Элементарные частицы и их взаимодействия

План 1.Введение…………………………………… …………………………………………………2 2.Краткая историческая сп равка……………………………………………………………….3 3.Элементарные частицы и их свойства………………………………………………………4 Классификация элементарных частиц………………………………………………………– Свойства элементарных частиц……………………………………………………………...6 4.Взаимодействия элементарных частиц…………………………………………………….12 Виды фундаментальных взаимодействий……………………………………………….…– Великое объединение……………………………………………………………………….13 5.Практическое применение…………………………………………………………………..16 6.Заключение…………………………………………………………………………………...18 7.Список использованной л итературы…………………………………………....…….….....19 Введение. Я решил писать реферат на тему «Элементарные частицы и их взаимодействия» , потому что мне крайне интересна эта тема, и я хочу больше узнать об элемент арных частицах, их ст руктуре, прев ращениях и п онять принципы их взаимодействий. Понятие «э лементарная частица» сформировалось в связи с установлением строения вещества на микроскопическом уровне. Обнаружение в начале 20-го века мельчайших носителей свойств вещества – атомов – позволило описать все известные вещества как комбина ции конечного, хотя и достаточно большого, количества составляющих – ат омов. Выявления сложного строения атомов, оказавшихся построенными всего из трёх типов частиц (электронов и протонов и нейтронов в ядре) , существенно уменьшило количество дискретн ых элементов, формирующих свойства вещества, и дало основание предполаг ать, что цепочка составных частей материи заканчивается дискретными бесстр уктурными образованиями – элементарными частицами. Нельзя с уверенностью сказать, что частицы, элем ентарные в смысле приведённого определения, существуют. Протоны и нейтр оны, долгое время считавшиеся элементарными, как выяснилось, имеют сложн ое строение. Не исключена возможность того, что последовательность стру ктурных составляющих материи принципиально бесконечна. Есть гипотеза о том, что существуют так называемые «геометрические кванты». Её смысл заключается в том, что на рас сто янии 10 П і і см силы взаимодействия настолько велики, что само простран ство сворачив ается в некие микрообъекты , нап оминая губку, и меньших расстояний попросту не бывает. Эти шарики и предс тавляю т собой «геометрические кванты», или струны. Сейчас термин «элементарные частицы» используется в не совсем точном значении, а включает в себя группу мельчайших частиц, не яв ляющихся атомами или атомными ядрами (исключение составляет протон – я дро атома водорода). Краткая историческая справка . Первая элементарная частица – электрон – была открыта Дж. Дж. Том соном в 1897 году. Он установил, что так называемые катодные лучи образованы потоком мельчайших частиц, названных впоследствии электронами. В 1911 году Э.Резерф орд, пропуская б -частицы от естественног о радиоактивного источника через тонкие фольги из разных веществ, выясн ил, что положительный заряд в атомах сосредоточен в компак тных образованиях – ядрах. В 1919 году обнаружил протоны – положительно зар яженные частиц ы, с массой, в 1836,2 раз а превышающей массу электрона – среди частиц, выбитых из атомных ядер. В 1932 году Дж. Чедвик открыл третью частицу, входящую в состав атома – нейтрон, изучая взаимодействия б -частиц с берилл ием. Нейтрон имеет массу, близкую к массе протона, но не имеет заряда. М.Планк, п редположив, что энергия абсолютно чёрног о тела квантована, получил правильную формулу для спектра излучения (1900 год). Развивая идею Планка, Эйнштейн постулировал, что электр омагнитное излучение в действительности является потоко м отдельных квантов (фотонов), и на этой основе объяснил закономерности ф отоэффекта. Прямые экспериментальные доказательства сущ ествования фотона даны Р.Милликеном (1912-1915 года) и А.Комптоном (1922 год). Открытие нейтрино – частицы, почти не взаимодействующей с веществом – ведёт своё начало от гипотезы В.Паули(1930 год), позволившей найти «невиди мого вора» в процессах в- распада радиоакти вных ядер (часть энергии исчезала неизвестно куда). Экспериментально сущ ествование нейтрино было подтверждено лишь в 1953 году Ф. Райнесом и К.Коуэном в США . К настоящему времени открыто около 350 элементарных частиц , различных по своим характеристикам: времени жизни, заряду, массе, спину и т.д. Элементарные частицы и их свойства . Классификация элементарных частиц. Все частицы (в том числе неэлементарные и квазичастицы) де лятся на бозоны (или бозе-частицы ) и фермионы (или ферми-частицы ). Бозонами называются частицы или квазичастицы, обладающи е нулевым или целым спином. Бозоны подчиняются статистике Бозе-Эйнштейн а (отсюда и происходит их название). К бозонам относятся: гипотетический г равитон (спин 2), фотон (спин 1), промежуточные векторные бозоны (спин 1), глюоны (спин 1), мезоны и мезонные резонансы, а также античастицы всех перечислен ных частиц. Фермионами называются частицы или квазичастицы с полуцелым спином. Для них справедлив принцип Паули и они подчиняются статистике Ферми-Дирака. К фермионам относятся лептоны, барионы, барионн ые резонансы и кварки (спин Ѕ), а также соотве тствующие античастицы. По времени жизни ф различаю т стабильные, квазистабильные и резонансные частицы или резонансы. Резо нансными называют частицы, распадающиеся за счёт сильного взаимодейст вия со временем жизни 10 П Іі с. Нестабильные частицы, время жизни которых превышает 