На переднем крае физики микромира

 

 

 

 

 

 

 

 

Со временем представления  об этом взаимодействии сильно углубилось, особенно с созданием кварковой модели адронов и основ квантовой хромодинамики. Как оказалось, на самом деле в ядрах взаимодействуют не нуклоны, как целые частицы, а кварки и антикварки, входящие в состав адронов. Кварки, обладающие дробным электрическим зарядом, в свободном состоянии не обнаружены. На основе этого экспериментального факта родилась теория конфайнмента- пленения кварков внутри адронов. Сущность конфайнмента проста: на больших расстояниях сильное взаимодействие становится очень интенсивным.

  Еще одним уникальным  свойством  сильного взаимодействия  является асимптотическая свобода: при сближении “цвето-заряженных ” частиц сильное взаимодействие (или “цветные” силы)между ними практически исчезает и частицы ведут себя как свободные. С увеличение же расстояния между частицами “цветные” силы между ними возрастают, достигая максимума.  С дальнейшим увеличение расстояния, когда оно превысит радиус взаимодействия r  10^-13см, сильное взаимодействие между ними практически исчезает. В сильном взаимодействии сохраняются все три вида симметрии: С-,Р-,Т-симметрия.

  Итак, основные явления,  вызванные сильным взаимодействием,  происходят между кварками, которые  обмениваются глюонами. Глюоны меняют  только “цвет” кварков, оставляя без изменения другие их характеристики. По современным представлениям сильное взаимодействие нуклонов между собой, скрепляющее их в ядре, - это всего лишь дальний “хвост” “цветных” сил. Именно благодаря этому “хвосту” обеспечивается устойчивость атомных ядер и создается возможность образования всего многообразия химических элементов. Благодаря сильному взаимодействию происходит реакции термоядерного синтеза внутри звезд, что служит источником их энергии излучения.

  На расстояниях,  превышающих размеры нуклона, для сильного взаимодействия по аналогии с постоянной тонкой структуры вводят безразмерную константу взаимодействия, равную

 

 

 

 

где g_s- элементарный “цветовой” заряд. Сильное взаимодействие между частицами на таких расстояниях происходит путем обмена    -мезонами,  а большая величина константы связи по сравнению с единицей является математической иллюстрацией конфайнмента.

  Для расстояний, много  меньших размеров нуклона( r       r_n ),безразмерная константа взаимодействия зависит от квадрата импульса q², переданного при взаимодействии :

 

 

 

 

 

 

 

где    =100…300 МэВ/с – фундаментальная постоянная КХД - теории.

  На таких расстояниях  сильное взаимодействие можно  представить в  виде обмена  глюонами. Малая величина константы  связи по сравнению с единицей является отражением такого свойства сильного взаимодействии, как асимптотическая свобода.

  В настоящее время  успешно создаются теоретические  модель, в рамках которых сильное  взаимодействие объединяется с  электрослабым с энергиями 10¹⁵ ГэВ. Этим модели обычно кратко называют ТВО- теорией Великого объединения. В последние годы часто говорят о так называемой Стандартной модели, в основе которой лежит локальная (калибровочная) симметрия сильного цветового взаимодействия кварков и глюонов и электрослабого взаимодействия.

  Основные сведения  по фундаментальным взаимодействиям  сведены в табл.1. Информация о  сохранении симметрий в процессах  с участием фундаментальных взаимодействий  приведена в табл.2.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Современные представления об иерархии структурных      элементов   микромира

  Исторически первыми экспериментально обнаруженными элементарными частицами были электрон, протон, а затем нейтрон. Казалось, что этих частиц и фотона g(кванта электромагнитного поля) достаточно для построения известных форм вещества - атомов и молекул. Вещество при таком подходе строилось из протонов, нейтронов и электронов, а фотоны осуществляли взаимодействие между ними. Однако, вскоре выяснилось, что мир устроен значительно сложнее. Было установлено, что каждой частице соответствует своя античастица, отличающаяся от нее лишь знаком заряда. Для частиц с нулевыми значениями всех зарядов античастица совпадает с частицей (пример - фотон). Далее, по мере развития экспериментальной ядерной физики к этим частицам добавилось еще свыше 300 частиц.

