МИР ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ
“Как странен этот мир!” Физики уже давно поняли, что атом состоит из электронов и ядра, которое в свою очередь состоит из протонов и нейтронов. Вместе с фотоном (квантом света) эти четыре частицы практически на 99,9%* составляют окружающий нас мир (и нас самих тоже). Но являются ли эти частицы элементарными в истинном смысле этого слова? Действительно ли это самые маленькие “кирпичики”, из которых сложено здание мира? Оказалось, что это не так, по крайней мере, в отношении протонов и нейтронов. Если сильно “ударить” по ядру атома, то из него можно выбить протоны и нейтроны. А если сильно “ударить” по протону или нейтрону? Оказалось, что если “ударить” не просто сильно, а очень сильно по протону**, то в результате “разломать” протон так и не удается, зато рождаются другие, новые, очень разные частицы. Примеры: а) б) в) Т. о., рождаются различные мезоны и гипероны; всего с 1933 года известно более 200 наименований различных частиц. Сам факт рождения многих частиц при столкновении двух неудивителен, если вспомнить уравнение Эйнштейна: Как были открыты кварки? Кварки открыли, изучая рассеяние быстрых электронов на протонах и нейтронах.
    При «прощупывании» нейтрона электроном выявились   неоднородности в его внутренней структуре, которые затем были отождествлены с тремя частицами - кварками, из которых нейтрон и состоит.
Нейтрон И еще. В существовании кварков физики сейчас не сомневаются, хотя эти частицы весьма своеобразны - их нельзя обнаружить в свободном состоянии. Этот запрет носит, по-видимому, принципиальный характер, хотя в связанном состоянии кварки (по двое и по трое) находятся во многих элементарных частицах («конфайнмент»). Кварки и лептоны – элементарные Ферми-частицы Таблица 1
Комментарии к таблице 1: 1) Электрон е- - название частицы и ее обозначение соответственно; m=0,511 МэВ - масса частицы в энергетических единицах, получающихся из уравнения 2) Первая строка таблицы раздела «лептоны» наряду со знакомым нам электроном, содержит мюон ( Строки, расположенные выше, занимают кварки с электрическим зарядом -1/3 и +2/3 соответственно. 3) 4) Для всех частиц, указанных в таблице 1, существуют и античастицы (антиэлектрон 5) Обращает на себя внимание дробность электрических зарядов кварков. До их открытия царило твердое убеждение в том, что заряды протона и электрона (±1,6·10-19 Кл) являются наименьшими из возможных в мире, и любые другие заряды могут быть лишь кратны им. Однако с открытием кварков значение истинного элементарного электрического заряда понизилось втрое. При этом ничего не понадобилось менять в представлениях о реальном электрическом мире, т.к. кварки всегда входят в состав элементарных частиц так, что суммарный электрический заряд частицы оказывается целочисленным, т.е. кратным прежним значениям (1,6·10-19 Кл), или равным нулю. В этой связи странным уже выглядело значение заряда электрона (-1), как истинно элементарной частицы. Однако несколько лет назад Нобелевская премия по физике** была присуждена за открытие внутренней структуры электрона, при этом электрический заряд трёх структурных единиц электрона уже измеряется в долях всего заряда электрона, что делает всю картину более естественной. 6) Масса нейтрино дана в таблице весьма приблизительно. Вопрос, какова масса нейтрино - принципиальнейший в современной физике. Долго считалось, что масса нейтрино равна нулю. Потом появились предположения, что масса нейтрино - не чистый ноль, а просто очень-очень мала, хотя и конечна. В этом случае естественно разрешились бы многие вопросы в физике элементарных частиц и не только в ней. Последние данные физиков-экспериментаторов показывают, что у электронного нейтрино все-таки есть масса, которая заключена в пределах 0.5-5.0 эВ, т.е. в 100 000 раз меньше чем масса электрона, легчайшей до последнего времени из частиц. Это накладывает ограничения на скорость нейтрино, ранее считалось, что она равна скорости света, но теперь она всего лишь приближается к ней, но все-таки меньше (следствие теории относительности). Наличие массы у нейтрино позволяет решить проблему скрытой массы во Вселенной, т. к. на долю нейтрино теперь можно списать до 9/10 всей массы Вселенной. 7) И, наконец, как же все-таки из кварков “складывать” другие элементарные частицы? Некоторые свойства кварков приведены в таблице 2. Свойства кварков Таблица 2.
