L частицы. Элементарная частица

Эти три частицы (как и другие описываемые ниже) взаимно притягиваются и отталкиваются соответственно своим зарядам , которых всего четыре вида по числу фундаментальных сил природы. Заряды можно расположить в порядке уменьшения соответствующих сил следующим образом: цветовой заряд (силы взаимодействия между кварками); электрический заряд (электрические и магнитные силы); слабый заряд (силы в некоторых радиоактивных процессах); наконец, масса (силы тяготения, или гравитационного взаимодействия). Слово «цвет» здесь не имеет ничего общего с цветом видимого света; это просто характеристика сильного заряда и самых больших сил.

Заряды сохраняются , т.е. заряд, входящий в систему, равен заряду, из нее выходящему. Если суммарный электрический заряд некоторого числа частиц до их взаимодействия равен, скажем, 342 единицам, то он и после взаимодействия независимо от его результата будет равен 342 единицам. Это относится и к другим зарядам: цветовому (заряду сильного взаимодействия), слабому и массовому (массе). Частицы различаются своими зарядами: в сущности, они и «есть» эти заряды. Заряды – это как бы «справка» о праве отвечать на соответствующую силу. Так, только на цветные частицы действуют цветовые силы, только на электрически заряженные частицы действуют электрические силы и т.д. Свойства частицы определяются наибольшей силой, действующей на нее. Только кварки являются носителями всех зарядов и, следовательно, подвержены действию всех сил, среди которых доминирующей является цветовая. Электроны имеют все заряды, кроме цветового, а доминирующей для них является электромагнитная сила.

Наиболее устойчивыми в природе оказываются, как правило, нейтральные комбинации частиц, в которых заряд частиц одного знака компенсируется суммарным зарядом частиц другого знака. Это отвечает минимуму энергии всей системы. (Точно так же два стержневых магнита располагаются в линию, причем северный полюс одного из них обращен к южному полюсу другого, что соответствует минимуму энергии магнитного поля.) Гравитация же является исключением из этого правила: отрицательной массы не существует. Нет тел, которые падали бы вверх.

ВИДЫ МАТЕРИИ

Обычная материя образуется из электронов и кварков, группирующихся в объекты, нейтральные по цветовому, а затем и по электрическому заряду. Цветовая сила нейтрализуется, о чем подробнее будет сказано ниже, когда частицы объединяются в триплеты. (Отсюда и сам термин «цвет», взятый из оптики: три основных цвета при смешении дают белый.) Таким образом, кварки, для которых цветовая сила является главной, образуют триплеты. Но кварки, а они подразделяются на u -кварки (от англ. up – верхний) и d -кварки (от англ. down – нижний), имеют еще и электрический заряд, равный для u -кварка и для d -кварка. Два u -кварка и один d -кварк дают электрический заряд +1 и образуют протон, а один u -кварк и два d -кварка дают нулевой электрический заряд и образуют нейтрон.

Стабильные протоны и нейтроны, притягиваемые друг к другу остаточными цветовыми силами взаимодействия между составляющими их кварками, образуют нейтральное по цвету ядро атома. Но ядра несут положительный электрический заряд и, притягивая отрицательные электроны, вращающиеся вокруг ядра наподобие планет, обращающихся вокруг Солнца, стремятся образовать нейтральный атом. Электроны на своих орбитах удалены от ядра на расстояния, в десятки тысяч раз превышающие радиус ядра, – свидетельство того, что удерживающие их электрические силы гораздо слабее ядерных. Благодаря силе цветового взаимодействия 99,945% массы атома заключено в его ядре. Масса u - и d -кварков примерно в 600 раз больше массы электрона. Поэтому электроны намного легче и подвижнее ядер. Их движением в веществе обусловлены электрические явления.

Существует несколько сот природных разновидностей атомов (включая изотопы), различающихся числом нейтронов и протонов в ядре и соответственно числом электронов на орбитах. Самый простой – атом водорода, состоящий из ядра в виде протона и обращающегося вокруг него единственного электрона. Вся «видимая» материя в природе состоит из атомов и частично «разобранных» атомов, которые называются ионами. Ионы – это атомы, которые, потеряв (или приобретя) несколько электронов, стали заряженными частицами. Материя, состоящая почти из одних ионов, называется плазмой. Звезды, горящие за счет идущих в центрах термоядерных реакций, состоят в основном из плазмы, а поскольку звезды – самая распространенная форма материи во Вселенной, можно сказать, что и вся Вселенная состоит в основном из плазмы. Точнее, звезды – это преимущественно полностью ионизованный газообразный водород, т.е. смесь отдельных протонов и электронов, а стало быть, из нее и состоит почти вся видимая Вселенная.

Это – видимая материя. Но во Вселенной есть еще невидимая материя. И есть частицы, выступающие в роли носителей сил. Существуют античастицы и возбужденные состояния некоторых частиц. Все это приводит к явно чрезмерному изобилию «элементарных» частиц. В этом изобилии можно найти указание на действительную, истинную природу элементарных частиц и сил, действующих между ними. Согласно самым последним теориям, частицы в своей основе могут представлять собой протяженные геометрические объекты – «струны» в десятимерном пространстве.

Невидимый мир.

Во Вселенной имеется не только видимая материя (а также черные дыры и «темная материя», например холодные планеты, которые станут видимыми, если их осветить). Существует и подлинно невидимая материя, пронизывающая всех нас и всю Вселенную ежесекундно. Она представляет собой быстро движущийся газ из частиц одного сорта – электронных нейтрино.

Электронное нейтрино является партнером электрона, но не имеет электрического заряда. Нейтрино несут лишь так называемый слабый заряд. Их масса покоя, по всей вероятности, равна нулю. Но с гравитационным полем они взаимодействуют, поскольку обладают кинетической энергией E , которой соответствует эффективная масса m , согласно формуле Эйнштейна E = mc 2 , где c – скорость света.

Ключевая роль нейтрино заключается в том, что оно способствует превращению и -кварков в d -кварки, в результате чего протон превращается в нейтрон. Нейтрино играет роль «иглы карбюратора» для звездных термоядерных реакций, в которых четыре протона (ядра водорода) объединяются, образуя ядро гелия. Но поскольку ядро гелия состоит не из четырех протонов, а из двух протонов и двух нейтронов, для такого ядерного синтеза нужно, чтобы два и -кварка превратились в два d -кварка. От интенсивности превращения зависит, насколько быстро будут гореть звезды. А процесс превращения определяется слабыми зарядами и силами слабого взаимодействия между частицами. При этом и -кварк (электрический заряд +2/3, слабый заряд +1/2), взаимодействуя с электроном (электрический заряд - 1, слабый заряд –1/2), образует d -кварк (электрический заряд –1/3, слабый заряд –1/2) и электронное нейтрино (электрический заряд 0, слабый заряд +1/2). Цветовые заряды (или просто цвета) двух кварков в этом процессе компенсируются без нейтрино. Роль нейтрино состоит в том, чтобы уносить нескомпенсированный слабый заряд. Поэтому скорость превращения зависит от того, насколько слабы слабые силы. Если бы они были слабее, чем они есть, то звезды вообще не горели бы. Если же они были бы более сильными, то звезды давно бы выгорели.

А что же нейтрино? Поскольку эти частицы крайне слабо взаимодействуют с другим веществом, они почти сразу уходят из звезд, в которых родились. Все звезды сияют, испуская нейтрино, а нейтрино днем и ночью просвечивают наши тела и всю Землю. Так они странствуют по Вселенной, пока не вступят, может быть, в новое взаимодействие ЗВЕЗДЫ) .

Переносчики взаимодействий.

За счет чего возникают силы, действующие между частицами на расстоянии? Современная физика отвечает: за счет обмена другими частицами. Представьте себе двух конькобежцев, перебрасывающихся мячом. Сообщая мячу импульс при броске и получая импульс с принятым мячом, оба получают толчок в направлении друг от друга. Так можно объяснить возникновение сил отталкивания. Но в квантовой механике, рассматривающей явления в области микромира, допускаются необычные растяжение и делокализация событий, что приводит, казалось бы, к невозможному: один из конькобежцев бросает мяч в направлении от другого, но тот тем не менее может этот мяч поймать. Нетрудно сообразить, что, будь такое возможно (а в мире элементарных частиц это возможно), между конькобежцами возникло бы притяжение.

Частицы, благодаря обмену которыми возникают силы взаимодействия между четырьмя рассмотренными выше «частицами материи», называются калибровочными частицами. Каждому из четырех взаимодействий – сильному, электромагнитному, слабому и гравитационному – соответствует свой набор калибровочных частиц. Частицами-переносчиками сильного взаимодействия являются глюоны (их всего восемь). Фотон – переносчик электромагнитного взаимодействия (он один, а фотоны мы воспринимаем как свет). Частицами-переносчиками слабого взаимодействия являются промежуточные векторные бозоны (в 1983 и 1984 были открыты W + -, W - -бозоны и нейтральный Z -бозон). Частицей-переносчиком гравитационного взаимодействия является пока еще гипотетический гравитон (он должен быть один). Все эти частицы, кроме фотона и гравитона, которые могут пробегать бесконечно большие расстояния, существуют лишь в процессе обмена между материальными частицами. Фотоны заполняют Вселенную светом, а гравитоны – гравитационными волнами (пока еще с достоверностью не обнаруженными).

О частице, способной испускать калибровочные частицы, говорят, что она окружена соответствующим полем сил. Так, электроны, способные испускать фотоны, окружены электрическими и магнитными полями, а также слабыми и гравитационными полями. Кварки тоже окружены всеми этими полями, но еще и полем сильного взаимодействия. На частицы с цветовым зарядом в поле цветовых сил действует цветовая сила. То же самое относится к другим силам природы. Поэтому можно сказать, что мир состоит из вещества (материальных частиц) и поля (калибровочных частиц). Об этом подробнее ниже.

Антивещество.

Каждой частице отвечает античастица, с которой частица может взаимно уничтожиться, т.е. «аннигилировать», в результате чего высвобождается энергия. «Чистой» энергии самой по себе, однако, не существует; в результате аннигиляции возникают новые частицы (например, фотоны), уносящие эту энергию.

Античастица в большинстве случаев обладает противоположными по отношению к соответствующей частице свойствами: если частица под действием сильного, слабого или электромагнитного полей движется влево, то ее античастица будет двигаться вправо. Короче говоря, античастица имеет противоположные знаки всех зарядов (кроме массового заряда). Если частица составная, как, например, нейтрон, то ее античастица состоит из компонент с противоположными знаками зарядов. Так, антиэлектрон имеет электрический заряд +1, слабый заряд +1/2 и называется позитроном. Антинейтрон состоит из и -антикварков с электрическим зарядом –2/3 и d -антикварков с электрическим зарядом +1/3. Истинно нейтральные частицы являются своими собственными античастицами: античастица фотона – фотон.

Согласно современным теоретическим представлениям, своя античастица должна быть для каждой существующей в природе частицы. И многие античастицы, в том числе позитроны и антинейтроны, действительно были получены в лаборатории. Следствия этого исключительно важны и лежат в основе всей экспериментальной физики элементарных частиц. Согласно теории относительности, масса и энергия эквивалентны, и в определенных условиях энергия может быть превращена в массу. Поскольку заряд сохраняется, а заряд вакуума (пустого пространства) равен нулю, из вакуума, как кролики из шляпы фокусника, могут возникать любые пары частиц и античастиц (с нулевым суммарным зарядом), лишь бы энергия была достаточной для создания их массы.

Поколения частиц.

Эксперименты на ускорителях показали, что четверка (квартет) материальных частиц по крайней мере дважды повторяется при более высоких значениях массы. Во втором поколении место электрона занимает мюон (с массой, примерно в 200 раз большей массы электрона, но с прежними значениями всех остальных зарядов), место электронного нейтрино – мюонное (которое сопутствует в слабых взаимодействиях мюону так же, как электрону сопутствует электронное нейтрино), место и -кварка занимает с -кварк (очарованный ), а d -кварка – s -кварк (странный ). В третьем поколении квартет состоит из тау-лептона, тау-нейтрино, t -кварка и b -кварка.

Масса t -кварка примерно в 500 раз больше массы самого легкого – d -кварка. Экспериментально установлено, что существуют только три типа легких нейтрино. Таким образом, четвертое поколение частиц или не существует вовсе, или соответствующие нейтрино являются очень тяжелыми. Это согласуется с космологическими данными, в соответствии с которыми могут существовать не более четырех типов легких нейтрино.

В экспериментах с частицами высоких энергий электрон, мюон, тау-лептон и соответствующие нейтрино выступают как обособленные частицы. Они не несут цветового заряда и вступают только в слабые и электромагнитные взаимодействия. В совокупности они называются лептонами .

Таблица 2. ПОКОЛЕНИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ ЧАСТИЦ
Частица	Масса покоя, МэВ/с 2	Электрический заряд	Цветовой заряд	Слабый заряд
ВТОРОЕ ПОКОЛЕНИЕ
с -кварк	1500	+2/3	Красный, зеленый или синий	+1/2
s -кварк	500	–1/3	То же	–1/2
Мюонное нейтрино		0	0	+1/2
Мюон	106	0	0	–1/2
ТРЕТЬЕ ПОКОЛЕНИЕ
t -кварк	30000–174000	+2/3	Красный, зеленый или синий	+1/2
b -кварк	4700	–1/3	То же	–1/2
Тау-нейтрино		0	0	+1/2
Тау	1777	–1	0	–1/2

Кварки же под действием цветовых сил объединяются в сильно взаимодействующие частицы, преобладающие в большинстве экспериментов физики высоких энергий. Такие частицы называются адронами . В них входят два подкласса: барионы (например, протон и нейтрон), которые состоят из трех кварков, и мезоны , состоящие из кварка и антикварка. В 1947 в космических лучах был открыт первый мезон, названный пионом (или пи-мезоном), и некоторое время считалось, что обмен этими частицами – главная причина ядерных сил. Особой известностью в физике элементарных частиц пользовались также адроны омега-минус, открытые в 1964 в Брукхейвенской национальной лаборатории (США), и джей-пси-частица (J /y -мезон), открытая одновременно в Брукхейвене и в Стэнфордском центре линейных ускорителей (тоже в США) в 1974. Существование омега-минус-частицы было предсказано М.Гелл-Манном в его так называемой «SU 3 -теории» (другое название – «восьмеричный путь»), в которой впервые было высказано предположение о возможности существования кварков (и было дано им это название). Десятилетие спустя открытие частицы J /y подтвердило существование с -кварка и заставило, наконец, всех поверить и в кварковую модель, и в теорию, объединившую электромагнитные и слабые силы (см. ниже) .

Частицы второго и третьего поколения не менее реальны, чем первого. Правда, возникнув, они за миллионные или миллиардные доли секунды распадаются на обычные частицы первого поколения: электрон, электронное нейтрино, а также и - и d -кварки. Вопрос о том, почему в природе существуют несколько поколений частиц, до сих пор остается загадкой.

О разных поколениях кварков и лептонов часто говорят (что, конечно, несколько эксцентрично) как о разных «ароматах» частиц. Необходимость их объяснения называется проблемой «аромата».