10 П Іє с, распадаются за счёт слабого или электромагнитного, но не за счёт сильного в заимодействия. Такие частицы называются квазистационарными. Время 10 П Іє с, ни чтожное в обыденных масштабах, должно считаться большим, если его сравни вать с ядерным временем. Ядерное время – это время, кото рое требуется свету, чтобы пройти диаметр ядра (10 П №і см). За время 10 П Іє с может совершить ся много внутринуклонных процессов, поэтому частицы, названные здесь кв азистабильными, в справочниках именуются просто стабильными. Впрочем, а бсолютно стабильными пока можно считать только 12 частиц : фотон г, электрон e - , протон p + (?) , электронное н e , мюоннное н м и таоннное н ф ней трино и соответствующие им античастицы – их распад на опыте не зарегист рирован. В микромире каждой час тице соответствует античастица. В некоторых случаях частица полностью тождественна со своей античастицей. В таком случае частицу называют истинно нейтральной . К ним относятся фот он г, р 0 -мезон, з 0 - ме зон, J ∕ ш - мезон, ипсил он-частица . Если же частица и античастица не совпадают, то массы, спины, и зотопические спины, времена жизни у частицы и античастицы одинаковы, а п рочие характеристики одинаковы по абсолютной величине , но противоположны по знаку. Так, электрон и протон отлич аются от позитрона и антипротона прежде всего знаком электрического за ряда. Нейтрон и антинейтрон различаются знаком магнитного момента. Лепт онные заряды у лептонов и атилептонов, барионные у барионов и антибарион ов различаются по знаку. Понятия частицы и античастицы относительно. С тем же ус пехом учёные могли назвать позитрон – частицей, а элект рон – античастицей. Но электроны преобладают в нашей Вселен ной, а позитроны являются экзотическими объектами, поэтому и названы так, как названы. Что называть частицей, а что античасти цей – лишь вопрос соглашения. Также существует дел ение частиц на фотоны, лептоны и адроны . Адроны – большой класс элементарных частиц, участвуют во всех видах взаимодействий. В зависимо сти от значения спина, адроны, в свою очередь, делятся на мезоны и барионы. Мезоны – частицы с нулевым спином, барионы – со спином 1 / 2 (у омега-гиперона - 3 / 2 ). Лептоны – частицы, уч аствующие в слабом и электромагнитном взаимодействиях. Спин лептонов р авен 1 / 2. Группа Название частицы Симв ол Заряд, ед. e Масс а, ед. m e Спин, ед. ђ Приблизительное время жизни , с частицы анти-частицы Фотоны Фотон г г 0 0 1 Стабилен Лептоны Электрон e - e + 1 1 1 / 2 Стабилен Нейтрино электронное н e н e ~ 0 0 1 / 2 Стабильно Мюон м - м + 1 206,8 1 / 2 10 -6 Нейтрино мюонное н м н м ~ 0 0 1 / 2 Стабильно Тау-лепто н ф - ф + 1 3492 1 / 2 10 -12 Нейтрино таонное н ф н ф ~ 0 0 1 / 2 Стабильно Адроны Мезоны Пи-мезоны р 0 р + р ~0 р - 0 1 264,1 273,1 0 0 10 -16 10 -8 Ка-мезоны K 0 K + K ~ 0 K - 0 1 974 966,2 0 0 10 -10 – 10 -8 10 -8 Эта-мезон з 0 з 0 0 1074 0 10 -19 Барионы Протон p + p _~ 1 1836,2 1 / 2 ? Нейтрон n 0 n ~ 0 1838,7 1 / 2 10 3 Лямбда- гиперон Л 0 Л 0~ 0 2183 1 / 2 10 -10 Сигма- гипероны У 0 У + У - У 0 ~ У + ~ У _~ 0 1 1 2334 2328 2343 1 / 2 1 / 2 1 / 2 10 -20 10 -10 10 -10 Кси- гипероны О 0 О - О 0 ~ О _~ 0 1 2573 2586 1 / 2 1 / 2 10 -10 10 -10 Омега-гиперон Щ - Щ _~ 1 3273 3 / 2 10 -10 Элементарные частицы Свойства элементарных частиц . Для того, чтобы понять, что навело у чёных на мысль о том, что адроны состоят из кварков, нужно сначала понять, что связывает протоны и нейтроны в ядро атома. , пройти вм есте с ними их путь в недра материи. Когда заряженные частицы взаимодействуют друг с друг ом, они как бы играют в бадминтон – обмениваются «во ланчиком » - фотоном. Одна частица испускает фотон, а втор ая ловит и отбрасывает назад. Чем ближе частицы друг к другу, тем сильнее в заимодействие, тем быстрее идёт игра. Фотон мелькает так быстро, что межд у частицами протягивается что-то вроде ремня, только очень тонкого и не с плошного, но это неважно – ведь и обычный ремень в основном состоит из пу стоты. Но нейтрон в такой «бадминтон» не играет – он эле ктрически нейтрален, и «воланчик» попросту не замечает. Исследуя реакции по испусканию ядром электрона, физик и нашли таинственную пропажу энергии – суммарная энергия ядра и электр она после реакции всегда оказывалась чуточку меньше, чем энергия ещё не распавшегося ядра. Это приводило к выбору: признать, что закон сохранени я энергии неверен, или допустить существование неизвестной частицы, не и меющей заряда и уносящий часть энергии. Гипотезу о существовании такой ч астицы высказал Вольфганг Паули. Эту частицу назвали нейтрин о ( в переводе с итальянского – нейтрончик). Основываясь на этой гипотезе, Д.Д.Иваненко и И.Е.