Элементарные частицы и их основные характеристики

Дальнейшее проникновение в глубины микромира связано с переходом от уровня атомов к уровню элементарных частиц. В качестве первой элементарной частицы в конце XIX в. был открыт электрон, а затем в первые десятилетия XX в. – фотон, протон, позитрон и нейтрон.

После второй мировой войны, благодаря использованию современной экспериментальной техники, и прежде всего мощным ускорителям, в которых создаются условия высоких энергий и громадных скоростей, было установлено существование большого числа элементарных частиц – свыше 300. Среди них имеются как экспериментально обнаруженные, так и теоретически вычисленные, включая резонансы, кварки и виртуальные частицы.

Термин элементарная частицапервоначально означал простейшие, далее ни на что не разложимые частицы, лежащие в основе любых материальных образований. Позднее физики осознали всю условность термина “элементарный” применительно к микрообъектам. Сейчас уже не подлежит сомнению, что частицы имеют ту или иную структуру, но, тем не менее, исторически сложившееся название продолжает существовать.

Основными характеристиками элементарных частиц являются масса, заряд, среднее время жизни, спин и квантовые числа.

Массу покоя элементарных частиц определяют по отношению к массе покоя электрона.Существуют элементарные частицы, не имеющие массы покоя, –фотоны. Остальные частицы по этому признаку делятся налептоны– легкие частицы (электрон и нейтрино);мезоны– средние частицы с массой в пределах от одной до тысячи масс электрона;барионы– тяжелые частицы, чья масса превышает тысячу масс электрона и в состав которых входят протоны, нейтроны, гипероны и многие резонансы.

Электрический заряд является другой важнейшей характеристикой элементарных частиц. Все известные частицы обладают положительным, отрицательным либо нулевым зарядом. Каждой частице, кроме фотона и двух мезонов, соответствуют античастицы с противоположным зарядом. Приблизительно в 1963–1964 гг. была высказана гипотеза о существованиикварков– частиц с дробным электрическим зарядом. Экспериментального подтверждения эта гипотеза пока не нашла.

По времени жизничастицы делятся настабильные инестабильные. Стабильных частиц пять: фотон, две разновидности нейтрино, электрон и протон. Именно стабильныечастицы играют важнейшую роль в структуре макротел. Все остальные частицы нестабильны, они существуют около 10^–10–10^-24 с, после чего распадаются. Элементарные частицы со средним временем жизни 10^–23–10^–22 с называют резонансами. Вследствие краткого времени жизни они распадаются еще до того, как успеют покинуть атом или атомное ядро. Резонансные состояния вычислены теоретически, зафиксировать их в реальных экспериментах не удается.

Помимо заряда, массы и времени жизни, элементарные частицы описываются также понятиями, не имеющими аналогов в классической физике: понятием спина. Спином называется собственный момент импульса частицы, не связанный с ее перемещением. Спин характеризуетсяспиновым квантовым числомs, которое может принимать целые (±1) или полуцелые (±1/2) значения. Частицы с целым спином –бозоны, с полуцелым –фермионы. Электрон относится к фермионам. Согласно принципу Паули в атоме не может быть более одного электрона с одним и тем же набором квантовых чиселn,m,l,s. Электроны, которым соответствует волновые функции с одинаковым числомn, очень близки по энергиям и образуют в атоме электронную оболочку. Различия в числеlопределяют “подоболочку”, остальные квантовые числа определяют ее заполнение, о чем было сказано выше.

В характеристике элементарных частиц существует еще одно важное представление взаимодействия. Как отмечалось ранее, известно четыре вида взаимодействий между элементарными частицами:гравитационное, слабое, электромагнитное и сильное(ядерное).

Все частицы, имеющие массу покоя (m₀), участвуют в гравитационном взаимодействии, заряженные – и в электромагнитном. Лептоны участвуют еще и слабом взаимодействии. Адроны участвуют во всех четырех фундаментальных взаимодействиях.

Согласно квантовой теории поля, все взаимодействия осуществляются благодаря обмену виртуальными частицами, то есть частицами, о существовании которых можно судить лишь опосредовано, по некоторым их проявлениям через какие-то вторичные эффекты (реальные частицыможно непосредственно зафиксировать с помощью приборов).