Частицы, составленные из кварков, называют адронами, которые в свою очередь делятся на барионы и мезоны. Барионы состоят из трех кварков и являются Ферми-частицами, а мезоны состоят из двух кварков (кварка и антикварка) и являются Бозе-частицами. Так структура протона - uud, легко видеть, что общий электрический заряд протона +1; а структура нейтрона - ddu и электрический заряд нейтрона равен нулю. Другие примеры образования частиц из кварков даны в таблице 3. Комбинации кварк-антикварк и трех кварков Таблица 3
Это далеко не полный список всех возможных комбинаций из известных кварков. Все перечисленные в таблице 3 частицы обнаружены экспериментально и детально изучены. Перечисленные в таблице 1 частицы, а, в особенности, частицы из первой колонки, являются как бы материальной составляющей нашего мира, из них состоит материя, вещество. Но известны и другие частицы, например фотоны, которые являются переносчиками фундаментальных взаимодействий, так что пришла пора рассмотреть другую, полевую составляющую окружающего нас мира (например: “переносчиками” электромагнитного поля являются фотоны). Элементарные Бозе-частицы – переносчики взаимодействий Таблица 4
Естественно, наиболее полная информация у физиков имеется в отношении фотонов и их взаимодействия с электронами. Существует законченная и очень точная теория - квантовая электродинамика, исчерпывающим образом описывающая все электронные взаимодействия, результат этой теории с высочайшей точностью подтвержден экспериментами. В случае сильного взаимодействия (например, рождение кварк-антикварковых пар) имеется только качественная теория - так называемая «квантовая хромодинамика». В этой области продолжаются экспериментальные исследования и ведется разработка более точной теории. Значительно лучше разработана теория слабого взаимодействия. Существует объединительная теория слабого и электрического взаимодействий, имеющая, однако, ряд слабых мест. Экспериментальные исследования продолжаются, в частности, “переносчики” слабого взаимодействия, т. н. векторные бозоны, были открыты совсем недавно. Пример слабого взаимодействия – распад свободного нейтрона: n→p+e+
Квантовой гравитационной теории пока не создано, и гравитон, указанный в таблице 4, существует пока только на бумаге, экспериментальные поиски этой частицы ведутся. Слабость гравитационного взаимодействия является главной помехой при экспериментальных и теоретических исследованиях. Способность элементарных частиц к взаимным превращениям, совместимым с законами сохранения, вселяет надежду на существование единого общего поля, различными квантовыми состояниями которого и являются частицы. Теория единого поля (объединительная теория для всех четырех взаимодействий) могла бы предсказывать значения масс существующих элементарных частиц, однако трудности ее создания пока не преодолены. Итак, рассмотренная нами очень кратко картина микромира носит вполне упорядоченный, хотя и незаконченный характер. Многое еще не известно, не все теории разработаны в достаточной степени, но одна тенденция просматривается совершенно отчетливо: мир познаваем! Усилия физиков, других ученых, пользующихся научным методом познания, рано или поздно приводят к раскрытию закономерностей, существующих в природе. До окончательной истины еще далеко, но успехи на пути познания позволяют с интересом и надеждой смотреть вперед, и не только смотреть, но и работать во имя дальнейшего продвижения на трудном пути.
2000 год Д. т. н. Гребёнкин М.Ф.
* Эта оценка чисто качественная, “эмоциональная”, но существо дела отражает. ** Гигантские ускорители элементарных частиц строят именно для того, чтобы можно было “ударить” по частице посильнее, и, анализируя получившиеся осколки, судить о внутренней структуре частицы. ** Robert B. Laughlin, Horst Stermer, Daniel C. Tsui - Нобелевская премия 1998 года по физике.
|
- столкновение двух быстродвижущихся протонов привело к образованию дополнительно протона 
и антипротона 
;
; 
; 
(рождение 
- мезонов); 
(рождение лямбда - гиперонов).
, которое прямо показывает, что энергия (в нашем случае кинетическая энергия (энергия движения)) исходных частиц может превращаться в энергию покоя (энергию, связанную с массой) новых частицы, имеющие массу. Физиков очень смущало другое - то, что разновидности элементарных частиц множатся и множатся. Но к настоящему времени ситуация прояснилась, оказалось, что протоны, нейтроны, гипероны и многие мезоны не вполне «элементарны», а составлены из истинно элементарных частиц - кварков, а их сейчас известно всего 6 видов. Множество элементарных частиц сейчас усилиями физиков укладывается в более-менее упорядоченную картину. Прежде чем рассмотреть ее, сделаем два замечания.
кварк
- мезон) и тау-мезон. Эти частицы - “тяжелые электроны” (их масса больше), но по другим свойствам они очень на него похожи. Вторая строчка также состоит из очень похожих частиц - нейтрино, тем не менее, физики умеют распознавать электронное нейтрино (n е), мюонное нейтрино (nm) и тау-нейтрино (nt). 
Каждая колонка включает связанные друг с другом частицы. Так электрон связан со своим нейтрино и кварками u и d. Таблица заполнялась не сразу, а с течением времени, последним был экспериментально обнаружен t - кварк, хотя его существование и некоторые свойства прогнозировались заранее. Физикам не очень понятно, зачем природе “понадобились” вторая и третья колонки (из частиц первой колонки создан наш мир, т.к. именно кварки u и d входят в состав протонов и нейтронов). Но если физики правильно уловили закономерности построения таблицы 1, то можно ожидать заполнения и четвертой колонки, хотя и весьма не скоро, т.к. массы частиц в ней должны быть значительно больше, чем в третьей колонке, а энергии современных ускорителей для “рождения” таких частиц недостаточно. 
( или позитрон е+), антинейтрино 
, антикварки 
и т.п.). Античастицы в микромире имеют такое же право на существование, как и просто частицы («анти» - это просто еще одно неотъемлемое свойство микрочастицы). Надо только помнить, что реальный большой мир состоит из материи, а не из антиматерии (почему это так, окончательной ясности у физиков до сих пор нет, хотя определенные суждения имеются). При этом существование антимира, т.е. мира, аналогичного нашему, но из античастиц, не запрещено законами физики. Но вместе эти два мира существовать не могут, т.к. всякая частица и соответствующая античастица при встрече аннигилируют, т.е. исчезают с образованием g -квантов (фотонов большой энергии). Заметим, что некоторые частицы, например фотоны, p0-мезоны сами для себя являются античастицами, т.е. принадлежат как бы двум мирам сразу.
- комбинации
- спин нуль
- спин единица
- спин 3/2
= 
+e+ 