БОЗОНЫ И ФЕРМИОНЫ, ПОЛЕ И ВЕЩЕСТВО

Одним из принципиальных различий между частицами является различие между бозонами и фермионами. Все частицы делятся на эти два основных класса. Одинаковые бозоны могут налагаться друг на друга или перекрываться, а одинаковые фермионы – нет. Наложение происходит (или не происходит) в дискретных энергетических состояниях, на которые квантовая механика делит природу. Эти состояния представляют собой как бы отдельные ячейки, в которые можно помещать частицы. Так вот, в одну ячейку можно поместить сколько угодно одинаковых бозонов, но только один фермион .

В качестве примера рассмотрим такие ячейки, или «состояния», для электрона, вращающегося вокруг ядра атома. В отличие от планет Солнечной системы, электрон по законам квантовой механики не может обращаться по любой эллиптической орбите, для него существует только дискретный ряд разрешенных «состояний движения». Наборы таких состояний, группируемые в соответствии с расстоянием от электрона до ядра, называются орбиталями . В первой орбитали имеются два состояния с разными моментами импульса и, следовательно, две разрешенные ячейки, а в более высоких орбиталях – восемь и более ячеек.

Поскольку электрон относится к фермионам, в каждой ячейке может находиться только один электрон. Отсюда вытекают очень важные следствия – вся химия, поскольку химические свойства веществ определяются взаимодействиями между соответствующими атомами. Если идти по периодической системе элементов от одного атома к другому в порядке увеличения на единицу числа протонов в ядре (число электронов тоже будет соответственно увеличиваться), то первые два электрона займут первую орбиталь, следующие восемь расположатся на второй и т.д. Этим последовательным изменением электронной структуры атомов от элемента к элементу и обусловлены закономерности в их химических свойствах .

Если бы электроны были бозонами, то все электроны атома могли бы занимать одну и ту же орбиталь, соответствующую минимальной энергии. При этом свойства всего вещества во Вселенной были бы совершенно другими, и в том виде, в котором мы ее знаем, Вселенная была бы невозможна.

Все лептоны – электрон, мюон, тау-лептон и соответствующие им нейтрино – являются фермионами. То же можно сказать о кварках. Таким образом, все частицы, которые образуют «вещество», основной наполнитель Вселенной, а также невидимые нейтрино, являются фермионами. Это весьма существенно: фермионы не могут совмещаться, так что то же самое относится к предметам материального мира.

В то же время все «калибровочные частицы», которыми обмениваются взаимодействующие материальные частицы и которые создают поле сил (см. выше ), являются бозонами, что тоже очень важно. Так, например, много фотонов могут находиться в одном состоянии, образуя магнитное поле вокруг магнита или электрическое поле вокруг электрического заряда. Благодаря этому же возможен лазер .

Спин.

Различие между бозонами и фермионами связано с еще одной характеристикой элементарных частиц – спином . Как это ни удивительно, но все фундаментальные частицы имеют собственный момент импульса или, проще говоря, вращаются вокруг своей оси. Момент импульса – характеристика вращательного движения, так же как суммарный импульс – поступательного. В любых взаимодействиях момент импульса и импульс сохраняются.

В микромире момент импульса квантуется, т.е. принимает дискретные значения. В подходящих единицах измерения лептоны и кварки имеют спин, равный 1/2, а калибровочные частицы – спин, равный 1 (кроме гравитона, который экспериментально пока не наблюдался, а теоретически должен иметь спин, равный 2). Поскольку лептоны и кварки – фермионы, а калибровочные частицы – бозоны, можно предположить, что «фермионность» связана со спином 1/2, а «бозонность» – со спином 1 (или 2). Действительно, и эксперимент, и теория подтверждают, что если у частицы полуцелый спин, то она – фермион, а если целый – то бозон.

КАЛИБРОВОЧНЫЕ ТЕОРИИ И ГЕОМЕТРИЯ

Во всех случаях силы возникают вследствие обмена бозонами между фермионами. Так, цветовая сила взаимодействия между двумя кварками (кварки – фермионы) возникает за счет обмена глюонами. Подобный обмен постоянно происходит в протонах, нейтронах и атомных ядрах. Точно так же фотоны, которыми обмениваются электроны и кварки, создают электрические силы притяжения, удерживающие электроны в атоме, а промежуточные векторные бозоны, которыми обмениваются лептоны и кварки, создают силы слабого взаимодействия, ответственные за превращение протонов в нейтроны при термоядерных реакциях в звездах.

Теория такого обмена изящна, проста и, вероятно, правильна. Она называется калибровочной теорией . Но в настоящее время существуют лишь независимые калибровочные теории сильного, слабого и электромагнитного взаимодействий и сходная с ними, хотя кое в чем и отличающаяся, калибровочная теория гравитации. Одной из важнейших физических проблем является сведение этих отдельных теорий в единую и вместе с тем простую теорию, в которой все они стали бы разными аспектами единой реальности – как грани кристалла.

Таблица 3. НЕКОТОРЫЕ АДРОНЫ

Таблица 3. НЕКОТОРЫЕ АДРОНЫ
Частица	Символ	Кварковый состав *	Масса покоя, МэВ/с 2	Электрический заряд
БАРИОНЫ
Протон	p	uud	938	+1
Нейтрон	n	udd	940	0
Омега-минус	W –	sss	1672	–1
МЕЗОНЫ
Пи-плюс	p +	u	140	+1
Пи-минус	p –	du	140	–1
Фи	f	sє	1020	0
Джей-пси	J /y	cў	3100	0
Ипсилон	Ў	b	9460	0
* Кварковый состав: u – верхний; d – нижний; s – странный; c – очарованный; b – красивый. Чертой над буквой обозначены антикварки.

Простейшей и самой старой из калибровочных теорий является калибровочная теория электромагнитного взаимодействия. В ней заряд электрона сравнивается (калибруется) с зарядом другого электрона, удаленного от него. Как можно сравнивать заряды? Можно, например, приблизить второй электрон к первому и сравнивать их силы взаимодействия. Но не меняется ли заряд электрона при его перемещении в другую точку пространства? Единственный способ проверки – послать от ближнего электрона к дальнему сигнал и посмотреть, как он среагирует. Сигналом является калибровочная частица – фотон. Чтобы можно было проверить заряд на удаленных частицах, необходим фотон.

В математическом отношении эта теория отличается чрезвычайной точностью и красотой. Из описанного выше «калибровочного принципа» вытекает вся квантовая электродинамика (квантовая теория электромагнетизма), а также теория электромагнитного поля Максвелла – одно из величайших научных достижений 19 в.

Почему же столь простой принцип оказывается столь плодотворным? Видимо, он выражает некую соотнесенность разных частей Вселенной, позволяя проводить измерения во Вселенной. В математическом плане поле интерпретируется геометрически как кривизна некоторого мыслимого «внутреннего» пространства. Измерение же заряда – это измерение полной «внутренней кривизны» вокруг частицы. Калибровочные теории сильного и слабого взаимодействий отличаются от электромагнитной калибровочной теории только внутренней геометрической «структурой» соответствующего заряда. На вопрос о том, где именно находится это внутреннее пространство, пытаются ответить многомерные единые теории поля, которые здесь не рассматриваются.

Таблица 4. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
Взаимо-действие	Относительная интенсивность на расстоянии 10 –13 см	Радиус действия	Переносчик взаимодействия	Масса покоя переносчика, МэВ/с 2	Спин переносчика
Сильное	1		Глюон	0	1
Электро- магнитное	0,01	Ґ	Фотон	0	1
Слабое	10 –13		W +	80400	1
			W –	80400	1
			Z 0	91190	1
Гравита- ционное	10 –38	Ґ	Гравитон	0	2

Физика элементарных частиц пока не завершена. Еще далеко не ясно, достаточно ли имеющихся данных для полного понимания природы частиц и сил, а также истинной природы и размерности пространства и времени. Нужны ли нам для этого эксперименты с энергиями 10 15 ГэВ или же будет достаточно усилий мысли? Ответа пока нет. Но можно сказать с уверенностью, что окончательная картина будет проста, изящна и красива. Возможно, что принципиальных идей окажется не так много: калибровочный принцип, пространства высших размерностей, коллапс и расширение, а прежде всего – геометрия.

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ - первичные, далее неразложимые частицы, из которых, как полагают, состоит вся материя. В современной физике термин «элементарные частицы» обычно употребляется для обозначения большой группы мельчайших частиц материи, не являющихся атомами (см. Атом) или атомными ядрами (см. Ядро атомное); исключение составляет ядро атома водорода - протон.

К 80-м годам 20 века науке было известно более 500 элементарных частиц, большинство которых является нестабильными. К элементарным частицам относятся протон (p), нейтрон (n), электрон (e), фотон (γ), пи-мезоны (π), мюоны (μ), тяжелые лептоны (τ + , τ -), нейтрино трех типов - электронные (V e), мюонные (V μ) и связанные с так называемым тяжелым дептоном (V τ), а также «странные» частицы (К-мезоны и гипероны), разнообразные резонансы, мезоны со скрытым очарованием, «очарованные» частицы, ипсилон-частицы (Υ), «красивые» частицы, промежуточные векторные бозоны и др. Появился самостоятельный раздел физики - физика элементарных частиц.

История физики элементарных частиц началась с 1897 года, когда Томсоном (J. J. Thomson) был открыт электрон (см. Электронное излучение); в 1911 году Милликен (R. Millikan) измерил величину его электрического заряда. Понятие «фотон» - квант света - было введено Планком (М. Planck) в 1900 году. Прямые экспериментальные доказательства существования фотона были получены Милликеном (1912-1915) и Комптоном (A. Н. Compton, 1922). В процессе изучения атомного ядра Э. Резерфорд открыл протон (см. Протонное излучение), а в 1932 году Чедвик (J. Chadwick) - нейтрон (см. Нейтронное излучение). В 1953 году было экспериментально доказано существование нейтрино, которое Паули (W. Pauli) предсказал еще в 1930 году.

Элементарные частицы делят на три группы. Первая представлена единственной элементарной частицей - фотоном, γ-квантом, или квантом электромагнитного излучения. Вторая группа - это лептоны (греческий leptos мелкий, легкий), участвующие, кроме электромагнитных, еще и в слабых взаимодействиях. Известно 6 лептонов: электрон и электронное нейтрино, мюон и мюонное нейтрино, тяжелый τ-лептон и соответствующий нейтрино. Третью - основную группу элементарных частиц составляют адроны (греческий hadros большой, сильный), которые участвуют во всех видах взаимодействий, в том числе и в сильных взаимодействиях (см. ниже). К адронам относятся частицы двух типов: барионы (греч. barys тяжелый) - часстицы с полуцелым спином и массой не меньше массы протона, и мезоны (греческий mesos средний) - частицы с нулевым или целым спином (см. Электронный парамагнитный резонанс). К барионам принадлежат протон и нейтрон, гипероны, часть резонансов и «очарованных» частиц и некоторые другие элементарные частицы. Единственным стабильным барионом является протон, остальные барионы нестабильны (нейтрон в свободном состоянии - нестабильная частица, однако в связанном состоянии внутри стабильных атомных ядер он стабилен. Мезоны получили свое название потому, что массы первых открытых мезонов - пи-мезона и К-мезона - имели значения, промежуточные между массами протона и электрона. Позже были открыты мезоны, масса которых превышает массу протона. Адроны характеризуются также странностью (S) - нулевым, положительным или отрицательным квантовым числом. Адроны с нулевой странностью называют обычными, а с S ≠ 0 - странными. В 1964 г. Цвейг (G. Zweig) и Гелл-Манн (М. Gell-Mann) независимо друг от друга высказали предположение о кварковой структуре адронов. Результаты ряда экспериментов свидетельствуют о том, что кварки являются реальными материальными образованиями внутри адронов. Кварки обладают рядом необычных свойств, например дробным электрическим зарядом и др. В свободном состоянии кварков не наблюдали. Полагают, что все адроны образуются за счет различных сочетаний кварков.

Вначале элементарные частицы исследовали при изучении радиоактивного распада (см. Радиоактивность) и космического излучения (см.). Однако начиная с 50-х годов 20 века исследования элементарных частиц производят на ускорителях заряженных частиц (см.), в которых ускоренные частицы бомбардируют мишень или сталкиваются с частицами, летящими навстречу. При этом частицы взаимодействуют между собой, в результате чего происходит их взаимопревращение. Именно таким образом было открыто большинство элементарных частиц.

Каждая элементарная частица наряду со спецификой присущих ей взаимодействий описывается набором дискретных значений определенных физических величин, выражаемых целыми или дробными числами (квантовыми числами). Общими характеристиками всех элементарных частиц являются масса (m), время жизни (т), спин (J) - собственный момент количества движения элементарных частиц, имеющий квантовую природу и не связанный с перемещением частицы как целого, электрический заряд (Ω) и магнитный момент (μ). Электрические заряды изученных элементарных частиц по абсолютной величине являются целыми кратными числами от заряда электрона (е≈1,6*10 -10 к). У известных элементарных частиц электрические заряды равны 0, ±1 и ±2.

Все элементарные частицы имеют соответствующие античастицы, масса и спин которых равны массе и спину частицы, а электрический заряд, магнитный момент и другие характеристики равны по абсолютной величине и противоположны по знаку. Например, античастицей электрона является позитрон - электрон с положительным электрическим зарядом. Элементарная частица, тождественная своей античастице, называется истинно нейтральной, например нейтрон и антинейтрон, нейтрино и антинейтрино и т. д. При взаимодействии античастиц друг с другом происходит их аннигиляция (см.).

При попадании элементарной частицы в материальную среду они взаимодействуют с ней. Различают сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное взаимодействия. Сильное взаимодействие (сильнее электромагнитного) возникает между элементарными частицами, находящимися на расстоянии менее 10 -15 м (1 ферми). При расстояниях более 1,5 ферми сила взаимодействия между частицами близка к нулю. Именно сильные взаимодействия между элементарными частицами обеспечивают исключительную прочность атомных ядер, лежащую в основе стабильности вещества в земных условиях. Характерной особенностью сильного взаимодействия является его независимость от электрического заряда. К сильному взаимодействию способны адроны. Сильные взаимодействия обусловливают распад короткоживущих частиц (время жизни порядка 10 -23 - 10 -24 сек.), которые называют резонансами.

Электромагнитному взаимодействию подвержены все заряженные элементарные частицы, фотоны и нейтральные частицы, обладающие магнитным моментом (например, нейтроны). В основе электромагнитных взаимодействий лежит связь с электромагнитным полем. Силы электромагнитного взаимодействия примерно в 100 раз слабее сил сильного взаимодействия. Основная сфера действия электромагнитного взаимодействия - атомы и молекулы (см. Молекула). Такое взаимодействие определяет структуру твердых тел, характер хим. процессов. Оно не ограничивается расстоянием между элементарными частицами, поэтому размер атома примерно в 10 4 раз больше размера атомного ядра.

Слабые взаимодействия лежат в основе чрезвычайно медленно протекающих процессов с участием элементарных частиц. Например, нейтрино, обладающие слабым взаимодействием, могут беспрепятственно пронизывать толщу Земли и Солнца. Слабые взаимодействия обусловливают также медленные распады так называемых квазистабильных элементарных частиц, время жизни которых находится в пределах 10 8 - 10 -10 сек. Элементарные частицы, рожденные при сильном взаимодействии (за время 10 -23 -10 -24 сек.), но распадающиеся медленно (10 -10 сек.), называют странными.