Тамм пре дположили, что частицы в ядре обмениваются не только фотонами, но и парам и частиц – позитроном и нейтрино или электроном и нейтрино. Испустив по зитрон и нейтрино, протон становится нейтроном, а, поглотив их, нейтрон ст ановится протоном. Возникает вопрос – почему нуклоны обмениваются дву мя частицами, а не одной, например? Оказывается, этого невозможно. Частицы постоянно вращаются вокруг своей оси. Вращение их одинаково, различие ли шь в его направлении – справа налево или слева направо. Отрываясь от протона или нейтрона, одна частица унесёт с собой их вращен ие, а невращающихся нуклонов не существует. А если испускается пара част иц, они могут вращаться в противоположных направлениях, и в сумме пара ни какого вращения не уносит. Эта теория на некоторое время стала главным событием ф изики, но более точные расчёты показали, что испускание двух частиц прои сходит слишком редко, и образуемых ими связей недостаточно, чтобы скрепи ть ядро. Тем не менее, способ объяснить внутриядерные силы «бадминтоном» каких- то частиц выглядел очень заманчивым. Молодой японский теоретик Хидеки Ю кава пошёл по этому пути и решил принять на веру то, что протоны и нейтроны обмениваются какой-то неизвестной доселе частицей, и установить её свой ства. Вышло, что эта частица должна быть в 200-300 раз тяжелее электрона и часто та испускания-поглощения её в тысячу раз больше, чем для фотона. Как будто вместо лёгкого воланчика-фотона игроки-нуклоны испол ьзовали в своём «бадминтоне» тяжёлый валун, к тому же перебрасываясь им с огромной скоростью. Частица, с массой в 200 раз больше электронной, была обнаружена в космичес ких лучах и названа мезоном от греческого «мезо» - средний. Средний между электроном и протоном. Когда протон находится рядом с другим протоном, они играют в мезонный « бадминтон». Если же протон одинок, то он «играет» сам с собой – испускает р- мезон и тут же поглощает его обратно и так далее – как жонглёр в цирке. Время акта испускания и поглощения очень мало, но из-за многократного повторения возникает раз мазка заряда и массы в пространстве. Образно говоря, нуклон мигает – всп ыхнет «мезонным светом» и тут же погаснет, и так без конца. Испустив р + -мез он, протон становится не й троном, а нейтр он при испускании р - -мезона становится протоном. При испускании р 0 -мезона протон и нейтрон остаются сами собой. В о всех случаях р- мезон входит в состав нуклона. Сам р- мезон тоже окружает себя «шубкой» из элементарных частиц. Он на коротк ое время испускает пару р- мезонов. Поч ему именно пару, а не один мезон – сложный вопрос, связанный с особенност ями этой частицы. Главное, что р- мезон состоит из частей, которые не отличаются от целого! Мезон состоит из мезонов! Всё равно, что если бы из гнезда вылетала не птиц а, а точно такое же гнездо! Более того, р- мезон может на короткое время превратиться в нуклон и антинуклон. Наприм ер, р + -мезон в протон и антинейтрон, а р 0 -мезон – в протон и антипротон. Сегодня известно, что все частицы содержат в себе много разных типов лё гких и тяжёлых частиц. Более лёгкие частицы могут удалиться на достаточн о большое расстояние, пока не будут поглощены обратно. Более тяжёлые, нао борот, жмутся к центру. Поэтому центральная часть любой частицы (керн) бол ее тяжелая, чем периферия, окраина. Все элементарные частицы одеты в «шубу» из рождающихся и быстро исчеза ющих частиц. Даже фотоны и нейтрино имеют свои «шубы» - во круг них рождаются электроны и позитроны, правда это происходит весьма р едко. Элементарные частицы состоят из элементарных частиц… Получается сеть, в которой все частицы являются простыми и сложными одно временно. Природа устроена хитрее и изобретательнее любой человеческо й фантазии. Но как быть с законами сохранения энергии и массы? Ведь если протон оторвал о себя увесистый кусочек в виде р- мезона и остался протоном. Отку да тогда взялся материал для р- мезона? Противоречие налицо, особенно при превращении р- мезона в нуклон и антинуклон. В этом с лучае части весят в 14 раз больше целого! Оказывается, эффект давления жидкости снизу на тело присутствует и вну три частиц. Только место воды там занимает энергия. «Куски» частицы погр ужен ы в силовое поле взаимодействия – своеобразную эн ергетическую ванну, и их масса уменьшается. Энергия в ну к лоне имеет отрицательный знак, потому что для растаскивания притягиваю щихся друг к другу частей требуется трата энергии. Энергетическая «ванн а» есть и в атоме. В неё «налита» энергия электромагнитного взаимодейств ия электронов с ядром. Оно в тысячи раз слабее сил, действующих внутри сам их элементарных частиц и поэтому плотность энергии во внутриатомной «в анне» очень мала. Электроны теряют в весе столько же, сколько и люди в атмо сфере. Потеря веса внутри ядра составляет уже проценты, а внут ри элементарной частицы она настолько велика, что они как бы растворяют ся в энергии взаимодействия. На связь частей уходит значительная часть о бщей энергии и массы. В этом главное отличие элементарной частицы от все х других микрочастиц. Современную физику недостаточно просто выучить, к ней надо привыкнуть! Но с «лестницей», ведущей в недра материи, творится ч то-то странно е: атомы расположены глубже молекул, ядра гл убже атомов, а вот в протоне творится что-то невообразимое. Ступеньки гро моздятся друг на друга и уже не так легко понять, спускаемся ли мы вниз или топчемся на месте. Когда задача становится слишком сложной и запутанной , полезно взглянуть на неё с другой стороны. Забудем, что протон элементар ный, попробуем просветить его какими-либо лучами. Далее путём электронного «просвечивания» удалось ув идеть протон ближе. Он выглядит примерно как планета с массивным ядром и протяжённой атмосферой. Радиус протонного керна всего лишь в несколько раз меньше размеров его мезонной «шубы». Можно было ожидать, что нейтрон имеет аналогичное строение. Простая модель испускания-поглощения мезо на подсказывает, что окраинные области у протона и нейтрона отличаются л ишь знаком заряда . Опыт неож иданно пока зал совсем другое – р адиус облака электрических заряд ов у нейтрона