Фундаментальное строение материи. Систематика элементарных частиц

Все ныне известные элементарные частицы можно разделить на группы по их общим свойствам и отношению к взаимодействию. Таких взаимодействий в природе известно четыре: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное.

Сильное взаимодействие имеет наибольшую по сравнению с другими взаимодействиями интенсивность. Оно определяет связь протонов и нейтронов в ядрах атомов (путем обмена виртуальными л-мезонами), что и обеспечивает исключительную прочность этих образований.

Электромагнитное взаимодействие характеризует менее интенсивные процессы. Оно обусловливает связь атомных электронов с ядрами, связь атомов в молекулах, а также взаимодействия вещества с электромагнитными полями.

Слабое взаимодействие характеризует процессы, связанные с самими частицами, в частности с (β-распадом, а также с распадами μ, π, К-мезонов и гиперонов. Оказалось, что слабое взаимодействие носит универсальный характер, в нем участвуют все частицы. Время жизни большинства таких частиц лежит в диапазоне 10 -8 - 10 -10 с, тогда как типичное время сильных взаимодействий составляет 10 -23 -10 -24 с. Иллюстрацией подобного взаимодействия может служить тот факт, что нейтрино, способные только к слабому взаимодействию, могут беспрепятственно проходить в веществе расстояние ~10 14 км.

Гравитационное взаимодействие, столь хорошо известное по своим макроскопическим проявлениям, в случае элементарных частиц дает чрезвычайно незначительные эффекты из-за малой величины их масс. Однако эти эффекты значительно возрастают и в микромире на расстояниях порядка 10 -33 см, поскольку увеличивается масса порождаемых частиц. Эти взаимодействия играют доминирующую роль в мегамире.

Сопоставление указанных четырех взаимодействий по безразмерным параметрам, связанным с квадратами соответствующих констант взаимодействий, дает для сильного, электромагнитного, слабого и гравитационного следующие отношения: 1:10 -3:10 -10:10 -38 . Вообще говоря, интенсивность различных процессов по-разному зависит от энергии, поэтому с ростом энергии взаимодействующих частиц меняется относительная роль различных взаимодействий.

В зависимости от участия в тех или иных видах взаимодействий все частицы, как мы уже указывали, можно разделить на четыре группы.

I группа : е, μ, τ, ν е, ν μ , ν τ - лептоны участвуют в слабых и электромагнитных взаимодействиях; II группу составляют сильно взаимодействующие частицы (их сейчас насчитывается более 300), называемые адронами (они также участвуют в слабых и электромагнитных взаимодействиях).

Изучение адронов привело к выводу о наличии общего в их структуре. В 1964 г. М. Гелл-Манн и Дж. Цвейг высказали гипотезу о том, что в структуру всех адронов входят экзотические по своим характеристикам объекты, получившие название кварки . Предполагалось, что существует три вида кварков u, d, s, заряды которых дробные е u =+ 2 / з, e d = e s =- 1 / з заряда электрона, а массы m u = m d ~300 МэВ, m s ~450 МэВ. В дальнейшем, так требовала логика развития теории, для описания слабых взаимодействий адронов (слабых распадов) пришлось ввести кварки еще одного типа, так называемые с-кварки с зарядом е с = е u = + 2 / з заряда электрона. Этот кварк характеризуется новым квантовым числом, названным charm -"очарование".

В ноябре 1974 г. была открыта новая частица J/ψ с необычными свойствами (масса 3,1 ГэВ примерно в три раза больше массы протона), время жизни ~10 -20 с (т. е. в 1000 раз дольше, чем любые известные ранее частицы с такой большой массой). Она распадается на пары е + + е - или μ + + μ - . Вскоре была также открыта частица, получившая название ψ"(масса 3,7 ГэВ).

Эксперименты показали, что частицы J/ψ, ψ" принадлежат целому семейству мезонов, которое хорошо соответствует спектру чармония с эффективной массой, соответствующей предсказанной теорией массой с-кварка (m с ≈1,6 ГэВ). Для окончательного подтверждения существования с-кварка необходимо было открыть адроны с явным "очарованием". В настоящее время обнаружены явления, указывающие на рождение очарованных частиц.

Физики считают, что существование с-кварка экспериментально подтверждено. Но так как существование с-кварков основывалось на предположении о существовании легких кварков - u, d, s, то открытие очарованных чармированных адронов имеет фундаментальное значение для подтверждения истинности всей кварковой гипотезы.

Физики-теоретики пришли к выводу о том, что кварки каждого типа должны находиться в одном из трех состояний, которые сейчас принято характеризовать тремя цветами (например, желтым, синим, красным); они предполагают, что сильное взаимодействие кварков - это взаимодействие их цвета с новым полем, т. н. глюонным (от англ. glue - клей, т. к. это поле как бы "склеивает" кварки в адроне). Кванты глюонного поля - глюоны - не участвуют в электромагнитных и слабых взаимодействиях. Они не только изменяют цветовое состояние кварка, но и сами несут цвет и взаимодействуют с глюонным полем. Все это породило по аналогии с квантовой электродинамикой новую отрасль физики - так называемую квантовую хромодинамику.

Важно подчеркнуть, что кварки и глюоны не наблюдаются в свободном состоянии, они не "вылетают" из адронов.

Имеются специальные исследования, где доказывается принципиальная невозможность существования кварков в свободном состоянии.

Физики уже давно пытаются создать и непротиворечивую теорию слабых взаимодействий. В 1967 г. С. Вайнберг и А. Салам предложили вариант такой теории - построили модель на основе использования общих принципов симметрии. Этой теорией было предсказано существование ранее неизвестных частиц - квантов особых векторных полей, ответственных за перенос как слабых, так и электромагнитных взаимодействий.

Две из этих частиц W ± должны иметь заряды и могут быть реально наблюдаемыми, так как, по их мнению, именно обмен заряженными W ± -мезонами и порождает слабое взаимодействие так называемых заряженных токов. Что же касается двух нейтральных частиц W°, B°-квантов нейтронных полей, то физически наблюдаемыми могут оказаться кванты любой их линейной комбинации:

где Θ W ,- так называемый угол Вайнберга.

Было показано, что одна из их комбинаций - так называемое поле A - отождествляется с электромагнитным полем, а обмен нейтральными Z°-мезонами порождает новый тип слабых взаимодействий - так называемые нейтральные токи , которые и были открыты в 1973 г. Они стали первым подтверждением относительной истинности модели Вайнберга-Салама. В настоящее время W ± и Z°-частицы открыты.

Необходимо обратить внимание и на открытие новых лептонов. Это исключительно редкое событие. Достаточно напомнить, что электрон (е) был открыт в 1897 г., а мюон (μ) в 1936-1938 гг. В 1975-1976 гг. появились данные в пользу существования τ ± , так называемого тяжелого лептона с массой 1,8 ГэВ (2 Мр). Изучение τ-лептона дает еще один аргумент в пользу трех состояний кварков. Было высказано предположение и о существовании нового лептона (v τ - нового нейтрино), τ-лептон имеет новое лептонное квантовое число, которое было названо секволептоном (от англ. sequential - последовательный).

Дальнейшие исследования привели к выводу, что для восстановления симметрии следовало бы увеличить число кварков. Четырех стало уже недостаточно для описания объектов микромира, необходимо было ввести еще два кварка. Дело в том, что в мае - июне 1977 г. группой Л. Ледермана были получены важные результаты, а именно - обнаружено новое семейство тяжелых частиц с массами ~10 ГэВ.

Открытие этих частиц (они были названы γ-мезонами) вызвало к жизни необходимость существования еще более тяжелого кварка "b" с эффективной массой m b ~5 ГэВ с новым квантовым числом, получившим название "прелесть" (от англ. beauty).

Новые γ-мезоны - это частицы со скрытой прелестью. Таким образом, изучение адронов и лептонов обогатило науку знанием о новых объектах, об их количественных и качественных характеристиках, об их взаимодействиях. Все это свидетельствует о наступлении новой эпохи в изучении неисчерпаемых свойств микрообъектов, составляющих в совокупности с различными полями фрагмент целостного материального мира.

Сейчас появилась надежда на создание и единой теории взаимодействия. В свое время А. Эйнштейн пытался создать такую теорию поля. В. Гейзенберг также приложил немало усилий для построения единой (так называемой спинорной) теории "праматерии". Ныне мы стали свидетелями становления еще одного из вариантов единой теории взаимодействия, получившего название Великого объединения.

Уже удалось создать единое электрослабое взаимодействие, получены обнадеживающие результаты в объединении сильного и электрослабого взаимодействий; причем сильное и слабое взаимодействия сами по себе являются его проявлением. Вне объединения остается еще гравитационное взаимодействие, но есть уже подходы к включению в единую теорию взаимодействия и его (суперсимметрия).

Современное развитие физики элементарных частиц позволило показать, что известные частицы (лептоны, адроны, кварки, глюоны, фотоны) существенным образом определяют специфику процессов микромира. Судя по всему, этот перечень далек от своего завершения, как и сама теория элементарных частиц.

Как отмечалось, физика элементарных частиц располагает огромным эмпирическим материалом и теория уже дает рациональное объяснение значительной его части. Однако она еще существенно отстает от эксперимента и не является внутренне замкнутой системой определенных принципов и понятий, хотя ее понятийный аппарат значительно более емкий и отличается от аппарата ранее существовавших теорий.

Рассмотрим теперь в ретроспективе некоторые попытки построения единой теории, охватывающей все частицы и поля. Здесь имеются две основные тенденции, в конечном счете связанные друг с другом. Первая из них ведет начало от идеи Луи де Бройля, состоящей в том, чтобы положить в основу простейшую волновую функцию спинорного типа, описывающую частицу с минимальным неисчезающим угловым моментом, т. е. спином S= 1 / 2 (в долях h / 2π). Тогда, комбинируя эти волновые функции (в конце концов перемножая), мы при некоторых дополнительных условиях получим путем подобного "слияния" все другие возможные волновые функции частиц со спинами 0,1; 3 / 2 ; 2... Комбинируя два угловых момента + 1 / 2 и - 1 / 2 , получим 0, комбинируя два угловых момента + 1 / 2 и + 1 / 2 , получим 1 (так как спины + 1 / 2 могут ориентироваться лишь параллельно либо антипараллельно). Методом слияния удается, комбинируя два уравнения Дирака, описывающие спиновые частицы ("фермионы"), получить уравнения Клейна-Гордона и Прока, а в частном случае - исчезающей массы покоя - уравнения электродинамики Максвелла. Таким путем в принципе возможно из пар нейтрино-антинейтрино построить фотоны. Идеи нейтринной теории света Луи де Бройля развивали Крониг, Иордан, А. Соколов.

Слабым пунктом метода слияния является отсутствие каких-либо сил, которые обусловливают самое слияние. Остается неясным, что заставляет, например, нейтрино превращаться в кванты электромагнитного поля. Ответ на этот вопрос пыталась дать так называемая нелинейная единая спинорная теория материи В. Гейзенберга. Название этой теории явно неудачно. Речь шла о создании единой теории элементарных частиц и полей, а не о теории материи, ибо единственной теорией материи, как объективной реальности, существующей вне и независимо от познающего субъекта, является диалектический материализм. Если мы примем за основу новой теории некоторое единое спинорное поле, то оно способно взаимодействовать лишь само с собой. Это приводит к появлению так называемых нелинейных членов в уравнениях Дирака (которые были впервые введены Д. Иваненко еще в 1938 г.), а затем более подробно рассмотрены В. Гейзенбергом (193, 441-485; 34).

Эта теория не дает точных значений масс частиц и констант связи, но, несомненно, это одна из попыток, заслуживающих внимания, хотя она и не лишена недостатков. Это только программа исследований, которую не следует переоценивать, как это уже имело место в отдельных статьях, опубликованных в нашей печати.

Необходимо иметь в виду, что уже несколько лет назад была вскрыта некорректность математической трактовки спинорной теории Гейзенберга, а также было показано, что введенная Гейзенбергом индефинитная метрика приводит к нарушению микропричинности. Можно с большим основанием считать, что конкретная попытка Гейзенберга создать единую теорию элементарных частиц пока потерпела неудачу, но избранное им направление исследования не следует сбрасывать со счетов, В последние годы наблюдается своеобразный возврат к идеям В. Гейзенберга.

В 1958 г. в США, когда Паули докладывал о теории Гейзенберга, присутствовавший на обсуждении Н. Бор бросил реплику: "Для новой теории теория Гейзенберга недостаточно сумасшедшая" (crasy) (23, 20). Н. Бор имел в виду отсутствие в этой теории необычной, диковинной идеи. На наш взгляд, такой идеи у физиков еще нет. Академик И. Тамм считал наиболее перспективным направлением в разработке теории элементарных частиц попытки коренным образом пересмотреть наши пространственно-временные представления в применении к ультрамалым масштабам. Он ссылается на высказывания академика Л. Т. Мандельштама о неприменимости обычных понятий пространства и времени к ядерным масштабам, а также на работы X. Снайдера (1947), предложившего способ квантования пространства и времени, приводящий к выводу о дискретности пространства. Снайдер показал, что квантованное пространство, т. е. пространство некоммутирующих между собой координат, дискретно и вместе с тем изотропно. Однако идеи Снайдера дальнейшего развития почти не получили за исключением работ Гольфанда и Кадышевского.

В. Г. Кадышевский (50. 1961. 136. (1)) предлагал ввести в теорию элементарных частиц универсальную длину "l" на основе изменения геометрии пространства-времени. Он считал, что новая геометрия должна удовлетворять следующим условиям:

а) форма S 2 = X 2 0 - X 2 2 неинвариантна преобразованию координат, при этом группа движений допускала бы меньшую степень изотропии 4-пространства, чем Лоренцова группа;

б) неинвариантность интервала и наличие универсальной длины были бы причинами несохранения четности;

в) должна существовать подгруппа, для которой S 2 есть инвариант, чтобы можно было описать симметрии больших областей 4-пространства - больших по сравнению с элементарной длиной "l". Длину "l" автор связывает с величиной С - универсальной константой слабого взаимодействия. После выделения множителей "h " и "С" для "l" следует при этом значение 7*10 -17 см. Эта и последовавшие за ней работы очень интересны, но пока возможности данной теории остаются неясными.

В 1959 г. канадский физик X. Коиш и советский физик И. С. Шапиро в своих исследованиях рассмотрели дискретное пространство, состоящее из конечного числа элементов, и показали хорошее совпадение ряда выводов с экспериментальными данными. Это также один из возможных поисковых путей, приближающий к созданию систематики элементарных частиц, к новой обобщающей физической теории. Однако И. С. Шапиро, выступая в 1962 г. на Совещании по философским проблемам физики элементарных частиц, оценил свои работы как начальную стадию, весьма отдаленную от создания теории, позволяющей провести сравнение с опытом. Философский анализ этой проблемы дал Р. А. Аронов (31.1957.3).

В физике рассматривались вопросы о так называемых спектральных представлениях и дисперсионных соотношениях. По мнению ряда физиков, это был своеобразный новый этап в ее развитии, когда исследовались аналитические свойства физических величин (например, амплитуды рассеяния) при продолжении их от вещественных значений в комплексную область. Применение к этим величинам теории функций комплексного переменного дало чрезвычайно важные результаты. Мандельштам (99) ввел двойные дисперсионные соотношения, рассматривая комплексные значения не только энергии, но и импульса. Редже предложил обобщение формализма S-матрицы и дисперсионных соотношений в комплексные значения углового момента. В результате применения "реджистики" были определены соотношения между амплитудами вероятностей различных процессов рассеяния: ππ, πN, NN и т. д. при высоких энергиях. Однако существуют данные (в области физики сверхвысоких энергий), которые ограничивают претензии "реджистов" на всеобъемлемость их представлений.

Академик И. Тамм считал дисперсионную теорию в известной мере феноменологической, так как она, не вдаваясь в механизм элементарных физических явлений, извлекает из данных опыта численные значения ряда входящих в нее параметров и затем правильно предсказывает результаты гораздо более обширного круга экспериментов, чем те, на основании которых были определены эти параметры. Во втором издании настоящей книги мы писали (С. 194), что хотя на первый взгляд здесь проявляется тесное единство теории и практики, но нам кажется, что сама теория носит рецептурный характер. Мы были согласны с выводом И. Тамма о том, что "успехи дисперсионной теории (как настоящие, так и будущие) отнюдь не решают основной задачи создания новой физической теории, базирующейся на ограниченном числе общих принципов и постулатов" (23, 21). Последующее развитие физики подтвердило эти предположения. Было много и других попыток построить теорию элементарных частиц. Кратко разберем некоторые из них.

Ферми и Янг предложили рассматривать п-мезон как образованный из нуклона и антинуклона при помощи каких-то еще неизвестных сил, действующих на крайне малых расстояниях р+¯р = π. Огромная потенциальная энергия связи "съедает" почти всю массу обоих нуклонов, оставляя лишь массу пиона. Вызвало интерес предложение С. Сакаты, положившего в основу теории р,π, λ и три соответственные античастицы. Тогда, комбинируя эти основные частицы, можно получить все пионы, K-мезоны и гипероны. "Эта модель,- писал С. Саката,- привлекла к себе внимание, так как она не только служила "субстанциональной" основой для структуры сильного взаимодействия, но и позволила объяснить спектр масс составных частиц и предсказала существование тогда открывавшихся резонансных частиц" (74, 168). Впрочем, природа сил сцепления оставалась при этом неясной. Минимум три основные частицы необходимы для того, чтобы обеспечить присутствие таких фундаментальных свойств, как заряд, изоспин, странность (представленная λ-гипероном). Ясно опять-таки, что в основу следует положить "вращающиеся" спинорные частицы, фермионы, так как при отсутствии "вращения" его неоткуда было бы получить. Мы видим здесь своеобразное возрождение теории Гельмгольца и Кельвина, пытавшихся в середине XIX в. строить материю из гипотетических эфирных вихрей.