  Характеристиками субатомных частиц являются масса, электрический заряд, спин (собственный момент количества движения), время жизни частицы, магнитный момент, пространственная четность, лептонный заряд, барионный заряд 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 -частицы) 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 (фотон, нейтрино) вовсе не имеют заряда.

   Важная характеристика частицы - спин. Он также всегда кратен некоторой фундаментальной единице, которая выбрана равной Ѕ. 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. В зависимости от спина, все частицы делятся на две группы:

• бозоны - частицы со спинами 0,1 и 2;
• фермионы - частицы с полуцелыми спинами (Ѕ ,3 / 2)

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 10^-23  сек.

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.

Рассмотрим свойства этих основных типов частиц.

Лептоны. Хотя лептоны могут иметь электрический заряд, а могут и не иметь, спин у всех у них равен Ѕ. Среди лептонов наиболее известен электрон e^--.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". Только в 2001 году получены определенные доказательства их существования на Нейтринной обсерватории Садбери (Канада).

Достаточно широко распространены в природе мюоны m^--, 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 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" t^--. 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 v_e, мюонное нейтрино v_m и тау-нейтрино v_t. 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.

 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. Остальные адроны короткоживущие и быстро распадаются. Это класс т.н. барионов (тяжелые частицы гипероны) и большое семейство мезонов (мезонные резонансы). Адроны участвуют в сильном, слабом и электромагнитном взаимодействиях.

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 г., когда была предложена 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 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. Физикам известно шесть типов или, иначе, ароматов кварков:u- верхний (up),d- нижний (down),s- странный (strange),c- очаровательный (charm),b- прелестный или снова нижний (beauty или bottom) и опять верхний t- (top). Кварки перечеслены в порядке возрастания их массы. В настоящее время все экспериментально открытые частицы, отличные от лептонов и калибровочных бозонов, состоят из кварков и глюонов.

   Протон и нейтрон в рамках наивной кварковой модели состоят из u и d-кварков. Из протона, нейтрона и электрона состоит почти вся материя во Вселенной. Остальные адроны, кварки и лептоны присутствуют в Природе в весьма малых количествах. Физики обычно получают данные частицы на ускорителях, регистрируют в космических лучах или в результате радиоактивных распадов.

Особняком в мире фундаментальных  частиц стоит бозон Хиггса. Эта  частица, по современным теоретическим  представлениям, необходима для генерации  масс всех кварков, лептонов и трех калибровочных бозонов W⁺,W^- и Z⁰. В некоторых теориях присутствует не одна частица Хиггса, а несколько. В простейшем же случае имеется один электрически нейтральный бозон Хиггса. Бозоны Хиггса экспериментально не обнаружены.  Возможно, их вообще не существует в природе. По крайней мере, после неудачных поисков бозона Хиггса на электрон-позитронном коллайдере LEP, подобная гипотеза приобретает все большее и большее число сторонников. Есть надежда, что с вводом в строй коллайдеров нового поколения, таких как протон-протонный коллайдер LHC в CERNе или электрон-позитронный линейный коллайдер TESLA в DESY, бозон Хиггса будет экспериментально открыт или станет понятно, почему он не может существовать. Только надо подождать порядка десяти лет. Есть определенная вероятность, что хиггсовскую частицу смогут открыть на действующем протон-антипротонном коллайдере Tevatron во FNAL-е в ближайшие два-три года.

Таков на сегодняшний день полный набор самых элементарных составляющих нашего мира. Может ли он пополниться? Весьма вероятно. Главным кандидатом является пока еще не открытый бозон Хиггса.

Уверены ли физики, что  известный в настоящее время  уровень материи наиболее фундаментален, а кварки, лептоны и калибровочные бозоны не являются составными? Нет, не уверены. Существуют теоретические модели, в которых вводятся еще более фундаментальные и элементарные структуры. Например, лептокварки, суперструны или браны. Но ни одна из этих моделей не имеет экспериментального подтверждения. Во всяком случае, в настоящее время не имеет.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                    Заключение

 

 

Имеющиеся сегодня тенденции  взаимопроникновения космологии и  физики микромира указывают на то, что в XXI в. фундаментальные исследования в области физики в значительной мере будут определяться развитием космомикрофизики, результаты которой влияют на преобразование неклассической физической картины мира, идеалов и норм исследования, а также и на философско-методологические основания физики в первую очередь благодаря принципиальному расширению исследуемой области реальности.