оказался равным нулю! Иными словами, в нейтроне есть что-то, что нейтрализует заряд мезонного облака или модель «жонглирования» не верна, и тогда наше представление о строении элементарных частиц неспра ведливы, и физикам придётся начинать всё заново. Было от чего прийти в вол нение! Учёные собирали конгрессы, пытались сообща понят ь, в чём тут дело. Пытались понять это и мы в Дубне. Непонятно, почему происх одит нейтрализация облаков, но прежде надо удостовериться, что эти облак а существуют. Это можно установить, поместив нейтрон в сильное электриче ское поле. Тогда все положительные заряды сместятся в одну сторону, а отр ицательные – в другую. Нейтрон превратится из шарика в гантель, что скаж ется на его взаимодействиях с атомными ядрами. Заметить растяжение нейт рона на опыте так и не удалось, помешали побочные эффекты. Разгадка этого явления пришла после открытия тяжёлых мезонов С и Щ. Выяснилось, что р- мезоны пр и определённых условиях могут « слипать ся » и превращаться в ко роткоживущие частицы. Это и были С- и Щ- мезоны. Из таких «слипающихся» и снова разваливающихся частиц и состоит «шуба» нуклона. В протоне условия благоприятствуют образованию заряженных «к апель», а в нейтроне – нейтральных, поэтому электроны и не чувствуют мез онной оболочки нейтрона. Чтобы её обнаружить, нужно просвечивать нейтро н пучком жёстких протонов. Во всех взаимодействиях нейтрон ведёт себя, к ак частица с «размазанной» в пространстве массой и равным нулю радиусом распространения электрических зарядов. Но всё это не упростило картину строения нуклонов, а то лько усложнило её. Если бы протон представлял собой моно литную единую картину, то согласно третьему закону Ньют она величина импульса столкнувшегося и отскочившего от протона электрона дала бы сведения о движении протона как целого. В опыт ах с рассеиванием очень жёстких электронов получилось иначе – вместо ч ёткой точки на экранах получилось размытое пятно. Американский физик Р.Ф ейнман первым понял, в чём тут дело. Используя аналогию с радиолокацией, г де разваливающаяся на куски ракета или самолёт предстают на экране рада ра расплывчатым пятном, Фейнман предположил, что нуклоны состоят из мелк их частичек. Из них состоит его керн и мезонное облако. Эти частицы он назв ал партонами – от английского слова part – часть. Теперь можно спросить, что же такое нуклон – керн, одетый в мезонную «шубу», или комочек мелкозернистой пар тонной «икры»? Объекты микромира, их необычную сущность, нельзя объяснит ь одной картиной – они слишком сложны для этого. Наглядн ое представление о нуклоне – это набор отдельных картинок. Также и о билие открыты х и вновь открываемых адронов и резонансов навело учёных на мысль об их с ложном строении. Гелл-Манн и Цвейг, независимо друг от друга предположил и, что все адроны состоят из более фундаментальных частиц, названных Гел л-Манном кварками. Цвейг предложил назвать кварки тузами, Фейнман – партонами, но эти назван ия не прижили сь. О происхождении названия «кварк» у физиков в ходу две легенды. По одной из них , оно появилось, как шутка – в немецком языке слово «кварк» означает одно временно «творог», «протоплазма» и «чепуха». Поначалу теоретики с юморо м относились к сделанному открытию. Согласно другой легенде, название но вой элементарной частицы взято из романа Джойса «Поминки по Финнигану», где в бредовом сне героя летящие за кораблём чайки выкрикивают человече скими голосами фразу: «Три кварка для мистера Марка». Поначалу многие учёные считали кварки курьёзом, време нными «строительными лесами» новой, более совершенной теории. Но не успе ли они оглянуться, как оказалось, что с помощью кварков просто и наглядно объясняются различные экспериментальные факты, а теоретические вычисл ения сильно упрощаются. В целом, картина строения материи стала приобретать бо лее привычные черты – нуклоны состоят из кварков, большее из меньшего, и ступеньки воображаемой лестницы вновь выпрямились и пошли вниз. Кварки обладают несколькими выдающимися особенностями. Их заряд раве н -⅓ и +⅔ электронного, а в природе до этого не находили частицы с дробны м зарядом. Также у кварков есть цвет и аромат. Аромат – эт о просто способ различать шесть кварков. Сначала хотели их просто пронум еровать, но решили, что нельзя назвать один кварк первым, а другой – после дним, и ввели понятие аромата. Конечно же, понюхать кварк нельзя, это лишь удобный и необычный термин, такой, как странность, очарование или прелес ть. Физики любят использовать необычные, а потому легко запоминающиеся н азвания. Цвет кварка – это его своеобразный заряд. Испуская или поглощая глюон, кварк меняет свой цвет. Глюо н ы, подобно пчёлам, снуют между кварками, перенося цвет. В зависимости от того, сколько и какой «пыльцы» унёс глюон, кварк приобретает определё нный цвет. Кварковый заряд – цвет – во многом похож на электрический. Он также может быть большим или маленьким, положительным или отрицательны м (тогда говорят, что цвет сменился антицветом). Но есть и отличие. Как бы не изменялся электрический заряд, он всегда остаётся зарядом, а цветовой за ряд может изменить свой цвет. С открытием цвета микромир стал ярче и разнообразнее, н о кварков стало уже 18. Слишком уж сложной стала «самая элементарная части ца». Возможно, в недрах микромира от нас скрыто ещё что-то очень важное… Кварки К настоящему времени установлено сущ ествование пяти