Нестабильная частица 4 буквы
Необходимо отметить, что позитроны и антипротоны в свободном состоянии устойчивы, но при взаимодействии с обычным веществом они аннигилируют.
Элементарными следует называть микрочастицы, относительно которых нет доказательств, что они являются составными. Это электроны, протоны, нейтроны и многие другие частицы. Впрочем, ситуация с определением элементарности усложнилась после того, как выяснилось, что многие из этих частиц имеют внутреннюю структуру.
Несмотря на последнее обстоятельство, за этими частицами сохранили название элементарных. И это в какой-то степени оправдано: во всех наблюдавшихся до сих пор явлениях каждая такая частица ведет себя как единое целое. Они могут рождаться и превращаться друг в друга, но не расщепляться на какие-то составляющие.
Поэтому теперь в ядерной физике под термином «элементарные частицы» понимается общее название для всех субатомных частиц, отличных от атомов и атомных ядер.
Итак, частицы, которые мы называем элементарными, ведут себя как единое целое и обладают способностью к рождению и взаимопревращению. Например, распад нейтрона:
Продукты распада нейтрона возникают только в самом этом процессе. До распада их не было совсем, и они не входили в состав нейтрона.
Для элементарных частиц весьма характерна их многочисленность. В настоящее время открыто несколько сотен частиц, подавляющее большинство которых нестабильно.
Источниками заряженных частиц высоких энергий являются в основном ускорители. Вместе с детекторами они позволяют исследовать процессы в которых образуются и взаимодействуют различные элементарные частицы. Вот почему физику элементарных частиц часто называют физикой высоких энергий.
Виды фундаментальных взаимодействий
Современной науке известны четыре типа фундаментальных взаимодействий: сильное, электромагнитное, слабое, гравитационное. Сильное взаимодействие осуществляется между нуклонами в атомных ядрах. Оно присуще также большому количеству элементарных частиц, так называемых адронов (протоны, нейтроны, гипероны, мезоны и др.). Электромагнитное взаимодействие осуществляется между электрическими зарядами. К электромагнитным взаимодействиям сводятся обычно воспринимаемые нами силы: химические, молекулярные, упругие, вязкие и др. Слабые взаимодействия вызывают β-распад радиоактивных ядер и вместе с электромагнитными силами присущи лептонам - элементарным частицам, не участвующим в сильных взаимодействиях и обладающих спином ½ (электрон, мюон, нейтрино и др.). Нейтральные лептоны не участвуют в электромагнитных взаимодействиях. Гравитационное взаимодействие присуще всем частицам.
Энергетика взаимодействий связана со временем их протекания. Для сравнения скоростей взаимодействий обычно берут частицы с одной и той же энергией например, принимают кинетическую энергию сталкивающихся частиц равной 1 ГэВ , характерную для физики элементарных частиц. При таких энергиях сильные взаимодействия осуществляются за времена порядка 10 −23 с , электромагнитные - 10 −20 с , слабые - 10 −9 с .
Вид взаимодействия, присущий определенной частице, определяет и такой параметр, как длина её свободного пробега в веществе. Чем интенсивнее тип взаимодействия, тем меньше длина свободного пробега. Так нейтрино с энергией 10 МэВ может пройти слой железа толщиной 10 9 км . Сильные и слабые взаимодействия являются короткодействующими. Радиус действия сильных взаимодействий имеет порядок 10 −13 см (1 ферми ), а слабых - 2·10 −16 см . Электромагнитные силы являются дальнодействующими. Их интенсивность убывает обратно пропорционально квадрату расстояния между взаимодействующими частицами. Аналогичному закону подчиняются и гравитационные силы. Количественно соотношения интенсивности типов взаимодействий представлены в таблице 4.3.
| Тип взаимодействия | Объекты взаимодействия | Радиус действия | Интенсивность взаимодействия по отношению к сильному |
| Сильное | Адроны | 10 −13 см | 1 |
| Электромагнитное | Заряженные частицы | ∞ | 10 −3 -10 −2 |
| Слабое | Все частицы | 10 −15 см | 10 −16 -10 −15 |
| Гравитационное | Масса | ∞ | 10 −40 -10 −38 |
Остановимся более подробно на характеристике этих взаимодействий.
- Сильные взаимодействия удерживают нуклоны в атомных ядрах, они же присущи большинству адронов (протон, нейтрон, гипероны, мезоны и др.). Эти взаимодействия короткодействующие: на расстояниях свыше 10 −13 см они прекращаются, вследствие чего сильные взаимодействия не способны создавать структуры макроскопических размеров.
- Электромагнитные взаимодействия осуществляются через электромагнитное поле. Они значительно слабее сильных взаимодействий, однако из-за дальнодействия электромагнитные силы во многих случаях оказываются главными. Именно эти силы вызывают разлет осколков, которые образуются при делении атомных ядер. Эти силы ответственны за все электрические и магнитные явления, наблюдаемые нами в различных формах их проявления: оптических, механических, тепловых, химических и т.д.
