Физика элементарных частиц

    Как и электрон, мюон имеет единичный  отрицательный электрический заряд; имеется и соответствующая положительно заряженная античастица µ⁺. Лептонпое число мюона тоже равно + 1, и легко убедиться, что в процессе (4.1) лептонное число сохраняется. На самом деле реакция (4.1) дает несколько упрощенное представление о мюонном распаде, так как не только электрон имеет своего двойника в мюоне, но также и нейтрино имеет копию в виде другой частицы, которая называется мюон-ным нейтрино (ν_µ). Первоначально открытое нейтрино, называют электронным нейтрино (ν_е), чтобы отличить его от мюонного нейтрино. Каждое нейтрино может реагировать только со своим собственным заряженным лептоном (т. е. с электроном или мюоном). Так наблюдаются реакции

      (4.2)

      (4.3)

    но  не существует реакций

      (4.4)

         (4.5)

    Когда нейтрино и антинейтрино, появляющиеся в мюонном распаде (4.1), были идентифицированы как электронное и мюонное нейтрино, то оказалось, что распад (4.1) на самом деле имеет следующий вид;

     (4.6)

    В 1975 г. был открыт лептон третьего типа, известный под названием тау-лептона (τ_-, античастица τ ⁺). Имеется также нейтрино третьего типа _τ связанное с данным лептоном.

    В точности те же аргументы, которые использовались выше для доказательства того, что  атом обладает внутренней структурой, можно применить теперь к рассматриваемым барионам. Барионов слишком много, чтобы их можно было рассматривать как элементарные частицы как и периодическая система элементов, явно свидетельствуют, что должны существовать какие-то внутренние характеристики указанных барионов, изменяющиеся систематически при переходе от бариона к бариону.

    Эксперименты по рассеянию электронов на протонах и нейтронах показали, что внутри барионов имеются другие еще меньшие частицы.

    Расположение  барионов в узлах диаграмм «заряд — странность» на рисунке 2 и 3 можно объяснить, если считать, что каждый барион состоит из трех малых частиц и что существуют три типа указанных малых частиц со значениями заряда и странности, приведенными на рис 4

          Рис 3   Рис 4

    Эти малые частицы называют кварками (название заимствовано из романа Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану»).

    Рис 4. Кварки 

    Чтобы образовать протон и нейтрон, требуются  только два типа кварков. Они называются u- и d- кварками . Барионы с ненулевым значением странности содержат кварк третьего типа, который называется s-кварком. Для всех кварков барионное число равно 1/3, так что три кварка вместе могут образовать объект с барионным числом +1. Всевозможные комбинации кварков трех типов дают все значения заряда и странности, приведенные на рис 3. Дополнительные частицы, показанные на рис 2, появляются по той причине, что кварки обладают еще одной характеристикой — спином. Для барионов, изображенных на рис 3, спины всех составляющих их кварков направлены одинаково. На рис 2 показаны барионы, для которых спины двух составляющих их кварков направлены противоположно.

    Барионы, находящиеся в вершинах треугольника на рис 3, составлены из трех тождественных кварков, спины которых направлены одинаково и которые, движутся по одной и той же орбите внутри бариона. Имеется, однако, фундаментальный закон, называемый принципом запрета Паули, который утверждает, что тождественные частицы не могут находиться в одном и том же состоянии движения. Следовательно, кварки в рассматриваемых барионах не могут быть на самом деле тождественными; должна существовать еще одна какая-то характеристика кварков, которой они различаются между собой. Эту характеристику называют цветом; каждый из кварков u, d, s на рис 4 существует в трех формах, т. е. как бы имеются красные, голубые и желтые кварки.

    Аналогично  тому как три кварка могут объединяться с образованием бариона, кварк может объединяться с антикварком с образованием частицы, обладающей нулевым барионным числом. Такие частицы называют мезонами (от греческого слова «средний»; массы мезонов имеют промежуточные значения между массами лептонов и барионов).

    В 1974 г. была открыта первая частица  еще одной новой группы адронов. Частицы этой группы обладают новымквантовым числом, названным очарованием; последнее переносится четвертым кварком — очарованным кварком (с); остальные квантовые числа очарованного кварка также же, как для u-кварка. Три кварка с участием кварков четвертого типа вместе образуют новые барионы, обладающие очарованием (значение которого для барионов может быть равно 0, 1, 2 и 3 в соответствии с тем, сколько очарованных кварков входит в состав бариона). Аналогичным образом очарованный кварк с антикварком любого типа может образовать очарованный мезон.

    Квантовые числа, значения которых различают  типы кварков (например, странность или очарование), называют ароматами. Четыре кварка u, d, c, s можно объединить в две пары с одинаковыми свойствами, различающиеся только ароматом: пара (с, s), как представляется в настоящее время, является копией пары (u, d), как пара лептонов (µ, ν_µ) является просто тяжелой копией пары (е, ν_е). Указанные группы подобных частиц, различающихся только значениями масс и ароматом, называют поколениями или семействами.

    Еще две группы частиц, открытых в 1979 н 1984 гг., показали, что существуют пятый и шестой кварки b и t. Их ароматы иногда называют красотой и истинностью, но, к сожалению, чаще используют менее удачные термины придонный и вершинный. Все известные кварки и лептоны приведены в таблице 2.