ароматов кварков: u , d , s , c , b . Неоднократно поступали сообщения о об открытии t -кварка , но окончательно е го существование не установлено. Массы кварков: m u = 5 МэВ, m d = МэВ, m s = 150 МэВ, m c = 1,3 ГэВ, m b = 5 ГэВ, m t = > 22 ГэВ. Эти данные – оценочные и грубо ориентировочные, так как кварк и в свободном состоянии не наблюдались и их нельзя было исследовать прям ыми методами. Все кварки имеют спин 1 / 2 и барионный заряд ⅓. Кварки u , с, t , называют верхними, так как они имеют заряд +⅔, а остальные кварки u , s , b с электрическим зарядом -⅓ – нижними. Кварк s является носителем странности, с – очарования, b – красоты (прелести). Странность была обн аружена в 1953 году при открытии К-мезонов и гиперонов. Они рождались за счёт сильных взаимодействий с характерным временем порядка 10 -23 с, а времена жизни оказались пор ядка 10 -8 -10 -10 с. Было совершенно непонятно, почему они живут так долго, почему не ра спадаются за счёт сильного взаимодействия, в результате которого они во зникают? Дальнейшие исследования показали, что странные частицы рождаю тся парами. Это навело на мысль, что сильные взаимодействия не могут игра ть роли в распаде частиц из-за того, что для их проявления необходимо прис утствие двух странных частиц. По той же причине запрещено рождение одино чных странных частиц. В основе запрета какого-либо процесса лежит некоторый закон сохранения. Чтобы объяснить запрет одиночного рождения странных частиц, М.Гелл-Манн и К.Нишиджима ввели новое квантовое число S , сумм арное значение которого должно, по их предположению, сохраняться при сил ьных взаимодействиях. Его и назвали странностью. Очарованный кварк – это кварк с квантовым числом С, ко торое у всех остальных равно нулю, равным единице. Частицы семейств ч и ш пре дставляют собой различные уровни(состояния) системы сс ~ . Эта система названа чармонием, по аналогии с системой электрон – позитрон, названной позитронием. Поскольку очаров ание кварка и антикварка в чармонии в сумме даёт ноль, говорят, что эта сис тема обладает скрытым очарованием. В 1976 году были предсказаны и открыты ч астицы с явным очарованием. Красота – это разность между числами b - кварков и антикварко в b ~ . Красота сохраняется при сильных и электромагнитных вза имодействиях и может нарушаться при слабых. Цвет внутри нуклона от кварка к кварку переносят части чки-глюоны. Они похожи на фотоны. У глюонов нет массы, они движутся со скор остью света. Однако в отличие от зарядово-нейтральных фотонов, глюоны пр осто «измазаны» зарядом. Фотон никакого нового электрического поля вок руг себя не создаёт. Глюон же своим собственным зарядом рождает новые гл юоны и происходит лавинообразное саморазмножение. Каждый кварк утоплен в толстом комке глюонной «резины ». Очищенными от глюонов они становятся лишь в центре нуклона. Зондирова ние центральных областей нуклона дало неожиданные рез ультаты – чистые кварки – лёгкие объекты, они в 100 раз легче нуклона. Оказ ывается, нуклоны состоят в основном из глюонов. Опыты показали, что в центре элементарной частицы квар ки почти не связаны взаимодействиями, и ведут себя как плавающие в возду хе надувные шарики. Если же кварки пытаются разойтись, то сразу возникаю т связывающие их силы. Сквозь стенки протона легко проникают пучки зонди рующих электронов, их пронизывают фотоны и нейтрино. И в то же время оттуд а не может вырваться ни один кварк. Понять, почему это происходит, можно на очень простой модели. Представим себе, что между кварками натянуто что-т о вроде резиновых нитей. Когда кварки рядом друг с другом, нити провисают, и ничто не мешает им двигаться. Но как только они расходятся, нити натягив аются и утягивают кварки обратно. Если в один из кварков «выстрелить» бы стрым электроном, то он получит большой импульс и отскочит. Но его движен ие будет продолжаться лишь до тех пор, пока натяжение «резиновой нити» не возрастёт настолько, что их энергии хватит на рождени е новой пары кварков. «Нить» рвётся, в точке разрыва выделяется энергия и рождается пара кварк-антикварк. Антикварк и выбитый электроном кварк «слипнутся» в мезон, а оставшийся кварк займёт мес то выбитого кварка. Теперь должно быть понятно, почему не удаётся выбить к варк из нуклона: сколько по нему ни бей, из него будут вылетать целые части цы – адроны, а не их осколки – кварки и антикварки. Лептоны Каждый лептон характеризуется лептон ным зарядом, или лептонным числом. Следует различать мюонный, электронны й и таонный заряды, обозначаемые соответственно через L м , L e , L ф . Это различные величины, хотя им условно приписываются одинаковые число вые значения. Условились для всех отрицательно заряженных лептонов счи тать лептонные заряды равными +1. Лептонные заряды всех остальных частиц находятся из экспериментально установленного факта, согласно которому в замкнутой системе разность между числом лептонов и ан тилептонов остаётся постоянной. Для этого нужно придать этому факту фор му закона сохранения лептонного заряда. При этом лептонные заряды всех о стальных частиц принимаются равными нулю, так как у этих частиц свойства , связанные с существованием лептонного заряда, не обнаруживаются. Закон сохранения лептонного заряда требует, чтобы все полож ительно заряженные лептоны имели лептонный заряд, равный -1. Это видно из т ого, что возможны реакции: e + + e - — > 2 г , м + + м - — > 2 г , ф + + ф - — > 2 г Толь ко тогда суммарный лептонный заряд правой части будет равен нулю, а это н еобходимо, так как фотон лептонного заряда не имеет. Из в озможности процессов р + — > м + + н м p — > n + e + + н e следует, что лептонный заряд н e и н м равен +1, а соответствующих им античастиц – -1. Аналогично надо при писать н ф лептонный заряд +1, а соответствующей ему античастице – -1. В настоящее время сущ ествует гипотеза о родстве кварков и лептонов. Эту гипот езу выдвинули А.