- Слабые взаимодействия весьма малы по сравнению с сильными и электромагнитными. Слабые взаимодействия являются универсальными: они присутствуют во всех взаимодействиях.
- Гравитационные взаимодействия самые слабые. Они универсальны. Но для элементарных частиц эти взаимодействия никакого значения не имеют, поэтому современная физика элементарных частиц - это физика без гравитации. В связи с этим в дальнейшем под фундаментальными мы будем понимать только сильные, электромагнитные и слабые взаимодействия.
Практически все элементарные частицы являются нестабильными (за исключением фотона, электрона и трех нейтрино). Время жизни таких частиц варьируется в пределах от 10 −18 до 10 −11 с (у так называемых резонансов еще меньше). Но в некоторых случаях оно оказывается весьма продолжительным: например, среднее время жизни свободного нейтрона составляет 11.7 мин .
Систематика элементарных частиц
Бозоны и фермионыВсе частицы (включая и неэлементарные, и так называемые квазичастицы) подразделяют на бозоны и фермионы. Бозоны - это частицы с нулевым или целочисленным спином (фотон, мезоны и др.). Фермионы же - это частицы с полуцелым спином (электрон, мюон, таон, нейтрино, протон, нейтрон и др.).
Время жизни τПрактически все элементарные частицы, как уже говорилось, являются нестабильными, распадаясь на другие частицы. По времени жизни различают стабильные, квазистабильные и т.н. резонансы. Резонансами называют частицы, распадающиеся за счет сильного взаимодействия с временем жизни ~10 −23 с . Нестабильные частицы с временем жизни, превышающим 10 −20 с , распадаются за счет электромагнитного или слабого взаимодействия. По сравнению с характерным ядерным временем (10 −23 с ) время 10 −20 с следует считать большим. По этой причине их и называют квазистабильными. Стабильными частицами (τ → ∞) являются только фотон, электрон, протон и нейтрино.
Переносчики взаимодействияЭто особая группа элементарных частиц, в которую входят фотоны (переносчики электромагнитного взаимодействия), родственные им W- и Z-бозоны (переносчики слабого взаимодействия), так называемые глюоны (переносчики сильного взаимодействия) и гипотетические гравитоны .
Все остальные частицы подразделяют по характеру взаимодействий, в которых они участвуют, на лептоны и адроны .
ЛептоныЭто частицы, не участвующие в сильных взаимодействиях и имеющие спин ½. К ним относятся электроны, мюоны, таоны и соответствующие им нейтрино. Лептоны принимают участие в слабых взаимодействиях. За исключением нейтрино, лептоны участвуют и в электромагнитных взаимодействиях.
Все лептоны можно отнести к истинно элементарным частицам, поскольку у них, в отличие от адронов, не обнаружена внутренняя структура.
АдроныТак называют элементарные частицы, участвующие в сильных взаимодействиях. Как правило, они участвуют и в электромагнитном, и в слабом взаимодействиях. Эти частицы образуют самую многочисленную группу частиц (свыше 400). Адроны подразделяют на мезоны и барионы. Мезоны - это адроны с нулевым или целочисленным спином (т.е. бозоны). К ним относятся π- , K- и η-мезоны , а также множество мезонных резонансов, т.е. мезонов с временем жизни ~10 −23 с . Барионы - это адроны с полуцелым спином (т.е. фермионы) и массами, не меньшими массы протона. К ним относятся нуклоны (протоны и нейтроны), гипероны и множество барионных резонансов. За исключением протона, все барионы нестабильны. Нестабильные барионы с массами, большими массы протона, и большим временем жизни (сравнительно с ядерным ~10 −23 с ) называют гиперонами . Это гипероны Λ , Σ , Ξ и Ω . Все гипероны имеют спин ½, за исключением Ω, спин которого 3 / 2 . За время τ ~10 −19 -10 −10 с они распадаются на нуклоны и легкие частицы (π -мезоны, электроны, нейтрино, γ-кванты).
Сведем для наглядности основную систематику элементарных частиц в таблицу 4.4.
Античастицы
Частицы и античастицыСуществование античастиц является универсальным свойством элементарных частиц. Каждой частице соответствует своя античастица: например, электрону e − - позитрон e + , протону p + - антипротон p − , нейтрону n - антинейтрон и т.д. Позитрон и антипротон отличаются от электрона и протона прежде всего знаком электрического заряда. Антинейтрон отличается от нейтрона знаком магнитного момента.
В общем случае античастица отличается от частицы только знаками так называемых зарядов (электрического, барионного, лептонного, странности), с которыми связаны определенные законы сохранения.
Такие же характеристики как масса, спин, время жизни у них одинаковы.
В некоторых случаях античастица совпадает со своей частицей, т.е. все свойства частицы и античастицы одинаковы. Такие частицы называют истинно нейтральными. К ним относятся, например, фотон γ, π 0 -мезон и η 0 -мезон.