Оказывается, что все известные четыре типа взаимодействий – гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое – имеют калибровочную природу и описываются калибровочными симметриями. То есть все взаимодействия как бы сделаны “из одной болванки”. Это вселяет надежду, что можно будет найти “единственный ключ ко всем известным замкам” и описать эволюцию Вселенной из состояния, представленного единым суперсимметричным суперполем, из состояния, в котором различия между типами взаимодействий, между всевозможными частицами вещества и квантами полей еще не проявлены.

Существует огромное число способов классификации элементарных частиц. Так, например, частицы разделяют на фермионы (Ферми-частицы) – частицы вещества и бозоны (Бозе-частицы) – кванты полей.

Согласно другому подходу, частицы разделяют на 4 класса: фотоны, лептоны, мезоны, барионы.

Фотоны (кванты электромагнитного поля) участвуют в электромагнитных взаимодействиях, но не обладают сильным, слабым, гравитационным взаимодействиями.

Лептоны получили свое название от греческого слова leptos – легкий. К их числу относятся частицы, не обладающие сильным взаимодействием мюоны (μ^–, μ⁺), электроны (е^–, е⁺),электронные нейтрино (v_e^–,v_e⁺) и мюонные нейтрино (v^–_m,v⁺_m). Все лептоны имеют спин, равный ½, и, следовательно, являются фермионами. Все лептоны обладают слабым взаимодействием. Те из них, которые имеют электрический заряд (то есть мюоны и электроны), обладают также электромагнитным взаимодействием.

Мезоны – сильно взаимодействующие нестабильные частицы, не несущие так называемого барионного заряда. К их числу принадлежитр-мезоны, или пионы (π⁺, π^–, π⁰),К-мезоны, или каоны (К⁺, К^–, К⁰), иэта-мезоны (η).МассаК-мезонов составляет ~970mе (494 МэВ для заряженных и 498 МэВ для нейтральныхК-мезонов). Время жизниК-мезонов имеет величину порядка 10^–8с. Они распадаются с образованиемя-мезонов и лептонов или только лептонов. Массаэта-мезонов равна 549 МэВ (1074mе), время жизни – порядка 10^–19с.Эта-мезоны распадаются с образованием π-мезонов и γ-фотонов. В отличие от лептонов, мезоны обладают не только слабым (и, если они заряжены, электромагнитным), но также и сильным взаимодействием, проявляющимся при взаимодействии их между собой, а также при взаимодействии между мезонами и барионами. Спин всех мезонов равен нулю, так что они являются бозонами.

Класс барионов объединяет в себе нуклоны (p,n) и нестабильные частицы с массой больше массы нуклонов, получившие название гиперонов. Все барионы обладают сильным взаимодействием и, следовательно, активно взаимодействуют с атомными ядрами. Спин всех барионов равен ½, так что барионы являются фермионами. За исключением протона, все барионы нестабильны. При распаде барионов, наряду с другими частицами, обязательно образуется барион. Эта закономерность является одним из проявленийзакона сохранения барионного заряда.

Кроме перечисленных выше частиц обнаружено большое число сильно взаимодействующих короткоживущих частиц, которые получили название резонансов. Эти частицы представляют собой резонансные состояния, образованные двумя или большим числом элементарных частиц. Время жизни резонансов составляет всего лишь ~ 10^–23–10^–22с.

Элементарные частицы, а также сложные микрочастицы удается наблюдать благодаря тем следам, которые они оставляют при своем прохождении через вещество. Характер следов позволяет судить о знаке заряда частицы, ее энергии, импульсе и т. п. Заряженные частицы вызывают ионизацию молекул на своем пути. Нейтральные частицы следов не оставляют, но они могут обнаружить себя в момент распада на заряженные частицы или в момент столкновения с каким-либо ядром. Следовательно, в конечном счете нейтральные частицы также обнаруживаются по ионизации, вызванной порожденными ими заряженными частицами.

Частицы и античастицы. В 1928 г. английскому физику П. Дираку удалось найти релятивистское квантово-механическое уравнение для электрона, из которого вытекает ряд замечательных следствий. Прежде всего, из этого уравнения естественным образом, без каких-либо дополнительных предположений, получаются спин и числовое значение собственного магнитного момента электрона. Таким образом, выяснилось, что спин представляет собой величину одновременно и квантовую, и релятивистскую. Но этим не исчерпывается значение уравнения Дирака. Оно позволило также предсказать существование античастицы электрона –позитрона. Из уравнения Дирака получаются для полной энергии свободного электрона не только положительные, но и отрицательные значения. Исследования уравнения показывают, что при заданном импульсе частицы существуют решения уравнения, соответствующие энергиям:.