Салам и Дж.Пати. По и х мне нию, кварки и лептоны очень похожи. Лепт он является белым состоянием кварка. Э лектрически е заряды лептонов 0 и 1, то есть 0 / 3 и 3 / 3 , прекрасно укладываются в один ряд с зарядами кварков. Чт о же касается масс, то по их гипотезе, это результат влияния окружающего ф она. Ведь вокруг всякой частицы образуется облако испущ енных ею частиц, которые экранируют частицу и изменяют её свойства. Толь ко такие заэкранированные, закутанные в облака частицы с изменёнными, ил и, как говорят физики, эффективными свойствами и наблюдаются на опытах. В нутри облака частица чувствует себя, как в ванне. А поскольку плотность и состав облака зависят от величины заряда и других характеристик частиц ы, вес членов кваркового мультиплета оказывается разли чным. Новая теория сократила список независимых элементарн ых частиц, сделала таблицу более стройной. Однако одного этого ещё недос таточно, чтобы физики поверили в гипотезу о тесной связи кварков с лепто нами. Новая теория всего лишь заменила один непонятный факт – упрямство лептонов, другим – их родством с кварками. Это всё равно, что старую тайн у объяснять с помощью новой загадки. Уильям Оккам, член Ордена нищенству ющих монахов, выступавший с лекциями по богословию и логике, говорил:«Не следует с помощью большего делать то, чего можно достигнуть меньшей цено й» или более кратко:«Сущностей не следует умножать сверх необходимого». С тех пор этот принцип называют «бритвой Оккама». Она срезает все слабо о боснованные гипотезы, вылущивая зёрна истины. Это первый краеугольный к амень научного исследования. Второй краеугольный камень – обязательн ая проверка экспериментом. Как ни стройна была бы теория, если она не пров ерена на опыте, то относится к разряду недоказанных гипо тез. Аристотель, например, считал, что у женщин меньше зубов, чем у мужчин. Е му и в голову не приходило проверить это, хотя у него было две жены. Этот пр имер выглядит историческим анекдотом, но он полно передаёт пренебрежен ие науки того времени к эксперименту. Если же теория такова, что выводы её можно проверить лишь в далёком будущем, учёные подходят к ней с большой о сторожностью. В теориях, основанных на родстве кварков и лептонов, гл юоны, перенося цвет, могут сделать кварк лептоном, и такая частица – например, протон – сразу же распадётся н а составные части, поскольку частиц, состоящих из смеси кварков и лептон ов в природе не существует. Подобной радиоактивности ни в одной другой теории нет, поэтому распад протона будет убедительным док азательством того, что кварки и лептоны – близкие родственники. Расчёт говорит, что протон распадается крайне редко. В теле человека от рождени я до смерти распадается в среднем 1 протон. Пройдёт немало лет, прежде чем потери атомов в мире станут заметными. Как же обнаружить такое сверхредкое событие? Прежде всего, заметим, что протон имее т положит ельный заряд. Значит, при распаде через какое-то время образуется позитр он. Двигаясь в веществе, он встретится с электроном, и они аннигилируют в кванты света. Эти искорки света – сигн алы о «протонных катастрофах» в веществе. Засечь их очень трудно, и поэто му физикам приходится наблюдать за большим объёмом вещества сразу. Пока ни одного распада протона зарегистрировать не удалось, но физики со всег о мира ждут вестей с «протонного фронта». Если же ни один протон так и не р аспадётся, это послужит сигналом тому, что физики в чём-то крупно ошибают ся, и тогда придётся искать новую дорогу в недра микромира. Вз аимодействия элементарных частиц Виды фундаментальных взаимодействий В настоящее время в природе и звестны четыре вида фундаментальных взаимодействий : си льное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Сильное взаимодейств ие удерживает нуклоны в атомных ядрах и присуще также адронам. К электро магнитным взаимодействиям сводятся непосредственно воспринимаемые н ами силы природы (за исключением тяготения): упругие, вязкие, молекулярны е, химические и прочие. Слабые взаимодействия вызывают в- распад радио активных ядер наряду с электромагнитными силами управляют поведением ле птонов. Нейтральные лептоны не участвуют в электромагнитных взаимодей ствиях. Гравитационное взаимодействие присуще всем частицам. Об интенсивности перечисленных взаим одействий можно судить по скорости процессов, вызываемых ими. Обычно для сравнения берут скорости процессов при кинетических энергиях порядка 1 ГэВ; такие энергии характерны для физики элементарных частиц. При таких энергиях процессы, вызываемые сильным взаимодействием, проходят за вре мя порядка 10 -23 с, электромагнитным – 10 -20 с, слабым – 10 -9 с. Другой величиной харак теризующей интенсивность взаимодействия, является длина свободного пр обега частицы в веществе. Сильновзаимодействующие частицы с энергией 1 Г эВ можно задержать железной плитой с толщиной в несколько сантиметров. Нейтрино же с энергией 0,01 ГэВ, которым