При построении "составной" модели Саката исходил из следующего взгляда на элементарные частицы: "...я рассматриваю элементарные частицы как один из нескончаемого множества уровней строения материи, качественно отличающихся друг от друга и в совокупности образующих природу. Моя точка зрения основывается на положениях материалистической диалектики... нужно прежде всего установить, относятся ли открытые к настоящему времени тридцать с лишним видов элементарных частиц к одному или нескольким различным уровням строения материи" (31. 1962. 6, 134). Саката и его сотрудники попытались включить в свою схему и лептоны. За основу берутся лептоны е - , v, μ и некоторое "барионное" поле В (так называемая В-материя). Комбинируя один из лептонов с полем В, они получают основные частицы. Тем самым осуществляется сходство, подмеченное Маршаком - Гамба - Окуба (203) между барионами (р, π, λ и лептонами v, e - , μ -). Эта же симметрия осуществляется в нелинейной спинорной теории частиц.

Маршак назвал свои соображения о симметрии "киевской симметрией", поскольку они родились на симпозиумах Киевской конференции по физике высоких энергий летом 1959 г. Речь идет (как мы уже упоминали) о некоторой аналогии, существовавшей между тройками барионов (р, π, λ) и лептонов (v, e - , μ -). Любому члену четырехфермионного взаимодействия, с участием операторов этих частиц, можно противопоставить аналогичный член, получаемый из первого заменой λ на μ - , π на е - , р на v. Тогда, если процесс является разрешенным / запрещенным до замены, то он остается разрешенным / запрещенным после замены одной частицы из барионной / лептонной триады на "симметрофактор" из лептонной / барионной тройки. Маршак указывает, что он внимательно проанализировал все экспериментальные данные и не нашел ни одного случая, противоречащего указанной "симметрии", однако природа этой симметрии остается пока невыясненной. Теперь, когда уже создана кварковая модель, возникла возможность интерпретировать киевскую симметрию как соответствие четырех кварков - u, с, d, s четырем лептонам - v е, v μ , e, μ, но природа этой симметрии по-прежнему недостаточно известна.

Мы знаем, что всякая, даже самая удачная попытка создания единой теории вещества и поля неизбежно будет носить временный, преходящий характер. Дальнейшее теоретическое и экспериментальное проникновение в глубь микромира и, все более широкие исследования явлений в космосе, неизбежно нарушая любую единую картину, приведут к ее распаду на отдельные элементы, пока вновь не возникнут тенденции к объединению уже на более высоком уровне.

Введение различных понятий, отражающих реальные свойства частиц (изотопический спин, странность, барионный заряд и т. д.), приблизило нас к правильной классификации частиц. Огромная роль в классификации микрочастиц принадлежит принципу симметрии. Нетрудно заметить, что элементарные частицы каждого класса (фотоны, лептоны, мезоны, гипероны) обладают определенными, общими для них свойствами симметрии, но этот вопрос мы более подробно рассмотрим в ходе дальнейшего изложения.

Дж. Чу, М. Гелл-Манн и И. Нееман (21, 5Е) предложили новую классификацию сильно взаимодействующих частиц вещества, в которой разделение частиц на элементарные и сложные (составные) теряет смысл. Эти авторы предложили рассматривать частицы объединенными в группы (супермультиплеты) так, что частицы с разной массой покоя в каждой группе могут рассматриваться как различные возбужденные состояния одной и той же системы. Спектр масс частиц в этой схеме имеет близкую аналогию со спектром энергетических состояний атома. Каждая из частиц может с одинаковым основанием рассматриваться и как простая и как сложная. Для нахождения спектра масс предлагаются два метода: один из них основан на свойствах симметрии и теории групп, другой - на использовании так называемых траекторий Редже, т. е. кривых, связывающих массу частицы с ее внутренним моментом количества движения (спином) в каждой группе.

Многие физики в настоящее время считают, что октетная схема Гелл-Манна является наиболее удачной. В ее основе лежит принцип SU (3) симметрии. Восемь известных барионов рассматриваются как супермультиплет, соответствующий высшей симметрии; эта симметрия нарушается, и супермультиплет расщепляется в изотопические спиновые мультиплеты. Сильно взаимодействующие частицы описываются в пространстве "унитарного спина", который имеет восемь компонентов: первые три из них представляют собой компоненты изоспина, следующие четыре играют роль операторов, изменяющих странность, и последняя пропорциональна гиперзаряду. При нарушении высшей симметрии ("унитарной") сохраняются изоспин и гиперзаряд, а компоненты унитарного спина, соответствующие странности, изменяются; в результате происходит расщепление супермультиплета в изотопические спиновые мультиплеты. Таким образом, теория Гелл-Манна в какой-то степени учитывает глубокое диалектическое единство симметрии и асимметрии в мире элементарных частиц. Именно это позволило данной теории объединить сильно взаимодействующие частицы по стройной схеме и в то же время отразить их специфику (асимметрию свойств). В октетной схеме Гелл-Манна еще раз проявляется огромная эвристическая сила принципа симметрии. В рамках гипотезы "восьмеричного пути" на основе представлений симметрии и законов сохранения было предсказано существование Ω-гиперона, который был открыт на брукхэйвенском ускорителе в США (214). В свое время мы писали, что успехи, к которым привел учет в теории свойства унитарной симметрии, вселяют надежду, что экспериментальные исследования приведут к обнаружению и других предсказанных теорией частиц с дробным электрическим зарядом (± 1 / з и ± 2 / з заряда электрона), так называемых кварков. Последующее развитие физики оправдало эти надежды.

Укажем еще на некоторые попытки систематизации элементарных частиц. Так, несколько лет тому назад М. А. Марков (204) предложил оригинальную модель максимонов . Основываясь на идеях общей теории относительности, он показал, что макро- и микромир могут тесно смыкаться друг с другом. Формальным основанием для введения новых гипотетических элементов послужило то обстоятельство, что из важнейших мировых констант современной физической теории можно составить две комбинации с размерностью массы. Одна из этих величин имеет численное значение в одну миллионную часть грамма, а другая - в десять раз большее. Вводимые таким путем максимоны в 10 19 раз превышают по массе реальные адроны (сильно взаимодействующие частицы). Максимоны столь тяжелы для своих пространственных размеров, что "ни в каком сосуде на поверхности Земли эти частицы нельзя обнаружить. Они под действием сил тяжести проваливаются к центру планеты... Так как для рождения максимонов необходима энергия 10 28 эВ, то возможности рождения максимонов даже на ускорителях отдаленного будущего исключены" (53.1966.51, 878).

Анализ существующих моделей показывает некоторое различие в подходе их авторов к проблеме систематизации микрообъектов. Одни исходят из определенных свойств элементарных частиц и полей и пытаются разрешить проблему структуры микрообъектов путем введения новых свойств симметрии пространства - времени, другие, наоборот, сохраняют известные свойства пространства и времени, но для объяснения структуры микрочастиц вводят новые характеристики свойств материальных микрообъектов и полей. Такое различие в подходах к решению одной и той же проблемы вполне оправдано.

Услуга установки пластиковых окон в Томске по привлекательной стоимости от компании БФК.

П.С.Исаев

Некоторые проблемы физики элементарных частиц

в области высоких энергий

Физика элементарных частиц за вторую половину ХХ века сделала такой гигантский шаг вперед, продвинулась с такой громадной скоростью в область новых явлений и закономерностей, ввела так много новых понятий, во многом, тем не менее, не отрываясь от квантово-механических представлений, развитых в 20-x-30-x годах нашего столетия, что настало время осмотреться, осмыслить пройденный за полвека путь и ответить на ряд фундаментальных вопросов: был ли пройденный путь единственным? Почему не был решен ряд важных проблем, поставленных перед учеными самой природой? Не оказалась ли физика элементарных частиц вследствие неосмотрительно быстрого (и потому не всегда должным образом обоснованного) движения вперед в идейном тупике?

В предисловии к немецкому изданию своей книги «Физика в жизни моего поколения» лауреат Нобелевской премии Макс Борн писал: «...В 1921 году я был убежден, и это убеждение разделялось большинством моих современников-физиков, что наука дает объективное знание о мире, который подчиняется детерминистическим законам. Мне тогда казалось, что научный метод предпочтительнее других, более субъективных способов формирования картины мира - философии, поэзии, религии. Я даже думал, что ясный и однозначный язык науки должен представлять собой шаг на пути к лучшему пониманию между людьми.

В 1951 году я уже ни во что не верил. Теперь грань между объектом и субъектом уже не казалась мне ясной; детерминистические законы уступили место статистическим; и хотя в своей области физики

всех стран хорошо понимали друг друга, они ничего не сделали для лучшего взаимопонимания народов, а, наоборот, лишь помогли изобрести и применить самые ужасные орудия уничтожения.

Теперь я смотрю на мою прежнюю веру в превосходство науки перед другими формами человеческого мышления и действия как самообман, происходящий оттого, что молодости свойственно восхищение ясностью физического мышления, а не туманностью метафизических спекуляций» .

Со дня написания этих строчек прошло более сорока лет, однако, я думаю, что точка зрения Борна на научное знание не потеряла своей актуальности и сегодня, а для меня, прежде всего, может быть потому, что я уже вышел из возраста «восхищения ясностью физического мышления» и перешел в категорию людей, задумывающихся над философской, поэтической, религиозной картиной мира.

Есть смысл взглянуть на проблемы современной физики элементарных частиц с более общих научно-методических, научно-философских, а не только чисто научных, позиций, не обращаясь за доказательствами к строгой математике.

Современное состояние физики элементарных частиц разными специалистами оценивается по-разному. Обычно его оценивают как имеющее большие успехи. И это верно. Однако с большой убедительностью его можно оценить как кризисное, ибо трудности финансовые, научно-методические и трудности стандартной модели ведут к затяжному застойному периоду.

В конце 1993 года конгресс США принял решение прекратить финансирование строительства SSC, выделив сравнительно небольшую сумму на «терминацию» проекта. Более 2000 ученых, инженеров, строителей остались без дела. Это - трагедия научная и человеческая. Если бы СССР как великая держава не распался, сверхпроводящий суперколлайдер (SSC) на энергии протонов 2х20 ТэВ был бы построен в США к 1999 г. (хотя бы из соображений конкуренции) и приглашение директора SSC проф. Швиттерса ученым мира принять участие в научной конференции в Далласе в 1999 г., посвященное первым научным результатам, полученными на SSC, осталось бы в силе.

Продвижение «в глубь материи» в связи с созданием мощных ускорителей, огромных экспериментальных установок, с участием в каждом эксперименте большого числа людей (иногда более сотни исследователей) стало весьма дорогостоящим делом.

Такие науки, как физика элементарных частиц или космология, являются науками, прикладное значение которых в наше время кажется не очень заметным (хотя бесспорно, что фундаментальные

открытия Фарадея и Максвелла окупили расходы на фундаментальную науку на многие столетия вперед). «...Современное развитие науки происходит в обществе, главная концепция рационализма которого следует доктрине инструментализма: истина ценится меньше, чем полезность...» . Не этой ли доктриной объясняется тот факт, что ныне прикладные исследования в США получают все большую финансовую поддержку по сравнению с фундаментальными исследованиями?

Заметную роль в развитии кризиса фундаментальных исследований в области физики элементарных частиц может играть изменение взглядов на принцип редукционизма, согласно которому все явления природы можно свести к нескольким элементарным, первичным законам и из них путем чистой дедукции вывести строение и развитие Вселенной и, может быть, развитие жизни на Земле. Редукционистский взгляд на науку придавал физике элементарных частиц статус «самой главной», «фундаментальной» науки среди всех других фундаментальных наук. В последней четверти ХХ в. начинает утверждаться иная точка зрения: каждый уровень науки, каждая наука (физика, химия, биология и т.д.) имеет свои собственные фундаментальные законы, не сводимые к нескольким элементарным, первичным.

Швебер пишет, что Эйнштейн выступил сторонником всеобщего единства, связанного с радикальной формой теории редукционизма. В 1918 году Эйнштейн сказал: «Наивысшей проверкой физики будет достижение тех универсальных элементарных законов, из которых космос может быть построен путем чистой дедукции». В частности, гипотеза Большого Взрыва есть реализация эйнштейновской теории редукционизма в самом рафинированном виде. По Швеберу, всеобщее единство и редукция являются двумя принципами, которые доминировали в фундаментальной теоретической физике в течение двадцатого столетия. Один характеризовал надежду дать единое описание всех физических явлений, другой стремился уменьшить число независимых концепций, необходимых для формулировки фундаментальных законов. Огромные успехи физических наук и молекулярной биологии подтверждали подобную точку зрения. Однако вскоре стало очевидным, что описание явлений, например, в физике конденсированных сред не нуждается в знании законов взаимодействия элементарных частиц на малых расстояниях (при очень высоких энергиях). Две ветви физики - физика элементарных частиц и физика конденсированных сред - становятся в некотором смысле «разделенными», например, в том смысле, что существование

t-кварка или какой-либо новой тяжелой частицы в физике элементарных частиц не оказывало влияния на описание явлений в другой ветви физики.

В 1972 году Филипп Андерсон, известный специалист в области физики конденсированных сред, бросил вызов радикальной теории редукционизма. Он заявил: «...гипотеза редукционизма не означает ничего более, как «конструкционизм»: возможность свести все явления природы к простым фундаментальным законам не означает возможности исходя из этих законов реконструировать Вселенную. В действительности, чем больше физика элементарных частиц говорит нам о природе фундаментальных законов, тем менее отношения они, кажется, имеют к реальным проблемам остальной науки, и еще менее к самому обществу. Гипотеза конструкционизма нарушается, когда приходит в столкновение с двойными трудностями шкалы и сложности...» . Андерсон верит в существование дополнительных законов, которые не менее фундаментальны, чем в физике элементарных частиц. Исследования материи на каждом уровне ее сложности, по Андерсону, так же фундаментальны, как и в физике элементарных частиц.

Большую роль в возникновении кризиса физики элементарных частиц играет постулат о «принципиальной ненаблюдаемости кварков» в смысле принципиальной невозможности видеть кварки в свободном состоянии - тезис, неприемлемый с точки зрения научно-философской. Физики начинают изучать свойства кварков и глюонов не в результате непосредственного наблюдения взаимодействия свободных кварков и глюонов со свободными элементарными частицами и друг с другом, а опосредованно, через наши представления о возможной природе кварков и глюонов. Много ли нового и верного мы могли бы сказать сегодня о строении ядра атома, если бы Резерфорд постулировал в свое время, что ядро атома существует, но оно «принципиально не наблюдаемо» (в смысле невозможности видеть его в свободном состоянии)?

Вводя понятие материального, но принципиально не наблюдаемого объекта, физика начинает терять статус экспериментальной науки и превращается в объект теоретических спекуляций. Грань, отделяющая науку экспериментальную от спекулятивной, становится неясной. Утверждается вера в то, что физика «принципиально ненаблюдаемых» кварков и глюонов - это все еще физика реально существующих объектов. Струйность явлений воспринимается как фрагментация ненаблюдаемых, но реально существующих кварков и глюонов в адроны. «Post hoc ergo proptev hoc». Мы имеем дело с

хорошо известной нам аналогией: Бог есть, но Бог принципиально не наблюдаем. Каждый воспринимает его по-своему. Можем ли мы составить научный портрет Бога?

Физики уже на сегодняшнем этапе не имеют морального права мириться с современной теорией, научно-философские установки которой противоречат статусу экспериментальной науки.

Кварки возникли из преувеличенного внимания к симметриям, господствующим в теории элементарных частиц на протяжении всей второй половины ХХ века. В лагранжиан взаимодействия стандартной модели кварки вошли как точное следствие неточной SU(3)-симметрии, выполняющейся на эксперименте с точностью ∼10% (кварки вошли как фундаментальное представление SU(3)-симметрии).

Я вполне допускаю мысль, что именно недостаточно обоснованное (физически) введение кварков в физику элементарных частиц привело к необходимости провозгласить совершенно неприемлемый постулат о «принципиальной ненаблюдаемости кварков» - в смысле принципиальной невозможности наблюдать их в свободном состоянии.

Доказательств существования кварков много. Однако и веры в то, что кварки - всего лишь способ описания экспериментальных данных (и не более того!) тоже довольно много.

Помимо неприемлемости тезиса о «принципиальной ненаблюдаемости кварков и глюонов» (с точки зрения научно-философской), стандартная модель обладает рядом других недостатков. Она содержит 18 свободных параметров: две константы связи (ее и α(q2)), двенадцать масс фермионов и бозонов (массы кварков - u, d, s, с, b, t, массы лептонов - е, μ, τ, массы бозонов Wt ∓ ∓ ,Z ,χ, (χ - хиггсовский бозон)), четыре угла смешивания в матрице Кобаяши-Маскава. Если у нейтрино есть масса (а по моему глубокому убеждению масса покоя нейтрино равна нулю - об этом ниже я буду говорить), то в лагранжиан взаимодействия стандартной модели следует добавить еще 7 параметров - три массы лептонных нейтрино ν e νμ, ντ и еще 4 угла смешивания. Таким образом, общее число свободных параметров увеличивается до 25, что, конечно, недопустимо для хорошей теории. До сих пор не открыт хиггсовский бозон. Хиггсовский бозон является обязательно существующей частицей в стандартной модели. Если он не будет найден, то стандартную модель придется считать неверной, от нее придется отказаться. Однако до тех пор, пока нет другой общепринятой теории, мы не можем говорить о какой-либо иной реальности, кроме той, которая содержится в лагранжиане стандартной модели. ,

«В каждой естественной науке заключено столько истины, сколько в ней математики» (И.Кант). Однако только сама природа решает, какая математика адекватна ее закономерностям, а какая - нет. Но даже если наши представления о структуре материи, о ее составляющих - кварках и глюонах - окажутся неверными и нам придется отказаться от них в будущем, то мы не можем жалеть о пройденном пути - за это время мы успели узнать удивительно много нового о природе микромира. Кстати, Пуанкаре писал, что в физике невозможно обойтись без гипотез (верных или неверных) «...и часто ложные гипотезы оказывали больше услуг, чем верные» .