Гравитационные взаимодействия между элементарными частицами дают чрезвычайно малые эффекты из-за ничтожности масс частиц. Этот вид взаимодействия хорошо изучен на макрообъектах, имеющих большую массу.

Многообразие элементарных частиц с разными физическими характеристиками объясняет трудность их систематизации. Из всех элементарных частиц только фотоны, электроны, нейтрино, протоны и их античастицы фактически являются стабильными, так как обладают большим временем жизни. Эти частицы представляют собой конечные продукты самопроизвольного превращения других элементарных частиц. Рождение элементарных частиц может происходить в результате первых трех типов взаимодействий. Для сильно взаимодействующих частиц источником рождения являются реакции сильного взаимодействия. Лептоны, что наиболее вероятно, возникают при распадах других элементарных частиц либо рождаются парами (частица + античастица) под воздействием фотонов.

Потоки элементарных частиц формируют ионизирующие излучения (см.), вызывающие ионизацию нейтральных молекул среды. Биологический эффект элементарных частиц связывают с образованием в облученных тканях и жидкостях организма веществ с высокой химической активностью. К таким веществам относятся свободные радикалы (см. Радикалы свободные), перекиси (см.) и другие. Элементарные частицы могут оказывать и прямое действие на био-молекулы и надмолекулярные структуры, вызывать разрыв внутримолекулярных связей, деполимеризацию высокомолекулярных соединений и т. п. Определенное значение в характере действия элементарных частиц на организм могут иметь процессы миграции энергии и образования метастабильных соединений, возникающих в результате длительного сохранения состояния возбуждения в некоторых макромолекулярных субстратах. В клетках подавляется или извращается активность ферментных систем, изменяется структура клеточных мембран и поверхностных клеточных рецепторов, что приводит к повышению проницаемости мембран и изменению диффузионных процессов, сопровождающихся явлениями денатурации белков, дегидратации тканей, нарушением внутренней среды клетки. Поражаемость клеток в значительной степени зависит от интенсивности их митотического деления (см. Митоз) и обмена веществ: с повышением этой интенсивности радиопоражаемость тканей увеличивается (см. Радиочувствительность). На этом свойстве потоков элементарные частицы - ионизирующего облучения - основано их применение для лучевой терапии (см.), особенно при лечении злокачественных новообразований. Проникающая способность заряженных элементарных частиц в большой степени зависит от линейной передачи энергии (см.), то есть от средней энергии, поглощаемой средой в месте прохождения заряженной частицы, отнесенной к единице ее пути.

Повреждающее действие потока элементарных частиц особенно сказывается на стволовых клетках кроветворной ткани, эпителии яичек, тонкой кишки, кожи (см. Лучевая болезнь, Лучевые повреждения). В первую очередь поражаются системы, находящиеся во время облучения в состоянии активного органогенеза и дифференцировки (см. Критический орган).

Биологическое и терапевтическое действие элементарных частиц зависит от их вида и дозы излучения (см. Дозы ионизирующих излучений). Так, например, при воздействии рентгеновского излучения (см. Рентгенотерапия), гамма-излучения (см. Гамма-терапия) и протонного излучения (см. Протонная терапия) на все тело человека в дозе около 100 рад наблюдается временное изменение кроветворения; внешнее воздействие нейтронного излучения (см. Нейтронное излучение) ведет к образованию в организме различных радиоактивных веществ, например радионуклидов натрия, фосфора и др. При попадании в организм радионуклидов, являющихся источниками бета-частиц (электронов или позитронов) или гамма-квантов, происходит так называемое внутреннее облучение организма (см. Инкорпорирование радиоактивных веществ). Особенно опасны в этом отношении быстро резорбирующиеся радионуклиды с равномерным распределением в организме, напр. тритий (3H) и полоний-210.

Радионуклиды, являющиеся источниками элементарных частиц и участвующие в обмене веществ, используют в радиоизотопной диагностике (см.).

Библиогр.: Ахиезер А. И. и Рекало М. П. Биография элементарных частиц, Киев, 1983, библиогр.; Боголюбов Н. Н. и Широков Д. В. Квантовые поля, М., 1980; Борн М. Атомная физика, пер. с англ., М., 1965; Джонс X. Физика радиологии, пер. с англ.. М., 1965; Кронгауз А. Н., Ляпидевский В. К. и Фролова А. В. Физические основы клинической дозиметрии, М., 1969; Лучевая терапия с помощью излучений высокой энергии, под ред. И. Беккера и Г. Шуберта, пер. с нем., М., 1964; Тюбиана М. и др. Физические основы лучевой терапии и радиобиологии, пер. с франц., М., 1969; Шпольский Э. В. Атомная физика, т. 1, М., 1984; Янг Ч. Элементарные частицы, пер. с англ.. М., 1963.

Р. В. Ставнцкий.

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ

Введение

Э. ч. в точном значении этого термина - первичные, неразложимые частицы, из к-рых, по предположению, состоит вся материя. В понятии "Э. ч." в совр. физике находит выражение идея о первообразных сущностях, определяющих все наблюдаемые свойства материального мира, идея, зародившаяся на ранних этапах становления естествознания и всегда игравшая важную роль в его развитии.

Понятие "Э. ч." сформировалось в тесной связи с установлением дискретного характера строения вещества на микроскопич. уровне. Обнаружение на рубеже 19-20 вв. мельчайших носителей свойств вещества - молекул и атомов - и установление того факта, что молекулы построены из атомов, впервые позволило описать все наблюдаемые вещества как комбинации конечного, хотя и большого, числа структурных составляющих - атомов. Выявление в дальнейшем составных частей атомов - электронов и ядер, установление сложной природы самих ядер, оказавшихся построенными всего из двух частиц (нуклонов): протонов и нейтронов, существенно уменьшило кол-во дискретных элементов, формирующих свойства вещества, и дало основание предполагать, что цепочка составных частей материи завершается дискретными бесструктурными образованиями - Э. ч. Выяснившаяся в нач. 20 в. возможность трактовки эл--магн. поля как совокупности особых частиц - фотонов - дополнительно укрепила убеждённость в правильности такого подхода.

Тем не менее, сформулированное предположение, вообще говоря, является экстраполяцией известных фактов и сколько-нибудь строго обосновано быть не может. Нельзя с уверенностью утверждать, что частицы, элементарные в смысле приведённого определения, существуют. Не исключено также, что утверждение "состоит из..." на какой-то ступени изучения материи окажется лишённым содержания. От данного выше определения "элементарности" в этом случае придётся отказаться. Существование Э. ч.- это своего рода постулат, и проверка его справедливости- одна из важнейших задач физики.

Как правило, термин "Э. ч." употребляется в совр. физике не в своём точном значении, а менее строго - для наименования большой группы мельчайших наблюдаемых частиц материи, подчинённых условию, что они не являются атомами или атомными ядрами, т. е. объектами заведомо составной природы (исключение составляет протон - ядро атома водорода). Как показали исследования, эта группа частиц необычайно обширна. Помимо протона (р), нейтрона (n), электрона (е) и фотона (g) к ней относятся: пи-мезоны (p), мюоны (m), тау-лептоны (т), нейтрино трёх типов (v e , v m , v t), т. н. странные частицы (К-мезоны и гиперо-ны), очарованные частицы и прелестные (красивые) частицы (D- и B-мезоны и соответствующие барионы ),разнообразные резонансы ,в т. ч. мезоны со скрытым очарованием и прелестью (ncu-частщы, ипсилон-частицы )и, наконец, открытые в нач. 80-х гг. промежуточные векторные бозоны (W, Z) - всего более 350 частиц, в осн. нестабильных. Число частиц, включаемых по мере их открытия в эту группу, постоянно растёт, и можно уверенно утверждать, что оно будет расти и впредь. Очевидно, что такое огромное кол-во частиц не может выступать в качестве элементарных слагающих материи, и действительно, в 70-х гг. было показано, что большая часть перечисленных частиц (все мезоны и барионы) представляют собой составные системы. Частицы, входящие в эту последнюю группу, более точно следовало бы называть "субъядерными" частицами, т. к. они представляют собой специфические формы существования материи, неагрегированной в ядра. Использование названия "Э. ч." применительно ко всем упомянутым частицам имеет в осн. истории, причины и связано с периодом исследований (нач. 30-х гг.), когда единств. известными представителями данной группы были протон, нейтрон, электрон и частица эл--магн. поля - фотон. Тогда эти частицы с известным правом могли претендовать на роль Э. ч.

Открытие новых микроскопич. частиц постепенно разрушило эту простую картину строения материи. Однако вновь открываемые частицы по своим свойствам были в ряде отношений близки к первым четырём известным частицам: либо к протону и нейтрону, либо к электрону, либо к фотону. До тех пор пока кол-во таких частиц было не очень велико, сохранялось убеждение, что все они играют фундам. роль в строении материи, и их включали в категорию Э. ч. С нарастанием числа частиц от этого убеждения пришлось отказаться, но традиц. назв. "Э. ч." за ними сохранялось.

В соответствии со сложившейся практикой термин "Э. ч." будет употребляться ниже в качестве общего названия всех мельчайших частиц материи. В тех случаях, когда речь будет идти о частицах, претендующих на роль первичных элементов материи, при необходимости будет использоваться термин "истинно элементарные частицы ".

Краткие исторические сведения

Открытие Э. ч. явилось закономерным результатом общих успехов в изучении строения вещества, достигнутых физикой в кон. 19 в. Оно было подготовлено детальными исследованиями спектров атомов, изучением элек-трич. явлений в жидкостях и газах, открытием фотоэлектричества, рентг. лучей, естеств. радиоактивности, свидетельствовавших о существовании сложной структуры материи.

Исторически первой открытой Э. ч. был электрон - носитель отрицательного элементарного электрич. заряда в атомах. В 1897 Дж. Дж. Томсон (J. J. Thomson) убедительно показал, что т. н. катодные лучи представляют собой поток заряж. частиц, к-рые впоследствии были названы электронами. В 1911 Э. Резерфорд (E. Rutherford), пропуская альфа-частицы от естеств. радиоакт. источника через тонкие фольги разл. веществ, пришёл к выводу, что положит. заряд в атомах сосредоточен в компактных образованиях- ядрах, а в 1919 обнаружил среди частиц, выбитых из атомных ядер, протоны - частицы с единичным положит. зарядом и массой, в 1840 раз превышающей массу электрона. Другая частица, входящая в состав ядра,- нейтрон - была открыта в 1932 Дж. Чедвиком (J. Chadwick) при исследованиях взаимодействия a-частиц с бериллием. Нейтрон имеет массу, близкую к массе протона, но не обладает электрич. зарядом. Открытием нейтрона завершилось выявление частиц, являющихся структурными элементами атомов и их ядер.

Вывод о существовании частицы эл--магн. поля - фотона-берёт своё начало от работы M. Планка (M. Planck, 1900). Для получения правильного описания спектра излучения абсолютно чёрного тела Планк вынужден был допустить, что энергия излучения делится на отд. порции (кванты). Развивая идею Планка, А. Эйнштейн в 1905 предположил, что эл--магн. излучение является потоком квантов (фотонов) и на этой основе объяснил закономерности фотоэффекта. Прямые эксперим. доказательства существования фотона были даны P. Милликеном (R. Millikan) в 1912-15 при исследовании фотоэффекта и А. Комптоном (A. Compton) в 1922 при изучении рассеяния g-квантов на электронах (см. Комптона эффект ).

Идея о существовании нейтрино - частицы, исключительно слабо взаимодействующей с веществом, принадлежит В. Паули (W. Pauli, 1930), указавшему, что подобная гипотеза позволяет устранить трудности с законом сохранения энергии в процессах бета-распада радиоакт. ядер. Экспериментально существование нейтрино было подтверждено при исследовании процесса обратного бета-распада лишь в 1956 [Ф. Райнес (F. Reines) и К. Коуэн (С. Cowan)].

С 30-х и до нач. 50-х гг. изучение Э. ч. было тесно связано с исследованием космических лучей . В 1932 в составе космич. лучей К. Андерсоном (С. Anderson) был обнаружен позитрон (е +)- частица с массой электрона, но с положит, электрич. зарядом. Позитрон был первой открытой античастицей . Существование позитрона непосредственно вытекает из релятивистской теории электрона, развитой П. Дираком (P. Dirac) в 1928-31 незадолго до обнаружения позитрона. В 1936 Андерсон и С. Неддер-мейер (S. Neddermeyer) обнаружили при исследовании космич. лучей мюоны (обоих знаков электрич. заряда) - частицы с массой примерно в 200 масс электрона, а в остальном удивительно близкие к нему по свойствам.

В 1947 также в космич. лучах группой С. Пауэлла (S. Powell) были открыты p + - и p - -мезоны с массой в 274 электронные массы, играющие важную роль во взаимодействии протонов с нейтронами в ядрах. Существование подобных частиц было предположено X. Юкавой (H. Yukawa) в 1935.

Кон. 40-х-нач. 50-х гг. ознаменовались открытием большой группы частиц с необычными свойствами, получивших назв. "странные". Первые частицы этой группы - К + -и К - -мезоны, L-гипероны - были открыты в космич. лучах, последующие открытия странных частиц были сделаны на ускорителях заряженных частиц - установках, создающих интенсивные потоки протонов и электронов высоких энергий. При столкновении с веществом ускоренные протоны и электроны рождают новые Э. ч., к-рые затем регистрируются с помощью сложных детекторов.

С нач. 50-х гг. ускорители превратились в осн. инструмент для исследования Э. ч. В 90-х гг. макс. энергии частиц, разогнанных на ускорителях, составили сотни млрд. электронвольт (ГэВ), и процесс наращивания энергий продолжается. Стремление к увеличению энергий ускоренных частиц обусловлено тем, что на этом пути открываются возможности изучения строения материи на тем меньших расстояниях, чем выше энергия сталкивающихся частиц, а также возможностью рождения всё бo-лее тяжёлых частиц. Ускорители существенно увеличили темп получения новых данных и в короткий срок расширили и обогатили наше знание свойств микромира.

Ввод в строй протонных ускорителей с энергиями в миллиарды эВ позволил открыть тяжёлые античастицы: антипротон (1955), антинейтрон (1956), антисигмаги-перон (I960). В 1964 была открыта самая тяжёлая частица из группы гиперонов - W - (с массой ок. двух масс протона).

Начиная с 60-х гг. с помощью ускорителей выявлено большое число крайне неустойчивых (по сравнению с другими нестабильными Э. ч.) частиц, получивших назв. резо-нансов . Массы большинства превышают массу протона. [Первый из них-D (1232), распадающийся на p-мезон и нуклон,- известен с 1953.] Оказалось, что резо-нансы составляют осн. часть Э. ч.

В 1974 обнаружены массивные (3-4 протонные массы) и в то же время относительно устойчивые пси-частицы, со временем жизни примерно в 10 3 раз большим времени жизни, типичного для резонансов. Они оказались тесно связанными с новым семейством Э. ч.- очарованных, первые представители к-рого (D-мезоны, L с -барионы) открыты в 1976.

В 1977 обнаружены ещё более тяжёлые (ок. 10 протонных масс) ипсилон-частицы, так же, как и пси-частицы, аномально устойчивые для частиц таких больших масс. Они явились провозвестниками существования ещё одного необычного семейства прелестных, или красивых, частиц. Его представители - В-мезоны - открыты в 1981-83, L b -барионы - в 1992.