Понятия частицы и античастицы относительны. Электрон считают частицей, а позитрон - античастицей только потому, что во Вселенной преобладают именно электроны, а позитроны более экзотические частицы. Условившись считать электрон и протон частицами, далее с помощью законов сохранения можно однозначно установить, чем является каждая элементарная частица - частицей или античастицей.
Аннигиляция и рождение парПри встрече электрона с позитроном происходит их аннигиляция, т.е. превращение их в γ-кванты, например так:
| e − + e + → γ + γ. |
Заметим, что один γ-квант при этом излучиться не может: в этом случае нарушался бы закон сохранения импульса. Это легко понять, если рассмотреть процесс в Ц -системе, где суммарный импульс электрона и позитрона равен нулю.
Существует процесс, обратный аннигиляции - рождение пар: γ-квант может породить пару e − e + . Для этого необходимо, чтобы энергия γ-кванта была не меньше собственной энергии пары 2·m e c 2 . Этот процесс может происходить только в поле атомного ядра, иначе нарушался бы закон сохранения импульса. В самом деле, в Ц -системе суммарный импульс образовавшейся пары был бы равен нулю, тогда как импульс породившего ее γ-кванта отличен от нуля. При наличии атомного ядра импульс γ-кванта будет восприниматься ядром без нарушения закона сохранения импульса.
Аннигилируют не только электрон с позитроном, но и любая другая частица со своей античастицей. Однако при аннигиляции тяжелых частиц и античастиц возникают преимущественно π -мезоны (доля γ-квантов весьма мала). Это обусловлено проявлением различных типов взаимодействий: аннигиляция электрона с позитроном вызывается электромагнитным взаимодействием, тогда как аннигиляция более тяжелых частиц - адронов - сильным взаимодействием.
Более подробную информацию можно скачать () или (ресурс корпоративной сети ТПУ ).
Некоторые проблемы эволюции Вселенной, нуклеосинтеза и космохронологии с точки зрения физики ядра и элементарных частиц, представлены в книге Ю.Э. Пенионжкевич «Ядерная Астрофизика» . В этой работе проводится сравнение процессов, происходящих во Вселенной, с механизмами образования и распада ядер, а также их взаимодействия при высоких энергиях, еаны примеры, показывающие возможности методов ядерной физики в исследовании Вселенной.
а) Современный статус понятия Элементарной частицы
Представление о том, что все во Вселенной делится на вещество и силы, бытующие и в настоящее время, возникло давно. Еще Аристотель (см. раздел "Аристотельская физика") полагал, что на вещество, состоящее из земли, воздуха, огня и воды, действуют две силы: сила тяжести и сила легкости. Первая влечет землю и воду вниз, вторая поднимает огонь и воздух вверх. Аристотелю вещество представлялось непрерывным, а Демокриту - зернистым, состоящим из атомов. Спор между сторонниками данных концепций дошел до ХХ века. В его разрешении важный вклад принадлежит Эйнштейну, который в 1905 г. (еще до публикации статьи о специальной теории относительности) высказал предположение, что броуновское движение (нерегулярное, хаотическое движение мельчайших частичек, взвешенных в воде) можно объяснить ударами атомов жидкости об эти частички. Как было показано ранее, первая попытка доказать структурированность атома предпринял Дж.Томсон. В 1911 г. Э.Резерфорд доказал, что атом состоит из положительно заряженного ядра и вращающихся вокруг него, отрицательно заряженных электронов. В 1932 г. Дж.Чэдвик обнаруживает, что ядро кроме положительного протона содержит не заряженный нейтрон с массой почти равной массе протона. В 1969 г. эксперименты М.Гелл-Мана по взаимодействию движущихся с большими скоростями протонов и электронов показывают, что протоны состоят из Кварков. Таким образом, было установлено, что ни атомы, ни протоны, ни нейтроны не являются неделимыми. Перед физиками и встал вопрос: что же считать элементарными частицами? Может быть при переходе к еще большим энергиям и эти элементарные частицы окажутся делимыми?
Таким образом, понятие элементарных частиц в настоящее время утратило свой первоначальный смысл как частиц далее неразложимых, поскольку многие из частиц, считавшихся элементарными, имеют сложную структуру (например, протоны и нейтроны). Но осталась сама идея о существовании элементарных частиц. Термин "элементарные частицы" сейчас употребляется в менее строгом значении, а именно для названия большой группы мельчайших частиц материи, которые не являются атомами или атомными ядрами (за исключением протона - простейшего ядра атома водорода). Их число велико (с нестабильными частицами насчитывается более 350) и продолжает расти.