Между наибольшей отрицательной энергией (–m_ес²) и наименьшей положительной энергией (+m_ec²) имеется интервал значений энергии, которые не могут реализоваться. Ширина этого интервала равна 2m_ес². Следовательно, получаются две области собственных значений энергии: одна начинается с +m_eс² и простирается до +∞, другая начинается с –m_ес² и простирается до –∞.

Частица с отрицательной энергией должна обладать очень странными свойствами. Переходя в состояния со все меньшей энергией (то есть с увеличивающейся по модулю отрицательной энергией), она могла бы выделять энергию, скажем, в виде излучения, причем, поскольку |Е| ничем не ограничен, частица с отрицательной энергией могла бы излучать бесконечно большое количество энергии. К аналогичному выводу можно прийти следующим путем: из соотношенияЕ=m_ес²вытекает, что у частицы с отрицательной энергией масса будет также отрицательна. Под действием тормозящей силы частица с отрицательной массой должна не замедляться, а ускоряться, совершая над источником тормозящей силы бесконечно большое количество работы. Ввиду этих трудностей следовало, казалось бы, признать, что состояние с отрицательной энергией нужно исключить из рассмотрения как приводящее к абсурдным результатам. Это, однако, противоречило бы некоторым общим принципам квантовой механики. Поэтому Дирак выбрал другой путь. Он предложил, что переходы электронов в состояния с отрицательной энергией обычно не наблюдаются по той причине, что все имеющиеся уровни с отрицательной энергией уже заняты электронами.

Согласно Дираку, вакуум есть такое состояние, в котором все уровни отрицательной энергии заселены электронами, а уровни с положительной энергией свободны. Поскольку заняты все без исключения уровни, лежащие ниже запрещенной полосы, электроны на этих уровнях никак себя не обнаруживают. Если одному из электронов, находящихся на отрицательных уровнях, сообщить энергию Е≥ 2m_ес², то этот электрон перейдет в состояние с положительной энергией и будет вести себя обычным образом, как частица с положительной массой и отрицательным зарядом. Эта первая из предсказанных теоретически частиц была названа позитроном. При встрече позитрона с электроном они аннигилируют (исчезают) – электрон переходит с положительного уровня на вакантный отрицательный. Энергия, соответствующая разности этих уровней, выделяется в виде излучения. На рис. 4 стрелка 1 изображает процесс рождения пары электрон-позитрон, а стрелка 2 – их аннигиляцию Термин “аннигиляция” не следует понимать буквально. По существу, происходит не исчезновение, а превращение одних частиц (электрона и позитрона) в другие (γ-фотоны).

Существуют частицы, которые тождественны со своими античастицами (то есть не имеют античастиц). Такие частицы называются абсолютно нейтральными. К их числу принадлежат фотон, π⁰-мезон и η-мезон. Частицы, тождественные со своими античастицами, не способны к аннигиляции. Это, однако, не означает, что они вообще не могут превращаться в другие частицы.

Если барионам (то есть нуклонам и гиперонам) приписать барионный заряд (или барионное число) В = +1, антибарионам – барионный заряд В = –1, а всем остальным частицам – барионный зарядВ= 0, то для всех процессов, протекающих с участием барионов и антибарионов, будет характерно сохранение барионов заряда, подобно тому как для процессовхарактерно сохранение электрического заряда. Закон сохранения барионного заряда обусловливаетстабильность самого мягкого из барионов – протона. Преобразование всех величин, описывающих физическую систему, при котором все частицы заменяются античастицами (например, электроны протонами, а протоны электронами и т. д.), называется зарядом сопряжения.

Странные частицы. К-мезоны и гипероны были обнаружены в составе космических лучей в начале 50-х гг.XXв. Начиная с 1953 г. их получают на ускорителях. Поведение этих частиц оказалось столь необычным, что они были названы странными. Необычность поведения странных частиц заключалась в том, что рождались они явно за счет сильных взаимодействий с характерным временем порядка 10^–23с, а времена жизни их оказались порядка 10^–8–10^–10с. Последнее обстоятельство указывало на то, что распад частиц осуществляется в результате слабых взаимодействий. Было совершенно непонятно, почему странные частицы живут так долго. Поскольку и в рождении, и в распаде λ-гиперона участвуют одни и те же частицы (π-мезоны и протон), представлялось удивительным, что скорость (то есть вероятность) обоих процессов столь различна. Дальнейшие исследования показали, что странные частицы рождаются парами. Это навело на мысль, что сильные взаимодействия не могут играть роли в распаде частиц вследствие того, что для их проявления необходимо присутствие двух странных частиц. По той же причине оказывается невозможным одиночное рождение странных частиц.