Усилия, потраченные на создание стандартной модели? настолько велики, сама стандартная модель настолько выстрадана и настолько глубоко пронизана всеми достижениями теоретической и экспериментальной физики элементарных частиц, что отречься от нее или как-то изменить ее простым путем невозможно. Такое кризисное состояние несоответствия теории реальному миру элементарных частиц может оказаться весьма затяжным.

Выход из создавшегося положения может быть найден на пути решения ряда проблем, могущих кардинальным образом изменить наши представления о микромире. С моей точки зрения? до сих пор не существует окончательного ответа на ряд вопросов.

Я думаю, что до сих пор не ясно, существует в природе одна Λ°-частица или их две? Экспериментальные данные, публикуемые Particle Data Group, допускают возможность существования двух, разных по массе Λ°-частиц. Я обсуждал эту возможность в работе .

Неясно, по какому закону кинетическая энергия сталкивающихся частиц переходит в массу покоя (например, в реакции π+Λ→π+K). Соотношение Эйнштейна E=mc2 лишь постулирует эквивалентность массы и энергии, но не отвечает на поставленный вопрос. Дискретный спектр масс элементарных частиц явно указывает на существование условий, при которых энергия сталкивающихся частиц определенными квантами переходит в массу покоя. В работе я высказал положение о том, что энергия сталкивающихся частиц переходит в массу покоя в том случае, когда действие пропорционально целочисленному значению постоянной Планка.

До сих пор не было проведено целенаправленного поиска частиц со странностью S≥4. Может быть, теперь, когда создание SSC откладывается на неопределенный срок, экспериментаторы смогут в более спокойной творческой атмосфере, с большей статистикой определить, существуют ли две разных Λ°-частицы, и ответить на вопрос, существуют ли частицы со странностью S≥4.

Закономерности в природе существуют потому, что существует стабильность материи и повторяемость событий. Это негласно принятые нами постулаты. Однако сроки существования естественных экспериментальных наук слишком малы (всего несколько столетий), чтобы мы настаивали на неизменности форм фундаментальных составляющих материи. Русский ученый Н.И.Пирогов был ярым противником раз и навсегда данных неизменных атомов: «...Остановиться мыслью на вечно движущихся и вечно существовавших атомах я не могу теперь - вещество бесконечно делимое, движущееся и бесформенное само по себе, как-то случайно делается ограниченным и оформленным...» .

Пирогов (1810-1881 гг.) считал, что «возможно допустить образование вещества из скопления силы»..., т.е. он угадал и словами выразил то, что было позднее сформулировано Эйнштейном в его знаменитом соотношении E=mc2.

Я допускаю существование двух основных принципов развития форм материи во Вселенной.

1. Принцип рождения себе подобных видов материи. Этот принцип обеспечивает стабильность материи во Вселенной и повторяемость событий, обеспечивает существование закономерностей, а следовательно, постулируется познаваемость мира.

2. Принцип случайного отклонения от рождения себе подобных, что обеспечивает динамику развития Вселенной, поиск новых закономерностей развития Вселенной, сохраняет ту вечную тайну, которая составляет вечную сущность научно-исследовательского труда.

С точки зрения философской, здесь высказаны тезис, антитезис и синтез - знаменитая Гегелевская триада (развития Вселенной). Мы должны отказаться от принципа тождественности элементарных частиц одинакового сорта, если допускаем изменение масс во времени и пространстве.

Как понимается тождественность частиц в современной теоретической физике? Тождественные частицы невозможно различить ни по их внутренним свойствам, ни по их взаимодействию друг с другом, или с другими, отличающимися от них по внутренним свойствам, частицами. Например, все электроны имеют одинаковые значения масс, электрических зарядов, одинаковые спины, одинаковые внутренние четности, одинаковые размеры протяженности в пространстве. (Физики считают, что электроны имеют точечные размеры.) Их нельзя различить по их взаимодействиям с другими частицами (например, протонами, π-мезонами и др.).

В классической механике существует понятие траектории отдельно взятой частицы, что позволяет в принципе различать тождественные частицы в продолжении всего опыта. Даже при взаимодействии тождественных частиц друг с другом можно различать по траекториям частицы первую и вторую до и после взаимодействия. В квантовой механике невозможно различить две тождественные частицы, если волновые пакеты, описывающие эти частицы, перекрывались в процессе взаимодействия, т.е. в квантовой механике невозможно локализовать частицы, не нарушая при этом процесса взаимодействия. В результате возникают квантово-механические эффекты, не имеющие классических аналогий.

Под тождественными частицами понимаются такие частицы, при перестановке которых физическая система, в которую они входили, остается неизменной.

Труднее по сравнению с точечными электронами вообразить себе тождественность таких сложных частиц, как протоны, или мезоны. По современным представлениям протоны состоят из кварков и глюонов. Распределение кварков и глюонов, например, по импульсам в каждом протоне должно быть тождественным распределению кварков и глюонов по импульсам в любом другом протоне. Даже после взаимодействия какого-либо протона, допустим, с ядром какого-либо вещества, которое описывается с современной точки зрения как обмен глюонами или кварками, в рассеянном протоне не должно произойти какого-либо перераспределения по импульсам кварков и глюонов, отличного от невзаимодействовавшего какого-либо другого протона (с той же энергией, импульсом, массой). Вот такое «мгновенное» тождественное выравнивание внутренних распределений кварков и глюонов по импульсам у тождественных частиц кажется уже чрезмерным, непостижимым требованием современной квантовой хромодинамики даже для искушенных теоретиков. Например, в реакции рождения π-мезонов γ-квантами на протонах (γ+р→π+р) во вновь возникшем π-мезоне с бесконечно большим набором кварк-антикварковых пар и глюонов, их распределения по импульсам должно сразу принять вполне определенный математически строгий, тождественный с другими π-мезонами, вид. Если кварк-глюонное строение вещества признать верным, признать, что кварки и глюоны существуют реально, то с точки зрения «здравого смысла» в него трудно поверить. Если же гипотеза кварк-глюонного строения вещества есть способ математического описания структуры элементарных частиц, позволяющий объяснить все наблюдаемые явления с единой точки зрения, то такое понимание структуры частиц не должно вызывать возражений.

Таким образом, проблема тождественности элементарных частиц в наше время оказывается тесно связанной с проблемой наблюдаемости кварков и глюонов.

Допуская постоянное изменение масс во времени во всей Вселенной, можно прийти к выводам о существовании новых форм относительно стабильной материи, новым типам делимости материи, что и будет составлять сущность вечно меняющейся Вселенной. Может ли современная физика элементарных частиц уловить эти изменения на Земле и во Вселенной в наше время - это подлежит научной проверке. Вводя в теорию новые принципы развития Вселенной, мы придем к совершенно новому лагранжиану взаимодействия элементарных частиц, поймем, что дальше некоторого временного предела и назад, и вперед мы, находясь на Земле, Вселенную изучить не можем, поскольку законы ее развития менялись на разных этапах в прошлом пока не известным нам путем и будут меняться в будущем тоже пока не известным образом и только проникновение человека в космос (лично или его приборов) на дальние расстояния позволит расширить наши знания о путях развития Вселенной и приспособить род человеческий к ее эволюции. Ныне существующий довольно прямолинейный и я бы даже сказал примитивный способ использования стандартной модели для сценария развития Вселенной в виде Большого взрыва уступит место не менее захватывающему и динамичному сценарию, когда одна форма стабильности материи в одной из областей Вселенной будет в грандиозных масштабах превращаться в другую форму стабильности и когда эволюционные периоды развития материи в отдельных областях Вселенной могут сменяться фантастическими по своим размерам катаклизмами.

Отказ от принципа тождественности элементарных частиц приведет к обычному пониманию причинности, наступит эра пересмотра ряда статистических закономерностей. Разброс «тождественных» частиц по массам вместе с признанием принципа изменения масс во времени внесет в понимание развития Вселенной, да и самой жизни на Земле, тот необходимый принцип необратимости явлений во времени, который все мы признаем и испытываем на себе, но от которого сегодня отказываемся при описании явлений в физике микромира. Таким образом, P-нечетность, T-неинвариантность, ныне существующие в теории, получат естественное толкование.

В современной физике элементарных частиц предполагается, что масса элементарной частицы определяется ее взаимодействием с себе подобными или какими-либо другими частицами. Это предположение вместе с принципом тождественности элементарных частиц логически

приводит к представлению об абсолютной неподвижности Вселенной. Действительно, во Вселенной существует огромное число пар электронов, тождественных по массе, спину, четности, заряду (или пар других тождественных частиц, например пар протонов и т.д.). Если скорости частиц пары будут разными, то можно найти такую систему координат, в которой они будут двигаться с одинаковыми скоростями относительно начала координат этой системы. Но тогда вся остальная часть Вселенной обязана двигаться симметрично относительно данной пары электронов, чтобы «обеспечить» тождественность их масс. Так как тождественных пар частиц во Вселенной бесконечно много, то будет бесконечно много точек, относительно которых движения всех частей Вселенной должны быть симметричными. Разумным образом удовлетворить такому представлению о движении всех частей Вселенной можно, пожалуй, только предполагая, наоборот, неподвижность всех тел во Вселенной. Очевидно, проще отказаться от принципа тождественности элементарных частиц, либо от постулата о зависимости масс частиц от взаимодействия с другими частицами, чем признать неподвижность тел во Вселенной.

Мы не знаем, изменяется ли масса частиц во Вселенной в зависимости от времени и пространства. Нам трудно предположить, как будут меняться законы физики, химии, биологии и других наук в связи с изменением масс во времени и пространстве. Следовательно, остается неизвестной и эволюция Вселенной. Можно, в частности, предположить, что красное смещение спектральных линий, наблюдаемое в астрофизике, связано не только с расширением Вселенной, но и изменением масс элементарных частиц во Вселенной в зависимости от времени и пространства.

Еще в 1932 году наблюдалась реакция γ+ядро→ядро+(е+е -), т.е. наблюдалось превращение γ-кванта в пару (е+е -), без затраты энергии на создание электрического заряда. Природа более шестидесяти лет назад указала на принципиальную возможность рождения элементарной единицы электричества в соударении элементарных частиц, но у нас до сих пор нет ясного представления о динамике возникновения заряда, о природе происхождения электричества. Носителем заряда является масса, однако размер заряда не зависит от величины массы элементарной частицы - он всегда равен ±±е. Современные экспериментальные данные указывают на следующие закономерности :

1) в свободном состоянии все нейтральные частицы с массой покоя, отличной от нуля, нестабильны;

2) в свободном состоянии стабильные частицы с массой покоя, не равной нулю (протон, электрон и их античастицы), имеют электрический заряд.

Из этих закономерностей следует, что

1) если заряд нейтрино равен нулю, а его масса отлична от нуля, то нейтрино - нестабильная частица;

2) если нейтрино имеет массу покоя, отличную от нуля, и нейтрино - стабильная частица, то у нейтрино должен быть отличный от нуля электрический заряд, каким бы малым он ни был. Заряженные нейтрино тоже могут быть нестабильными. Однако после цепочки возможных распадов должны оставаться стабильные заряженные нейтрино, ибо, как мы знаем, единственным носителем заряда является масса. Естественнее всего, конечно, предположить, что у нейтрино нет электрического заряда и его масса равна нулю.

Итак, современная теория физики элементарных частиц не имеет решения ряда крупных физических проблем: происхождение массы, электрического заряда, тождественности масс частиц, изменение массы элементарных частиц во времени и некоторых других. Естественно, надо считаться с тем, что некоторые проблемы не могут быть решены на сегодняшнем этапе развития науки - для них не настало время. Можно привести исторический пример. В конце ХIХ - начале ХХ вв. теоретиками обсуждалась проблема структуры атома и электрона. Модель строения атома была дана Резерфордом. Структура электрона рассматривалась в начале ХХ в. в работах Абрагама, Лоренца, Пуанкаре. Однако до сих пор физики считают электрон точечной частицей, и у них нет необходимости отказаться от этого представления.

В цитированной мной в начале статьи книге Макс Борн пишет: «... Человек Запада, не в пример созерцательному жителю Востока, любит рискованную жизнь и физика является одним из его рискованных предприятий» . Я не знаю к человеку какого типа (западного или восточного) относит Макс Борн российских физиков, но из его высказывания видно, что чтобы стать настоящими физиками, российские физики обязаны рисковать и в том числе в области создания новой теории физики элементарных частиц. Если в основу теории были бы положены некоторые из упомянутых мною идей и выше названных закономерностей (например, отказ от тождественности элементарных частиц, изменение масс частиц во времени и пространстве, переход энергии в массу и др.), то теория элементарных частиц могла бы пойти иным путем, обогатившись новыми, вполне реальными закономерностями.

Примечания

Schweber S.S. Physics, community and the crisis in physical theory // physics today. 1993. November. P. 34-40.

Уильям Гильберт сформулировал примерно 400 лет назад постулат, который можно считать главным постулатом естественных наук . Несмотря на то, что в наше время невозможно найти исследователя, который был бы не согласен с эти утверждением, целый ряд современных физических теорий не удовлетворяют этому принципу .

В физике микромира существует несколько общепринятых моделей, которые также не удовлетворяют постулату Гильберта. Эти модели не дают возможности вычислить основные характерные параметры, такие как массы и магнитные моменты элементарных частиц. В данной статье рассмотрен альтернативный подход к решению этой проблемы.

Рассмотрен новый подход к проблеме природы ядерных сил. Показано, что притяжение в паре протон – нейтрон может возникать за счёт обмена релятивистским электроном. Оценка энергии такого обмена согласуется с экспериментальным значением энергии связи некоторых лёгких ядер. Нейтрон при этом рассматривается как составная частица, состоящая из протона и релятивистского электрона, что позволяет предсказать его массу, магнитный момент и энергию его распада.

В рамках стандартной максвелловской теории электромагнитного поля показано, что имеется возможность возбудить в пустом пространстве (эфире) магнитный γ-квант (всплеск магнитного поля), лишённый электрической составляющей и обладающий спином ħ / 2. Характерной особенностью такого магнитного γ-кванта является слабость его взаимодействия с веществом, которое на много порядков меньше, чем у электромагнитной волны. Эти его свойства позволяют предполагать, что магнитный γ-квант можно отождествить с нейтрино. На этом основании удаётся по-новому взглянуть на природу π-мезона, μ-мезона и λ-гиперона, вычислив их массы и магнитный момент.

1. Главный постулат естественных наук.

1.1. Постулат Гильберта и современная физика.

2. Протон и нейтрон.

2.1. Протон и нейтрон в кварковой модели Гелл-Манна.

2.2. Модель протона, состоящего из кварков с целочисленным зарядом.

2.3. Физические свойства нейтрона.

2.4. Структура нейтрона.

2.4.1. Электромагнитная модель нейтрона.

2.4.2. Основные параметры нейтрона.

2.5. Обсуждение.

3. О природе ядерных сил.

3.1. Молекулярный ион водорода.

3.2. Дейтрон.

3.3. Лёгкие ядра.

3.3.1. Ядро 3 2 He.

3.3.2. Ядро 4 2 He.

3.3.3. Ядро 6 3 Li.

3.4. Обсуждение.

4. Нейтрино и мезоны.

4.1. Нейтрино.

4.2. Мезоны.

4.3. Возбуждённое состояние с S = 0.

4.4. Возбуждённое состояние с n = 2 и S = ħ / 2.

5. Заключение.

1. Главный постулат естественных наук

Нашим современникам, уровень образования которых соответствует развитию наук в XXI веке, может показаться, что средневековая наука была сосредоточена в теологии, астрологии и алхимии. Но это совершенно не так. Средневековье было временем разработки основ современной науки.

Средневековый учёный Уильям Гильберт (1544...1603) ввёл в научный обиход понятия электрического и магнитного полей, сделав первый шаг к пониманию природы электромагнетизма. Он первым попытался объяснить природу магнитного поля Земли. Но при этом кажется, что самым важным его вкладом в науку является разработанный им принцип, ставший главным принципом современных естественно-научных исследований* .

* Можно предполагать, что идея этого принципа, как говорится, витала в воздухе среди образованных людей того времени. Но нашёл свою формулировку, дошедшую до нас, этот принцип благодаря У. Гильберту.

Принцип Гильберта формулируется просто:

Все теоретические построения, претендующие быть научными, должны быть проверены и подтверждены экспериментально.

Кажется, что среди наших современных учёных нет никого, кто возражал бы против этого. Однако и в ХХ веке был создан целый ряд научных построений, которые были приняты научным сообществом и до сих являются доминирующими в своих областях знания, но при этом они не удовлетворяют принципу Гильберта.

1.1. Постулат Гильберта и современная физика

Следует подчеркнуть, что в подавляющем большинстве современные теоретические модели адекватно и точно отражают свойства вещества и законы Природы, поскольку на всех этапах построение этих теорий ведётся в полном соответствии с принципом Гильберта.

Но в ряде случаев модели, разработанные теоретиками, оказались неверными .

Рассмотрим некоторые проблемы микромира, при решении которых был нарушен принцип Гильберта.

2. Протон и нейтрон

2.1. Протон и нейтрон в кварковой модели Гелл-Манна

Создаётся впечатление, что специалисты по физике элементарных частиц сначала исходили из предположения, что при сотворении мира каждой элементарной частице индивидуально подбирались подходящие параметры: заряд, спин, масса, магнитный момент и т.д.

Гелл-Манн несколько упростил эту работу. Он разработал правило, согласно которому набор кварков определяет суммарный заряд и спин формируемой элементарной частицы. Но массы и магнитные моменты этих частиц под это правило не подпадают.

Рис. 1. Кварковое строение протона и нейтрона по Гелл-Манну. Заряды кварков подбираются так, чтобы превращение нейтрона в протон осуществлялось заменой одного d-кварка на u-кварк. На предсказание масс и магнитных моментов протона и нейтрона модель Гелл-Манна не претендует

Кварковая модель Гелл-Манна предполагает, что кварки, из которых состоят все элементарные частицы (за исключением самых лёгких), должны обладать дробным (равным 1/3 e или 2/3 e ) электрическим зарядом.