В процессе исследования выявленных элементарных частиц устанавливались их свойства. У электронов и протонов были выявлены масса, размеры, электрический разряд, механический и магнитный момент. В рамках теории Бора были установлены механический и магнитный моменты электрона и протона, являвшихся чисто квантовыми свойствами. Было установлено, что спин - собственный момент количества микрочастицы, имеющий квантовую природу и измеряемый в единицах Планка, - может быть целым (0,1,2...) или полуцелым (1/2, 3/2...).
Исследование бета-распада позволило открыть новое свойство элементарных частиц - их превращаемости друг в друга: при бета-распаде из ядра вылетает электрон, который рождается в результате превращения нейтрона в протон и электрон. Было обнаружено при этом, что электроны, вылетающие из ядра при бета-распаде, обладают различными скоростями и энергией, а оставшиеся после бета-распада ядра обладают примерно одинаковой энергией. Измерения установили, что в случае вылета медленных электронов баланс энергии при бета-распаде не сохраняется, что казалось нарушением закона сохранения в микропроцессах. Идея существования нейтрино, рождающегося при бета-распаде и уносящего недостающую энергию, сохранило справедливость закона сохранения энергии и в микромире. Открытие превращения нейтрона в протон и нейтрон положило начало открытиям других форм превращения элементарных частиц друг в друга.
Следующим выявленным свойством элементарных частиц была способность определенных частиц взаимодействовать друг с другом. В классической физике электрическое взаимодействие между заряженными частицами осуществляется с помощью электромагнитного поля. С точки зрения квантовой физики взаимодействие частиц есть процесс обмена фотонами, в котором фотоны пропадают, отдавая свою энергию заряженным частицам. По аналогии с образованием фотонов появилась идея о том, что подобным образом могут рождаться и электроны. Поиски сил, связывающих в ядре протоны и нейтроны, побудили И.Е.Тамма и Д.Д.Иваненко предположить, что ядерные силы есть результат обмена электронами между нуклонами. Эксперимент эту гипотезу не подтвердил. Юкава показал, что ядерные силы могут быть объяснены как результат обмена между нуклонами частицами с массой больше массы электрона и меньшей массы нуклонов (частицы получили название мезонов-промежуточных частиц), которые и были обнаружены в космических лучах. Переносчиками ядерных сил оказались положительно и отрицательно заряженные мезоны с массой, равной 273 массам электрона, получившие название -мезонов или пионов. У нейтральных мезонов масса оказалась равной 264 массам электрона.
Дирак высказал мысль о существовании античастицы для электрона, которая была открыта и названа позитроном. Оказалось, что свойством элементарных частиц является существование античастиц, имеющих противоположный заряд и противоположно направленные механический и магнитный моменты. При столкновении частицы и античастицы происходит аннигиляция, т.е. их уничтожение с возникновением других частиц. Так, столкновение электрона и позитрона дает два фотона, протона и антипротона - четыре мезона и т.д.
У частиц было установлено также свойство спонтанного превращения. Элементарные частицы имеют "время жизни" - среднее время своего существования. В настоящее время к числу стабильных частиц с бесконечным временем существования относят электроны и позитроны. К стабильным относят также протоны и антипротоны (хотя высказываются соображения о конечном сроке жизни протонов), а также нейтрино, антинейтрино, фотоны. К настоящему времени назрела необходимость в классификации элементарных частиц (подобной периодической системе Д.И.Менделеева). Эта работа далеко не завершена.
б) Современные представления о характере фундаментальных физических взаимодействий и типах элементарных частиц
В физике под взаимодействием понимается воздействие тел или частиц друг на друга, приводящее к изменению состояния их движения. В механике Ньютона взаимодействия характеризуются силой, более общей характеристикой взаимодействия является потенциальная энергия. В трактовке взаимодействия исторически сменяли друг друга разные концепции. Первой возникла концепция дальнодействия, сущность которой заключается в представлении, что взаимодействие между телами может осуществляться непосредственно через пустое пространство, которое участвует в передаче взаимодействия не принимает, причем передача взаимодействия происходит мгновенно. После открытия электромагнитного поля возникла концепция близкодействия. Было установлено, что взаимодействие электрически заряженных частиц осуществляется не мгновенно, а с некоторой конечной скоростью, равной скорости света. Электромагнитное поле выступает посредником, осуществляющим передачу взаимодействия между электрически заряженными частицами. Данная концепция была перенесена и на другие взаимодействия. В рамках данной концепции взаимодействия между телами осуществляется посредствам разнообразных полей. В рамках квантовой теории трактовке взаимодействия был придан квантовый характер. Поскольку каждое тело состоит из квантов, то, например, электромагнитное взаимодействие осуществляется путем обмена фотонами и т.п.
Существует четыре разновидности взаимодействия (сил), которые физики надеются представить как проявление одной и той же силы (взаимодействия). Оказалось. что классификацию элементарных частиц удобнее всего осуществлять по типам их взаимодействий.