В 1962 выяснено, что в природе существует не один тип нейтрино, а, по крайней мере, два: электронное v e и мюонное v m . 1975 принёс открытие т-лептона, частицы почти в 2 раза тяжелее протона, но в остальном повторяющей свойства электрона и мюона. Вскоре стало ясно, что с ним связан ещё один тип нейтрино v т.

Наконец, в 1983 в ходе экспериментов на протон-антипротонном коллайдере (установке для осуществления встречных столкновений пучков ускоренных частиц) открыты самые тяжёлые из известных Э. ч.: заряженные промежуточные бозоны W b (m W 80 ГэВ) и нейтральный промежуточный бозон Z 0 (m Z = 91 ГэВ).

T. о., почти за 100 лет, прошедшие после открытия электрона, выявлено огромное число разнообразных микрочастиц материи. Мир Э. ч. оказался достаточно сложно устроенным. Неожиданными во мн. отношениях оказались свойства обнаруженных Э. ч. Для их описания, помимо характеристик, заимствованных из классич. физики, таких, как электрич. заряд, масса, момент количества движения, потребовалось ввести много новых спец. характеристик, в частности для описания странных, очарованных и прелестных (красивых) Э. ч.- странность [К. Нишиджима (К. Nishijima), M. Гелл-Ман (M. Gell-Mann), 1953], очарование [Дж. Бьёркен (J. Bjorken), Ш. Глэшоу (Sh. Glashow), 1964], красота . Уже названия приведённых характеристик отражают необычность описываемых ими свойств Э. ч.

Изучение внутр. строения материи и свойств Э. ч. с первых своих шагов сопровождалось радикальным пересмотром многих устоявшихся понятий и представлений. Закономерности, управляющие поведением материи в малом, оказались настолько отличными от закономерностей классич. механики и , что потребовали для своего описания совершенно новых теоретич. построений. Такими новыми теориями явились прежде всего частная (спец.) относительности теория (Эйнштейн, 1905) и квантовая механика (H. Бор, Л. де Бройль, В. Гейзенберг, Э. Шрёдингер, M. Борн; 1924-27). Теория относительности и квантовая механика ознаменовали собой подлинную революцию в науке о природе и заложили основы для описания явлений микромира. Однако для описания процессов, происходящих с Э. ч., оказалось недостаточно. Понадобился следующий шаг - квантование классич. полей (т. н. вторичное квантование )и разработка квантовой теории поля . Важнейшими этапами на пути её развития были: формулировка квантовой электродинамики (Дирак, 1929), квантовой теории бета-распада [Э. Ферми (E. Fermi), 1934] - предшественницы совр. феноменологической теории слабых взаимодействий, квантовой мезодинамики (X. Юкава, 1935). Этот период завершился созданием последоват. вычислит. аппарата квантовой электродинамики [С. Томона-га (S. Tomonaga), P. Фейнман (R. Feynman), Ю. Швин-гер (J. Schwinger); 1944-49], основанного на использовании техники перенормировки .Эта техника была обобщена в дальнейшем и на др. варианты квантовой теории поля.

Существенный этап последующего развития квантовой теории поля был связан с разработкой представлений о т. н. калибровочных полях или Янга - Миллса полях (Ч. Янг, P. Миллс, 1954), которые позволили установить взаимосвязь свойств симметрии взаимодействия с полей. Квантовая теория калибровочных полей в настоящее время является основой для описания взаимодействий Э. ч. У этой теории имеется ряд серьёзных успехов, и всё же она ещё очень далека от завершённости и не может пока претендовать на роль всеобъемлющей теории Э. ч. Возможно, понадобятся ещё не одна перестройка всех представлений и гораздо более глубокое понимание взаимосвязи свойств микрочастиц и свойств пространства-времени, прежде чем такая теория будет построена.

Основные свойства элементарных частиц. Классы взаимодействий

Все Э. ч--объекты исключительно малых масс и размеров. У большинства из них массы m имеют порядок величины массы протона, равной 1,6·10 -24 г (заметно меньше лишь масса электрона: 9·10 -28 г). Определённые из опыта размеры протона, нейтрона, p- и К-мезонов по порядку величины равны 10 -13 см (см. "Размер" элементарной частицы) . У электрона и мюона определить размеры не удалось, известно лишь, что они меньше 10 -16 см. Микроскопич. массы и размеры Э. ч. лежат в основе квантовой специфики их поведения. Характерные длины волн, которые следует приписать Э. ч. в квантовой теории (=/тс-комптоновская длина волны) , по порядку величин близки к типичным размерам, на к-рых осуществляется их взаимодействие (напр., для p-мезона /тс 1,4 · 10 -13 см). Это и приводит к тому, что квантовые закономерности являются определяющими в поведении Э. ч.

Наиб. важное квантовое свойство всех Э. ч--их способность рождаться и уничтожаться (испускаться и поглощаться) при взаимодействии с др. частицами. В этом отношении они полностью аналогичны фотонам. Э. ч.- это специфич. кванты материи, более точно - кванты соответствующих полей физических . Все процессы с Э. ч. протекают через последовательность актов их поглощения и испускания. Только на этой основе можно понять, напр., процесс рождения p + -мезона при столкновении двух протонов (p+pp+ n + p +) или процесс электрона и позитрона, когда взамен исчезнувших частиц возникают, напр., два g-кванта (е + +е - g+ g). Но и процессы упругого рассеяния частиц, напр. е - +р-> е - +р, также связаны с поглощением нач. частиц и рождением конечных частиц. Распад нестабильных Э. ч. на более лёгкие частицы, сопровождаемый выделением энергии, отвечает той же закономерности и является процессом, в к-ром продукты распада рождаются в момент самого распада и до этого момента не существуют. В этом отношении распад Э. ч. подобен распаду возбуждённого атома на осн. состояние и фотон. Примерами распадов Э. ч. могут служить (знак "тильда" над символом частицы здесь и в дальнейшем соответствует античастице).

Разл. процессы с Э. ч. при относительно небольших энергиях [до 10 ГэВ в системе центра масс (с. ц. м.)] заметно отличаются по интенсивности их протекания. В соответствии с этим порождающие их взаимодействия Э. ч. можно феноменологически разделить на неск. классов: сильное взаимодействие, электромагнитное взаимодействие и слабое взаимодействие .Все Э. ч. обладают, кроме того, гравитационным взаимодействием .

Сильное взаимодействие выделяется как взаимодействие, к-рое ответственно за процессы с Э. ч., протекающие с наибольшей интенсивностью по сравнению с др. процессами. Оно приводит к самой сильной связи Э. ч. Именно сильное взаимодействие обусловливает связь протонов и нейтронов в ядрах атомов и обеспечивает исключит. прочность этих образований, лежащую в основе стабильности вещества в земных условиях.

Эл--магн. взаимодействие характеризуется как взаимодействие, в основе к-рого лежит связь с эл--магн. полем. Процессы, обусловленные им, менее интенсивны, чем процессы сильного взаимодействия, а порождаемая им связь Э. ч. заметно слабее. Эл--магн. взаимодействие, в частности, ответственно за процессы излучения фотонов, за связь атомных электронов с ядрами и связь атомов в молекулах.

Слабое взаимодействие, как показывает само название, слабо влияет на поведение Э. ч. или вызывает очень медленно протекающие процессы изменения их состояния. Иллюстрацией этого утверждения может служить, напр., тот факт, что нейтрино, участвующие только в слабом взаимодействии, беспрепятственно пронизывают, напр., толщу Земли и Солнца. Слабое взаимодействие ответственно за сравнительно медленные распады т. н. квазистабильных Э. ч. Как правило, времена жизни этих частиц лежат в диапазоне 10 -8 -10 -12 с, тогда как типичные времена переходов для сильного взаимодействия Э. ч. составляют 10 -23 с.

Гравитац. взаимодействия, хорошо известные по своим макроскопич. проявлениям, в случае Э. ч. в силу чрезвычайной малости их масс на характерных расстояниях ~10 -13 см дают исключительно малые эффекты. В дальнейшем (за исключением раздела 7) они обсуждаться не будут.

"Силу" разл. классов взаимодействий можно приближённо охарактеризовать безразмерными параметрами, связанными с квадратами соответствующих констант взаимодействий . Для сильного, эл--магн., слабого и гравитац. взаимодействий протонов при энергии процессов ~ 1 ГэВ BC. ц. м. эти параметры соотносятся как 1:10 -2:10 -10:10 -38 . Необходимость указания ср. энергии процесса связана с тем, что в феноменологич. теории слабого взаимодействия безразмерный параметр зависит от энергии. Кроме того, интенсивности разл. процессов очень по-разному зависят от энергии, а феноменологическая теория слабого взаимодействия при энергиях больших M W в с. ц. м. перестаёт быть справедливой. Всё это приводит к тому, что относит. роль разл. взаимодействий, вообще говоря, меняется с ростом энергии взаимодействующих частиц и разделение взаимодействий на классы, основанное на сравнении интенсивностей процессов, надёжно осуществляется при не слишком высоких энергиях.

По совр. представлениям, при энергиях выше M W (т. е. 80 ГэВ в с. ц. м.) слабое и эл--магн. взаимодействия сравниваются по силе и выступают как проявление единого электрослабого взаимодействия . Выдвинуто также привлекательное предположение о возможном выравнивании констант всех трёх видов взаимодействий, включая сильное, при сверхвысоких энергиях, больших 10 16 ГэВ (модель т. н. Великого объединения) .

В зависимости от участия в тех или иных видах взаимодействий все изученные Э. ч., за исключением фотона, W - и Z-бозонов, разбиваются на две осн. группы: адроны и лептоны . Адроны характеризуются прежде всего тем, что они участвуют в сильном взаимодействии, наряду с эл--магнитным и слабым, тогда как лептоны участвуют только в эл--магнитном и слабом взаимодействиях. (Наличие общего для той и другой группы гравитац. взаимодействия подразумевается.) Массы адронов по порядку величины близки к массе протона (т р ) , иногда превышая её в неск. раз; мин. массу среди адронов имеет p-мезон: т p 1 / 7 m p , . Массы лептонов, известных до 1975-76, были невелики (0,1 m p)- отсюда их название. Однако более поздние данные свидетельствуют о существовании тяжёлых т-лептонов с массой ок. двух масс протона.

Адроны-самая обширная группа из известных Э. ч. В неё входят все барионы и мезоны, а также т. н. резонан-сы (т. е. большая часть упомянутых 350 Э. ч.). Как уже указывалось, эти частицы имеют сложное строение и на самом деле не могут рассматриваться как элементарные. Лептоны представлены тремя заряженными (е, m, т) и тремя нейтральными частицами (v e , v m , v т). Фотон, W + и Z 0 -бозоны образуют вместе важную группу калибровочных бозонов, осуществляющих перенос эл--слабого взаимодействия. Элементарность частиц из этих двух последних групп пока не подвергается серьёзному сомнению.

Характеристики элементарных частиц

Каждая Э. ч., наряду со спецификой присущих ей взаимодействий, описывается набором дискретных значений определ. физ. величин или своими характеристиками. В ряде случаев эти дискретные значения выражаются через целые или дробные числа и нек-рый общий множитель- единицу измерения; об этих числах говорят как о квантовых числах Э. ч. и задают только их, опуская единицы измерения.

Общие характеристики всех Э. ч--масса (т) , время жизни (т), спин (J )и электрич. заряд (Q) .

В зависимости от времени жизни т Э. ч. делятся на стабильные, квазистабильные и нестабильные (резонансы). Стабильными, в пределах точности совр. измерений, являются электрон (т>2 · 10 22 лет), протон (т>5 · 10 32 лет), фотон и все типы нейтрино. К квазистабильным относят частицы, распадающиеся за счёт эл--магн. и слабого взаимодействий. Их времена жизни лежат в интервале от 900 с для свободного нейтрона до 10 -20 с для S 0 -гиперона. Резо-нансами наз. Э. ч., распадающиеся за счёт сильного взаимодействия. Их характерные времена жизни 10 -22 -10 -24 с. В табл. 1 они помечены значком * и вместо т приведена более удобная величина: ширина резонанса Г=/т.

Спин Э. ч. J является целым или полуцелым кратным величине. В этих единицах спин p- и К-мезонов равен 0, у протона, нейтрона и всех лептонов J= 1/2, у фотона, W b -и Z-бозонов J= 1. Существуют частицы и с большим спином. Величина спина Э. ч. определяет поведение ансамбля одинаковых (тождественных) частиц или их статистику (Паули, 1940). Частицы полуцелого спина подчиняются Ферми - Дирака статистике (отсюда назв. фермионы), к-рая требует антисимметрии волновой ф-ции системы относительно перестановки пары частиц (или нечётного числа таких перестановок) и, следовательно, "запрещает" двум частицам полуцелого спина находиться в одинаковом состоянии (Паули принцип ).Частицы целого спина подчиняются Базе - Эйнштейна статистике (отсюда назв. бозоны), к-рая требует волновой ф-ции относительно перестановок частиц и допускает нахождение любого числа частиц целого спина в одном и том же состоянии. Статистич. свойства Э. ч. оказываются существенными в тех случаях, когда при рождении или распаде образуется неск. одинаковых частиц.

П р и м е ч а н и е. Знаком * слева помечены частицы (как правило, резонансы), для к-рых вместо времени жизни т приведена ширина Г=/t. Истинно нейтраль ные частицы помещены посередине между частицами и античастицами. Члены одного изотопического мульти плета расположены на одной строке (в тех случаях , когда известны характеристики каждого члена мульти плета,- с небольшим смещением по вертикали). Изме нение знака чётности P у антибарионов не указано, рав но как и изменение знаков S, С, b y всех античастиц. Для лептонов и промежуточных бозонов внутренняя чётность не является точным (сохраняющимся) кванто вым числом и потому не обозначена. Цифры в скобках в конце приводимых физических величин обозначают существующую ошибку в значении этих величин, относящуюся к последним из приведённых цифр .

Электрич. заряды изученных Э. ч. (кроме ) являются целыми кратными величине е= 1,6·10 -19 Кл (4,8 · 10 -10 CGS), наз. элементарным электрическим зарядом . У известных Э. ч. Q = 0, + 1, b2.

Помимо указанных величин, Э. ч. дополнительно характеризуются ещё рядом квантовых чисел, наз. "внутренними". Лептоны несут специфич. лептонное число (L )трёх типов: электронное L e , равное +1 для е - и v e , мюонное L m , равное +1 для m - и v m , и L t , равное +1 для т - и v t .

Для адронов L= 0, и это ещё одно проявление их отличия от лептонов. В свою очередь, значит. части адронов следует приписать т. н. барионное число В (|B| = I) . Адроны с B=+ 1 образуют подгруппу барионов (сюда входят протон, нейтрон, гипероны; очарованные и прелестные бары-оны; барионные резонансы), а адроны с B = 0 - подгруппу мезонов (p-мезоны, К-мезоны, очарованные и прелестные мезоны, бозонные резонансы). Назв. подгрупп адронов происходят от греч. слов baruV - тяжёлый и mEsоV - средний, что на нач. этапе исследований Э. ч. отражало сравнит. величины масс известных тогда барионов и мезонов. Более поздние данные показали, что массы барионов и мезонов сопоставимы. Для лептонов B =0. Для фотона, W b - и Z-бозонов B = 0 и L = 0.