В 60-е годы после формулирования этой модели многие экспериментаторы пытались найти частицы с дробным зарядом. Но безуспешно.

Для того чтобы это объяснить было предположено, что для кварков характерен конфайнмент, т.е. свойство, запрещающее им как-либо проявлять себя в свободном состоянии. При этом понятно, что конфайнмент выводит кварки из подчинённости принципу Гильберта. В таком виде модель кварков с дробными зарядами претендует на научность без подтверждения данными измерений.

Следует отметить, что модель кварков удачно описывает некоторые эксперименты по рассеянию частиц при высоких энергиях, например, образование струй или особенность рассеяния частиц высоких энергий без разрушения. Однако этого кажется мало для того, чтобы признать существование кварков с дробным зарядом.

2.2. Модель протона, состоящего из кварков с целочисленным зарядом

Поставим перед собой цель сконструировать модель протона из кварков с целочисленным зарядом так, чтобы она предсказывала массу и магнитный момент протона. Будем предполагать, что, как и в модели Гелл-Манна, протон состоит из трёх кварков. Но в нашем случае два из них имеют заряд +e и один –e . Пусть собственным спином эти кварки не обладают, а их квантовое движение выражается их вращением вокруг общего центра по окружности радиуса R .

Рис. 2.

Пусть величина радиуса R определяется тем, что на длине окружности 2πR укладывается длина дебройлевской волны кварка λ D :

Обобщённый момент количества вращения (спин) системы будет составлен из двух слагаемых: из механического момента вращения всех трёх кварков 3p q × R и момента импульса магнитного поля, создаваемого кварком с не скомпенсированным зарядом \(\frac{e}{c}{\bf{A}}\):

и магнитный момент кругового тока

здесь β = v /c .

Исходя из того, что величина спина протона равна ħ / 2, имеем

Суммарная масса трёх кварков

С учётом величины массы кварка (8), создаваемый им магнитный момент получается равным

2.3. Физические свойства нейтрона

В кварковой модели Гелл-Манна нейтрон предполагается элементарной частицей в том смысле, что он состоит из другого набора кварков, чем протон. В 30-е годы прошлого века физики-теоретики пришли к заключению об элементарности нейтрона, не опираясь на данные измерений, которых в то время не было.

Чтобы объяснить данные измерений параметров нейтрона – магнитного момента нейтрона, массы и энергии его распада – рассмотрим электромагнитную модель нейтрона, в которой он не является элементарной частицей .

Предположим, что нейтрон, так же как и боровский атом водорода, состоит из протона, вокруг которого на очень малом расстоянии от него вращается электрон. Вблизи протона движение электрона должно быть релятивистским. Однако особенность формирующейся при этом устойчивой орбиты в том, что при её вычислении все релятивистские поправки компенсируют друг друга и полностью выпадают.

Рассмотрим электромагнитную модель нейтрона подробнее .

2.4. Структура нейтрона

2.4.1. Электромагнитная модель нейтрона

В первое время после открытия нейтрона в физике обсуждался вопрос о том, следует ли его считать элементарной частицей. Экспериментальных данных, которые могли бы помочь решить этот вопрос, не было, и вскоре сложилось мнение, что нейтрон подобно протону – элементарная частица. Однако тот факт, что нейтрон нестабилен и распадается на протон и электрон (+ антинейтрино), даёт основание относить его к неэлементарным составным частицам.

Рассмотрим составную частицу, в которой вокруг протона со скоростью v → c вращается частица с массой покоя m e и зарядом – e . (Ранее подобный подход был рассмотрен в работах и ).

Выберем цилиндрическую систему координат, в которой ось z совпадёт с направлением магнитного момента протона

Между положительно заряженным протоном и отрицательно заряженным электроном должна существовать сила кулоновского притяжения (, §24):

которое проявляется в силе Лоренца:

и силой, создаваемой магнитным полем кольца стремящейся его разорвать

В результате это уравнение равновесия с неизвестными R 0 и β приобретает вид:

Магнитное поле в системе создаётся магнитным моментом протона

Здесь α = e 2 / ħc – постоянная тонкой структуры,

r c = ħ / m e c – радиус Комптона.

Для того чтобы записать второе уравнение, связывающее эти параметры, используем теорему вириала. Согласно этой теореме кинетическая энергия частиц, объединённых электромагнитным взаимодействием, при их финитном движении равна половине их потенциальной энергии, взятой с обратным знаком:

поэтому второе уравнение, связывающие эти параметры, приобретает вид:

При этом магнитный момент токового кольца, выраженный в ядерных магнетонах μ N

Эта величина хорошо согласуется с измеренным значением магнитного момента нейтрона (ξ n = –1,91304272):

Согласно теореме вириала полная энергия рассматриваемой системы должна быть равна её кинетической энергии (26):

Эта энергия при распаде нейтрона перейдёт в кинетическую энергию вылетающего электрона (и антинейтрино), что точно согласуется с экспериментально определённой границей спектра распадных электронов, равной 782 кэВ.

2.5. Обсуждение

В рассмотренной выше модели протона, составленной из кварков с целыми зарядами, не возникает вопроса с наблюдаемостью кварков в свободном состоянии. Однако остаётся много непонятного.

Непонятно куда исчезает магнитный момент позитрона, формирующего протон. Магнитный момент электрона, формирующего нейтрон, не проявляет себя в связи с тем, что спин кольцевого тока равен нулю. Однако с кварком-позитроном это не так. Непонятно почему кварк-позитрон не аннигилирует с кварком-электроном, и какие взаимодействия заставляют их объединиться в совершенно стабильную частицу – протон, распадов которого в природе не наблюдается.

Полученное согласие оценок с данными измерений свойств нейтрона говорит о том, что он не является элементарной частицей. Его следует рассматривать как некий релятивистский аналог боровского атома водорода. С тем различием, что в боровском атоме нерелятивистский электрон удерживается на оболочке кулоновскими силами, а в нейтроне релятивистский электрон удерживается в основном за счёт магнитного взаимодействия . В соответствии с постулатом Гильберта подтверждение опытом рассмотренной выше электромагнитной модели нейтрона представляется необходимым и полностью достаточным аргументом её достоверности.

Тем не менее, для понимания модели важно использовать при её построении общепринятый теоретический аппарат. Следует отметить, что для учёных, привыкших к языку релятивистской квантовой физики, методика, использованная выше при проведении оценок, при беглом взгляде не содействует восприятию полученных результатов. Принято думать, что для достоверности, учёт влияния релятивизма на поведение электрона в кулоновском поле должен быть проведён в рамках теории Дирака. Однако в конкретном случае вычисления массы нейтрона, его магнитного момента и энергии распада в этом нет необходимости, поскольку спин электрона в рассматриваемом состоянии равен нулю и все релятивистские эффекты, описываемые слагаемыми с коэффициентами \({\left({1 - \frac{{{v^2}}}{{{c^2}}}} \right)^{ - 1/2}}\), компенсируют друг друга и полностью выпадают. Рассмотренный в нашей модели нейтрон является квантовым объектом, поскольку радиус R 0 пропорционален постоянной Планка ħ , но формально его нельзя считать релятивистским, т.к. коэффициент \({\left({1 - \frac{{{v^2}}}{{{c^2}}}} \right)^{ - 1/2}}\)в определение R 0 не входит. Это позволяет провести вычисление массы нейтрона, его магнитного момента и энергии распада, просто находя равновесные параметры системы из условия баланса сил, как это принято для нерелятивистских объектов. По-другому обстоит дело с оценкой времени жизни нейтрона. На этот параметр релятивизм по всей видимости должен оказывать влияние. Без его учёта не удаётся правильно оценить время жизни нейтрона даже по порядку величины.

3. О природе ядерных сил

3.1. Молекулярный ион водорода

В 1927 году было опубликовано квантово-механическое описание простейшей молекулы – молекулярного иона водорода. Авторы этой статьи В. Гайтлер и Ф. Лондон рассчитали притяжение, которое возникает между двумя протонами за счёт обмена электроном в том случае, если состояние молекулярного иона описывается двуямным потенциалом (рис. 3). Этот обмен является квантово-механическим эффектом и в его классического аналога не существует. (Некоторые детали этого расчёта приведены в ).

Главный вывод этой работы состоит в том, что энергия связи между двумя протонами, возникающая за счёт обмена электроном, по порядку величины близка к энергии связи протона и электрона (энергии электрона на первой боровской орбите). Этот вывод удовлетворительно согласуется с данными измерений, которые дают результат, отличающийся от расчётного менее чем в два раза.

Рис. 3. Схематическое представление симметричного двуямного потенциала. В основном состоянии электрон может либо в правой, либо в левой части ямы. В невозмущённом состоянии его энергия равна E 0 . Туннелирование из одного состояния в другое ведёт к расщеплению основного уровня и понижению энергетически выгодного состояния на Δ

Рис. 4. Схематическое изображение структуры лёгких ядер. Прерывистая линия иллюстрирует возможность обменного перехода релятивистского электрона между протонами

3.2. Дейтрон

Электромагнитная модель нейтрона, рассмотренная выше, позволяет по-новому взглянуть на механизм взаимодействия нейтрона с протоном. Нейтрон – т.е. протон, окружённый релятивистским электронным облаком – и свободный протон составляют вместе объект, подобный молекулярному иону водорода. Различие в том, что в данном случае электрон является релятивистским, радиус его орбиты R 0 ≈ 10 –13 см (28) и масса примерно 2,57 m e .

Приложение результатов квантово-механических вычислений Гайтлера – Лондона к этому случаю даёт возможность оценить энергию связи дейтрона с точностью примерно такой же, как и в случае молекулярного иона водорода . Оценка предсказывает величину энергии связи примерно равной 2,13·10 –6 эрг, в то время как измерения дают

3.3. Лёгкие ядра

3.3.1. Ядро 3 2 He

Из рис. 4, на котором схематически показаны энергетические связи в ядре 3 2 He, видно, что они составлены тремя парными взаимодействиями протонов. Поэтому следует предполагать, что энергия связи этого ядра должна быть равна утроенной энергии связи дейтрона:

Дефект массы этого ядра

Согласие оценки E He3 с измеренным значением энергии связи E (3 2 He) можно считать очень хорошим.

3.3.2. Ядро 4 2 He

Из схемы энергетических связей в ядре 4 2 He, показанной на рис. 4, видно, что эти связи образованы шестью парными взаимодействиями протонов, реализуемой двумя электронами. По этой причине можно предполагать, что энергия связи ядра 4 2 He должна быть равна:

Дефект массы этого ядра

Этот дефект массы соответствует энергии связи

Такое согласие этих величин можно вполне считать удовлетворительным.

3.3.3. Ядро 6 3 Li

Можно предполагать, что энергия связи ядра Li – 6 должна быть близка к сумме энергий связи ядра He – 4 и дейтрона, располагающегося на следующей оболочке:

Такое предположение возможно, если обмен электроном между протонами разных оболочек затруднён.

В то же время дефект массы этого ядра

и связанная с ним энергия связи

что действительно подтверждает слабую связь между протонами на разных оболочках.

Следует отметить, что с остальными лёгкими ядрами ситуация не столь проста. Ядро 3 1 T состоит из трёх протонов и двух электронов, осуществляющих связь между ними. Перескок двух электронов в такой системе должен подчиняться постулату Паули. По-видимому, это является причиной того, что энергия связи трития не очень сильно превышает энергию связи He – 3.

Ядерные связи в ядре 7 3 Li, казалось бы, могут быть представлены схемой E Li7 ≈ E He4 + E T , но это представление ведёт к довольно грубой оценке. Однако для нестабильного ядра Be – 8 аналогичное представление E Be8 ≈ 2E He4 ведёт к очень хорошему согласию с измерениями.

3.4. Обсуждение

Хорошее согласие вычисленной энергии связи для некоторых лёгких ядер с данными измерений позволяет считать, что ядерные силы (по крайней мере, в случае этих ядер) имеют описанный выше обменный характер.

Впервые внимание на возможность объяснения ядерных сил на основе эффекта обмена электроном обратил видимо И.Е. Тамм ещё в 30-е годы прошлого века. Однако позже в ядерной физике преобладающей стала модель обмена π-мезонами, а потом глюонами. Причина этого понятна. Для объяснения величины и радиуса действия ядерных сил нужна частица с малой собственной длиной волны. Нерелятивистский электрон для этого не подходит. Однако с другой стороны, модели π-мезонного или глюонного обмена тоже не оказались продуктивными. Дать достаточно точное количественное объяснение энергии связи даже лёгких ядер эти модели не смогли. Поэтому приведённая выше простая и согласующаяся с измерениями оценка этой энергии является однозначным доказательством того, что так называемое сильное взаимодействие (в случае некоторых лёгких ядер) является проявлением эффекта притяжения между протонами, возникающего за счёт обмена релятивистским электроном.

4. Нейтрино и мезоны

4.1. Нейтрино

Ранее было показано, что в рамках стандартной максвелловской теории электромагнитного поля имеются две возможности . Используя разные методы возбуждения, можно в пустом пространстве (эфире) возбудить либо поперечную электромагнитную волну (фотон), либо магнитный квант (магнитный солитон), т.е. волну лишённую электрической составляющей. Для генерации в вакууме электромагнитной волн нужно использовать колеблющийся электрический или магнитный диполь.

Согласно уравнениям Максвелла, величина электрического поля, переносимого фотоном, пропорциональна второй производной по времени от меняющегося во времени магнитного момента, который генерирует фотон. Если временная зависимость магнитного момента описывается идеально острой ступенчатой функцией Хевисайда, то первая производная от этой ступеньки есть δ-функция, а вторая производная равна нулю. Поэтому при переднем фронте ступеньки, длящемся порядка 10 –23 секунды (такова оценка времени превращения π-мезона в μ-мезон, при котором рождается антинейтрино) должен излучаться квант, имеющий δ-образную магнитную составляющую и лишённый электрической составляющей (см. подробнее в ).

Характерными особенностями магнитного солитона является то, что, будучи циркулярно поляризован, он должен обладать спином ħ / 2, и его взаимодействие с веществом почти на два десятка порядков слабее, чем у электромагнитной волны. Эта особенность обусловлена тем, что в природе отсутствуют магнитные монополи.

Это позволяет предполагать, что магнитный солитон можно отождествить с нейтрино. При этом при рождении магнитного момента возникает антинейтрино, а при его исчезновении нейтрино.

Так в процессе последовательного превращении π – -мезона сначала в μ – -мезон, а затем в электрон, таких магнитных γ-квантов возникает три (рис. 5).

Рис. 5. Схема рождения трёх магнитных солитонов (нейтрино) в процессе распада π – -мезона . π – -мезон не обладает магнитным моментом. При распаде он превращается в μ – -мезон, несущий магнитный момент. Этот процесс должен сопровождаться излучением магнитного γ-кванта (вылетом антинейтрино). При распаде μ – -мезона его магнитный момент исчезает и излучается ещё один магнитный γ-квант (нейтрино). Третий магнитный солитон (антинейтрино) возникает в момент рождения электрона

4.2. Мезоны

В цепочке превращений пион → мюон → электрон рождается три нейтрино (рис. 5). Заряженные пионы (π – -мезоны), спины которых равны нулю, не обладают магнитными диполями. В момент превращения π – -мезона в мюон (μ‑мезон) скачкообразно возникает магнитный момент, что сопровождается испусканием мюонного антинейтрино \({\widetilde \nu _\mu }\). При распаде мюона генерируется излучение мюонного нейтрино ν μ , которое вызвано тем, что исчезает мюонный магнитный момент. Одновременно с этим рождается электрон, обладающий магнитным моментом, что приводит к излучению электронного антинейтрино \(\mathop {\widetilde \nu }\nolimits_e \).

Тот факт, что никаких других продуктов кроме нейтрино и антинейтрино в этих реакциях не возникает, приводит нас к предположению, что пион и мюон не являются самостоятельными элементарными частицами, а есть возбуждённые состояния электрона.

Эти мезоны имеют массы

здесь λ D = 2πħ / P – длина волны де Бройля,

P – обобщённый импульс частицы,

n = 1, 2, 3... – целое число.

Инвариантный кинетический момент импульса (спин) такой частицы

получаем

Это значение массы очень близко к величине массы π-мезона (46), имеющего спин равный нулю:

Это значение массы очень близко к величине массы μ-мезона (46), имеющего спин равный ħ / 2:

\[\frac{{{M_{1/2}}}}{{{M_{{\mu ^ \pm }}}}} \simeq 0,9941.\]

(54)

Обнаруженная возможность вычисления масс мезонов, исходя только из их спинов, подтверждает предположение о том, что эти мезоны являются возбуждёнными состояниями электрона.

5. Заключение

Проведённые выше вычисления свойств элементарных частиц обнаруживают недостаточность кварковой модели с дробными зарядами кварков, в рамках которой такие оценки не удаётся получить. Эта модель в современном виде демонстрирует возможность классификации частиц, но это не доказывает того, что такая классификация является единственно возможной и верной.

При этом важно отметить, что для описания протон-нейтронного взаимодействия (в лёгких ядрах) нет необходимости привлекать модель глюонов, а также использовать теории сильного и слабого взаимодействий.

Действительно, обмен релятивистским электроном между протонами в дейтроне и также как обмен нерелятивистским электроном в молекулярном ионе водорода – это квантово-механическое явление и нет основания приписывать этому обменному эффекту в случае дейтрона роль фундаментального взаимодействия Природы.

Излучение нейтрино происходит в процессе β-распада (или К-захвата). Процессы распадов ядер, как α так и β, не требуют введения какого-либо нового особенного фундаментального природного взаимодействия. Но β-распад имеет существенную особенность: при β-распаде за чрезвычайно короткое время возникает (или исчезает при К-захвате) магнитный момент свободного электрона. Это производит магнитный удар по эфиру и приводит к излучению магнитного γ-кванта, т.е. нейтрино. Это явление имеет сугубо электромагнитный характер, и для его описания не нужно вводить специальное слабое или электрослабое взаимодействие.