Все известные частицы принято разделять на две группы, в одну из которых входят частицы со спином 1/2 (из них состоит вещество Вселенной), а в другую - частицы со спином 0, 1 и 2 (создающие силы, действующие между частицами вещества).Первые подчиняются принципу запрета Паули, (гласящему, что две одинаковые частицы не могут существовать в одном и том же состоянии). Если бы не действовал принцип Паули, кварки не смогли бы объединится в протоны и нейтроны, которые, в свою очередь, вместе с электронами не смогли бы объединиться в атомы. В 1928 г. П.Дирак разработал теорию, описывающую эти частицы, которая согласовывалась и с квантовой механикой, и со специальной теорией относительности. Теория объяснила, почему электрон со спиной 1/2 при одном полном обороте не возвращается в прежнее положение и возвращается в него лишь при двукратном обороте. Эта теория предсказывала также существование позитрона (антиэлектрона). Оказалось, что каждой частице соответствует античастицы, которые при столкновении аннигилируют (уничтожаются).
Силы между частицами вещества переносятся частицами с целочисленным спином, равным 0, 1 или 2. Эти частицы-переносчики не подчиняются принципу запрета Паули. Это значит, что ограничения для числа обмениваемых частиц отсутствуют, поскольку возникающая сила взаимодействия может быть большой:
Первая из них - гравитационная сила, имеющая универсальный характер. Любая частица находится под действием гравитационной силы. Ее величина зависит от массы или энергии частицы. Гравитационная сила действует на больших расстояниях и всегда выступает как сила притяжения. Гравитационные силы по сравнению с другими очень слабые. Считается, что гравитационная сила, действующая между двумя частицами, переносится частицей со спином 2 (ее называют гравитон). Гравитон собственной массой не обладает, поэтому переносимая им сила является дальнодействующей. Считается, что гравитоны распространяются в виде гравитационных волн, которые пока зафиксировать не удается вследствие их слабой силы.
Вторая сила - электромагнитная, действующая между электрическими заряженными частицами. Электромагнитные взаимодействия значительно сильнее гравитационных. Существуют два вида электрического заряда - положительный и отрицательный. Между двумя положительными или отрицательными зарядами действует сила отталкивания, между положительным и отрицательным - сила притяжения. В больших телах электромагнитная сила слаба, поскольку в них положительных и отрицательных зарядов почти одинаково и они компенсируют друг друга. В малых масштабах ситуация иная - в атомах и молекулах доминируют электромагнитные силы.
Третий тип - слабое взаимодействие, отвечающее за радиоактивность и существующее между всеми частицами вещества со спином 1/2 - в нем не участвуют частицы со спином 0, 1, 2 (фотоны и гравитоны). В1967 г. А.Салам и С.Вайнберг разработали теорию, объединяющую слабое взаимодействие и электромагнитное (подобно объединению Максвеллом электричества и магнетизма). (Несколько позже к ним присоединился Ш.Глэшоу.) Теория предсказывала, что частицы, совершенно различные при низких энергиях, при высоких энергиях оказываются одной и той же частицей, но находящейся в разных состояниях.
Четвертый тип - сильное ядерное взаимодействие, удерживающее кварки внутри протона и нейтрона, а протоны и нейтроны - внутри атомного ядра. Переносчиком этого типа взаимодействия считается частица со спином 1 - глюон. Глюоны взаимодействуют лишь с глюонами и кварками.
Существует идея объединить электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия в теорию великого объединения (на самом деле она не столь великая, поскольку не учитывает гравитацию, но создание такой теории явилось бы шагом на пути к созданию полной теории объединения, охватывающей все четыре типа взаимодействия - подробнее о концепции объединения физики см. раздел 6). Идея великого объединения заключается в следующем. Известно, что сильные взаимодействия при высоких энергиях становятся слабее, чем при низких. Электромагнитные же и слабые силы при высоких энергиях растут. При каком-то очень большом значении энергии эти три силы могли бы сравняться между собой и стать разновидностями одной силы - при этом частицы со спином 1/2 (кварки и электроны) перестали бы различаться. Препятствие на этом пути заключается в том, что для ускорения частиц до такой энергии понадобился бы ускоритель размером с Солнечную систему. 19 Так что возможности экспериментально проверить теорию великого объединения нет. Однако возможна проверка низкоэнергетических следствий. Одно из таких следствий - возможность распада протонов, составляющих большую часть массы обычного вещества на более легкие частицы (антиэлектроны).
Такого рода эксперименты, позволяющие дать определенные сведения о распаде протона, затруднены. Однако, как полагает С.Хокинг, 20 не исключено, что само наше существование есть следствие обратного процесса - процесса образования протонов или кварков на самой начальной стадии, когда кварков не больше, чем антикварков. Он полагает, что такая картина начала Вселенной выглядит наиболее естественной. Ведь земное вещество в основном состоит из протонов и нейтронов, состоящих в свою очередь из кварков. В нашей Галактике тоже нет ни антипротонов, ни антинейтронов (за исключением тех случаев, когда они рождаются в столкновениях частицы и античастицы при высоких энергиях) - если бы наша Галактика имела участки антивещества, то на границе раздела вещества и антивещества наблюдалось бы излучение высокой энергии вследствие аннигиляции. В пределах одной Галактики смеси вещества и антивеществ быть не может. Поэтому более вероятно предположение о том, что все галактики состоят из кварков, а не из антикварков.