Изученные барионы и мезоны подразделяются на уже упоминавшиеся совокупности: обычных (нестранных) частиц (протон, нейтрон, p-мезоны), странных частиц (гипероны, К-мезоны), очарованных и прелестных частиц. Этому разделению отвечает наличие у адронов особых квантовых чисел: странности S , очарования С и прелести (красоты) b с допустимыми значениями (по модулю) 0, 1, 2, 3. Для обычных частиц S =C=b =0, для странных частиц S 0, C = b = 0, для очарованных частиц С0, b = 0, а для прелестных b O. Наряду с этими квантовыми числами часто используется также квантовое число гиперзаряд Y=B+S+C + b , имеющее, по-видимому, более фундам. значение.

Уже первые исследования обычных адронов выявили наличие среди них семейств частиц, близких по массе и с очень сходными свойствами по отношению к сильному взаимодействию, но с разл. значениями электрич. заряда. Протон и нейтрон (нуклоны) были первым примером такого семейства. Такие семейства позже были обнаружены среди странных, очарованных и прелестных адронов. Общность свойств частиц, входящих в такие семейства, является отражением существования у них одинакового значения квантового числа - изотопического спина I , принимающего, как и обычный спин, целые и полуцелые значения. Сами семейства обычно наз. изотопическими мультиплетами . Число частиц в мультиплете n связано с I соотношением n = 2I +1. Частицы одного изотопич. мультиплета отличаются друг от друга значением "проекции" изотопич. спина I 3 , и соответствующие значения Q даются выражением

Важная характеристика адронов - внутренняя чётность P , связанная с операцией пространств. инверсии: P принимает значения + 1.

Для всех Э. ч. с ненулевыми значениями хотя бы одного из квантовых чисел Q, L, В, S, С, b существуют античастицы с теми же значениями массы т , времени жизни т, спина J и для адронов изотопич. спина I , но с противоположными знаками указанных квантовых чисел, а для барионов с противоположным знаком внутр. чётности Р . Частицы, не имеющие античастиц, наз. истинно нейтральными частицами . Истинно нейтральные адроны обладают спец. - зарядовой чётностью (т. е. чётностью по отношению к операции зарядового сопряжения) С со значениями + 1; примерами таких частиц могут служить p 0 - и h-мезоны (С=+1), r 0 - и f-мезоны (С=-1)и др.

Квантовые числа Э. ч. разделяются на т о ч н ы е (т. е. такие, к-рые связаны с физ. величинами, сохраняющимися во всех процессах) и н е т о ч н ы е (для к-рых соответствующие физ. величины в ряде процессов не сохраняются). Спин J связан со строгим законом сохранения и потому является точным квантовым чис.чом. Другое точное квантовое число-электрич. заряд Q . В пределах точности проведённых измерений сохраняются также квантовые числа B и L , хотя для этого не существует серьёзных теоретич. предпосылок. Более того, наблюдаемая барионная асимметрия Вселенной наиб. естественно может быть истолкована в предположении нарушения сохранения барионного числа В (А. Д. Сахаров, 1967). Тем не менее наблюдаемая стабильность протона есть отражение высокой степени точности сохранения B и L (нет, напр., распада pe + + p 0). Не наблюдаются также распады m - e - +g, т - m - +g и т. д. Однако большинство квантовых чисел адронов неточные. Изотопич. спин, сохраняясь в сильном взаимодействии, не сохраняется в эл--магн. и слабом взаимодействиях. Странность, очарование и прелесть сохраняются в сильном и эл--магн. взаимодействиях, но не сохраняются в слабом взаимодействии. Слабое взаимодействие изменяет также внутр. и зарядовую чётности совокупности частиц, участвующих в процессе. С гораздо большей степенью точности сохраняется комбинированная чётность CP (СР-чётностъ) , однако и она нарушается в нек-рых процессах, обусловленных . Причины, вызывающие несохранение мн. квантовых чисел адронов, не ясны и, по-видимому, связаны как с природой этих квантовых чисел, так и с глубинной структурой эл--слабого взаимодействия.

В табл. 1 приведены наиб. хорошо изученные Э. ч. из групп лептонов и адронов и их квантовые числа. В спец. группу выделены калибровочные бозоны. Раздельно даны частицы и античастицы (изменение P у антибарионов не указано). Истинно нейтральные частицы помещены в центре первой колонки. Члены одного изотопич. мультиплета расположены в одной строке, иногда с небольшим смещением (в тех случаях, когда даются характеристики каждого члена мультиплета).

Как уже отмечалось, группа лептонов весьма немногочисленна, а массы частиц в осн. малы. Для масс всех типов нейтрино существуют довольно жёсткие ограничения сверху, но каковы их истинные значения, предстоит ещё выяснить.

Осн. часть Э. ч. составляют адроны. Увеличение числа известных Э. ч. в 60-70-х гг. происходило исключительно за счёт расширения данной группы. Адроны в своём большинстве представлены резонансами. Обращает на себя внимание тенденция к росту спина по мере роста массы резонансов; она хорошо прослеживается на разл. группах мезонов и барионов с заданными I , S и С. Следует также отметить, что странные частицы несколько массивнее обычных частиц, очарованные частицы массивнее странных, а прелестные частицы массивнее очарованных.

Классификация элементарных частиц. Кварковая модель адронов

Если классификация калибровочных бозонов и лептонов не вызывает особых проблем, то большое число адронов уже в нач. 50-х гг. явилось основанием для поиска закономерностей в распределении масс и квантовых чисел барионов и мезонов, к-рые могли бы составить основу их классификации. Выделение изотопич. мультиплетов адронов было первым шагом на этом пути. С матем. точки зрения группировка адронов в изотопич. мультиплеты отражает наличие у сильного взаимодействия симметрии, связанной с вращения группой , более формально, с унитарной группой SU (2) - группой преобразований в комплексном двумерном пространстве [см. Симметрия SU (2 )] . Предполагается, что эти преобразования действуют в нек-ром специфич. внутр. пространстве - т. н. изотопич. пространстве, отличном от обычного. Существование изотопич. пространства проявляется только в наблюдаемых свойствах симметрии. На матем. языке изотопич. мультиплеты суть неприводимые представления группы симметрии SU (2).

Концепция симметрии как фактора, определяющего существование разл. групп и семейств Э. ч. в совр. теории, является доминирующей при классификации адронов и других Э. ч. Предполагается, что внутр. квантовые числа Э. ч., позволяющие объединять те или иные группы частиц, связаны со спец. типами симметрии, возникающими за счёт свободы преобразований в особых внутр. пространствах. Отсюда и происходит назв. "внутренние квантовые числа".

Внимательное рассмотрение показывает, что странные и обычные адроны в совокупности образуют более широкие объединения частиц с близкими свойствами, чем изотопич. мультиплеты. Их принято называть супермульти-плетами . Число частиц, входящих в наблюдаемые супер-мультиплеты, равно 8 и 10. С точки зрения симметрии возникновение супермультиплетов истолковывается как проявление существования у сильного взаимодействия группы симметрии более широкой, чем группа SU(2) , а именно унитарной группы SU (3)- группы преобразований в трёхмерном комплексном пространстве [Гелл-Ман, Ю. Нееман (Y. Neeman), 1961]; см. Симметрия SU(3) . Соответствующая симметрия получила назв. унитарной симметрии. Группа SU (3) имеет, в частности, неприводимые представления с числом компонент 8 и 10, к-рые можно сопоставить наблюдаемым супермультиплетам: октету и декуплету. Примерами супермультиплетов могут служить следующие группы частиц с одинаковыми значениями J P (т. е. с одинаковыми парами значений J и P):

Унитарная симметрия менее точная, чем изотопич. симметрия. В соответствии с этим различие в массах частиц, входящих в октеты и декуплеты, довольно значительно. По этой же причине разбиение адронов на супермульти-плеты сравнительно просто осуществляется для Э. ч. не очень больших масс. При больших массах, когда имеется много разл. частиц с близкими массами, это разбиение осуществить сложнее.

Обнаружение среди адронов выделенных супермульти-плетов фиксированных размерностей, отвечающих опре-дел. представлениям унитарной группы SU (3), явилось ключом к важнейшему заключению о существовании у адронов особых структурных элементов - кварков .

Гипотеза о том, что наблюдаемые адроны построены из частиц необычной природы - кварков, несущих спин 1 / 2 , обладающих сильным взаимодействием, но в то же время, не принадлежащих классу адронов, была выдвинута Дж. Цвейгом (G. Zweig) и независимо Гелл-Маном в 1964 (см. Кварковые модели) . Идея кварков была подсказана матем. структурой представлений унитарных групп. Ma-тем. формализм открывает возможность описания всех представлений группы SU(n )(и, следовательно, всех связанных с ней мультиплетов адронов) на основе перемножения самого простого (фундам.) представления группы, содержащего n компонент. Необходимо только допустить существование особых частиц, связанных с этими компонентами, что и было сделано Цвейгом и Гелл-Маном для частного случая группы SU(3) . Эти частицы были названы кварками.

Конкретный кварковый состав мезонов и барионов был выведен из того факта, что мезоны, как правило, входят в супермультиплеты с числом частиц, равным 8, а бари-оны-8 и 10. Эта закономерность легко воспроизводится, если предположить, что мезоны составлены из кварка и антикварка, символически: M=(q ) , а барион-из трёх кварков, символически: B = (qqq) . B силу свойств группы SU (3) 9 мезонов разбиваются на супермультиплеты из 1 и 8 частиц, а 27 барионов-на супермультиплеты, содержащие 1, 10 и дважды по 8 частиц, что и объясняет наблюдаемую выделенность октетов и декуплетов.

T. о., выявленное экспериментами 60-х гг. существование супермультиплетов, составленных из обычных и странных адронов, позволило сделать вывод о том, что все эти адроны построены из 3 кварков, обычно обозначаемых и, d, s (табл. 2). Вся совокупность известных к тому моменту фактов прекрасно согласовывалась с этим предложением.

Табл. 2 .-Характеристики кварков

* Предварительная экспериментальная оценка .

Последующее обнаружение пси-частиц, а затем ипсилон-частиц, очарованных и прелестных адронов показало, что для объяснения их свойств трёх кварков недостаточно и необходимо допустить существование ещё двух типов кварков c и b , несущих новые квантовые числа: очарование и прелесть. Это обстоятельство не поколебало, однако, основные положения кварковой модели. Был сохранён, в частности, центр. пункт её схемы строения адронов: M=(q ), B = (qqq) . Более того, именно на основе предположения о кварковом строении пси- и ипсилон-частиц удалось дать физ. толкование их во многом необычным свойствам.

Исторически открытие пси- и ипсилон-частиц, равно как и новых типов очарованных и прелестных адронов, явилось важным этапом в утверждении представлений о кварковом строении всех сильновзаимодействующих частиц. Согласно совр. теоретич. моделям (см. ниже), следовало ожидать существования ещё одного - шестого t -кварка, к-рый и был обнаружен в 1995.

Указанная выше кварковая структура адронов и матем. свойства кварков как объектов, связанных с фундам. представлением группы SU(n) , приводят к следующим квантовым числам кварков (табл. 2). Обращают на себя внимание необычные (дробные) значения электрич. заряда Q , а также В , не встречающиеся ни у одной из изученных Э. ч. С индексом a у каждого типа кварка q i (i = 1, 2, 3, 4, 5, 6) связана особая характеристика кварков - цвет ,к-рой нет у наблюдаемых адронов. Индекс a принимает значения 1, 2, 3, т. е. каждый тип кварка (q i )представлен тремя разновидностями q a i . Квантовые числа каждого типа кварка не меняются при изменении цвета, поэтому табл. 2 относится к кваркам любого цвета. Как было показано позднее, величины q a (для каждого i ) при изменении a с точки зрения их трансформац. свойств следует рассматривать как компоненты фундам. представления ещё одной группы SU (3), цветовой, действующей в цветовом трёхмерном пространстве [см. Цветовая симметрия SU (3)].

Необходимость введения цвета вытекает из требования антисимметрии волновой ф-ции системы кварков, образующих барионы. Кварки, как частицы со спином 1 / 2 , должны подчиняться статистике Ферми-Дирака. Между тем имеются барионы, составленные из трёх одинаковых кварков с одинаковой ориентацией спинов: D ++ (), W - (), к-рые явно симметричны относительно перестановок кварков, если последние не обладают дополнит. степенью свободы. Такой дополнит. степенью свободы и является цвет. С учётом цвета требуемая антисимметрия легко восстанавливается. Уточнённые ф-ли структурного состава мезонов и барионов выглядят при этом следующим образом:

где e abg - полностью антисимметричный тензор (Леви-Чи-виты символ )(1/ 1/ -нормировочные множители). Важно отметить, что ни мезоны, ни барионы не несут цветовых индексов (лишены цвета) и являются, как иногда говорят, "белыми" частицами.

В табл. 2 приведены лишь "эффективные" массы кварков. Это связано с тем, что кварки в свободном состоянии, несмотря на многочисленные тщательные их поиски, не наблюдались. В этом, кстати, проявляется ещё одна особенность кварков как частиц совершенно новой, необычной природы. Поэтому прямых данных о массах кварков нет. Имеются лишь косвенные оценки величин масс кварков, к-рые могут быть извлечены из их разл. динамических проявлений в характеристиках адронов (включая массы последних), а также в разл. процессах происходящих с ад-ронами (распады и т. п.). Для массы t -кварка дана предварительная эксперим. оценка.

Всё многообразие адронов возникает за счёт разл. сочетаний и-, d-, s-, с - и b -кварков, образующих связанные состояния. Обычным адронам соответствуют связанные состояния, построенные только из и - и d -кварков [для мезонов с возможным участием комбинаций (s .), (с ) и (b )]. Наличие в связанном состоянии, наряду с u - и d -кварками, одного s-, с - или b -кварка означает, что соответствующий адрон странный (S = - 1), очарованный (C= + 1) или прелестный (b = - 1). В состав бариона может входить два и три s -кварка (соответственно с - и b -кварка), т. е. возможны дважды и трижды странные (очарованные, прелестные) барионы. Допустимы также сочетания разл. числа s - и с -, b -кварков (особенно в барионах), к-рые соответствуют "гибридным" формам адронов (странно-очарованным, странно-прелестным). Очевидно, что чем больше s-, с - или b -кварков содержит адрон, тем он массивнее. Если сравнивать основные (не возбуждённые) состояния адронов, именно такая картина и наблюдается (табл. 1).

Поскольку спин кварков равен 1 / 2 , приведённая выше кварковая структура адронов имеет своим следствием целочисленный спин у мезонов и полуцелый - у барионов, в полном соответствии с экспериментом. При этом в состояниях, отвечающих орбитальному моменту l =0, в частности в осн. состояниях, значения спина мезонов должны равняться 0 или 1 (для антипараллельной и параллельной ориентации спинов кварков), а спина барионов: 1 / 2 или 3 / 2 (для спиновых конфигураций и ). С учётом того, что внутр. чётность системы кварк-антикварк отрицательна, значения J P для мезонов при l = 0 равны 0 - и 1 - , для барионов: 1 / 2 + и 3 / 2 + . Именно эти значения наблюдаются у адронов, имеющих наименьшую массу при заданных значениях I и S , С, b .