Однако формально отсутствие необходимости вводить сильное и слабое взаимодействия в описание других объектов микромира не доказано. Очевидно, что для расчёта ядерных сил в тяжёлых ядрах потребуется привлекать другие эффекты, связанные, например, с существованием ядерных оболочек.

Тем не менее, возможность электромагнитного описания некоторых частиц делает актуальным вопрос о корректности существующего описания многих других, более сложных объектов микромира.

Очевидно, что в соответствии с главным постулатом естественных наук У. Гильберта проверка корректности такого описания должна опираться на экспериментальные данные базовых свойств исследуемых объектов . Удачный метод систематизации частиц в некую таблицу нельзя считать исчерпывающим доказательством правильности и единственности данного подхода.

Литература:

Гильберт У. О магните, магнитных телах и большом магните – Земле. М.: Издательство Академии наук СССР, 1956.

Федеральное государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Экономический факультет

Элементарные частицы.

Их классификация и основные свойства.

Выполнила

студентка 1 курса 11 группы

Бубликова Екатерина

Ростов– на–Дону – 2009

Введение. Мир элементарных частиц.

Фундаментальные физические взаимодействия.

Гравитация.
Электромагнитное взаимодействие.
Слабое взаимодействие.
Сильное взаимодействие.

Классификация элементарных частиц.

Характеристики субатомных частиц.
История открытия элементарных частиц.

2.5. Теория кварков.

2.6. Частицы – переносчики взаимодействий.

3. Теории элементарных частиц.

3.1. Квантовая электродинамика.

3.2. Теория электрослабого взаимодействия.

3.3. Квантовая хромодинамика.

3.4. На пути к… Великому объединению.

Список использованной литературы.

Мир элементарных частиц.

В середине и второй половине ХХ века в тех разделах физики, которые заняты изучением фундаментальной структуры материи, были получены поистине удивительные результаты. Прежде всего это проявилось в открытии целого множества новых субатомных частиц. Их обычно называют элементарными частицами, но далеко не все из них действительно элементарны. Элементарные частицы в точном значении этого термина - первичные, далее неразложимые частицы, из которых, по предположению, состоит вся материя, но многие из них в свою очередь состоят из еще более элементарных частичек.

Мир субатомных частиц поистине многообразен. В настоящее время известно более 350 элементарных частиц. К ним относятся протоны и нейтроны, составляющие атомные ядра, а также обращающиеся вокруг ядер электроны. Но есть и такие частицы, которые в окружающем нас веществе практически не встречаются. Если среднее время жизни нейтрона, находящегося вне атомного ядра, составляет 15 минут, то время жизни таких короткоживущих частиц чрезвычайно мало, оно составляет мельчайшие доли секунды. По истечении этого чрезвычайно короткого времени они распадаются на обычные частицы. Таких нестабильных короткоживущих частиц поразительно много: их известно уже несколько сотен. Однако нельзя считать, что нестабильные элементарные частицы «состоят» из стабильных хотя бы потому, что одна и та же частица может распадаться несколькими способами на различные элементарные частицы.

Каждая элементарная частица (за исключением абсолютно нейтральных частиц) имеет свою античастицу.

Cуществование элементарных частиц физики обнаружили при изучении ядерных процессов, поэтому вплоть до середины XX века физика элементарных частиц была разделом ядерной физики. В настоящее время физика элементарных частиц и ядерная физика являются близкими, но самостоятельными разделами физики, объединенными общностью многих рассматриваемых проблем и применяемыми методами исследования. Главная задача физики элементарных частиц - это исследование природы, свойств и взаимных превращений элементарных частиц.

В 60-70-е годы физики были совершенно сбиты с толку многочисленностью, разнообразием и необычностью вновь открытых субатомных частиц. Казалось, им не будет конца. Совершенно непонятно, для чего столько частиц. Являются ли эти элементарные частицы хаотическими и случайными осколками материи? Или, возможно, они таят в себе ключ к познанию структуры Вселенной? Развитие физики в последующие десятилетия показало, что в существовании такой структуры нет никаких сомнений. В конце ХХ века физика начинает понимать, каково значение каждой из элементарных частиц.

Миру субатомных частиц присущ глубокий и рациональный порядок. В основе этого порядка - фундаментальные физические взаимодействия.

1.Фундаментальные физические взаимодействия.

В свой повседневной жизни человек сталкивается с множеством сил, действующих на тела. Здесь и сила ветра или набегающего потока воды, давление воздуха, мощный выброс взрывающихся химических веществ, мускульная сила человека, вес тяжелых объектов, давление квантов света, притяжение и отталкивание электрических зарядов, сейсмические волны, вызывающие подчас катастрофические разрушения, и вулканические извержения, приводившие к гибели цивилизации, и т. д. Одни силы действуют непосредственно при контакте с телом, другие, например, гравитация, действуют на расстоянии, через пространство. Но, как выяснилось в результате развития теоретического естествознания, несмотря на столь большое разнообразие, все действующие в природе силы можно свести всего лишь к четырем фундаментальным взаимодействиям: гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное. Именно эти взаимодействия в конечном счете отвечают за все изменения в мире, именно они являются источником всех преобразований тел и процессов. Элементарные частицы разделяются на группы по способностям к различным видам фундаментальных взаимодействий. Изучение свойств фундаментальных взаимодействий составляет главную задачу современной физики.

1.1. Гравитация.

В истории физики гравитация (тяготение) стала первым из четырех фундаментальных взаимодействий предметом научного исследования. После появления в ХVII в. ньютоновской теории гравитации - закона всемирного тяготения - удалось впервые осознать истинную роль гравитации как силы природы. Гравитация обладает рядом особенностей, отличающих ее от других фундаментальных взаимодействий.

Наиболее удивительной особенностью гравитации является ее малая интенсивность. Величина гравитационного взаимодействия между компонентами атома водорода составляет 10n, где n = -39, от силы взаимодействия электрических зарядов. Может показаться удивительным, что мы вообще ощущаем гравитацию, коль скоро она так слаба. Как она может оказаться господствующей силой во Вселенной?

Все дело во второй удивительной черте гравитации - ее универсальности. Ничто во Вселенной не избавлено от гравитации. Каждая частица испытывает на себе действие гравитации и сама является источником гравитации. Поскольку каждая частица вещества вызывает гравитационное притяжение, гравитация возрастает по мере образования все больших скоплений вещества. Мы ощущаем гравитацию в повседневной жизни потому, что все атомы Земли сообща притягивают нас. И хотя действие гравитационного притяжения одного атома пренебрежимо мало, но результирующая сила притяжения со стороны всех атомов может быть значительной.

Гравитация - дальнодействующая сила природы. Это означает, что, хотя интенсивность гравитационного взаимодействия убывает с расстоянием, оно распространяется в пространстве и может сказываться на весьма удаленных от источника телах. В астрономическом масштабе гравитационное взаимодействие, как правило, играет главную роль. Благодаря дальнодействию гравитация не позволяет Вселенной развалиться на части: она удерживает планеты на орбитах, звезды в галактиках, галактики в скоплениях, скопления в Метагалактике.

Сила гравитации, действующая между частицами, всегда представляет собой силу притяжения: она стремится сблизить частицы. Гравитационное отталкивание никогда еще не наблюдалось (хотя в традициях квазинаучной мифологии есть целая область, которая называется левитация - поиск "фактов" антигравитации). Поскольку энергия, запасенная в любой частице, всегда положительна и наделяет ее положительной массой, частицы под действием гравитации всегда стремятся сблизиться.

Чем является гравитация, неким полем или проявлением искривления пространства-времени, - на этот вопрос пока еще однозначного ответа нет. Существуют разные мнения и концепции физиков на сей счет.

1.2. Электромагнитное взаимодействие.

По величине электрические силы намного превосходят гравитационные. В отличие от слабого гравитационного взаимодействия, электрические силы, действующие между телами обычных размеров, можно легко наблюдать. Электромагнетизм известен людям с незапамятных времен (полярные сияния, вспышки молнии и др.).

В течение долгого времени электрические и магнитные процессы изучались независимо друг от друга. Решающий шаг в познании электромагнетизма сделал в середине XIX века Дж. К. Максвелл, объединивший электричество и магнетизм в единой теории электромагнетизма - первой единой теории поля.

Существование электрона было твердо установлено в 90-e годы прошлого столетия. Ныне известно, что электрический заряд любой частицы вещества всегда кратен фундаментальной единице заряда - своего рода "атому" заряда. Почему это так - чрезвычайно интересный вопрос. Однако не все материальные частицы являются носителями электрического заряда. Например, фотон и нейтрино электрически нейтральны. В этом отношении электричество отличается от гравитации. Все материальные частицы создают гравитационное поле, тогда как с электромагнитным полем связаны только заряженные частицы. Переносчиком электромагнитного взаимодействия между заряженными частицами является электромагнитное поле, или кванты поля - фотоны.

Как и электрические заряды, одноименные магнитные полюса отталкиваются, а разноименные - притягиваются. Однако в отличие от электрических зарядов магнитные полюса встречаются не по отдельности, а только парами - северный полюс и южный полюс. Еще с древнейших времен известны попытки получить посредством разделения магнита лишь один изолированный магнитный полюс - монополь. Но все они заканчивались неудачей. Может быть, существование изолированных магнитных полюсов в природе исключено? Определенного ответа на этот вопрос пока не существует. Некоторые теоретические концепции допускают возможность существования монополя.

Как электрическое и гравитационное взаимодействия, взаимодействие магнитных полюсов подчиняется закону обратных квадратов. Следовательно, электрическая и магнитная силы "дальнодействующие", и их действие ощутимо на больших расстояниях от источника. Так, магнитное поле Земли простирается далеко в космическое пространство. Мощное магнитное поле Солнца заполняет всю Солнечную систему. Существуют и галактические магнитные поля.

Электромагнитное взаимодействие определяет структуру атомов и отвечает за подавляющее большинство физических и химических явлений и процессов. Электромагнитное взаимодействие приводит также к излучению электромагнитных волн.

1.3. Слабое взаимодействие.

К выявлению существования слабого взаимодействия физика продвигалась медленно. Слабое взаимодействие ответственно за распады частиц, и поэтому с его проявлением столкнулись с открытием радиоактивности и исследованием бета-распада.

У бета-распада обнаружилась в высшей степени странная особенность. Исследования приводили к выводу, что в этом распаде нарушается один из фундаментальных законов физики - закон сохранения энергии. Казалось, что в этом распаде часть энергии куда-то исчезала. Чтобы "спасти" закон сохранения энергии, В. Паули предположил, что вместе с электроном при бета - распаде вылетает еще одна частица. Она - нейтральная и обладающая необычайно высокой проникающей способностью, вследствие чего ее не удавалось наблюдать. Э. Ферми назвал частицу-невидимку "нейтрино".

Нейтрино (итал. neutrino, уменьшительное от neutrone - нейтрон), стабильная незаряженная элементарная частица со спином 1/2 и, возможно, нулевой массой. Нейтрино относится к лептонам. Они участвуют только в слабом и гравитационном взаимодействиях и поэтому чрезвычайно слабо взаимодействуют с веществом. Различают электронное нейтрино, всегда выступающее в паре с электроном или позитроном, мюонное нейтрино, выступающее в паре с мюоном, и тау-нейтрино, связанное с тяжелым лептоном. Каждый тип нейтрино имеет свою античастицу, отличающуюся от нейтрино знаком соответствующего лептонного заряда и спиральностью: нейтрино имеют левую спиральность (спин направлен против движения частицы), а антинейтрино - правую (спин - по направлению движения).

Но предсказание и обнаружение нейтрино - это только начало проблемы, ее постановка. Нужно было объяснить природу нейтрино, но здесь оставалось много загадочного. Дело в том, что и электроны и нейтрино испускались нестабильными ядрами. Но было неопровержимо доказано, что внутри ядер таких частиц нет. Как же они возникали? Было высказано предположение, что электроны и нейтрино не существуют в ядре в "готовом виде", а каким-то образом образуются из энергии радиоактивного ядра. Дальнейшие исследования показали, что входящие в состав ядра нейтроны, предоставленные самим себе, через несколько минут распадаются на протон, электрон и нейтрино, т.е. вместо одной частицы появляются три новые. Анализ приводил к выводу, что известные силы не могут вызвать такой распад. Он, видимо, порождался какой-то иной, неизвестной силой. Исследования показали, что этой силе соответствует некоторое слабое взаимодействие.

Оно гораздо слабее электромагнитного, хотя и сильнее гравитационного. Оно распространяется на очень незначительных расстояниях. Радиус слабого взаимодействия очень мал и составляет около 2*10^(-16)см. Слабое взаимодействие прекращается на минимальном расстоянии от источника и потому не может влиять на макроскопические объекты, а ограничивается отдельными субатомными частицами. В слабом взаимодействии участвуют все элементарные частицы, кроме фотона. Оно обусловливает большинство распадов элементарных частиц, взаимодействия нейтрино с веществом и др. Для слабого взаимодействия характерно нарушение четности, странности, «очарования». Единая теория слабого и электромагнитного взаимодействия была создана в конце б0-х годов С. Вайнбергом, Ш. Глэшоу и А. Саламом. Она описывает взаимодействия кварков и лептонов, осуществляемых посредством обмена четырьмя частицами: безмассовыми фотонами (электромагнитное взаимодействие) и тяжелыми промежуточными векторными бозонами - частицами W+, W- и Z°, которые являются переносчиками слабого взаимодействия (экспериментально открыты в 1983 году). Это единое взаимодействие стало называться электрослабым. С момента построения Максвеллом теории электромагнитного поля создание этой теории явилось самым крупным шагом на пути к единству физики.

1.4. Сильное взаимодействие.

Последнее в ряду фундаментальных взаимодействий - сильное взаимодействие, которое является источником огромной энергии. Наиболее характерный пример энергии, высвобождаемой сильным взаимодействием, - это наше Солнце. В недрах Солнца и звезд, начиная с определенного времени, непрерывно протекают термоядерные реакции, вызываемые сильным взаимодействием. Но и человек научился высвобождать сильное взаимодействие: создана водородная бомба, сконструированы и совершенствуются технологии управляемой термоядерной реакции.

К представлению о существовании сильного взаимодействия физика шла в ходе изучения структуры атомного ядра. Какая-то сила должна удерживать протоны в ядре, не позволяя им разлетаться под действием электростатического отталкивания. Гравитация для этого слишком слаба; очевидно, необходимо какое-то новое взаимодействие, причем, более сильное, чем электромагнитное. Впоследствии оно было обнаружено. Выяснилось, что хотя по своей величине сильное взаимодействие существенно превосходит все остальные фундаментальные взаимодействия, но за пределами ядра оно не ощущается. Радиус действия новой силы оказался очень малым. Сильное взаимодействие резко падает на расстоянии от протона или нейтрона, превышающем примерно 10^(-15) м.

Кроме того, выяснилось, что сильное взаимодействие испытывают не все частицы. Его испытывают протоны и нейтроны, но электроны, нейтрино и фотоны не подвластны ему. Это значит, что в сильном взаимодействии участвуют только адроны.

Сильное взаимодействие превосходит электромагнитное примерно в 100 раз. Теоретическое объяснение природы сильного взаимодействия развивалось трудно. Прорыв наметился в начале 60-х годов, когда была предложена кварковая модель. В этой теории нейтроны и протоны рассматриваются не как элементарные частицы, а как составные системы, построенные из кварков. Современной теорией сильного взаимодействия является квантовая хромодинамика.

Таким образом, в фундаментальных физических взаимодействиях четко прослеживается различие сил дальнодействующих и близкодействующих. С одной стороны, имеют место взаимодействия неограниченного радиуса действия (гравитация, электромагнетизм), а с другой - взаимодействия малого радиуса действия (сильное и слабое). Мир физических элементов в целом развертывается в единстве этих двух полярностей и является воплощением единства предельно малого и предельно большого - близкодействия в микромире и дальнодействия во всей Вселенной.

1.5. Проблема единства физики.

Познание есть обобщение действительности, и поэтому цель науки - поиск единства в природе, связывание разрозненных фрагментов знания в единую картину. Для того чтобы создать единую систему, нужно открыть связующее звено между различными отраслями знания, некоторое фундаментальное отношение. Поиск таких связей и отношений - одна из главных задач научного исследования. Всякий раз, когда удается установить такие новые связи, значительно углубляется понимание окружающего мира, формируются новые способы познания, которые указывают путь к не известным ранее явлениям.

Установление глубинных связей между различными областями природы - это одновременно и синтез знания, и метод, направляющий научные исследования по новым, непроторенным дорогам. Выявление Ньютоном связи между притяжением тел в земных условиях и движением планет ознаменовало собой рождение классической механики, на основе которой построена технологическая база современной цивилизации. Установление связи термодинамических свойств газа с хаотическим движением молекул поставило на прочную основу атомно-молекулярную теорию вещества. В середине прошлого столетия Максвелл создал единую электромагнитную теорию, охватившую как электрические, так и магнитные явления. Затем в 20-х годах ХХ века Эйнштейн предпринимал попытки объединить в единой теории электромагнетизм и гравитацию.

Но к середине ХХ века положение в физике радикально изменилось: были открыты два новых фундаментальных взаимодействия - сильное и слабое, т.е. при создании единой физики приходится считаться уже не с двумя, а с четырьмя фундаментальными взаимодействиями. Это несколько охладило пыл тех, кто надеялся на быстрое решение данной проблемы. Но сам замысел под сомнение всерьез не ставился, и увлеченность идеей единого описания не прошла.

Существует точка зрения, что все четыре (или хотя бы три) взаимодействия представляют собой явления одной природы и должно быть найдено их единое теоретическое описание. Перспектива создания единой теории мира физических элементов на основе одного-единственного фундаментального взаимодействия остается весьма привлекательной. Это главная мечта физиков ХХ века. Но долгое время она оставалась лишь мечтой, и очень неопределенной.

Однако во второй половине ХХ века появились предпосылки осуществления этой мечты и уверенность, что это дело отнюдь не отдаленного будущего. Похоже, что вскоре она вполне может стать реальностью. Решающий шаг на пути к единой теории был сделан в 60-70-х годах с созданием сначала теории кварков, а затем и теории электрослабого взаимодействия. Есть основания для мнения, что мы стоим на пороге более могущественного и глубокого объединения, чем когда-либо ранее. Среди физиков усиливается убеждение, что начинают вырисовываться контуры единой теории всех фундаментальных взаимодействий - Великого объединения.