Но почему при образовании Вселенной кварков стало больше, чем антикварков? Ранее считалось, что законы физики одинаковы для частиц и античастиц, т.е. все процессы в природе не меняются (симметричны) при одновременном проведении трех преобразований: переходе от частиц к античастицам (зарядовое сопряжение или преобразование симметрии С), зеркальном отражении (пространственная инверсия или преобразование симметрии Р) и замене времени t на -t (обращение времени или преобразование симметрии Т).
в) Связь принципов симметрии физической системы и законов сохранения (теорема Э.Нетер)
Считается, что физические теории по начальному состоянию объекта определяет его поведение в будущем. Принципы симметрии (инвариантности) носят общий характер, т.е. им подчиняются все физические теории. Симметрия физических законов относительно некоторого преобразования означает, что при осуществлении данного преобразования эти законы не меняются. Именно поэтому принципы симметрии оказывается возможным устанавливать на основании известных физических законов. В 1918 г. Э.Нетер была сформулирована теорема, устанавливающая связь между свойствами симметрии физической системы и законами сохранения: если свойства системы не меняются при каком-либо преобразовании переменных, то этому соответствует сохранение некоторой физической величины - независимости свойств системы от выбора начала отсчета времени соответствует закон сохранения энергии. Однако, если теория какого-либо физического явления еще не построена, те симметрии, которые были открыты на опыте, имеют для построения теории большое значение. Отсюда вполне понятна важность экспериментально установленных симметрий сильно взаимодействующих элементарных частиц - адронов, теория которых еще не построена.
В 1956 г. Г.Ли и Ч.Янг показали, что на самом деле законы физики не совсем одинаковы для частиц и античастиц. Оказалось, что слабые взаимодействия не подчиняются симметрии Р и симметрии С. Это означало, что в результате слабого взаимодействия развитие Вселенной может быть иным, чем развитие ее зеркального изображения, что Вселенная, состоящая из античастиц будет вести себя иначе, чем наша Вселенная, состоящая из частиц. Была надежда на то, что слабое взаимодействие должно все же подчиняться комбинированной симметрии, т.е., иначе говоря развитие Вселенной должно происходить так, как и развитие ее зеркального отражения, если, отразив Вселенную в зеркале, заменить каждую частицу античастицей. Однако и эта надежда рухнула, когда Д.Кронин и В.Фитч в 1964 г. обнаружили, что нарушается и комбинированная (С Р) симметрия. (С - замена частицы античастицей; Р - зеркальное отражение, когда левое и правое меняются местами; Т - изменение направления движения всех частиц на обратное.) С Р Т - теорема утверждала, что любая теория, подчиняющаяся принципам квантовой механики и теории относительности, всегда должна быть инвариантна относительно комбинированной симметрии С Р Т, т.е. поведение Вселенной не изменится, если частицы заменить античастицами, отразить все в зеркале и изменить направление времени на обратное. Результаты, которые получили Д.Кронин и В.Фитч, свидетельствовали о том, что при замене частицы античастицей, осуществлении зеркального отражения, но при сохранении прежнего направления времени, законы физики должны измениться, т.е. они не будут инвариантны относительно симметрии Т, следовательно, Вселенная будет вести себя при этих условиях иначе.
Что из этого следует? По мнению С.Хокинга, по мере расширения Вселенной под действием сил, не инвариантных относительно симметрии Т, антиэлектроны должны превращаться в кварки чаще, чем электроны в антикварки. После того как Вселенная расширилась и охлаждалась, антикварки и кварки должны были аннигилировать. Но так как кварков было больше чем антикварков, то кварки должны были остаться в каком-то небольшом избытке. Из этих то кварков и состоит сегодняшнее вещество и мы сами. Поэтому само наше существование можно рассматривать как качественное подтверждение теории великого объединения. Последние не включают в себя гравитационного взаимодействия. С.Хокинг считает это не столь существенным, т.к. гравитационными силами по причине их незначительности можно пренебречь в случаях, когда мы имеем дело с элементарными частицами или атомами. Вместе с тем важно учитывать тот факт, что гравитационные силы являются дальнодействующими и проявляются как силы притяжения, результаты их воздействия всегда суммируются. Отсюда следует, что при наличии достаточного количества частиц вещества гравитационные силы могут быть больше всех остальных. Поэтому эволюция Вселенной определяется именно гравитацией. 21
Сейчас можно говорить, что при взаимодействиях и превращениях элементарных частиц действуют законны сохранения (т.е. законы, согласно которым численные значения некоторых физических величин не изменяются с течением времени при различных процессах) - как важнейшие, строгие из них (законы сохранения энергии, импульса, момента количества движения), так и приближенные, справедливые для определенного круга процессов (законы сохранения лептонного заряда, барионного заряда, четности).
