаться в указанные частицы при взаимодействиях.

Общими характеристиками всех элементарных частиц является масса, время жизни, электрический заряд и спин.

Первоначально классификация элементарных частиц осуществлялась по их массе, что и получило отражение в названиях типов частиц (лептоны — легкие, мезоны — средние, барионы — тяжелые).

Электрические заряды элементарных частиц являются кратными величине элементарного электрического заряда.

В зависимости от времени жизни элементарные частицы делятся на стабильные, квазистабильные и нестабильные (резонансы).

Стабильными в пределах точности современных измерений являются электрон, протон, фотон и нейтрино.

К квазистабильным относятся частицы, распадающиеся за счет электромагнитного и слабого взаимодействий. Их время жизни τ > 10⁻²⁰ c.

Резонансами (нестабильными частицами) называются элементарные частицы, распадающиеся за счет сильного взаимодействия. Их время жизни 10⁻²²—10⁻²⁴ c.

Спин элементарных частиц является целым или полуцелым кратным постоянной Планка h.

В основу современной классификации элементарных частиц положены типы фундаментальных взаимодействий, в которых они участвуют (табл. 1).

Та б л и ц а 1. Фундаментальные взаимодействия, их относительная интенсивность и соответствующие им кванты

Из четырех фундаментальных взаимодействий лишь гравитационное является универсальным. Электромагнитные силы оказывают влияние главным образом на частицы, обладающие электрическим зарядом. В слабых взаимодействиях участвуют все частицы, за исключением фотонов. Сильное взаимодействие — самое избирательное. Оно служит основой для разделения элементарных частиц на две обширные группы — группу адронов (от греч. χαδρος (адрос) — большой, сильный), которые участвуют в сильных взаимодействиях, и группу лептонов (от греч. λεπτος (лептос) — тонкий, легкий), которые не участвуют в сильном взаимодействии.

Внутри этих групп частицы классифицируются по системе квантовых чисел.

Механизм всех взаимодействий — обменный, т. е. взаимодействие между двумя частицами осуществляется в результате их обмена промежуточной частицей — переносчиком взаимодействия.

Гравитационное взаимодействие проявляется в виде сил тяготения между всеми частицами (рис. 1, а). Квант гравитационного поля до настоящего времени экспериментально не обнаружен.

Электромагнитное взаимодействие характерно для всех частиц, обладающих электрическим зарядом. Квант электромагнитного поля — фотон (γ-квант). Фотоны не только осуществляют электромагнитное взаимодействие, но и наблюдаются в качестве свободных частиц (рис. 1, б).

Рисунок 1. Обменный характер фундаментальных взаимодействий

Сильное взаимодействие свойственно адронам. Это самый многочисленный класс элементарных частиц. Характерный масштаб массы адронов задается массой протона m_p. Наименьшую массу среди адронов имеет π-мезон (≈ 1/7 m_p), наибольшую — ϒ-мезон (≈ 10m_p).

Адроны делятся на два класса:

с целым спином — мезоны (бозоны);

с полуцелым спином — фермионы (барионы).

Среди элементарных частиц выделяют фундаментальные и составные. К фундаментальным элементарным частицам относятся лептоны и кварки, а к составным — барионы и мезоны. Кварки обнаружены внутри протонов и нейтронов, но не существуют в свободном состоянии. Они имеют заряд +2/3e или −1/3e и являются составными частями адронов. Барионы состоят из трех различных кварков, мезоны — из кварка и антикварка. Кварки в адронах взаимодействуют посредством глюонов. Объяснение кварковой структуры составных частиц возможно только при наличии у кварка цветового заряда.

В современной теории сильного взаимодействия — квантовой хромодинамике — частицы, переносящие сильное взаимодействие, получили название глюоны (от англ. glue — клей) (рис. 1, в). Глюоны являются электрически нейтральными частицами с нулевой массой покоя и переносят сильное взаимодействие между кварками. Они не существуют в свободном виде, а проявляются только в процессах рождения и уничтожения барионов и мезонов.

Кварки и глюоны обладают особым квантовым числом — цветом (цветовым зарядом). Есть шесть типов («ароматов») кварков — u, d, s, c, b, t, каждый из которых существует в трех «цветовых» видах — «зеленом», «синем», «красном». Глюоны имеют 8 цветов. Обмен глюонами между кварками меняет цвет кварка. Составные частицы не несут цветового заряда, т. е. являются бесцветными.

Бозоном сильного взаимодействия являются мезоны (от греч. μεσος — средний).

К неучаствующим в сильном взаимодействии лептонам относятся электрон е−, электронное нейтрино ν_е, мюон μ−, мюонное нейтрино ν_μ, таон τ−, таонное нейтрино ν_τ и их античастицы. Массы лептонов составляют 0,1m_p (исключение τ-лептон). Для выделения лептонов как группы элементарных частиц им приписывают лептонный заряд.

Слабое взаимодействие характерно для всех элементарных частиц. Переносчиками слабого взаимодействия между лептонами и кварками являются тяжелые бозоны W^±, Z⁰ (рис. 1, г).

В соответствии с действующими в микромире законами сохранения (энергии, импульса, электрического, барионного, лептонного зарядов) возникновение античастиц происходит только в парах с частицами. Поэтому все заряженные частицы существуют парами. Это так называемый принцип зарядового сопряжения. Оказалось, что у всех частиц имеются античастицы. Все характеристики частиц и античастиц одинаковы, но заряды (магнитные моменты) противоположны по знаку. Исключение — фотон, π⁰-мезон, η⁰-мезон — истинно нейтральные частицы, т. е. полностью совпадающие со своими античастицами.