2. Классификация элементарных частиц.

2.1. Характеристики субатомных частиц.

Обнаружение на рубеже ХIХ-ХХ веков мельчайших носителей свойств вещества - молекул и атомов - и установление того факта, что молекулы построены из атомов, впервые позволило описать все известные вещества как комбинации конечного, хотя и большого, числа структурных составляющих - атомов. Выявление в дальнейшем наличия составных слагающих атомов - электронов и ядер, установление сложной природы ядер, оказавшихся построенными всего из двух типов частиц (протонов и нейтронов), существенно уменьшило количество дискретных элементов, формирующих свойства вещества. Нельзя с уверенностью утверждать, что частицы, элементарные в смысле приведённого определения, существуют. Протоны и нейтроны, например, длительное время считавшиеся элементарными, как выяснилось, имеют сложное строение. Не исключена возможность того, что последовательность структурных составляющих материи принципиально бесконечна. Может оказаться также, что утверждение «состоит из...» на какой-то ступени изучения материи окажется лишённым содержания. От данного выше определения «элементарности» в этом случае придется отказаться. Существование элементарных (субатомных) частиц - это своего рода постулат, и проверка его справедливости - одна из важнейших задач физики.

Характеристиками субатомных частиц являются масса, электрический заряд, спин (собственный момент количества движения), время жизни частицы, магнитный момент, пространственная четность, зарядовая четность, лептонный заряд, барионный заряд, странность, «очарование» и др.

Когда говорят о массе частицы, имеют в виду ее массу покоя, поскольку эта масса не зависит от состояния движения. Частица, имеющая нулевую массу покоя, движется со скоростью света (фотон). Нет двух частиц с одинаковыми массами. Электрон - самая легкая частица с ненулевой массой покоя. Протон и нейтрон тяжелее электрона почти в 2000 раз. А самая тяжелая из известных элементарных частиц (Z - частица) обладает массой в 200 000 раз больше массы электрона.

Электрический заряд меняется в довольно узком диапазоне и всегда кратен фундаментальной единице заряда - заряду электрона (-1). Некоторые частицы, такие как фотон и нейтрино, вовсе не имеют заряда.

Важная характеристика частицы - спин. Он не имеет классического аналога и, безусловно, указывает на “внутреннюю сложность” микрообъекта. Правда, иногда с понятием спина пытаются сопоставить модель объекта, вращающегося вокруг своей оси (само слово “спин” переводится как “веретено”). Такая модель наглядна, но неверна. Во всяком случае ее нельзя принимать буквально. Встречающийся в литературе термин “вращающийся микрообъект” означает отнюдь не вращение микрообъекта, а лишь наличие у него специфического внутреннего момента импульса. Для того, чтобы этот момент “превратился” в классический момент импульса (и тем самым объект действительно начал бы вращаться), необходимо потребовать выполнение условия s >> 1 (много больше единицы). Однако такое условие никогда не выполняется. Спин также всегда кратен некоторой фундаментальной единице, которая выбрана равной Ѕ. Спин у всех частиц одного вида одинаков. Обычно спины частиц измеряют в единицах постоянной Планка ћ. Он может быть целым (0, 1, 2,...) или полуцелым (1/2, 3/2,...). Так, протон, нейтрон и электрон имеют спин Ѕ, а спин фотона равен 1. Известны частицы со спином 0, 3/2, 2. Частица со спином 0 при любом угле поворота выглядит одинаково. Частицы со спином 1 принимают тот же вид после полного оборота на 360°. Частица со спином 1/2 приобретает прежний вид после оборота на 720° и т.д. Частица со спином 2 принимает прежнее положение через пол-оборота (180°). Частиц со спином более 2 не обнаружено, и возможно их вообще не существует. Знание спина микрообъекта позволяет судить о характере его поведения в коллективе себе подобных (иначе говоря, позволяет судить о статистических свойствах микрообъекта). Оказывается, что по своим статистическим свойствам все микрообъекты в природе разделяются на две группы: группа микрообъектов с целочисленным спином и группа микрообъектов с полуцелым спином.

Микрообъекты первой группы способны “заселять” одно и тоже состояние в неограниченном числе, причем тем выше, чем сильнее это состояние “заселено”. О таких микрообъектах говорят, что они подчиняются статистике Бозе - Эйнштейна. Для краткости их называют просто бозонами. Микрообъекты второй группы могут “заселять” состояния только поодиночке. И если рассматриваемое состояние занято, то никакой микрообъект данного типа не может попасть в него. О таких микрообъектах говорят, что подчиняются статистике Ферми - Дирака, а для краткости их называют фермионами. Из элементарных частиц к бозонам относятся фотоны и мезоны, а к фермионам - лептоны (в частности электроны), нуклоны, гипероны.

Частицы характеризуются и временем их жизни. По этому признаку частицы делятся на стабильные и нестабильные. Стабильные частицы - это электрон, протон, фотон и нейтрино. Нейтрон стабилен, когда находится в ядре атома, но свободный нейтрон распадается примерно за 15 минут. Все остальные известные частицы – нестабильны, время их жизни колеблется от нескольких микросекунд до 10n сек (где n = -23). Это означает, что они, когда это время истекает, самопроизвольно, без каких-либо внешних воздействий распадаются, превращаясь в другие частицы. Например, нейтрон самопроизвольно распадается на протон, электрон и электронное антинейтрино. Невозможно предсказать, когда именно произойдет указанный распад того или иного конкретного нейтрона, ведь каждый конкретный акт распада случаен. Каждая нестабильная элементарная частица характеризуется своим временем жизни. Чем меньше время жизни, тем больше вероятность распада частицы. Нестабильность присуща не только элементарным частицам, но и другим микрообъектам. Явление радиоактивности (самопроизвольное превращение изотопов одного химического элемента в изотопы другого, сопровождающееся испусканием частиц) показывает, что нестабильными могут быть атомные ядра. Атомы и молекулы в возбужденных состояниях также оказываются нестабильными: они самопроизвольно переходят в основное или менее возбужденное состояние.

Определяемая вероятностными законами нестабильность есть, наряду с наличием спина, второе сугубо специфическое свойство, присущее микрообъектам. Его также можно рассматривать как указание на некую “внутреннюю сложность” микрообъекта.

Однако нестабильность - это специфическое, но отнюдь не обязательное свойство микрообъекта. Наряду с нестабильными существует много стабильных микрообъектов: фотон, электрон, протон, нейтрино, стабильные атомные ядра, а также атомы и молекулы в основном состоянии.

Лептонный заряд (лептонное число) - внутренняя характеристика лептонов. Он обозначается буквой L. Для лептонов он равен +1, а для антилептонов -1. Различают: электронный лептонный заряд, которым обладают только электроны, позитроны, электронные нейтрино и антинейтрино; мюонный лептонный заряд, которым обладают только мюоны и мюонные нейтрино и антинейтрино; лептонный заряд тяжелых лептонов и их нейтрино. Алгебраическая сумма лептонного заряда каждого типа с очень высокой точностью сохраняется при всех взаимодействиях.

Барионный заряд (барионное число) - одна из внутренних характеристик барионов. Обозначается буквой B. У всех барионов B = +1, а у их античастиц B = -1 (у остальных элементарных частиц B = 0). Алгебраическая сумма барионных зарядов, входящих в систему частиц, сохраняется при всех взаимодействиях.

Странность - целое (нулевое, положительное или отрицательное) квантовое число, характеризующее адроны. Странность частиц и античастиц противоположны по знаку. Адроны с Ѕ, равным 0, называются странными. Странность сохраняется в сильном и электромагнитном взаимодействиях, но нарушается в слабом взаимодействии.

«Очарование» (шарм) - квантовое число, характеризующее адроны (или кварки). Оно сохраняется в сильном и электромагнитном взаимодействиях, но нарушается слабым взаимодействием. Частицы с ненулевым значением «очарование» называются «очарованными» частицами.

Магнетон - единица измерения магнитного момента в физике атома, атомного ядра и элементарных частиц. Магнитный момент, обусловленный орбитальным движением электронов в атоме и их спином, измеряется в магнетонах Бора. Магнитный момент нуклонов и ядер измеряется в ядерных магнетонах.

Четность - еще одна характеристика субатомных частиц. Четность - это квантовое число, характеризующее симметрию волновой функции физической системы или элементарной частицы при некоторых дискретных преобразованиях: если при таком преобразовании функция не меняет знака, то четность положительна, если меняет, то четность отрицательна. Для абсолютно нейтральных частиц (или систем), которые тождественны своим античастицам, кроме четности пространственной, можно ввести понятия зарядовой четности и комбинированной четности (для остальных частиц замена их античастицами меняет саму волновую функцию).

Пространственная четность - квантовомеханическая характеристика, отражающая свойства симметрии элементарных частиц или их систем при зеркальном отражении (пространственной инверсии). Эта четность обозначается буквой Р и сохраняется во всех взаимодействиях, кроме слабого.

Зарядовая четность - четность абсолютной нейтральной элементарной частицы или системы, соответствующая операции зарядового сопряжения. Зарядовая четность также сохраняется во всех взаимодействиях, кроме слабого.

Комбинированная четность - четность абсолютно нейтральной частицы (или системы) относительно комбинированной инверсии. Комбинированная четность сохраняется во всех взаимодействиях, за исключением распадов долгоживущего нейтрального К - мезона, вызванных слабым взаимодействием (причина этого нарушения комбинированной четности пока не выяснена).

2.2. История открытия элементарных частиц.

Представление о том, что мир состоит из фундаментальных частиц, имеет долгую историю. Впервые мысль о существовании мельчайших невидимых частиц, из которых состоят все окружающие предметы, была высказана за 400 лет до нашей эры греческим философом Демокритом. Он назвал эти частицы атомами, т. е. неделимыми частицами. Наука начала использовать представление об атомах только в начале XIX века, когда на этой основе удалось объяснить целый ряд химических явлений. В 30-е годы XIX века в теории электролиза, развитой М. Фарадеем, появилось понятие иона и было выполнено измерение элементарного заряда. Но примерно с середины XIX века стали появляться экспериментальные факты, которые ставили под сомнение представления о неделимости атомов. Результаты этих экспериментов наводили на мысль о том, что атомы имеют сложную структуру и что в их состав входят электрически заряженные частицы. Это подтвердил французский физик Анри Беккерель, который в 1896 году открыл явление радиоактивности.

Затем последовало открытие первой элементарной частицы английским физиком Томсоном в 1897 году. Это был электрон, который окончательно обрел статус реального физического объекта и стал первой известной элементарной частицей в истории человечества. Его масса примерно в 2000 раз меньше массы атома водорода и равна:

m = 9.11*10^(-31) кг.

Отрицательный электрический заряд электрона называется элементарным и равен:

e = 0.60*10^(-19) Кл.

Анализ атомных спектров показывает, что спин электрона равен 1/2, а его магнитный момент равен одному магнетону Бора. Электроны подчиняются статистике Ферми, так как они обладают полуцелым спином. Это согласуется с экспериментальными данными о структуре атомов и о поведении электронов в металлах. Электроны участвуют в электромагнитных, слабых и гравитационных взаимодействиях.

Второй открытой элементарной частицей был протон (от греч. protos - первый). Эту элементарную частицу открыл в 1919 году Резерфорд, исследуя продукты расщепления ядер атомов различных химических элементов. В буквальном смысле протон – ядро атома самого легкого изотопа водорода - протия. Спин протона равен 1/2. Протон обладает положительным элементарным зарядом +e. Его масса равна:

m = 1.67*10^(-27) кг.

или примерно 1836 масс электрона. Протоны входят в состав ядер всех атомов химических элементов. После этого в 1911 году Резерфордом была предложена планетарная модель атома, которая помогла ученым в дальнейших исследованиях состава атомов.

В 1932 году Дж. Чедвик открыл третью элементарную частицу нейтрон (от лат. neuter - ни тот, ни другой), который не имеет электрического заряда и обладает массой примерно 1839 масс электрона. Спин нейтрона также равен 1/2.

Вывод о существовании частицы электромагнитного поля - фотона - берёт своё начало с работы М. Планка (1900 год). Предположив, что энергия электромагнитного излучения абсолютно чёрного тела квантованна (т.е. состоит из квантов), Планк получил правильную формулу для спектра излучения. Развивая идею Планка, А. Эйнштейн (1905 год) постулировал, что электромагнитное излучение (свет) в действительности является потоком отдельных квантов (фотонов), и на этой основе объяснил закономерности фотоэффекта. Прямые экспериментальные доказательства существования фотона были даны Р. Милликеном в 1912 - 1915 годах и А. Комптоном в 1922 году.

Открытие нейтрино - частицы, почти не взаимодействующей с веществом, ведёт своё начало от теоретической догадки В. Паули в 1930 году, позволившей за счёт предположения о рождении такой частицы устранить трудности с законом сохранения энергии в процессах бета-распада радиоактивных ядер. Экспериментально существование нейтрино было подтверждено лишь в 1953 году Ф. Райнесем и К. Коуэном.

Но в веществе состоят не только частицы. Также существуют античастицы - элементарные частицы, имеющие те же массу, спин, время жизни и некоторые другие внутренние характеристики, что и их «двойники»-частицы, но отличающиеся от частиц знаками электрического заряда и магнитного момента, барионного заряда, лептонного заряда, странности и др. Все элементарные частицы, кроме абсолютно нейтральных, имеют свои античастицы.

Первой открытой античастицей стал позитрон (от лат. positivus - положительный) - частица с массой электрона, но положительным электрическим зарядом. Эта античастица была обнаружена в составе космических лучей американским физиком Карлом Дейвидом Андерсоном в 1932 году. Интересно то, что существование позитрона было теоретически предсказано английским физиком Полем Дираком почти за год до экспериментального открытия. Более того, Дирак предсказал так называемые процессы аннигиляции (исчезновения) и рождения электронно-позитронной пары. Сама по себе аннигиляция пары - один из видов превращений элементарных частиц, происходящий при столкновении частицы с античастицей. При аннигиляции частица и античастица исчезают, превращаясь в другие частицы, число и сорт которых лимитируются законами сохранения. Процесс, обратный аннигиляции, - рождение пары. Сам по себе позитрон стабилен, но в веществе из-за аннигиляции с электронами существует очень короткое время. Аннигиляция электрона и позитрона заключается в том, что они при встрече исчезают, превращаясь в γ- кванты (фотоны). А при столкновении γ- кванта с каким-либо массивным ядром происходит рождение электронно-позитронной пары.

В 1955 году была обнаружена еще одна античастица - антипротон, а несколько позже - антинейтрон. Антинейтрон, так же как и нейтрон, не имеет электрического заряда, но он, бесспорно, относится к античастицам, поскольку участвует в процессе аннигиляции и рождения пары нейтрон - антинейтрон.

Возможность получения античастиц привела ученых к идее о создании антивещества. Атомы антивещества должны быть построены таким образом: в центре атома - отрицательно заряженное ядро, состоящее из антипротонов и антинейтронов, а вокруг ядра обращаются позитроны, имеющие положительный заряд. В целом атом также получается нейтрален. Эта идея получила блестящее экспериментальное подтверждение. В 1969 году на ускорителе протонов в городе Серпухове советские физики получили ядра атомов антигелия. Также в 2002 году на ускорителе ЦЕРНа в Женеве было получено 50000 атомов антиводорода. Но, несмотря на это, скопления антивещества во Вселенной пока не обнаружены. Также становится ясно, что при малейшем взаимодействии антивещества с любым веществом произойдет их аннигиляция, которая будет сопровождаться огромным выбросом энергии, в несколько раз превосходящей энергию атомных ядер, что крайне небезопасно для людей и окружающей среды.

В настоящее время экспериментально обнаружены античастицы почти всех известных элементарных частиц.

Большую роль в физике элементарных частиц играют законы сохранения, устанавливающие равенство между определенными комбинациями величин, характеризующих начальное и конечное состояние системы. Арсенал законов сохранения в квантовой физике больше, чем в классической. Он пополнился законами сохранения различных четностей (пространственной, зарядовой), зарядов (лептонного, барионного и др.), внутренних симметрий, свойственных тому или иному типу взаимодействия.

Выделение характеристик отдельных субатомных частиц - важный, но только начальный этап познания их мира. На следующем этапе нужно еще понять, какова роль каждой отдельной частицы, каковы ее функции в и структуре материи.

Физики выяснили, что прежде всего свойства частицы определяются ее способностью (или неспособностью) участвовать в сильном взаимодействии. Частицы, участвующие в сильном взаимодействии, образуют особый класс и называются адронами. Частицы, участвующие в слабом взаимодействии и не участвующие в сильном, называются лептонами. Кроме того, существуют частицы-переносчики взаимодействий.

2.3. Лептоны.

Лептоны считаются истинно элементарными частицами. Хотя лептоны могут иметь электрический заряд, а могут и не иметь, спин у всех у них равен 1/2. Среди лептонов наиболее известен электрон. Электрон - это первая из открытых элементарных частиц. Как и все остальные лептоны, электрон, по-видимому, является элементарным (в собственном смысле этого слова) объектом. Насколько известно, электрон не состоит из каких-то других частиц.

Другой хорошо известный лептон - нейтрино. Нейтрино являются наиболее распространенными частицами по Вселенной. Вселенную можно представить безбрежным нейтринным морем, в котором изредка встречаются острова в виде атомов. Но несмотря на такую распространенность нейтрино, изучать их очень сложно. Как мы уже отмечали, нейтрино почти неуловимы. Не участвуя ни в сильном, ни в электромагнитном взаимодействиях, они проникают через вещество, как будто его вообще нет. Нейтрино - это некие "призраки физического мира".