          Таблица 2

    Ни  один из кварков в свободном состоянии  никогда не наблюдался в отличие от лептонов. Полагают, что силы, связывающие кварки друг с другом в адронах, не уменьшаются, а возрастают с расстоянием, так что ни один кварк не может выйти из адрона и стать свободной частицей.

    Из  трех пар кварков и лептонов одна пара тех и других — кварки u и d и лептоны е^- и ν_е — необходимые составные части окружающего нас мира, причем мир, построенный только из них, представляется вполне возможным во всех отношениях. Причины существования остальных пар кварков и лептонов и связь между ними в настоящее время не известны. 
 
 
 
 
 
 

Экспериментальное  наблюдение частиц

    Самые прямые и наиболее информативные  методы наблюдения элементарных частиц — те, в которых частица оставляет  видимый след. Перечислим такие экспериментальные методы.

    1.   Паровоздушная   камера.   Когда  заряженная  частица  высокой энергии проходит через слой вещества, она выбивает электроны из атомов вещества, встречающихся на ее пути, оставляя после себя след положительных ионов. В воздухе, содержащем пересыщенные пары воды, указанные ионы служат ядрами конденсации пара и становятся видимыми в виде следа из мельчайших капелек воды.

    2.   Пузырьковая камера. В этой камере используется тот же принцип, что и в паровоздушной камере, но пересыщенный водяной пар заменен перегретой жидкостью при температуре выше точки кипения. В этом случае также ионы, образованные в следе заряженной  частицы,  оказываются  ядрами,  на  которых  начинается кипение, и след частицы становится видимым в виде дорожки  маленьких пузырьков.  В настоящее время пузырьковая камера  для  большинства  целей  заменила   паровоздушную  камеру.

    3.   Искровая   камера.   В ней   используется  тот  принцип, что электрический разряд в газе происходит легче, если газ содержит ионы. Когда заряженная частица пролетает через вещество, содержащееся между двумя пластинами, на которые сразу после пролета частицы подают большую электрическую разность потенциалов, разрядная искра между пластинами проходит по оставленному частицей следу, состоящему из ионов, что делает след частицы видимым. Расстояние между пластинами должно быть сравнительно малым; искровые камеры обычно имеют большое число пластин.

    4.   Фотоэмульсии.   Заряженные   частицы   так   же,   как   свет, действуют  на  бромид серебра;  поэтому они  оставляют запись своего пути в фотоэмульсии точно так же, как падающий свет оставляет в ней след, который превращается в фотографическое изображение. Такое свойство фотографической эмульсии оказалось   особенно   полезным   для   регистрации   космических  лучей (чрезвычайно   высокоэнергетических   частиц,   прилетающих из внешнего космического пространства в верхние слои атмосферы Земли).

    Другими типами детекторов частиц являются: 

    1) сцинтилля-ционные счетчики, в которых используется тот факт, что некото-рыс полимерные материалы нспускакя вспышки света, когда через них проходят заряженные частицы;

    2) черепковские счетчики, использующие характерное электромагнитное излучение, которое испускается заряженной частицей, движущейся в прозрачной среде со скоростью, большей скорости света в среде;

    3) гейгеровские счетчики, принцип работы которых подобен принципу работы искровой камеры, но используется разрядный ток, а не видимая искра. Приборы и аппараты указанных трех типов называют «счетчиками», так как они просто регистрируют прохождение частицы через прибор, но не дают никакой информации о траектории частицы.

    Большинство указанных методов экспериментального наблюдения частиц дают прямую информацию только об электрически заряженных частицах; нейтральные частицы можно наблюдать только косвенными методами по их действию на заряженные частицы и атомные ядра. Характеристики внутренней структуры заряженных частиц можно измерить с помощью изучения следов, оставляемых ими в приборах первого типа: заряд можно измерить по кривизне следа в магнитном поле; импульс — но плотности ионизации в среде, энергию — по расстоянию, которое частица проходит до остановки в камере. 
 
 

    Типы  сил

    Фундаментальные взаимодействия — качественно различающиеся типы взаимодействия элементарных частиц и составленных из них тел.

    На  сегодня достоверно известно существование  четырех фундаментальных взаимодействий:

1. гравитаця
2. электромагнетизм
3. сильного
4. слабого

    1.  Гравитация.   Гравитационные  силы  действуют на все частицы, но, так как они очень слабы по сравнению с другими типами сил, они играют важную роль только в тех случаях, когда рассматриваются огромные коллективы частиц. Таким образом, гравитационные силы господствуют в астрономии, они важны и при описании поведения обычных макроскопических тел, но ими можно полностью пренебречь при рассмотрении отдельных элементарных частиц.

    2.  Электромагнетизм. Электромагнитные силы действуют на все заряженные частицы, а также на нейтроны, так как последние обладают магнитным моментом. Указанные силы удерживают частицы в атоме и ответственны за все конфигурации, которые электроны образуют в атомах, а следовательно, за химические свойства; они также ответственны за силы, действующие между атомами и молекулами. Таким образом, все макроскопически наблюдаемые силы сводятся к гравитационным и электромагнитным.   Именно  силы  этих  двух  типов  обусловливают поведение «и башмаков, и судов, и сургуча, и капусты, и королей».