Чтобы объяснить запрет одиночного рождения странных частиц, М. Гелл-Манн и К. Нишиджима ввели в рассмотрение новое квантовое число, суммарное значение которого должно, по их предположению, сохраняться при сильных взаимодействиях. Это квантовое число Sбыло названостранностью частицы. При слабых взаимодействиях странность может не сохраняться. Поэтому она приписывается только сильно взаимодействующим частицам – мезонам и барионам.

Нейтрино. Нейтрино – единственная частица, которая не участвует ни в сильных, ни в электромагнитных взаимодействиях. Исключая гравитационное взаимодействие, в которомучаствуют все частицы, нейтрино может принимать участие лишь в слабых взаимодействиях.

Долгое время оставалось неясным, чем отличается нейтрино от антинейтрино. Открытие закона сохранения комбинированной четности дало возможность ответить на этот вопрос: они отличаются спиральностью. Под спиральностьюпонимается определенное соотношение между направлениями импульсаРи спинаSчастицы. Спиральность считается положительной, если спин и импульс имеют одинаковое направление. В этом случаенаправление движения частицы (Р) и направление “вращения”, соответствующего спину, образуют правый винт. При противоположно направленных спине и импульсе спиральность будет отрицательной (поступательное движение и “вращение” образуют левый винт). Согласно развитой Янгом, Ли, Ландау и Саламом теории продольного нейтрино, все существующие в природе нейтрино, независимо от способа их возникновения, всегда бывают полностью продольно поляризованы (то есть спин их направлен параллельно или антипараллельно импульсу Р). Нейтрино имеет отрицательную (левую) спиральность (ему соответствует соотношение направлений S и Р, изображенное на рис. 5 (б), антинейтрино – положительную (правую) спиральность (а). Таким образом, спиральность – это то, что отличает нейтрино от антинейтрино.

Рис. 5.Схема спиральности элементарных частиц

Систематика элементарных частиц. Закономерности, наблюдаемые в мире элементарных частиц, могут быть сформулированы в виде законов сохранения. Таких законов накопилось уже довольно много. Некоторые из них оказываются не точными, а лишь приближенными. Каждый закон сохранения выражает определенную симметрию системы. Законы сохранения импульсаР, момента импульсаLи энергииЕотражают свойства симметрии пространства и времени: сохранениеЕесть следствие однородности времени, сохранениеРобусловлено однородностью пространства, а сохранениеL– его изотропностью. Закон сохранения четности связан с симметрией между правым и левым (Р-инвариантность). Симметрия относительно зарядового сопряжения (симметрия частиц и античастиц) приводит к сохранению зарядовой четности (С-инвариантность). Законы сохранения электрического, барионного и лептонного зарядов выражают особую симметриюС-функции. Наконец, закон сохранения изотопического спина отражает изотропность изотопического пространства. Несоблюдение одного из законов сохранения означает нарушение в данном взаимодействии соответствующего вида симметрии.

В мире элементарных частиц действует правило: разрешено все, что не запрещают законы сохранения. Последние играют роль правил запрета, регулирующих взаимопревращения частиц. Прежде всего отметим законы сохранения энергии, импульса и электрического заряда. Эти три закона объясняют стабильность электрона. Из сохранения энергии и импульса следует, что суммарная масса покоя продуктов распада должна быть меньше массы покоя распадающейся частицы. Значит, электрон мог бы распадаться только на нейтрино и фотоны. Но эти частицы электрически нейтральны. Вот и получается, что электрону просто некому передать свой электрический заряд, поэтому он стабилен.