Существование первой античастицы — позитрона (от лат. positus — положительный) предсказал Поль Дирак в 1928 г. В 1932 г. К. Андерсон обнаружил позитрон, исследуя космические излучения.

При столкновении медленно движущихся электрона и позитрона они аннигилируют (от лат. nihil — ничто) и возникают обычно два фотона (рис. 2, а)

.

Образование при аннигиляции именно двух (редко трех) фотонов является следствием закона сохранения импульса. Фотоны обладают импульсом, модуль которого . При медленно движущихся электроне и позитроне образовавшиеся фотоны должны разлетаться в противоположных направлениях так, чтобы их суммарный импульс оказался равным нулю, а энергия каждого из фотонов E_γ = 0,511 МэВ.

Возможен и обратный процесс рождения электронно-позитронной пары в поле ядра за счет энергии фотонов:

.

Схематическое изображение такого процесса показано на рисунке 2, б.

Рисунок 2. Аннигиляция электрона и позитрона при столкновении (а);

рождение электрон-позитронной пары из γ-кванта в поле ядра (б)

Для образования электронно-позитронной пары энергия фотона должна быть не меньше полной энергии покоя электрона и позитрона, т. е.

.

С учетом того, что массы электрона и позитрона одинаковы (m_−e = m_+e = 0,00055 а. е. м.), для их образования необходима энергия Е = 2·0,511 МэВ.

Общее число элементарных частиц с античастицами около 500. Из них 30 — относительно стабильные, со временем жизни не менее 10⁻¹⁷ с, и более 400 — короткоживущие, со временем жизни 10⁻²³ с. Время жизни элементарной частицы зависит от природы (интенсивности) взаимодействия. Так, самый быстрый распад обусловлен сильным взаимодействием — время жизни частицы оказывается настолько малым (10⁻²² —10⁻²⁴ с), что для подобных частиц исторически сложилось название резонансы. А при медленных распадах, обусловленных слабым взаимодействием, время жизни частиц 10⁻¹⁰ с и более. При распадах под воздействием электромагнитных взаимодействий время жизни частиц занимает промежуточное положение — 10⁻¹⁶ —10⁻¹⁹ с.

В настоящее время сложилась общепринятая теория наиболее общих типов элементарных частиц и их взаимодействий, которая называется стандартной моделью (рис. 3).

Стандартная модель элементарных частиц — теоретическая конструкция в физике элементарных частиц, описывающая электромагнитное, слабое и сильное взаимодействие всех элементарных частиц. Экспериментальное подтверждение существования промежуточных векторных бозонов в середине 1980-х годов и подтверждение существования бозона Хиггса в 2012 г. завершило экспериментальное обнаружение предсказываемых стандартной моделью элементарных частиц.

П. В. Хиггс (английский физик-теоретик) известен благодаря предложенному им в 1960-х гг. механизму спонтанного нарушения электрослабой симметрии, объясняющему происхождение массы элементарных частиц, в частности масс векторных W- и Z-бозонов.

Бозон Хиггса — элементарная частица или элементарный бозон, который обладает нулевым спином. В рамках стандартной модели именно бозон Хиггса «отвечает» за наличие массы у элементарных частиц.

Бозон Хиггса первоначально был предсказан в 1964 г. теоретически. 4 июля 2012 г. сообщалось, что на обоих основных детекторах Большого адронного коллайдера наблюдалась новая частица. 14 марта 2013 г. было подтверждено, что найденная полугодом ранее частица действительно является бозоном Хиггса.

Рисунок 3. Таблица элементарных частиц

Согласно стандартной модели существуют два основных вида фундаментальных элементарных частиц: фермионы и бозоны. Фермионы являются элементарными «кирпичиками» окружающего нас вещества, а бозоны — переносчиками взаимодействий между фермионами.

Фундаментальная частица — бесструктурная элементарная частица, которую до настоящего времени не удалось описать как составную. В настоящее время данный термин применяется для 6 лептонов (электрон, мюон, тау-лептон, электронное нейтрино, мюонное нейтрино и тау-нейтрино) и 6 кварков (u, d, s, c, b, t). Все эти частицы являются фермионами со спином ½ и естественным образом организуются в три поколения (см. рис. 3). Вместе с античастицами фермионы составляют набор из 24 фундаментальных частиц в совокупности с калибровочными бозонами (частицами-переносчиками фундаментальных взаимодействий).

Между фундаментальными фермионами действуют три типа сил — электромагнитные, слабые и сильные. Кварки участвуют в сильных, слабых и электромагнитных взаимодействиях; заряженные лептоны (электрон, мюон, тау-лептон) — в слабых и электромагнитных; нейтрино — только в слабых взаимодействиях. Сильное взаимодействие связывает кварки в адроны — составные частицы, состоящие из кварков в разных комбинациях.

Взаимодействие частиц, имеющих электрический заряд, происходит путем обмена фотонами — квантами электромагнитного поля. Сильное взаимодействие осуществляется за счет обмена глюонами — переносчиками сильного взаимодействия. Переносчиками слабого взаимодействия являются W^±-, Z⁰-бозоны.

Название «кварк» было заимствовано М. Гелл-Маном из книги Джеймса Джойса «Поминки по Финнигану». По-немецки «кварк» — «творог», но в романе это слово означает нечто двусмысленное и таинственное. Скорее всего, этот термин прижился потому, что соответствует «таинственной» роли кварков в физике.