Достаточно широко распространены в природе мюоны, на долю которых приходится значительная часть космического излучения. Во многих отношениях мюон напоминает электрон: имеет тот же заряд и спин, участвует в тех те взаимодействиях, но имеет большую массу (около 207 масс электрона) и нестабилен. Примерно за две миллионные доли секунды мюон распадается на электрон и два нейтрино. В конце 70-х годов был обнаружен третий заряженный лептон, получивший название "тау-лептон". Это очень тяжелая частица. Ее масса около 3500 масс электрона. Но во всем остальном он ведет себя подобно электрону и мюону.

В 60-х годах список лептонов значительно расширился. Было установлено, что существует несколько типов нейтрино: электронное нейтрино, мюонное нейтрино и тау-нейтрино. Таким образом, общее число разновидностей нейтрино равно трем, а общее число лептонов - шести. Разумеется, у каждого лептона есть своя античастица; таким образом, общее число различных лептонов равно двенадцати. Нейтральные лептоны участвуют только в слабом взаимодействии; заряженные - в слабом и электромагнитном. Все лептоны участвуют в гравитационном взаимодействии, но не способны к сильным.

2.4. Адроны.

Если лептонов существует чуть свыше десятка, то адронов сотни. Такое множество адронов наводит на мысль, что адроны не элементарные частицы, а построены из более мелких частиц. Все адроны встречаются в двух разновидностях - электрически заряженные и нейтральные. Среди адронов наиболее известны и широко распространены нейтрон и протон, которые в свою очередь относятся к классу нуклонов. Остальные адроны короткоживущие и быстро распадаются. Адроны участвуют во всех фундаментальных взаимодействиях. Они делятся на барионы и мезоны. К барионам относятся нуклоны и гипероны.

Для объяснения существования ядерных сил взаимодействия между нуклонами квантовая теория требовала существования особых элементарных частиц с массой больше массы электрона, но меньше массы протона. Эти предсказанные квантовой теорией частицы позже были названы мезонами. Мезоны были обнаружены экспериментально. Их оказалось целое семейство. Все они оказались короткоживущими нестабильными частицами, живущими в сободном состоянии миллиардные доли секунды. Например, заряженный пи-мезон или пион, имеет массу покоя 273 электронных массы и время жизни:

t = 2.6*10^(-8) с.

Далее при исследованиях на ускорителях заряженных частиц были обнаружены частицы с массами, превосходящими массу протона. Эти частицы были названы гиперонами. Их обнаружилось даже больше, чем мезонов. К семейству гиперонов относятся: лямбда-, сигма-, кси- и омега-минус-гипероны.

Существование и свойства большинства известных адронов были установлены в опытах на ускорителях. Открытие множества разнообразных адронов в 50-60-x годах крайне озадачило физиков. Но со временем адроны удалось классифицировать по массе, заряду и спину. Постепенно стала выстраиваться более или менее четкая картина. Появились конкретные идеи о том, как систематизировать хаос эмпирических данных, раскрыть тайну адронов в научной теории. Решающий шаг здесь был сделан в 1963 году, когда была предложена теория кварков.

2.5. Теория кварков.

Теория кварков - это теория строения адронов. Основная идея этой теории очень проста. Все адроны построены из более мелких частиц, называемых кварками. Значит, кварки - это более элементарные частицы, чем адроны. Кварки являются гипотетическими частицами, т.к. не наблюдались в свободном состоянии. Барионный заряд кварков равен 1/3. Они несут дробный электрический заряд: они обладают зарядом, величина которого составляет либо -1/3 или +2/3 фундаментальной единицы - заряда электрона. Комбинация из двух и трех кварков может иметь суммарный заряд, равный нулю или единице. Все кварки имеют спин Ѕ, поэтому они относятся к фермионам. Основоположники теории кварков Гелл-Манн и Цвейг, чтобы учесть все известные в 60-е годы адроны ввели три сорта (цвета) кварков: u (от up - верхний), d (от down - нижний) и s (от strange - странный).

Кварки могут соединяться друг с другом одним из двух возможных способов: либо тройками, либо парами кварк - антикварк. Из трех кварков состоят сравнительно тяжелые частицы - барионы. Наиболее известны из барионов нейтрон и протон. Более легкие пары кварк - антикварк образуют частицы, получившие название мезоны - "промежуточные частицы". Например, протон состоит из двух u-кварков и одного d-кварков (uud), а нейтрон - из двух d-кварков и одного u-кварка (udd). Чтобы это "трио" кварков не распадалось, необходима удерживающая их сила, некий "клей".

Оказалось, что результирующее взаимодействие между нейтронами и протонами в ядре представляет собой просто остаточный эффект более мощного взаимодействия между самими кварками. Это объяснило, почему сильное взаимодействие кажется столь сложным. Когда протон "прилипает" к нейтрону или другому протону, во взаимодействии участвуют шесть кварков, каждый из которых взаимодействует со всеми остальными. Значительная часть сил тратится на прочное склеивание трио кварков, а небольшая - на скрепление двух трио кварков друг с другом. Но позднее выяснилось, что кварки участвуют и в слабом взаимодействии. Слабое взаимодействие может изменять цвет кварка. Именно так происходит распад нейтрона. Один из d-кварков в нейтроне превращается в u-кварк, а избыток заряда уносит рождающийся одновременно электрон. Аналогичным образом, изменяя аромат, слабое взаимодействие приводит к распаду и других адронов.

То обстоятельство, что из различных комбинаций трех основных частиц можно получить все известные адроны, стало триумфом теории кварков. Но в 70-е годы были открыты новые адроны (пси-частицы, ипсилон-мезон и др.). Этим был нанесен удар первому варианту теории кварков, поскольку в ней уже не было места ни для одной новой частицы. Все возможные комбинации из кварков и их антикварков были уже исчерпаны.

Проблему удалось решить за счет введения трех новых цветов. Они получили название - с - кварк (charm - очарование), b - кварк (от bottom - дно, а чаще beauty - красота, или прелесть), и впоследствии был введен еще один цвет - t (от top - верхний).

До настоящего времени кварки и антикварки в свободном виде не наблюдались. Однако сомнений в реальности их существования практически не осталось. Более того, ведутся поиски следующих за кварками «настоящих» элементарных частиц - глюонов, которые являются носителями взаимодействий между кварками, т.к. кварки скрепляются между собой сильным взаимодействием, а глюоны (цветовые заряды) являются переносчиками сильного взаимодействия. Область физики элементарных частиц, изучающая взаимодействие кварков и глюонов, носит название квантовой хромодинамики. Как квантовая электродинамика - теория электромагнитного взаимодействия, так квантовая хромодинамика - теория сильного взаимодействия. Квантовая хромодинамика - квантовополевая теория сильного взаимодействия кварков и глюонов, которое осуществляется путем обмена между ними - глюонами (аналогами фотонов в квантовой электродинамике). В отличие от фотонов, глюоны взаимодействуют друг с другом, что приводит, в частности, к росту силы взаимодействия между кварками и глюонами при удалении их друг от друга. Предполагается, что именно это свойство определяет короткодействие ядерных сил и отсутствие в природе свободных кварков и глюонов.

По современным представлениям, адроны имеют сложную внутреннюю структуру: барионы состоят из 3 кварков, мезоны - из кварка и антикварка.

Хотя и существует некоторая неудовлетворенность кварковой схемой, большинство физиков считает кварки подлинно элементарными частицами - точечными, неделимыми и не обладающими внутренней структурой. В этом отношении они напоминают лептоны, и уже давно предполагается, что между этими двумя различными, но сходными по своей структуре семействами должна существовать глубокая взаимосвязь.

Таким образом, наиболее вероятное число истинно элементарных частиц (не считая переносчиков фундаментальных взаимодействий) на конец ХХ века равно 48. Из них: лептонов (6х2) = 12 и кварков (6х3)х2 =36.

2.6. Частицы - переносчики взаимодействий.

Перечень известных частиц не исчерпывается перечисленными частицами - лептонами и адронами, которые образуют строительный материал вещества. В этот перечень не включен, например, фотон. Есть также еще один тип частиц, которые не являются непосредственно строительным материалом материи, а обеспечивают все четыре фундаментальных взаимодействия, т.е. образуют своего рода "клей", не позволяющий миру распадаться на части. Такие частицы называются переносчиками взаимодействий, причем отдельный вид частиц переносит свои взаимодействия.

Переносчиком электромагнитного взаимодействия между заряженными частицами выступает фотон. Фотон - квант электромагнитного излучения, нейтральная частица с нулевой массой. Спин фотона равен 1.

Теория электромагнитного взаимодействия была представлена квантовой электродинамикой.

Переносчики сильного взаимодействия - глюоны. Это гипотетические электрически нейтральные частицы с нулевой массой и спином 1. Подобно кваркам, глюоны обладают квантовой характеристикой «цвет». Глюоны - переносчики взаимодействия между кварками, т.к. связывают их попарно или тройками.

Переносчики слабого взаимодействия три частицы - W+, W- и Z° бозоны. Они были открыты лишь в 1983 г. Радиус слабого взаимодействия чрезвычайно мал, поэтому его переносчиками должны быть частицы с большими массами покоя. В соответствии с принципом неопределенности время жизни частиц с такой большой массой покоя должно быть чрезвычайно коротким - всего лишь около 10n сек (где n = -26). Радиус переносимого этими частицами взаимодействия очень мал потому, что столь короткоживущие частицы не успевают отойти особенно далеко.

Высказывается мнение, что возможно существование и переносчика гравитационного поля - гравитона (в тех теориях гравитации, которые рассматривают ее не (только) как следствие искривления пространства-времени, а как поле). Теоретически, гравитон - квант гравитационного поля, имеющий нулевую массу покоя, нулевой электрический заряд и спин 2. В принципе гравитоны можно зафиксировать в эксперименте. Но поскольку гравитационное взаимодействие очень слабое и в квантовых процессах практически не проявляется, то непосредственно зафиксировать гравитоны очень сложно, и пока это не удалось ни одному ученому.

Классификация частиц на лептоны, адроны и переносчики взаимодействий исчерпывает мир известных нам субатомных частиц. Каждый вид частиц играет свою роль в формировании структуры материи и Вселенной.

3. Теории элементарных частиц.

3.1. Квантовая электродинамика (КЭД).

Квантовая теория объединяет квантовую механику, квантовую статистику и квантовую теорию поля.

Квантовая механика (волновая механика) - теория, устанавливающая способ описания и законы движения микрочастиц в заданных внешних полях. Она позволяет описывать движение элементарных частиц, но не их порождение или уничтожение, т. е. применяется лишь для описания систем с неизменным числом частиц. Квантовая механика - один из основных разделов квантовой теории. Квантовая механика впервые позволила описать структуру атомов и понять их спектры, установить природу химической связи, объяснить периодическую систему элементов и т. д. Так как свойства макроскопических тел определяются движением и взаимодействием образующих их частиц, законы квантовой механики лежат в основе понимания большинства макроскопических явлений. Так, квантовая механика позволила понять многие свойства твердых тел, объяснить явления сверхпроводимости, ферромагнетизма, сверхтекучести и многое др. Квантовомеханические законы лежат в основе ядерной энергетики, квантовой электроники и т. д. В отличие от классической теории, все частицы выступают в квантовой механике как носители и корпускулярных, и волновых свойств, которые не исключают, а дополняют друг друга. Волновая природа электронов, протонов и других частиц подтверждена опытами по дифракции частиц. Состояние квантовой системы описывается волновой функцией, квадрат модуля которой определяет вероятность данного состояния и, следовательно, вероятности для значений физических величин, его характеризующих. Из квантовой механики вытекает, что не все физические величины могут одновременно иметь точные значения. Волновая функция подчиняется принципу суперпозиции, что и объясняет, в частности, дифракцию частиц. Отличительная черта квантовой теории - дискретность возможных значений для ряда физических величин: энергии электронов в атомах, момента количества движения и его проекции на произвольное направление и т. д.; в классической теории все эти величины могут изменяться лишь непрерывно. Фундаментальную роль в квантовой механике играет постоянная Планка ћ - один из основных масштабов природы, разграничивающий области явлений, которые можно описывать классической физикой, от областей, для правильного истолкования которых необходима квантовая теория. Постоянная Планка названа по имени М. Планка. Она равна:

Ћ = h/2π ≈ 1,0546 . 10 ^(-34) Дж. с

Обобщением квантовой механики является квантовая теория поля - это квантовая теория систем с бесконечным числом степеней свободы (физических полей). Квантовая теория поля является основным аппаратом физики элементарных частиц, их взаимодействий и взаимопревращений. Потребность в такой теории порождается квантово-волновым дуализмом, существованием волновых свойств у всех частиц. В квантовой теории поля взаимодействие представляют как результат обмена квантами поля. Эта теория включает теорию электромагнитного (квантовую электродинамику) и слабого взаимодействий, выступающих в современной теории как единое целое (электрослабое взаимодействие), и теорию сильного (ядерного) взаимодействия (квантовую хромодинамику).

Квантовая статистика - статистическая физика квантовых систем, состоящих из большого числа частиц. Для частиц с целым спином - это статистика Бозе Эйнштейна, с полуцелым - статистика Ферми Дирака.

В середине ХХ века была создана теория электромагнитного взаимодействия - квантовая электродинамика КЭД - это продуманная до мельчайших деталей и оснащенная совершенным математическим аппаратом теория взаимодействия фотонов и электронов. В основе КЭД - описание электромагнитного взаимодействия с использованием понятия виртуальных фотонов - его переносчиков. Эта теория удовлетворяет основным принципам как квантовой теории, так и теории относительности.

В центре теории анализ актов испускания или поглощения одного фотона одной заряженной частицей, а также аннигиляции электронно-позитронной пары в фотон или порождение фотонами такой пары.

Если в классическом описании электроны представляются в виде твердого точечного шарика, то в КЭД окружающее электрона электромагнитное поле рассматривается как облако виртуальных фотонов, которое неотступно следует за электроном, окружая его квантами энергии. После того, как электрон испускает фотон, тот порождает (виртуальную) электронно-позитронную пару, которая может аннигилировать с образованием нового фотона. Последний может поглотиться исходным фотоном, но может породить новую пару и т.д. Таким образом электрон покрывается облаком виртуальных фотонов, электронов и позитронов, находящихся в состоянии динамического равновесия. Фотоны возникают и исчезают очень быстро, а электроны движутся в пространстве не по вполне определенным траекториям. Еще можно тем или иным способом определить начальную и конечную точки пути - до и после рассеяния, но сам путь в промежутке между началом и концом движения остается неопределенным.

Описание взаимодействия с помощью частицы-переносчика привело к расширению понятия фотона. Вводятся понятия реального (кванта видимого нами света) и виртуального (скоротечного, призрачного) фотона, который "видят" только заряженные частицы, претерпевающие рассеяние.

Чтобы проверить, согласуется ли теория с реальностью, физики сосредоточили внимание на двух эффектах, представлявших особый интерес. Первый касался энергетических уровней атома водорода - простейшего атома. Согласно КЭД, уровни должны быть слегка смещены относительно положения, которое они занимали бы в отсутствие виртуальных фотонов. Вторая решающая проверка КЭД касалась чрезвычайно малой поправки к собственному магнитному моменту электрона. Теоретические и экспериментальные результаты проверки КЭД совпадают с высочайшей точностью - более девяти знаков после запятой. Столь поразительное соответствие дает право считать КЭД наиболее совершенной из существующих естественно-научных теорий.

После подобного триумфа КЭД была принята как модель для квантового описания трех других фундаментальных взаимодействий. Разумеется, полям, связанным с другими взаимодействиями, должны соответствовать иные частицы-переносчики.

3.2. Теория электрослабого взаимодействия.

В 70-е годы ХХ века в естествознании произошло выдающееся событие: два фундаментальных взаимодействия из четырех физики объединили в одно. Картина фундаментальных оснований природы несколько упростилась. Электромагнитное и слабое взаимодействия, казалось бы весьма разные по своей природе, в действительности оказались двумя разновидностями единого электрослабого взаимодействия. Теория электрослабого взаимодействия решающим образом повлияла на дальнейшее развитие физики элементарных частиц в конце ХХ века.

Главная идея в построении этой теории состояла в описании слабого взаимодействия на языке концепции калибровочного поля, в соответствии с которой ключом к пониманию природы взаимодействий служит симметрия. Одна из фундаментальных идей в физике второй половины ХХ века - это убеждение, что все взаимодействия существуют лишь для того, чтобы поддерживать в природе некий набор абстрактных симметрий. Какое отношение имеет симметрия к фундаментальным взаимодействиям? На первый взгляд, само предположение о существовании подобной связи кажется парадоксальным и непонятным.

Прежде всего о том, что понимается под симметрией. Принято считать, что предмет обладает симметрией, если предмет остается неизменным в результате проведения той или иной операции по его преобразованию. Так, сфера симметрична, потому что выглядит одинаково при повороте на любой угол относительно ее центра. Законы электричества симметричны относительно замены положительных зарядов отрицательными и наоборот. Таким образом, под симметрией мы понимаем инвариантность относительно некой операции.

Существуют разные типы симметрий: геометрические, зеркальные, негеометрические. Среди негеометрических есть так называемые калибровочные симметрии. Калибровочные симметрии носят абстрактный характер и непосредственно не фиксируются. Они связаны с изменением отсчета уровня, масштаба или значения некоторой физической величины. Система обладает калибровочной симметрией, если ее природа остается неизменной при такого рода преобразовании. Так, например, в физике работа зависит от разности высот, а не от абсолютной высоты; напряжение - от разности потенциалов, а не от их абсолютных величин и др. Симметрии, на которых основан пересмотр понимания четырех фундаментальных взаимодействий, именно такого рода. Калибровочные преобразования могут быть глобальными и локальными. Калибровочные преобразования, изменяющиеся от точки к точке, известны под названием "локальных" калибровочных преобразований. В природе существует целый ряд локальных калибровочных симметрий и необходимо соответствующее число полей для компенсации этих калибровочных преобразований. Силовые поля можно рассматривать как средство, с помощью которого в природе создаются присущие ей локальные калибровочные симметрии. Значение концепции калибровочной симметрии заключается в том, что благодаря ей теоретически моделируются все четыре фундаментальных взаимодействия, встречающиеся в природе. Все их можно рассматривать как калибровочные поля.