В качестве иллюстрации в табл. 3 и 4 приведён квар-ковый состав мезонов с J P = 0 - и барионов J P = 1 / 2 + (всюду предполагается необходимое суммирование по цветам кварков).

Табл. 3.- Кварковый состав изученных мезонов с J P =0 - ()

Табл. 4.- Кварковый состав изученных барионов с J P = 1/2 + ()

П р и м е ч а н и е. Символ {} означает симметризацию по переменным частицам; символ -антисимметризацию .

T. о., кварковая модель естеств. образом объясняет происхождение осн. групп адронов и их наблюдаемые квантовые числа. Более детальное динамическое рассмотрение позволяет также сделать ряд полезных заключений относительно взаимосвязи масс внутри разл. семейств адронов.

Правильно передавая специфику адронов с наименьшими массами и спинами, кварковая модель естеств. образом объясняет также общее большое число адронов и преобладание среди них резонансов. Многочисленность адронов есть отражение их сложного строения и возможности существования разл. возбуждённых состояний кварковых систем. Все возбуждённые состояния кварковых систем неустойчивы относительно быстрых переходов за счёт сильного взаимодействия в нижележащие состояния. Они-то и образуют осн. часть резонансов. Небольшую долю резонансов составляют также кварковые системы с параллельной ориентацией спинов (за исключением W -). Кварковые конфигурации с антипараллельной ориентацией спинов, относящиеся к осн. состояниям, образуют квазистабильные адроны и стабильный протон.

Возбуждения кварковых систем происходят как за счёт изменения вращат. движения кварков (орбитальные возбуждения), так и за счёт изменения их пространств. расположения (радиальные возбуждения). В первом случае рост массы системы сопровождается изменением суммарного спина J и чётности P системы, во втором случае увеличение массы происходит без изменения J P .

При формулировке кварковой модели кварки рассматривались как гипотетич. структурные элементы, открывающие возможность очень удобного описания адронов. В последующие годы были проведены эксперименты, к-рые позволяют говорить о кварках как о реальных материальных образованиях внутри адронов. Первыми были эксперименты по рассеянию электронов на нуклонах на очень большие углы. Эти эксперименты (1968), напоминающие классич. опыты Резерфорда по рассеянию a-частиц на атомах, выявили наличие внутри нуклона точечных заряж. образований (см. Партоны ).Сравнение данных этих экспериментов с аналогичными данными по рассеянию нейтрино на нуклонах (1973-75) позволили сделать заключение о ср. величине квадрата электрич. заряда этих точечных образований. Результат оказался близким к ожидаемым дробным значениям (2 / 3) 2 е 2 и (1 / 3) 2 е 2 . Изучение процесса рождения адронов при аннигиляции электрона и позитрона, к-рый предположительно идёт через следующие стадии:

указало на наличие двух групп адронов, т. н. струй (см. Струя адронная ),генетически связанных с каждым из образующихся кварков, и позволило определить спин кварков. Он оказался равным 1 / 2 . Общее число рождённых в этом процессе адронов свидетельствует также о том, что в промежуточном состоянии каждый тип кварка представлен тремя разновидностями, т. е. кварки трёхцветны.

T. о., квантовые числа кварков, заданные на основании теоретич. соображений, получили всестороннее эксперим. подтверждение. Кварки фактически приобрели статус новых Э. ч. и являются серьёзными претендентами на роль истинно Э. ч. для сильновзаимодействующих форм материи. Число известных видов кварков невелико. До длин <=10 -16 см кварки выступают как точечные бесструктурные образования. Бесструктурность кварков, конечно, может отражать лишь достигнутый уровень исследования этих материальных образований. Однако ряд специфич. особенностей кварков даёт известные основания предполагать, что кварки являются частицами, замыкающими цепь структурных составляющих сильновзаимодействующей материи.

От всех других Э. ч. кварки отличаются тем, что в свободном состоянии они, по-видимому, не существуют, хотя имеются чёткие свидетельства их существования в связанном состоянии. Эта особенность кварков, скорее всего, связана со спецификой их взаимодействия, порождаемого обменом особыми частицами - глюонами , приводящего к тому, что силы притяжения между ними не ослабляются с расстоянием. Как следствие, для отделения кварков друг от друга требуется бесконечная энергия, что, очевидно, невозможно (теория т. н. конфайнмента или пленения кварков; см. Удержание цвета ).Реально при попытке отделить кварки друг от друга происходит образование дополнит. адронов (т.н. адронизация кварков). Невозможность наблюдения кварков в свободном состоянии делает их совершенно новым типом структурных единиц вещества. Неясно, напр., можно ли в этом случае ставить вопрос о составных частях кварков и не обрывается ли тем самым последовательность структурных составляющих материи. Всё сказанное подводит к выводу, что кварки, наряду с лептонами и калибровочными бозонами, также не имеющими наблюдаемых признаков структуры, образуют группу Э. ч., к-рая имеет наибольшие основания претендовать на роль истинно Э. ч.

Элементарные частицы и квантовая теория поля. Стандартная модель взаимодействий

Для описания свойств и взаимодействий Э. ч. в совр. теории существ. значение имеет понятие физического поля, к-рое ставится в соответствие каждой частице. Поле есть специфич. форма распределённой в пространстве материи; оно описывается ф-цией, задаваемой во всех точках пространства-времени и обладающей определ. трансформац. свойствами по отношению к преобразованиям Лоренца группы (скаляр, спинор, вектор и т. д.) и групп "внутр." симметрии (изотопич. скаляр, изотопич. спинор и т. д.). Эл--магн. поле, обладающее свойствами четырёхмерного вектора A m (x )(m= 1, 2, 3, 4),- исторически первый пример физ. поля. Поля, сопоставляемые Э. ч., имеют квантовую природу, т. е. их энергия и импульс слагаются из множества отд. порций - квантов, причём полная энергия e k и импульс p k кванта связаны соотношением спец. теории относительности: e 2 k =р 2 k с 2 + т 2 с 4 . Каждый такой квант и есть Э. ч. с массой т , с заданной энергией e k и импульсом p k . Квантами эл--магн. поля являются фотоны, кванты др. полей соответствуют всем остальным известным Э. ч. Ma-тем. аппарат квантовой теории поля (КТП) позволяет описать рождение и уничтожение частицы в каждой пространственно-временной точке.

Трансформац. свойства поля определяют осн. квантовые числа Э. ч. Трансформационные свойства по отношению к преобразованиям группы Лоренца задают спин частиц: скаляру соответствует спин J= 0, спинору - спин J= 1 / 2 , вектору - спин J= 1 и т.д. Трансформац. свойства полей по отношению к преобразованиям "внутр." пространств ("зарядового пространства", "изотопического пространства", "унитарного пространства", "цветного пространства") определяют существование таких квантовых чисел, как L, В, I, S , С, b , a для кварков и глюонов также и цвета. Введение "внутр." пространств в аппарате теории - пока чисто формальный приём, к-рый, однако, может служить указанием на то, что размерность физ. пространства-времени, отражающаяся в свойствах Э. ч., реально больше четырёх - т.е. больше размерности пространства-времени, характерного для всех макроскопич. физ. процессов.

Масса Э. ч. не связана непосредственно с трансформац. свойствами полей. Это дополнительная их характеристика, происхождение к-рой не понято до конца.

Для описания процессов, происходящих с Э. ч., в КТП используется Лагранжев формализм .В лагранжиане , построенном из полей, участвующих во взаимодействии частиц, заключены все сведения о свойствах частиц и динамике их поведения. Лагранжиан включает в себя два гл. слагаемых: лагранжиан , описывающий поведение свободных полей, и лагранжиан взаимодействия , отражающий взаимосвязь разл. полей и возможность превращения Э. ч. Знание точной формы позволяет в принципе, используя аппарат матрицы рассеяния (S -матрицы), рассчитывать вероятности переходов от исходной совокупности частиц к заданной конечной совокупности частиц, происходящих под влиянием существующего между ними взаимодействия. T. о., установление структуры , открывающее возможность количеств. описания процессов с Э. ч., является одной из центр. задач КТП.

Существ. продвижение в решении этой задачи было достигнуто в 50-70-х гг. на основе развития идеи о векторных калибровочных полях, сформулированной в уже упоминавшейся работе Янга и Миллса. Отталкиваясь от известного положения о том, что всякий наблюдаемый экспериментально закон сохранения связан с инвариантностью описывающего систему лагранжиана относительно преобразований нек-рой группы симметрии (Нётер теорема ),Янг и Миллс потребовали, чтобы эта инвариантность выполнялась локально, т. е. имела место при произвольной зависимости преобразований от точки пространства-времени. Оказалось, что выполнение этого требования, физически связанного с тем, что взаимодействие не может мгновенно передаваться от точки к точке, возможно только при введении в структуру лагранжиана спец. калибровочных полей векторной природы, определ. образом трансформирующихся при преобразованиях группы симметрии. Причём структуры свободного лагранжиана и оказались в указанном подходе тесно связанными: знание в значит. мере предопределяло вид

Последнее обстоятельство обусловлено тем, что требование локальной калибровочной инвариантности может быть выполнено только в том случае, когда во всех производных, действующих на свободные поля в , осуществлена замена Здесь g - константа взаимодействия; V a m - калибровочные поля; T a - генераторы группы симметрии в матричном представлении, соответствующем свободному полю; r - размерность группы.

В силу сказанного в видоизменённом лагранжиане автоматически возникают члены строго определ. структуры, описывающие взаимодействие полей, исходно входивших в , со вновь введёнными калибровочными полями. При этом калибровочные поля осуществляют роль переносчиков взаимодействия между исходными полями. Конечно, поскольку в лагранжиане появились новые калибровочные поля, свободный лагранжиан должен быть дополнен членом, связанным с ними, и подвергнуться процедуре видоизменений, описанной выше. При точном соблюдении калибровочной инвариантности калибровочные поля отвечают бозонам с нулевой массой. При нарушении симметрии масса бозонов отлична от нуля.

В таком подходе задача построения лагранжиана, отражающего динамику взаимодействующих полей, по существу сводится к правильному отбору системы полей, составляющих первоначальный свободный лагранжиан и фиксации его формы. Последняя, впрочем, при заданных трансформационных свойствах относительно группы Лоренца однозначно определяется требованием релятивистской инвариантности и очевидным требованием вхождения только структур, квадратичных по полям.

T. о., основным для описания динамики является вопрос о выборе системы первичных полей, образующих , т. е. фактически всё тот же центр. вопрос физики Э. ч.: "Какие частицы (и соответственно поля) следует считать наиболее фундаментальными (элементарными) при описании наблюдаемых частиц материи?".

Совр. теория, как уже отмечалось, выделяет в качестве таких частиц бесструктурные частицы со спином 1 / 2: кварки и лептоны. Такой выбор позволяет, опираясь на принцип локальной калибровочной инвариантности, построить весьма успешную схему описания сильного и эл--слабого взаимодействий Э. ч., получившую назв. с т а н д а р т н о й м о д е л и.

Модель исходит прежде всего из допущения, что для сильного взаимодействия имеет место точная симметрия SU c (3), отвечающая преобразованиям в "цветовом" трёхмерном пространстве. При этом предполагается, что кварки преобразуются по фундам. представлению группы SU c (3). Выполнение требования локальной калибровочной инвариантности для кваркового лагранжиана приводит к появлению в структуре теории восьми безмассовых калибровочных бозонов, названных глюонами, взаимодействующих с кварками (и между собой) строго определ. образом (Фритцш, Гёлл-Ман, 1972). Разработанная на этой основе схема описания сильного взаимодействия получила назв. квантовой хромодинамики . Правильность её предсказаний подтверждена многочисл. экспериментами, в т. ч. получены убедительные свидетельства существования глюонов. Имеются также серьёзные основания полагать, что аппарат квантовой хромодинамики содержит в себе объяснение явления конфайнмента.

При построении теории эл--слабого взаимодействия было использовано то обстоятельство, что существование пар лептонов с одинаковым лептонным числом (L e , L v , L t), но с разным электрич. зарядом (е - , v e ; m - , v m ; т - , v т) можно трактовать как проявление симметрии, связанной с группой т.н. слабого изоспина SU сл (2), а сами пары рассматривать как спинорные (дублетные) представления этой группы. Аналогичная трактовка возможна в отношении пар кварков, участвующих в слабом взаимодействии. Отметим, что рассмотрение в рамках этой схемы слабого взаимодействия с участием кварка b снеобходимостью ведёт к заключению о существовании у него изотопического партнёра кварка t , составляющего пару (t, b) . Выделение слабым взаимодействием определ. спиральности (левой) у участвующих в нём фермионов дополнительно можно рассматривать как проявление существования симметрии U сл (1), связанной со слабым гиперзарядом Y сл. При этом левым и правым фермионам следует приписывать разные значения гиперзаряда Y сл, а правые фермионы нужно рассматривать как изотопические скаляры. В принятом построении естественно возникает соотношение Q = I 3 cл + 1 / 2 Y сл, уже встречавшееся нам у адронов.

Т.о., внимательный анализ эл--слабого взаимодействия лептонов и кварков позволяет выявить у них наличие симметрии (заметно, впрочем, нарушенной), отвечающей группе SU сл (2)U cл ( 1) . Если отвлечься от нарушения этой симметрии и воспользоваться строгим условием локальной калибровочной инвариантности, то возникнет теория эл--слабого взаимодействия кварков и лептонов, в к-рой фигурируют четыре безмассовых бозона (два заряженных и два нейтральных) и две константы взаимодействия, соответствующие группам SU сл (2) и U сл (1). В этой теории члены лагранжиана, отвечающие взаимодействию с заряж. бозонами, правильно воспроизводят известную структуру заряженных токов , но не обеспечивают наблюдаемое в слабых процессах короткодействие, что и неудивительно, т. к. нулевая масса промежуточных бозонов ведёт к дальнодействию. Отсюда следует лишь то, что в ре-алистич. теории слабого взаимодействия массы промежуточных бозонов должны быть конечными. Это находится в соответствии и с фактом нарушенности симметрии SU сл (2)U сл (1).