свойственно только слабое взаимодействие, для задержания потребовалось 10 9 км железа. Сильные и слабые взаимодействия проявляются только на коротких расст ояниях. Радиус действия сильных взаимодействий составляет 10 -13 см, а слабых – 2 х 10 -16 см. Электромагнитные силы, напротив, являются дальнодействующими. Они убывают пропорционально квадрату расстояния между частицами. По тому же закону убывают гравитационные силы. Поэтому отно шение электромагнитных и гравитационных сил не зависит от расстояния м ежду взаимодействующими частицами. Таким образом, в области, где проявля ются слабые силы, гравитационное взаимодействие частиц на много порядк ов меньше даже слабого. Поэтому гравитационное взаимодействие в ф изике микромира не учитывается. Классическая физика принимала, что взаимодействие между телами перед аётся с конечной скоростью посредством силовых полей. Так, электрически й заряд создаёт вокруг себя электрическое поле, которое в месте нахожден ия другого заряда действует на него с определённой силой. Так же, но уже по средством других силовых полей, осуществляются все взаимодействия в пр ироде. Квантовая физика не изменила такие представления, но учла квантовые числа самого поля. Из-за корпуску лярно-волнового дуализма всякому полю должна соответствовать определё нная частица (квант поля) , которая и является переносчико м взаимодействия. Одна из взаимодействующих частиц испускает квант пол я, другая его поглощает. Электромагнитные взаимодействия переносятся ф отонами, сильные – глюонами, слабые – промежуточными ве к торными W + – и Z 0 бозонами, гравитационное – гипотетическими гравитонами. В настоящее время электромагнитное и слабое взаимодействия рассматрива ются как разные проявления электрослабого взаимодействия. Слабые силы на малых расстояниях (порядка радиуса их действия) одного порядка с элек тромагнитными. Для промежутков времени, необходимых для переноса взаимодействия, закон сохранения энергии нарушается. Инач е, для частиц, переносящих взаимодействия, нарушается обычная связь межд у энергией и импульсом. Поэтому эти частицы и названы виртуальными, как и процессы испускания-поглощения виртуальных частиц. Сильное взаимодействие обеспечивает и самую сильную связь элементарных частиц. В частност и, связь нуклонов в атомном ядре обусловлена сильным взаимодействием. Эт им объясняется исключительная прочность атомных ядер, лежащая в основе стабильности вещества в земных условиях. Электромагнитное взаимодействие сводится взаимодействию электриче ских зарядов и магнитных моментов частиц с электромагнитным полем. Электромагнитное взаимодействие обеспечивает связь элек тронов в атомах, ионов в кристаллах, атомов в молекулах. Электромагнитно е взаимодействие играет основную роль в окружающем нас макроскопическ ом мире наряду с тяготением. Это связано с тем, что сильное взаимодействи е на расстояниях больше размера ядра атома практически исчезает. Электр омагнитное же взаимодействие, как и тяготение, бесконечны по радиусу дей ствия. Слабое взаимодействие и процессы, связанные с ним, про текают крайне медленно по ядерному времени. Но его интенсивность растёт вместе с энергией. При е ~ M W слабое взаимодействие сравнивается с электромагнитны м. Гравитационное взаимодействие доминирует в случае больших масс объе ктов. Но в мире элементарных частиц на расстояниях поряд ка размера атомного ядра это взаимодействие ничтожно. Оно, возможно, ста новится существенным лишь на расстояниях порядка 10 -33 см. Великое объединение Одной из основных целей современной т еоретической физики является единое описание окружающего нас мира. Нап ример, специальная теория относительности объединила электричество и магнетизм в единую электромагнитную силу. Квантовая теория, предложенн ая в работах Глеэшоу, Вайнберга и Салама, показала, что электромагнитное и слабое взаимодействия могут быть объединены в электрослабое. Так что е сть основания полагать, что все фундаментальные взаимодействия в конеч ном итоге объединятся. Если мы начнём сравнивать сильное и электрослабо е взаимодействия, то нам придётся уходить в области всё больших энергий, пока они не сравняются по силе и не сольются в одно в районе энергий в 10 16 ГэВ. Гравитация же присо ед и нится к ним согласно Стандартной Мо дели в районе энергий в 10 19 ГэВ . К сожалению, такие энергии ст алкивающихся на ускорителях частиц не только недоступны, но и но и вряд л и будут доступны в будущем. Однако теоретические исследования по поиску единой теории всех фундаментальных взаимодействий идут полным ходом. Объединение двух фундаментальных теорий современной физики – квантовой теории и общей теории относительно сти – в рамках единого теоретического подхода до недавнего времени был о одной из важнейших проблем. Примечательно, что эти две теории взятые вм есте, воплощают почти всю сумму человеческих знаний о наиболее фундамен тальных взаимодействиях в природе. Поразительный успех этих двух теори й состоит в том, что вместе они могут объяснить поведение материи практи чески в любых условиях – от внутриядерной до космической области. Больш ой загадкой, однако, была несовместимость этих двух теорий. И было непонятно поч ему природа на своём глубоком фундаментальном уровне должна требовать двух разных подходов с двумя наборами математических методов, двух набо ров постулат ов и физических законов? В идеал е хотелось бы иметь Единую теорию поля, объединяющую эти две фундам ентальные теории. Однако попытки их соединения постоянно ра збивались из-за появления бесконечностей (расходимостей) или наруш ения некоторых важнейших физических принципов. Объединить эти теории у далось лишь в рамках теории струн и суперструн. История создания теории струн началась с чисто случайного открытия в к вантовой теории, сделанного в 1968 году Дж.