Представляя слабое взаимодействие в виде калибровочного поля, физики исходят из того, что все частицы, участвующие в слабом взаимодействии, служат источниками поля нового типа - поля слабых сил. Слабо взаимодействующие частицы, такие, как электроны и нейтрино, являются носителями "слабого заряда", который аналогичен электрическому заряду и связывает эти частицы со слабым полем.

Для представления поля слабого взаимодействия как калибровочного прежде всего необходимо установить точную форму соответствующей калибровочной симметрии. Дело в том, что симметрия слабого взаимодействия гораздо сложнее электромагнитного. Ведь и сам механизм этого взаимодействия оказывается более сложным. Во-первых, при распаде нейтрона, например, в слабом взаимодействии участвуют частицы по крайней мере четырех различных типов (нейтрон, протон, электрон и нейтрино). Во-вторых, действие слабых сил приводит к изменению их природы (превращению одних частиц в другие за счет слабого взаимодействия). Напротив, электромагнитное взаимодействие не изменяет природы участвующих в нем частиц.

Это определяет то обстоятельство, что слабому взаимодействию соответствует более сложная калибровочная симметрия, связанная с изменением природы частиц. Выяснилось, что для поддержания симметрии здесь необходимы три новых силовых поля, в отличие от единственного электромагнитного поля. Было получено и квантовое описание этих трех полей: должны существовать три новых типа частиц - переносчиков взаимодействия, по одному для каждого поля. Все вместе они называются тяжелыми векторными бозонами со спином 1 и являются переносчиками слабого взаимодействия.

Частицы W+ и W- являются переносчиками двух из трех связанных со слабым взаимодействием полей. Третье поле соответствует электрически нейтральной частице-переносчику, получившей название Z - частицы. Существование Z - частицы означает, что слабое взаимодействие может не сопровождаться переносом электрического заряда.

В создании теории электрослабого взаимодействия ключевую роль сыграло понятие спонтанного нарушения симметрии: не всякое решение задачи обязано обладать всеми свойствами его исходного уровня. Так, частицы, совершенно разные при низких энергиях, при высоких энергиях могут оказаться на самом деле одной и той же частицей, но находящейся в разных состояниях. Опираясь на идею спонтанного нарушения симметрии, авторы теории электрослабого взаимодействия Вайнберг и Салам сумели решить великую теоретическую проблему - они совместили казалось бы несовместимые вещи: значительную массу переносчиков слабого взаимодействия, с одной стороны, и идею калибровочной инвариантности, которая предполагает дальнодействующий характер калибровочного поля, а значит нулевую массу покоя частиц-переносчиков, с другой. Таким образом соединили электромагнетизм и слабое взаимодействие в единой теории калибровочного поля.

В этой теории представлено всего четыре поля: электромагнитное поле и три поля, соответствующие слабым взаимодействиям. Кроме того, введено постоянное на всем пространстве скалярное поле (разновидность поля Хиггса), с которым частицы взаимодействуют по разному, что и определяет различие их масс. Кванты скалярного поля представляют собой новые элементарные частицы с нулевым спином. Их называют хиггсовскими (по имени физика П. Хиггса, предположившего их существование). Число таких хиггсовских бозонов может достигать нескольких десятков. На опыте такие бозоны пока не обнаружены. Более того, ряд физиков считает их существование необязательным, но совершенной теоретической модели без хиггсовскмих бозонов пока не найдено. Первоначально W и Z - кванты не имеют массы, но нарушение симметрии приводит к тому, что некоторые частицы Хиггса сливаются с W и Z - частицами, наделяя их массой.

Различия свойств электромагнитного и слабого взаимодействий теория объясняется нарушением симметрии. Если бы симметрия не нарушалась, то оба взаимодействия были бы сравнимы по величине. Нарушение симметрии влечет за собой резкое уменьшение слабого взаимодействия. Можно сказать, что слабое взаимодействие имеет столь малую величину потому, что W и Z - частицы очень массивны. Лептоны редко сближаются на столь малые расстояния (r 10n см., где n = -16). Но при больших энергиях (> 100 Гэв), когда частицы W и Z могут свободно рождаться, обмен W и Z - бозонами осуществляется столь же легко, как и обмен фотонами (безмассовыми частицами). Разница между фотонами и бозонами стирается.В этих условиях должно существовать полная симметрия между электромагнитным и слабым взаимодействием - электрослабое взаимодействие.

Проверка новой теории заключалась в подтверждении существования гипотетических W и Z - частиц. Их открытие стало возможным только с созданием очень больших ускорителей новейшего типа. Открытие в 1983 году W и Z - частиц означало торжество теории электрослабого взаимодействия. Не было больше нужды говорить о четырех фундаментальных взаимодействиях. Их осталось три.

3.3. Квантовая хромодинамика.

Следующий шаг на пути Великого объединения фундаментальных взаимодействий - слияние сильного взаимодействия с электрослабым. Для этого необходимо придать черты калибровочного поля сильному взаимодействию и ввести обобщенное представление об изотопической симметрии. Сильное взаимодействие можно представлять как результат обмена глюонами, которые обеспечивают связь кварков (попарно или тройками) в адроны.

Замысел здесь состоит в следующем. Каждый кварк обладает аналогом электрического заряда, служащим источником глюонного поля. Его назвали цветом (разумеется, это название не имеет никакого отношения к обычному цвету). Если электромагнитное поле порождается зарядом только одного сорта, то для создания более сложного глюонного поля потребовалось три различных цветовых заряда. Каждый кварк "окрашен" в один из трех возможных цветов, которые совершенно произвольно были названы красным, зеленым и синим. И соответственно антикварки бывают антикрасные, антизеленые и антисиние.

На следующем этапе теория сильного взаимодействия развивается по той же схеме, что и теория слабого взаимодействия. Требование локальной калибровочной симметрии (т.е. инвариантности относительно изменений цвета в каждой точке пространства) приводит к необходимости введения компенсирующих силовых полей. Всего требуется восемь новых компенсирующих силовых полей. Частицами-переносчиками этих полей являются глюоны, и, таким образом, из теории следует, что должно быть целых восемь различных типов глюонов, в то время как переносчик электромагнитного взаимодействия - всего лишь один (фотон), а переносчиков слабого взаимодействия - три. Глюоны имеют нулевую массу покоя и спин 1. Глюоны также имеют различные цвета, но не чистые, а смешанные (например, сине-антизеленый). Поэтому, испускание или поглощение глюона сопровождается изменением цвета кварка ("игра цветов"). Так, например, красный кварк, теряя красно-антисиний глюон, превращается в синий кварк, а зеленый кварк, поглощая сине-антизеленый глюон, превращается в синий кварк. В протоне, например, три кварка постоянно обмениваются глюонами, изменяя свой цвет. Однако такие изменения носят не произвольный характер, а подчиняются жесткому правилу: в любой момент времени "суммарный" цвет трех кварков должен представлять собой белый свет, т.е. сумму "красный + зеленый + синий". Это распространяется и на мезоны, состоящие из пары кварк - антикварк. Поскольку антикварк характеризуется антицветом, такая комбинация заведомо бесцветна ("белая"), например красный кварк в комбинации с антикрасным кварком образует бесцветный мезон.

С точки зрения квантовой хромодинамики (квантовой теории цвета) сильное взаимодействие есть не что иное, как стремление поддерживать определенную абстрактную симметрию природы: сохранение белого цвета всех адронов при изменении цвета их составных частей. Квантовая хромодинамика великолепно объясняет правила, которым подчиняются все комбинации кварков, взаимодействие глюонов между собой, сложную структуру адрона, состоящего из "одетых" в облака кварков и др.

Возможно, пока преждевременно оценивать квантовую хромодинамику как окончательную и завершенную теорию сильного взаимодействия, но тем не менее ее достижения многообещающи.

3.4. На пути к... Великому объединению.

С созданием квантовой хромодинамики появилась надежда на создание единой теории всех (или хотя бы трех из четырех) фундаментальных взаимодействий. Модели, единым образом описывающие хотя бы три из четырех фундаментальных взаимодействий, называются моделями Великого объединения. Теоретические схемы, в рамках которых объединяются все известные типы взаимодействий (сильное, слабое, электромагнитное и гравитационное) называются моделями супергравитации.

Опыт успешного объединения слабого и электромагнитного взаимодействий на основе идеи калибровочных полей подсказал возможные пути дальнейшего развития принципа единства физики, объединения фундаментальных физических взаимодействий. Один из них основан на том удивительном факте, что константы взаимодействия электромагнитного, слабого и сильного взаимодействий становятся равными друг другу при одной и той же энергии. Эту энергию называли энергией объединения. При энергии более 10n ГэВ, где n = 14 или на расстояниях r 10n см, где n = -29 , сильные и слабые взаимодействия описываются единой константой, т. е. имеют общую природу. Кварки и лептоны здесь практически не различимы.

В 70-90-е годы было разработано несколько конкурирующих между собой теорий Великого объединения. Все они основаны на одной и той же идее. Если электрослабое и сильное взаимодействия в действительности представляют собой лишь две стороны великого единого взаимодействия, то последнему также должно соответствовать калибровочное поле с некоторой сложной симметрией. Она (симметрия) должна быть достаточно общей, способной охватить все калибровочные симметрии, содержащиеся и в квантовой хромодинамике и в теории электрослабого взаимодействия. Отыскание такой симметрии - главная задача на пути создания единой теории сильного и электрослабого взаимодействия. Существуют разные подходы, порождающие конкурирующих варианты теорий Великого объединения.

Тем не менее все эти гипотетические варианты Великого объединения имеют ряд общих особенностей:

Во-первых, во всех гипотезах кварки и лептоны - носители сильного и электрослабого взаимодействий - включаются в единую теоретическую схему. До сих пор они рассматривались как совершенно различные объекты.

Во-вторых, привлечение абстрактных калибровочных симметрий приводит к открытию новых типов полей, обладающих новыми свойствами, например, способностью превращать кварки в лептоны. В простейшем варианте теории Великого объединения для превращения кварков в лептоны требуется двадцать четыре поля. Двенадцать из квантов этих полей уже известны: фотон, две W - частицы, Z - частица и восемь глюонов. Остальные двенадцать квантов - новые сверхтяжелые промежуточные бозоны, объединенные общим названием Х и У - частицы (с электрическим зарядом 1/3 и 4/3). Эти кванты соответствуют полям, поддерживающим более широкую калибровочную симметрию и перемешивающим кварки с лептонами. Следовательно, кванты этих полей (т.е. Х и У - частицы) могут превращать кварки в лептоны (и наоборот).

На основе теорий Великого объединения предсказаны по крайней мере две важных закономерности, которые могут и должны быть проверены экспериментально: нестабильность протона и существование магнитных монополей. Экспериментальное обнаружение распада протона и магнитных монополей могло бы стать веским доводом в пользу теорий Великого объединения. На проверку этих предсказаний направлены усилия экспериментаторов. Но пока еще твердо установленных экспериментальных данных на этот счет нет. Дело в том, что теории Великого объединения имеют дело с энергией частиц выше 10n ГэВ, где n = 14. Это очень высокая энергия. Трудно сказать, когда удастся получить частицы столь высоких энергий в ускорителях. Этим объясняется, в частности, трудность обнаружения Х и У - бозонов. И потому основной областью применения и проверки теорий Великого объединения является космология. Без этих теорий невозможно описать раннюю стадию эволюции Вселенной, когда температура первичной плазмы достигала 10n К, где n = 27 . Именно в таких условиях могли рождаться и аннигилировать сверхтяжелые частицы.

Таким образом, становится ясно, что доказательство теории Великого объединения - основная задача физиков на сегодняшний день, т.к. эта теория не только поможет связать разрозненные фрагменты человеческих знаний в единую картину, но и сделать шаг на пути к познанию возникновения Вселенной.

Список используемой литературы.

Справочник школьника. 5-11 классы. 2004

Компьютерная энциклопедия Кирилла и Мефодия. 2005

И. Л. Розенталь «Элементарные частицы и структура Вселенной». 1984

Страница 8

В природе между элементарными частицами действует не один, а иногда в одно и то же время несколько типов взаимного влияния и свойства и структура частиц определяется общностью всех типов взаимного влияния, принимающих участие. Например, протон, входящий в адронный тип элементарных частиц, принимает участие в сильном взаимном влиянии, и в электромагнитном взаимном влиянии в связи с тем, что он является электрически заряженной частицей. С другой стороны, протон может зародиться в процессе b распада нейтрона, то есть в слабых взаимных влияниях, таким образом, он связан со слабыми взаимными влияниями. И наконец, протон как материальное образование, обладающее массой, принимает участие в гравитационных взаимных влияниях. В отличие от протона целый ряд элементарных частиц принимают участие во всех типах взаимного влияния, а только в некоторых их типах. Например, нейтрон в силу того, что он является, незаряженной частицей он не принимает участия в электромагнитных взаимных влияниях, а электрон и мю-мезоны – в сильных взаимных влияниях. Фундаментальные взаимные влияния являются причиной превращения частиц – их уничтожения и зарождения. Например, в результате столкновения нейтрона и протона образуются два нейтрона и один положительный пимезон.

Срок превращения элементарных частиц зависит от взаимовлияющей силы. Ядерные реакции, связанные с сильными взаимными влияниями, происходят за 10-24 – 10-23 секунды. Это, период когда элементарная частица переходит в частицу высокой энергии и приобретает скорость, близкую к скорости света, размеры порядка 10-13 см. Обусловленные электромагнитными взаимными влияниями изменения происходят за 10-21 – 10-19 секунды, обусловленные слабыми взаимными влияниями изменения (например, процесс распада элементарных частиц) – за 10-10 секунды.

К периоду протекания различных изменений, происходящих в микромире, можно подходить с точки зрения рассуждений о создающих взаимных влияниях.

Кванты взаимного влияния элементарных частиц реализуются посредством соответствующих этим частицам физических полей. Под полем в современной квантовой теории понимается система частиц, меняющихся в числе (половые кванты). Состояние, когда поле, и вообще, полевые кванты существуют с самой малой энергией, называется вакуумом. Частицы электромагнитного поля (фотоны) в вакууме в состоянии возбуждения теряют механические свойства, которые они содержат и которые присущи корпускулярной материи (например во время движения тело не чувствует трения).

Вакуум не содержит простые виды материи, однако, не смотря на это он не пустота в истинном смысле слова, так в вакуумном возбуждении возникают кванты электромагнитного поля – фотоны, реализующие электромагнитное взаимное влияние. В вакууме в дополнении электромагнитному полю существуют другие физические поля, в том числе пока не отмеченное в эксперименте по так называемым гравитонным экспериментам гравитационное поле.

Квантовое поле – совокупность квантов, носит дискретный характер. Так взаимные влияния элементарных частиц, их взаимные превращения, излучение и поглощение фотонов носит дискретный характер и происходит только в ситуации квантатирования. В результате возникает такой вопрос: в чём конкретно проявляется непрерывность поля, его континуальность? Как в квантовой электродинамике, так и в квантовой механике состояние поля описывается однозначно не наблюдаемыми реальными явлениями, а только посредством волновой функции, связанной с взаимным понятием. Квадрат модуля этой функции показывает возможность наблюдать рассматриваемые физические явления.

Основная проблема квантовой теории поля – описание различных типов взаимных влияний частиц в соответствующих уравнениях. Эта проблема нашла своё решение пока только в квантовой электродинамике, описывающей взаимные влияния электронов, позитронов и фотонов. Для сильных и слабых взаимных влияний пока не создана квантовая теория поля. В настоящее время эти виды взаимного влияния описываются не строгими методами. Хотя известно, что невозможно понять элементарные частицы если они не находятся в соответствующей физической теории, невозможно понять их структуру, определяемую структурой этих теории. Поэтому проблема структуры элементарных частиц еще до конца не решена.1 Современная физика в настоящий период доказывает существование сложных частиц, которые обладают внутренним строением частиц, считающихся «элементарными». Стало известно, что протон и нейтрон в результате происходящих в них виртуальных процессов подвергаются внутренним превращениям. В результате опытов, проведённых по изучению строения протонов, было определено, что протон, считавшийся до последнего времени неделимым, самым простым и бесструктурным в действительности является сложной частицей. В его центре находится плотное ядро, называющиеся «керн», оно окружёно положительными пи-мезонами.

Сложность строения «элементарных» частиц была доказана выдвинутой в 1964 году американским учёным Гель-Манном и независимо от него шведским учёным Цвейгом гипотезой кварков. Согласно этой гипотезе элементарные частицы с отношениями, характеризующимися сильными взаимными влияниями (адроны: протон, нейтрон, гипероны), должны формироваться из кварков-частиц, заряд которых равен одной третьей или двум третьим заряда электрона. Таким образом, теория показывает, что у формирующих частицы отмечённых кварков электрический и барионный заряд должен выражаться дробным числом. Действительно, называемые кварками частицы пока не обнаружены и остаются гипотетическими обитателями микромира на нынешнем уровне развития науки.

Таким образом, с одной стороны ясно, что элементарные частицы обладают особой структурой, с другой стороны, характер этой структуры ещё остаётся неясным. Из вышеприведенных данных становится ясным, что элементарные частицы вовсе не элементарные, они обладают внутренней структурой, могут делиться и превращаться друг в друга. Мы ещё очень мало знаем обоих строении. Таким образом, на сегодняшний день основываясь на целый ряд фактов, мы можем утверждать, что материя элементарных частиц – новый вид, качественно отличающийся от более сложных частиц (ядро, атом, молекула). В тоже время это различие настолько существенно, что используемые нами при изучении ядер, атомов, молекул, макроскопических тел категории и выражения («простой» и «сложный», «внутренняя структура», «сформированный») и могут применяться к элементарным частицам. Понятия «простой и сложный», «составляющие части», «структура», «целый» являются, в общем относительными понятиями. Например, несмотря на то, что атом обладает сложным строением, и структура его состоит из ядерного и электронного ярусов, по сравнению с входящей в его состав молекулой является более простым.