Дать строгое определение понятия элементарной частицы оказывается затруднительным. В качестве первого приближения можно понимать под элементарными частицами такие микрочастицы, внутреннюю структуру которых на современном уровне развития физики нельзя представить как объединение других частиц.
Известны четыре вида взаимодействия между элементарными частицами: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное (перечислены в порядке убывания интенсивности). Интенсивность взаимодействия принято характеризовать с помощью, так называемой константы взаимодействия, которая представляет собой безразмерный параметр, определяющий вероятность процессов, обусловленных данным видом взаимодействия. Отношение значений констант дает относительную интенсивность соответствующих взаимодействий.
Сильное взаимодействие . Константа сильного взаимодействия имеет величину порядка 10. Наибольшее расстояние, на котором проявляется сильное взаимодействие (радиус действияr), составляет примерно 10 -13 см. Именно этот вид взаимодействия обеспечивает связь нуклонов в ядрах атомов и обеспечивает исключительную прочность этих образований, лежащую в основе стабильности веществ в земных условиях. Вследствие своей большой величины сильное взаимодействие является источником огромной энергии. В частности, за счет него выделяется большая часть тепла внутри Солнца.
Электромагнитное взаимодействие . Константа взаимодействия равна постоянной тонкой структуры 1/137≈ 10 -2 . Радиус действия не ограничен (r= ∞). Электромагнитное взаимодействие удерживает электроны в атомах и связывает атомы в молекулы и кристаллы. Оно лежит в основе почти всех окружающих нас явлений – физических, химических и биологических. В электромагнитном взаимодействии участвуют частицы, обладающие электрическим зарядом.
Слабое взаимодействие. Константа слабого взаимодействия равна по порядку величины 10 -14 . Слабое взаимодействие, как и сильное, является короткодействующим. Слабое взаимодействие по своему характеру является деструктивным в том смысле, что оно не способно создавать устойчивые состояния вещества, как например, сила тяготения поддерживает существование Солнечной системы или электромагнитное взаимодействие обеспечивает стабильность атома. Другими словами, основное предназначение слабого взаимодействия регулировать время жизни неживой материи. Это взаимодействие ответственно за все видыβ -распада ядер(включаяe -захват), за многие распады элементарных частиц, а также за все процессы взаимодействия нейтрино с веществом.
Гравитационное взаимодействие . Константа взаимодействия имеет значение порядка 10 -39 . Радиус действия неограничен (r= ∞). Гравитационное взаимодействие является универсальным и ему подвержены все элементарные частицы. Хотя оно и является самым слабым из всех, оно обладает кумулятивным эффектом. Так притяжение двух тел есть сумма притяжений между составляющими их массами. Поскольку в микромире вклад гравитационного взаимодействия мал по сравнению с другими взаимодействиями, оно не приводит к измеримым эффектам на субатомном уровне. Однако на макроскопическом уровне гравитационное взаимодействие является доминирующим: оно соединяет воедино части земного шара, объединяет Солнце и планеты в Солнечную систему и управляет эволюцией всей Вселенной.
Элементарные частицы обычно подразделяют на четыре класса (предположительно существует еще один класс частиц – гравитоны (кванты гравитационного поля). Экспериментально эти частицы пока не обнаружены.)
К первому классу относится только одна частица – фотон . Второй класс образуютлептоны . Третий класс –мезоны . Четвёртый класс –барионы .
Мезоны и барионы часто объединяют в один класс сильно взаимодействующих частиц, называемых адронами (греческое слово «адрос» означает крупный, массивный).
Перечисленные классы можно охарактеризовать следующим образом.
Кроме перечисленных выше частиц, обнаружено большое число сильно взаимодействующих короткоживущих частиц, которые получили название резонансов . Эти частицы представляют собой резонансные состояния, образованные двумя или большим числом элементарных частиц. Время жизни резонансов составляет всего 10 -23 - 10 -22 с.
Из всей известной совокупности элементарных частиц абсолютно стабильны, как говорит нам современный эксперимент, только одиннадцать частиц: три нейтрино ( е, μ , τ), три антинейтрино ( е, μ , τ), фотон, электрон, позитрон, протон и антипротон. Остальные частицы нестабильны.
Когда количество обнаруженных сильновзаимодействующих частиц - адронов перевалило за сотню, стало ясно, что они не образуют элементарный уровень материи. В 1963 г. М. Гелл-МанниГ. Цвейгвыдвинули модель кварков - элементарных частиц следующего уровня материи.