Кварки. Частиц, называемых элементарными, стало так много, что возникли серьезные сомнения в их элементарности. Каждая из сильно взаимодействующих частиц характеризуется тремя независимыми аддитивными квантовыми числами: зарядомQ, гиперзарядомУи барионным зарядомВ. В связи с этим появилась гипотеза о том, что все частицы построены из трех фундаментальных частиц – носителей этих зарядов. В 1964 г. Гелл-Манн и независимо от него швейцарский физик Цвейг выдвинули гипотезу, согласно которой все элементарные частицы построены из трех частиц, названных кварками. Этим частицам приписываются дробные квантовые числа, в частности, электрический заряд, равный +⅔; –⅓; +⅓ соответственно для каждого из трех кварков. Эти кварки обычно обозначаются буквамиU,D,S. Кроме кварков, рассматриваются антикварки (u,d,s). На сегодняшний день известно 12 кварков – 6 кварков и 6 антикварков. Мезоны образуются из пары кварк-антикварк, а барионы – из трех кварков. Так, например, протон и нейтрон состоят из трех кварков, что делает протон или нейтрон бесцветными. Соответственно различают три заряда сильных взаимодействий – красный (R), желтый (Y) и зеленый (G).

Каждому кварку приписывается одинаковый магнитный момент (мкВ), величина которого из теории не определяется. Расчеты, произведенные на основании такого предположения, дают для протона значение магнитного момента μ_p = μ_кв, а для нейтрона μ_n = –⅔μ_кв.

Таким образом, для отношения магнитных моментов получается значение μ_p/μ_n = –⅔, превосходно согласующееся с экспериментальным значением.

В основном цвет кварка (подобно знаку электрического заряда) стал выражать различие в свойстве, определяющем взаимное притяжение и отталкивание кварков. По аналогии с квантами полей различных взаимодействий (фотонами в электромагнитных взаимодействиях,р-мезонами в сильных взаимодействиях и т. д.) были введены частицы-переносчики взаимодействия между кварками. Эти частицы были названыглюонами. Они переносят цвет от одного кварка к другому, в результате чего кварки удерживаются вместе. В физике кварков сформулирована гипотеза конфайнмента (от англ.confinements– пленение) кварков, согласно которой невозможно вычитание кварка из целого. Он может существовать лишь в качествеэлемента целого. Существование кварков как реальных частиц в физике надежно обосновано.

Идея кварков оказалась весьма плодотворной. Она позволила не только систематизировать уже известные частицы, но и предсказать целый ряд новых. Положение, сложившееся в физике элементарных частиц, напоминают положение, создавшееся в физике атома после открытия в 1869 г. Д. И. Менделевым периодического закона. Хотя сущность этого закона была выяснена только спустя примерно 60 лет после создания квантовой механики, он позволил систематизировать известные к тому времени химические элементы и, кроме того, привел к предсказанию существования новых элементов и их свойств. Точно так же физики научились систематизировать элементарные частицы, причем разработанная систематика вряде случаев позволила предсказать существование новых частиц и предвосхитить их свойства.

Итак, в настоящее время истинно элементарными можно считать кварки и лептоны; их 12, или вместе с античатицами – 24. Кроме того, существуют частицы, обеспечивающие четыре фундаментальные взаимодействия (кванты взаимодействия). Этих частиц 13: гравитон, фотон, W^±- иZ-частицы и 8 глюонов.

Существующие теории элементарных частиц не могут указать, что является началом ряда: атомы, ядра, адроны, кваркиВ этом ряду каждая более сложная материальная структура включает более простую как составную часть. По-видимому, так бесконечно продолжаться не может. Предположили, что описанная цепочка материальных структур базируется на объектах принципиально иной природы. Показано, что такими объектами могут быть не точечные, а протяженные, хотя и чрезвычайно малые (~10^‑33см) образования, названныесуперструнами.Описанная идея в нашем четырехмерном пространстве не реализуема. Данная область физики вообще чрезвычайно абстрактна, и очень трудно подобрать наглядные модели, помогающие упрощенному восприятию идей, заложенных в теориях элементарных частиц. Тем не менее, эти теории позволяют физикам выразить взаимопревращение и взаимообусловленность “наиболее элементарных” микрообъектов, их связь со свойствами четырехмерного пространства-времени. Наиболее перспективной считается так называемаяМ-теория (М – отmystery– загадка, тайна). Она оперируетдвенадцатимерным пространством. В конечном итоге при переходе к непосредственно воспринимаемому нами четырехмерному миру все “лишние” измерения “сворачиваются”. М-теория пока единственная теория, которая дает возможность свести четыре фундаментальные взаимодействия к одному – так называемойСуперсиле. Важно также, что М-теория допускает существование разных миров и устанавливает условия, обеспечивающие возникновение нашего мира. М-теория еще недостаточно разработана. Считается, что окончательная«теория всего» на основе М-теории будет построена вXXIв.