Однако прямое введение конечных масс промежуточных бозонов в построенный описанным выше образом лагранжиан невозможно, т. к. входит в противоречие с требованием локальной калибровочной инвариантности. Учесть непротиворечивым образом нарушение симметрии и добиться появления в теории конечных масс промежуточных бозонов удалось с помощью важного предположения о существовании в природе особых скалярных полей F (Хиггса полей) , взаимодействующих с фермионными и калибровочными полями и обладающих специфическим самовзаимодействием, ведущим к явлению спонтанного нарушения симметрии [П. Хиггс (P. Higgs), 1964]. Введение в лагранжиан теории в простейшем варианте одного дублета (по группе слабого изоспина) полей Хиггса приводит к тому, что вся система полей переходит к новому, более низкому по энергии вакуумному состоянию, отвечающему нарушенной симметрии. Если исходно вакуумное среднее от поля F было равно нулю <Ф> 0 = 0, то в новом состоянии <Ф> 0 = Ф 0 0. Нарушение симметрии и появление в теории конечного F 0 приводит за счёт Хиггса механизма к неисчезающей массе заряж. промежуточных бозонов W + и к возникновению смешивания (линейной комбинации) двух нейтральных бозонов, фигурирующих в теории. В результате смешивания возникают безмассовое эл--магн. поле, взаимодействующее с эл--магн. током кварков и лептонов, и поле массивного нейтрального бозона Z 0 , взаимодействующее с нейтральным током строго заданной структуры. Параметр (угол) смешивания (Вайн-берга угол )нейтральных бозонов в этой схеме задаётся отношением констант взаимодействия групп U сл (l) и SU сл (2): tgq W =g"/g . Этот же параметр определяет связь масс m W и m Z (m Z = m W / cosq W )и связь электрич. заряда е с константой группы слабого изоспина g: e = g sinq W . Обнаружение в 1973 при изучении рассеяния нейтрино нейтральных слабых токов, предсказанных описанной выше схемой, и последовавшее затем в 1983 открытие W -и Z-бозонов с массами соответственно 80 ГэВ и 91 ГэВ блестяще подтвердили всю концепцию единого описания эл--магн. и слабого взаимодействий. Эксперим. определение значения sin 2 q W = 0,23 показало, что константа g и электрич. заряд е близки по величине. Стало понятно, что "слабость" слабого взаимодействия при энергиях, заметно меньших m W и m Z , в осн. обусловлена большой величиной массы промежуточных бозонов. Действительно, константа феноменологической четырёхфермионной теории слабого взаимодействия Ферми G F в изложенной схеме равна G F =g 2 /8m 2 W . Это означает, что эфф. константа слабого взаимодействия при энергии в с. ц. м. ~т р равна G F m p 2 10 -5 , а её квадрат близок к 10 -10 , т.е. к значению, приводившемуся выше. При энергиях же в с.ц.м., больших или порядка m W , единственным параметром, характеризующим слабое взаимодействие, становится величина g 2 / 4p или е 2 / 4p, т.е. слабое и эл--магн. взаимодействия становятся сравнимыми по интенсивности и должны рассматриваться совместно.

Построение единого описания эл--магн. и слабого взаимодействий является важным достижением теории калибровочных полей, сравнимым по значимости с разработкой Максвеллом в кон. 19 в. единой теории эл--магн. явлений. Количеств. предсказания теории эл--слабого взаимодействия во всех проведённых измерениях оправдывались с точностью 1%. Важным физ. следствием указанного построения является заключение о существовании в природе частицы нового типа - нейтрального Хиггса бозона . На нач. 90-х гг. такая частица обнаружена не была. Проведённые поиски показали, что её масса превышает 60 ГэВ. Теория не даёт, однако, точного предсказания для величины массы бозона Хиггса. Можно лишь утверждать, что значение его массы не превышает 1 ТэВ. Оценочные значения массы этой частицы лежат в диапазоне 300-400 ГэВ.

Итак, "стандартная модель" отбирает в качестве фун-дам. частиц три пары кварков (и, d )(с , s) (t, b )и три пары лептонов (v e ,e - )(v m ,m -) (v t , т -), обычно группируемых в соответствии с величиной их масс в семейства (или поколения) следующим образом:

и постулирует, что их взаимодействия удовлетворяют симметрии SU сл (3)SU сл (2)U сл (l). Как следствие, получается теория, в к-рой переносчиками взаимодействия являются калибровочные бозоны: глюоны, фотон, W b и Z. И хотя "стандартная модель" весьма успешно справляется с описанием всех известных фактов, относящихся к Э.ч., всё же, скорее всего, она является промежуточным этапом в построении более совершенной и всеобъемлющей теории Э.ч. В структуре "стандартной модели" ещё достаточно много произвольных, эмпирически определяемых параметров (значений масс кварков и лептонов, значений констант взаимодействия, углов смешивания и т. п.). Число поколений фермионов в модели также не определено. Пока эксперимент уверенно утверждает лишь то, что число поколений не превышает трёх, если в природе не существует тяжёлых нейтрино с массами в неск. десятков ГэВ.

С точки зрения свойств симметрии взаимодействий более естественно было бы ожидать, что во всеобъемлющей теории Э.ч. вместо прямого произведения групп симметрии будет фигурировать одна группа симметрии G с одной отвечающей ей константой взаимодействия. Группы симметрии "стандартной модели" в этом случае можно было бы трактовать как продукты редукции большой группы при нарушении связанной с ней симметрии. На этом пути, в принципе, могла бы возникнуть возможность Великого объединения взаимодействий. Формальной основой такого объединения может служить свойство изменения с энергией эфф. констант взаимодействия калибровочных полей g i 2 /4p = a i (i =1, 2, 3), возникающее при учёте высших порядков теории (т. н. бегущие константы). При этом константа a 1 связана с группой U(I); a 2 - с группой SU(2); a 3 -с группой SU(3) . Упомянутые очень медленные (логарифмические) изменения описываются выражением

связывающим значения эфф. констант a i (M )и a i (m) при двух различающихся значениях энергии: M и m (M > m). Характер этих изменений разный для разл. групп симметрии (и, следовательно, разл. взаимодействий) и даётся коэффициентами b i , вбирающими в себя информацию как о структуре групп симметрии, так и об участвующих во взаимодействии частицах. Поскольку b 1 , b 2 и b 3 различны, допустима возможность того, что, несмотря на заметные расхождения величин a i -1 (m) при исследованных энергиях m, при очень больших энергиях M все три значения a i -1 (M )совпадут, т. е. будет реализовано Великое объединение взаимодействий. Тщательный анализ, однако, показал, что в рамках стандартной модели, используя известные значения a i -1 (m), получить совпадение всех трёх значений a i -1 (М )при каком-то большом M невозможно, т.е. вариант теории с Великим объединением в этой модели не реализуем. В то же время было выяснено, что в схемах, отличных от стандартной модели, с изменённым составом осн. (фундам.) полей или частиц, Великое объединение может иметь место. Изменения в составе осн. частиц ведут к изменениям в значениях коэффициентов "b i " и тем самым обеспечивают возможность совпадения a i (M ) при больших M .

Руководящей идеей при выборе изменённого состава осн. частиц теории явилась идея возможного существования в мире Э. ч. суперсимметрии , к-рая устанавливает определ. взаимосвязи между частицами целого и полуцелого спина, фигурирующими в теории. Для соблюдения требований суперсимметрии, напр. в случае стандартной модели, каждой частице должна быть поставлена в соответствие частица со спином, смещённым на 1 / 2 - Причём в случае точной суперсимметрии все эти частицы должны иметь одинаковые массы. Так, кваркам и лептонам спина 1 / 2 должны быть поставлены в соответствие их суперсимметричные партнёры (суперпартнёры) со спином нуль, всем калибровочным бозонам со спином 1 -их суперпартнёры со спином 1 / 2 , а бозону Хиггса спина нуль - суперпартнёр со спином 1 / 2 . Поскольку в исследованной области энергии суперпартнёры кварков, лептонов и калибровочных бозонов заведомо не наблюдаются, суперсимметрия, если она существует, должна быть заметно нарушенной, а массы суперпартнёров должны иметь значения, значительно превышающие значения масс известных фермионов и бозонов.

Последовательное выражение требования суперсимметрии находят в минимальной суперсимметричной модели (MCCM), в к-рой в дополнение к уже перечисленным изменениям в составе частиц стандартной модели число бозонов Хиггса увеличивается до пяти (из них два являются заряженными и три - нейтральными частицами). Соответственно в модели возникают пять суперпартнёров бозонов Хиггса со спином 1 / 2 - MCCM - простейшее обобщение стандартной модели на случай суперсимметрии. Значение M , при к-ром происходит совпадение a i (M )(Великое объединение), в MCCM примерно равно 10 16 ГэВ.

С гипотезой о существовании суперсимметрии связана одна из перспективных возможностей развития теории калибровочных полей, разрешающая к тому же ряд её внутр. проблем, связанных с устойчивостью фигурирующих в ней параметров. Суперсимметрия, как было отмечено, позволяет сохранить в теории Э. ч. привлекательную возможность Великого объединения взаимодействий. Решающим подтверждением факта существования суперсимметрии явилось бы обнаружение суперпартнёров известных частиц. По оценкам, их массы лежат в диапазоне от сотен ГэВ до 1 ТэВ. Частицы таких масс будут доступны для изучения на протонных коллайдерах следующего поколения.

Проверка гипотезы о существовании суперсимметрии и поиски суперсимметричных частиц, безусловно, одна из важнейших задач физики Э. ч., к-рой в ближайшем будущем, несомненно, будет уделяться первоочередное внимание.

Некоторые общие проблемы теории элементарных частиц

Новейшее развитие физики частиц явно выделило из всех микросоставляющих материи группу частиц, играющих особую роль и имеющих наибольшие основания (на нач. 90-х гг.) именоваться истинно Э. ч. К ней относятся фундам. фермионы спина 1 / 2 - лептоны и кварки, составляющие три поколения, и калибровочные бозоны спина 1 (глюоны, фотоны и промежуточные бозоны), являющиеся переносчиками сильного и эл--слабого взаимодействий. К этой группе, скорее всего, следует присоединить частицу со спином 2, гравитон ,как переносчика гравитац. взаимодействия, связывающего все частицы. Особую группу составляют частицы спина 0, бозоны Хиггса, пока, впрочем, не обнаруженные.

Многие вопросы тем не менее остаются без ответа. Так, остаётся неясным, существует ли физ. критерий, фиксирующий число поколений элементарных фермионов. Не понятно, насколько принципиальным является отличие в свойствах кварков и лептонов, связанное с присутствием у первых цвета, или это отличие специфично только для изученной области энергии. К этому вопросу примыкает вопрос о физ. природе Великого объединения, поскольку в его формализме кварки и лептоны рассматриваются как объекты с близкими свойствами.

Важно понять, не указывает ли существование различных "внутр." квантовых чисел кварков и лептонов (В, L, I, S, С, b и т. д.) на более сложную геометрию микромира, отвечающую большему числу измерений, чем привычная нам четырёхмерная геометрия макроскопич. пространства-времени. С этим вопросом тесно связан вопрос о том, какова макс. группа симметрии G , к-рой удовлетворяют взаимодействия Э. ч. и в к-рую вложены группы симметрии, проявляющие себя в изученной области энергий. Ответ на этот вопрос помог бы определить предельное число переносчиков взаимодействия Э. ч. и выяснить их свойства. Не исключено, что макс. группа G фактически отражает свойства симметрии нек-pогo многомерного пространства. Этот круг идей нашёл известное отражение в теории суперструн , к-рые являются аналогами обычных струн в пространствах с числом измерений, большим четырёх (обычно в пространстве 10 измерений). Теория суперструн трактует Э. ч. как проявления специфических возбуждений суперструн, отвечающие разл. спинам. Считается, что лишние (сверх четырёх) измерения не обнаруживают себя в наблюдениях в силу т. н. компактификации, т. е. образования замкнутых подпространств с характерными размерами ~10 -33 см. Внеш. проявлением существования этих подпространств являются наблюдаемые "внутр." квантовые числа Э. ч. Каких-либо данных, подтверждающих правильность подхода к трактовке свойств Э. ч., связанного с представлением о суперструнах, пока не существует.

Как видно из сказанного, в идеале завершённая теория Э. ч. должна не только правильно описывать взаимодействия заданной совокупности частиц, отобранных в качестве фундаментальных, но и содержать в себе объяснение того, какими факторами определяется число этих частиц, их квантовые числа, константы взаимодействия, значения их масс и т. п. Должны быть также поняты причины выделен-ности наиб. широкой группы симметрии G и одновременно природа механизмов, обусловливающих нарушение симметрии по мере перехода к более низким энергиям. В этом плане первостепенное значение имеет прояснение роли бозонов Хиггса в физике Э.ч. Модели, к-рые предлагает совр. теория Э. ч., ещё далеки от удовлетворения всем перечисленным критериям.

Описание взаимодействий Э.ч., как уже отмечалось, связано с калибровочными теориями поля. Эти теории имеют развитый матем. аппарат, к-рый позволяет производить расчёты процессов с Э.ч. на том уровне строгости, что и в квантовой электродинамике. Однако в аппарате калибровочных теорий поля, в его совр. формулировке, присутствует один существ. изъян, общий с квантовой электродинамикой,- в процессе вычислений в нём появляются бессмысленные бесконечно большие выражения. С помощью спец. приёма переопределения наблюдаемых величин (масс и констант взаимодействия) - перенормировки - удаётся устранить бесконечности из окончат. результатов вычислений. Однако процедура перенормировки - чисто формальный обход трудности, существующей в аппарате теории, к-рая на каком-то уровне точности может сказаться на степени согласия предсказаний теории с измерениями.

Появление бесконечностей в вычислениях связано с тем, что в лагранжианах взаимодействий поля разных частиц отнесены к одной точке x , т. е. предполагается, что частицы точечные, а четырёхмерное пространство-время остаётся плоским вплоть до самых малых расстояний. В действительности указанные предположения, по-видимому, неверны по неск. причинам:

а) истинно Э. ч., как носителям конечной массы, естественней всего приписать, хоть и очень малые, но конечные размеры, если мы хотим избежать бесконечной плотности материи;

б) свойства пространства-времени на малых расстояниях, скорее всего, радикально отличны от его макроскопич. свойств (начиная с нек-рого характерного расстояния, к-рое обычно наз. фундаментальной длиной);

в) на самых малых расстояниях (~ 10 -33 см) сказывается изменение геом. свойств пространства-времени за счёт влияния квантовых гравитац. эффектов (флуктуации метрики; см. Квантовая теория гравитации) .

Возможно, эти причины тесно связаны между собой. Так, именно учёт гравитац. эффектов наиб. естественно приводит к размерам истинно Э.ч. порядка 10 -33 см, а фундам. длина может фактически совпадать с т. н. планковской длиной l Пл = 10 -33 см, где x -гравитац. постоянная (M. Марков, 1966). Любая из этих причин должна привести к модификации теории и устранению бесконечностей, хотя практическое выполнение этой модификации может оказаться очень сложным.

Одна из интересных возможностей последовательного учёта эффектов гравитации связана с распространением идей суперсимметрии на гравитац. взаимодействие (теория супергравитации , в особенности расширенной супергравитации). Совместный учёт гравитац. и других видов взаимодействий приводит к заметному сокращению числа расходящихся выражений в теории, но ведёт ли супергравитация к полной ликвидации расходимостей в расчётах, строго не доказано.

T. о., логическим завершением идей Великого объединения, скорее всего, станет включение в общую схему рассмотрения взаимодействий Э. ч. также и гравитац. взаимодействия, учёт к-рого может оказаться принципиальным на самых малых расстояниях. Именно на базе одновременного учёта всех видов взаимодействий наиб. вероятно ожидать создания будущей теории Э. ч.

Лит.: Элементарные частицы и компенсирующие поля. Сб. ст., пер. с англ., M., 1964; Коккедэ Я., Теория кварков, пер. с англ., M.. 1971; Марков M. А., О природе материи, M., 1976; Глэ-шоу Ш., Кварки с цветом и ароматом, пер. с англ.. "УФН", 1976, т. 119, в. 4, с. 715; Бернстейн Дж., Спонтанное нарушение симметрии, калибровочные теории, механизм Хиггса и т.п., в кн.: Квантовая теория калибровочных полей. Сб. ст., пер. с англ., M., 1977 (Новости фундаментальной физики, в. 8); Боголюбов H. H., Ширков Д. В., Квантовые поля, 2 изд., M., 1993; Окунь Л. Б., Лептоны и кварки, 2 изд., M., 1990.