Сегодня известно 6 кварков, из которых состоят адроны. Есть достаточно серьезные основания считать, что кварков и не должно быть больше шести. По современным представлениям кварки бесструктурны. Вместе с шестью лептонами они являются сегодня фундаментальными частицами вещества. Кварки и лептоны имеют полуцелый спин и являются фермионами. Кроме кварков и лептонов существуют частицы с целыми значениями спинов, переносящие взаимодействие между фундаментальными фермионами. На рис.4.2 показана диаграмма, описывающая взаимодействие между фундаментальными фермионами (f) с помощью калибровочного бозона (b).
Являются ли кварки действительно "элементарными" объектами? Ответ на этот вопрос смогут дать только будущие эксперименты.
Каждая частица описывается набором физических величин - квантовых чисел - определяющих её свойства. Наиболее часто употребляемые характеристики частиц: Масса частицы , m. Массы частиц меняются в широких пределах от 0 (фотон) до 90 ГэВ (Z-бозон). Z-бозон - наиболее тяжелая из известных частиц. Однако могут существовать и более тяжелые частицы. Массы адронов зависят от типов входящих в их состав кварков, а также от их спиновых состояний. Время жизни ,. В зависимости от времени жизни частицы делятся на стабильные частицы, имеющие относительно большое время жизни, и нестабильные. К стабильным частицам относят частицы, распадающиеся по слабому или электромагнитному взаимодействию. Деление частиц на стабильные и нестабильные - условно. Поэтому к стабильным частицам принадлежат такие частицы как электрон, протон, для которых в настоящее время распады не обнаружены, так и-мезон, имеющий время жизни= 0.8*10 -16 с. К нестабильным частицам относят частицы, распадающиеся в результате сильного взаимодействия. Их обычно называют резонансами. Характерное время жизни резонансов - 10 -23 - 10 -24 с. Спин J. Величина спина измеряется в единицахи может принимать 0, полуцелые и целые значения. Например, спин, К-мезонов равен 0. Спин электрона, мюона равен 1/2. Спин фотона равен 1. Существуют частицы и с большим значением спина. Частицы с полуцелым спином подчиняются статистике Ферми-Дирака, с целым спином - Бозе-Эйнштейна. Электрический заряд Q. Электрический заряд является целой кратной величиной от е = 1.6*10 -19 Кулон (или 48*10 -10 ед. СГСЕ), называемой элементарным электрическим зарядом. Частицы могут иметь заряды 0, ±1, ±2. Внутренняя четность Р. Квантовое число Р характеризует свойство симметрии волновой функции относительно пространственных отражений. Квантовое число Р имеет значение +1,-1.
Наряду с общими для всех частиц характеристиками, используют также квантовые числа, которые описывают только отдельным группам частиц. Квантовые числа - барионное число В, странность s, очарование (charm) с, красота (bottomness или beauty) b, верхний (topness) t, изотопический спин I приписывают только сильно взаимодействующим частицам - адронам. Лептонные числа L e , ,. Лептонные числа приписывают частицам, образующим группу лептонов. Лептоны e, иучаствуют только в электромагнитных и слабых взаимодействиях. Лептоны v e , иучаствуют только в слабых взаимодействиях.. Лептонные числа имеют значения L e , ,= 0, +1, -1. Например, e - v e имеют L e = + l; e + v e имеют L e = - l . Все адроны имеют L e = == 0. Барионное число В. Барионное число имеет значение В = 0,+ 1,-1. Барионы, например, n, р, ,, нуклонные резонансы имеют барионное число В = +1. Мезоны, мезонные резонансы - В = 0, антибарионы - В = -1. Странность s. Квантовое число s может принимать значения -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3 и определяется кварковым составом адронов. Например, гипероны , имеют s = -l ; K + , K - -мезоны имеют s = +l. Charm с. Квантовое число с может принимать значения -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3. В настоящее время обнаружены частицы, имеющие с = 0, +1 и -1. Например, барион + c имеет с = +1. Bottomness b. Квантовое число b может принимать значения -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3. В настоящее время обнаружены частицы, имеющие b = 0, +1, -1. Например, В + -мезон имеет b = +1. Topness t. Квантовое число t может принимать значения -3, -2,-1, 0, +1, +2, +3. В настоящее время обнаружено всего одно состояние с t = +1. Изоспин I. Сильно взаимодействующие частицы можно разбить на группы частиц, обладающих схожими свойствами (одинаковое значение спина, чётности, барионного числа, странности и др. квантовых чисел, сохраняющихся в сильных взаимодействиях) - изотопические мультиплеты. Величина изоспина I определяет число частиц, входящих в один изотопический мультиплет. n и р составляют изотопический дуплет I=1/2; ,, входят в состав изотопического триплета I=1, - изотопический синглет I = 0, число частиц, входящих в один изотопический мультиплет 2I+1. G -четность - это квантовое число, соответствующее симметрии относительно одновременной операции зарядового сопряжения и изменения знака третьей компоненты I z изоспина. G-четность сохраняется только в сильных взаимодействиях.