Мало кто не знает такого понятия как «электрон», а ведь именно он и означает «элементарная частица». Конечно, большинство людей слабо представляют, что это и зачем оно нужно. По телевизору, в книгах, в газетах и журналах эти частицы изображаются в виде маленьких точек или шариков. Из-за этого непросвещенные люди считают, что форма частиц и в самом деле шарообразна, и что они свободно летают, взаимодействуют, сталкиваются и т.д. Но такое суждение в корне неверно. Понятие элементарной частицы крайне сложное для осознания, но никогда не поздно постараться приобрести хотя бы весьма приблизительное представление о сущности этих частиц.

В начале прошедшего века ученые всерьез озадачились тем, почему электрон не падает на так как, согласно Ньютоновской механике, при отдаче всей своей энергии, он должен попросту упасть на ядро. К удивлению, этого не происходит. Как это объяснить?

Дело в том, что физика в своем классическом толковании и элементарная частица - вещи малосовместимые. Она не подчиняется никаким законам обычной физики, так как действует согласно принципам Основополагающим принципом при этом является неопределенность. Он говорит, что невозможно точно и одновременно определить две взаимосвязанные величины. Чем в большей мере определена первая из них, тем меньше можно определить вторую. Из этого определения следуют квантовые корреляции, корпускулярно-волновой дуализм, волновая функция и многое другое.

Первый важный фактор - это неопределенность координаты-импульса. Исходя из основ классической механики можно вспомнить, что понятия импульса и траектории тела неразделимы и всегда четко определяются. Попробуем перенести эту закономерность в микроскопический мир. К примеру, элементарная частица имеет точный импульс. Тогда при попытке определить траекторию передвижения мы столкнемся в неопределимостью координаты. Это значит, что электрон обнаруживается сразу во всех точках небольшого объема пространства. Если постараться сосредоточиться именно на траектории его движения, то импульс приобретает размытое значение.

Из этого следует, что как бы ни старались определить какую-либо конкретную величину, вторая сразу же становится неопределенной. Этот принцип заложен в основу волнового свойства частиц. Электрон не имеет четкой координаты. Можно сказать, что он одновременно расположен во всех точках пространства, которое ограничено длиной волны. Такое представление позволяет нам более четко понять, что представляет собой элементарная частица.

Примерно такая же неопределенность возникает в соотношении энергия-время. Частица постоянно взаимодействует, даже при наличии Такое взаимодействие длится на протяжении некоторого времени. Если представить, что данный показатель более-менее определен, то энергия при этом становится неопределимой. Это нарушает принятые в заложенных небольших промежутках.

Представленная закономерность порождает низкоэнергетические частицы - кванты фундаментальных полей. Такое поле представляет собой не непрерывную субстанцию. Оно состоит из мельчайших частиц. Взаимодействие между ними обеспечивается благодаря испусканию фотонов, которые поглощаются другими частицами. Это поддерживает уровень энергии и образуются стабильные элементарные частицы, которые не могут упасть на ядро.

Элементарные частицы по сути своей неразделимы, хотя отличаются друг от друга своей массой и определенными характеристиками. Поэтому были разработаны определенные классификации. К примеру, по типу взаимодействия можно выделить лептоны и адроны. Адроны, в свою очередь, делятся на мезоны, которые состоят из двух кварков, и барионы, в составе которых имеется три кварка. Наиболее известные барионы - это нейтроны и протоны.

Элементарные частицы и их свойства позволяют выделить еще два класса: бозоны (с целочисленным и нулевым спином), фермионы (с полуцелым спином). Каждая частица имеет свою античастицу с противоположными характеристиками. Устойчивыми являются только протоны, лептоны и нейтроны. Все другие частицы подвержены распаду и превращаются в стабильные частички.

В физике элементарными частицами называли физические объекты в масштабах ядра атома, которые невозможно разделить на составные части. Однако, на сегодня, ученым все же удалось расщепить некоторые из них. Структуру и свойства этих мельчайших объектов изучает физика элементарных частиц.

О наименьших частицах, составляющих всю материю, было известно еще в древности. Однако, основоположниками так званого «атомизма» принято считать философа Древней Греции Левкиппа и его более известного ученика — Демокрита. Предполагается, что второй и ввел термин «атом». С древнегреческого «atomos» переводится как «неделимый», что определяет взгляды древних философов.

Позднее стало известно, что атом все же можно разделить на два физических объекта – ядро и электрон. Последний впоследствии и стал первой элементарной частицей, когда в 1897-м году англичанин Джозеф Томсон провел эксперимент с катодными лучами и выявил, что они представляют собой поток одинаковых частиц с одинаковыми массой и зарядом.

Параллельно с работами Томсона, занимающийся исследованием рентгеновского излучения Анри Беккерель проводит опыты с ураном и открывает новый вид излучения. В 1898 году французская пара физиков – Мария и Пьер Кюри изучают различные радиоактивные вещества, обнаруживая то же самое радиоактивное излучение. Позже будет установлено, что оно состоит из альфа (2 протона и 2 нейтрона) и бета-частиц (электроны), а Беккерель и Кюри получат Нобелевскую премию. Проводя свои исследования с такими элементами как уран, радий и полоний, Мария Склодовская-Кюри не предпринимала никаких мер безопасности, в том числе не использовала даже перчатки. Как следствие в 1934 году ее настигла лейкемия. В память о достижениях великого ученого, открытый парой Кюри элемент, полоний, был назван в честь родины Марии – Polonia, с латинского – Польша.

Фотография с V Сольвеевского конгресса 1927 год. Попробуйте найди всех ученых из этой статьи на данном фото.

Начиная с 1905-го года, Альберт Эйнштейн посвящает свои публикации несовершенству волновой теории света, постулаты которой расходились с результатами экспериментов. Что впоследствии привело выдающегося физика к идее о «световом кванте» — порции света. Позже, в 1926-м году, он был назван как «фотон», в переводе с греческого «phos» («свет»), американским физиохимиком — Гилбертом Н. Льюисом.

В 1913 году Эрнест Резерфорд, британский физик, основываясь на результатах уже проведенных на то время экспериментов, отметил, что массы ядер многих химических элементов кратны массе ядра водорода. Поэтому он предположил, что ядро водорода является составляющей ядер других элементов. В своем эксперименте Резерфорд облучал альфа-частицами атом азота, который в результате излучил некую частицу, названную Эрнестом как «протон», с др. греческого «протос» (первый, основной). Позже было экспериментально подтверждено, что протон – это ядро водорода.

Очевидно, протон, не единственная составная часть ядер химических элементов. К такой мысли приводит тот факт, что два протона в ядре отталкивались бы, и атом мгновенно распадался. Поэтому Резерфорд выдвинул гипотезу о наличии еще одной частицы, которая имеет массу, равную массе протона, но является незаряженной. Некоторые опыты ученых по взаимодействию радиоактивных и более легких элементов, привели их к открытию еще одного нового излучения. В 1932-м году Джеймс Чедвик определил, что оно состоит из тех самых нейтральных частиц, которые назвал нейтронами.

Таким образом, были открыты наиболее известные частицы: фотон, электрон, протон и нейтрон.

Далее открытия новых субъядерных объектов становились все более частым событием, и на данный момент известно около 350 частиц, которые принято полагать «элементарными». Те из них, которые до сих пор не удалось расщепить, считаются бесструктурными и называются «фундаментальными».

Что такое спин?

Прежде чем переходить к дальнейшим инновациям в области физики, следует определиться с характеристиками всех частиц. К наиболее известным, не считая массы и электрического заряда, относится также и спин. Данная величина называется иначе как «собственный момент импульса» и никоим образом не связана с перемещением субъядерного объекта как целого. Ученым удалось обнаружить частицы со спином 0, ½, 1, 3/2 и 2. Чтобы представить наглядно, хоть и упрощенно, спин, как свойство объекта, рассмотрим следующий пример.

Пусть у предмета имеется спин равный 1. Тогда такой объект при повороте на 360 градусов возвратится в исходное положение. На плоскости этим предметом может быть карандаш, который после разворота на 360 градусов окажется в исходном положении. В случае с нулевым спином, при любом вращении объекта он будет выглядеть всегда одинаково, к примеру, одноцветный мячик.

Для спина ½ потребуется предмет, сохраняющий свой вид при развороте на 180 градусов. Им может быть все тот же карандаш, только симметрично наточенный с обеих сторон. Спин равный 2 потребует сохранения формы при повороте на 720 градусов, а 3/2 – 540.

Данная характеристика имеет очень большое значение для физики элементарных частиц.

Стандартная модель частиц и взаимодействий

Имея внушительный набор микрообъектов, составляющих окружающий мир, ученые решили их структурировать, так образовалась известная всем теоретическая конструкция под названием «Стандартная модель». Она описывает три взаимодействия и 61 частицу при помощи 17-ти фундаментальных, некоторые из которых были ею предсказаны задолго до открытия.

Три взаимодействия таковы:

• Электромагнитное. Оно происходит между электрически заряженными частицами. В простом случае, известном со школы, — разноименно заряженные объекты притягиваются, а одноименно – отталкиваются. Происходит это посредством, так называемого переносчика электромагнитного взаимодействия – фотона.
• Сильное, иначе – ядерное взаимодействие. Как ясно из названия, его действие распространяется на объекты порядка ядра атома, оно отвечает за притяжение протонов, нейтронов и прочих частиц, также состоящих из кварков. Сильное взаимодействие переносится при помощи глюонов.
• Слабое. Действует на расстояниях в тысячу меньших размера ядра. В таком взаимодействии принимают участия лептоны и кварки, а также их античастицы. При этом в случае слабого взаимодействия они могут перевоплощаться друг в друга. Переносчиками являются бозоны W+, W− и Z0.

Так Стандартная модель сформировалась следующим образом. Она включает шесть кварков, из которых состоят все адроны (частицы, подверженные сильному взаимодействию):

• Верхний (u);
• Очарованный (c);
• Истинный (t);
• Нижний (d);
• Странный (s);
• Прелестный (b).

Видно, что эпитетов физикам не занимать. Другие 6 частиц – лептоны. Это фундаментальные частицы со спином ½, которые не принимают участие в сильном взаимодействии.

• Электрон;
• Электронное нейтрино;
• Мюон;
• Мюонное нейтрино;
• Тау-лептон;
• Тау-нейтрино.

А третьей группой Стандартной модели являются калибровочные бозоны, которые имеют спин равный 1 и представляются переносчиками взаимодействий:

• Глюон – сильное;
• Фотон – электромагнитное;
• Z-бозон — слабое;
• W-бозон – слабое.

К ним также относится и недавно обнаруженный , частица со спином 0, которая, упрощенно говоря, наделяет все другие субъядерные объекты инертной массой.

В результате, согласно Стандартной модели, наш мир выглядит таким образом: все вещество состоит из 6 кварков, образующих адроны, и 6 лептонов; все эти частицы могут участвовать в трех взаимодействиях, переносчиками которых являются калибровочные бозоны.

Недостатки Стандартной модели

Однако, еще до открытия бозона Хиггса – последней частицы, предсказываемой Стандартной моделью, ученые вышли за ее пределы. Ярким примером тому есть т.н. «гравитационное взаимодействие», которое сегодня находится наравне с другими. Предположительно, переносчиком его есть частица со спином 2, которая не имеет массы, и которую физикам еще не удалось обнаружить — «гравитон».

Мало того, Стандартная модель описывает 61 частицу, а на сегодняшний день человечеству известно уже более 350 частиц. Это означает, что на достигнутом работа физиков-теоретиков не окончена.

Классификация частиц

Чтобы упростить себе жизнь, физики сгруппировали все частицы в зависимости от особенностей их строения и прочих характеристик. Классификация бывает по следующим признакам:

• Время жизни.
  1. Стабильные. В их числе протон и антипротон, электрон и позитрон, фотон, а также гравитон. Существование стабильных частиц не ограничено временем, до тех пор, пока они находятся в свободном состоянии, т.е. не взаимодействуют с чем-либо.
  2. Нестабильные. Все остальные частицы спустя некоторое время распадаются на свои составные части, потому называются нестабильными. Например, мюон живет всего лишь 2,2 микросекунды, а протон — 2,9 10*29 лет, после чего может распасться на позитрон и нейтральный пион.
• Масса.
  1. Безмассовые элементарные частицы, которых всего три: фотон, глюон и гравитон.
  2. Массивные частицы – все остальные.
• Значение спина.
  1. Целый спин, в т.ч. нулевой, имеют частицы, которые называются бозоны.
  2. Частицы с полуцелым спином — фермионы.
• Участие во взаимодействиях.
  1. Адроны (структурные частицы) – субъядерные объекты, что принимают участие во всех четырех типах взаимодействий. Ранее упоминалось, что они складываются с кварков. Адроны делятся на два подтипа: мезоны (целый спин, являются бозонами) и барионы (полуцелый спин — фермионы).
  2. Фундаментальные (бесструктурные частицы). К ним относятся лептоны, кварки и калибровочные бозоны (читайте ранее – «Стандартная модель..»).

Ознакомившись с классификацией всех частиц, можно, к примеру, точно определить некоторые из них. Так нейтрон является фермионом, адроном, а точнее барионом, и нуклоном, то есть имеет полуцелый спин, состоит из кварков и участвует в 4-х взаимодействиях. Нуклон же – это общее название для протонов и нейтронов.

• Интересно, что противники атомизма Демокрита, который предсказывал существование атомов, заявляли, что любое вещество в мире делится до бесконечности. В какой-то мере они могут оказаться правыми, так как ученым уже удалось разделить атом на ядро и электрон, ядро на протон и нейтрон, а их в свою очередь на кварки.
• Демокрит предполагал, что атомы имеют четкую геометрическую форму, и потому «острые» атомы огня – обжигают, шершавые атомы твердых тел крепко скрепляются своими выступами, а гладкие атомы воды проскальзывают при взаимодействии, иначе – текут.
• Джозеф Томсон составил собственную модель атома, который представлялся ему как положительно заряженное тело, в которое как бы «воткнуты» электроны. Его модель получила название «пудинг с изюмом» (Plum pudding model).
• Кварки получили свое название благодаря американскому физику Мюррею Гелл-Манну. Ученый хотел использовать слово, похожее на звук кряканья утки (kwork). Но в романе Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану» встретил слово «quark», в строке «Три кварка для мистера Марка!», смысл которого точно не определен и возможно, что Джойс использовал его просто для рифмы. Мюррей решил назвать частицы этим словом, так как на то время было известно лишь три кварка.
• Хотя фотоны, частицы света, являются безмассовыми, вблизи черной дыры, кажется, что они меняют свою траекторию, притягиваясь к ней при помощи гравитационного взаимодействия. На самом же деле сверхмассивное тело искривляет пространство-время, из-за чего любые частицы, в том числе и не имеющие массы, меняют свою траекторию в сторону черной дыры (см. ).
• Большой адронный коллайдер именно потому «адронный», что сталкивает два направленных пучка адронов, частиц размерами порядка ядра атома, которые участвуют во всех взаимодействиях.