Венециано и М.Судзуки. Перелистыв ая старые труды по математике, они случайно натолкнулись на бета-функцию , описанную в XVIII веке Леонардом Эйлером. К своему удивлению, они обнаружили, что, испо льзуя эту функцию, можно замечательно описать рассеяние сталкивающихс я на ускорителе частиц. В 1970 – 1971 годах Намбу и Гото поняли, что за матрицами рассеяния скрывается классическая (не квантовая) релятивистская струн а, то есть некий микроскопический объект, отдалённо напоминающий тонкую , натянутую струну. Потом были сформулированы и построены методы квантов ания таких струн. Однако оказалось, что квантовую теорию струн корректно (без отрицательных и больших единицы квантовых вероятн остей) можно построить лишь в 10 и 26 измерениях, и модель сразу перестала быт ь привлекательной. 10 лет эта идея влачила жалкое существование, потому чт о никто не мог поверить, что 10- или 26-мерная теория имеет какое-либо отношен ие к физике в 4-мерном пространстве. Когда в 1974 году Шерк и Шварц предположи ли, что эта модель является на самом деле теорией всех известных фундаме нтальных взаимодействий, никто не принял это всерьёз. Спустя 10 лет, в 1984 год у, появилась знаменитая работа М.Грина и Д.Шварца. В этой работе было показ ано, что возникающие при квантовомеханических расчётах бесконечности в точности сокращаться благодаря симметриям, присущем суперструнам. После этой работы теория суперструн стала основным канд идатом на единую теорию всех фундаментальных взаимодействий элементар ных частиц, и её начали активно разрабатывать, пытаясь свести всё разноо бразие частиц и полей микромира к неким чисто пространственно-геометри ческим явлениям. В чём же заключается смысл этой «универсальной» теории? Мы привыкли думать об элементарных частицах как о точе чных объектах. Возможно, что первичным является не понятие частицы, а пре дставление о некоей струне – протяжённом, неточечном объекте. В этом сл учае все наблюдаемые частицы – лишь колебания этих самых струн. Струны бесконечно тонки, но длина их конечна и составляет около 10 -33 см. Это ничтожно мало даже по сравнению с размеро м нейтрино , так что для многих задач можно считать объек ты точечными. Но для квантовой теории струнная природа элементарных час тиц очень важна. Струны бывают открытыми и замкнутыми. Двигаясь в прост ранстве-времени, они покрывают (заметают) поверхности, называемые мировы ми листами. Отметим, что поверхность мирового листа гладкая. Из этого сле дует одно важное свойство струнной теории – в ней нет ряда бесконечност ей, присущих квантовой тео рии поля с точечными частицам и. Струны имеют определённую устойчивую форму колебани й – моды, которые обеспечивают частице, соответствующей данной моде, та кие характеристики, как масса, спин, заряд и другие квантовые числа. Это и есть окончательное объединение – все частицы могут быть описаны через один объект – струну. Таким образом, теория суперструн связывает все фу ндаментальные взаимодействия и элементарные частицы между собой спосо бом, похожим на тот, которым скрипичная струна позволяет дать единое опи сание всех тонов – зажимая по-разному скрипичные струны, можно извлекат ь самые разные звуки. Простейшее струнное взаимодействие, описывающее процесс превращения двух замкнутых струн в одну, можно представлять в виде устоявшейся анал огии – обычных брюк, форму которых приобретают их мировые листы. В этом с лучае штанины символизируют сближающиеся струны, сливающиеся в одну в р айоне верхней части брюк. Соединим два простейших струн ных взаимодействия между собой (склеим двое брюк в районе пояса) и получи м процесс, в котором две замкнутые струны взаимодействуют через объедин ение в промежуточную замкнутую струну, которая потом опять распадается на две, но уже другие. В струнной теории, в частности, существует замкнутая с труна, соответствующая гравитону. Одной из особенностей теории является то, что она естественно и неизбежно включает в себя гра витацию как одно из фундаментальных взаимодействий. Суперструны существуют в 10-мерном пространстве-времен и, в то время, как мы живём в 4-мерном. И если суперструны описывают нашу Всел енную, нам необходимо связать эти два пространства. Для этого обычно сво рачивают 6 дополнительных измерений до 10 -33 см. Из-за малости этого расстояния оно становится абсолютно незаме тным для всех современных ускорителей элементарных частиц. В конечном и тоге мы получим привычное 4-мерное пространство, каждой точке которого о твечает крохотное 6-мерное пространство, так называемое Калаби-Яу. У струн есть ещё одно замечательное свойство – они могут «наматыватьс я» на компактное измерение. Это приводит к появлению так называемых обор отных мод в спектре масс. Лёгкость оборотных мод позволя ет интерпретировать их как наблюдаемые нами элементарные частицы. Величайший парадокс теории суперструн заключается в том, что она сама по себе не едина. Можно выделить 5 различных согласованны х суперструнных теорий, известных как: тип I , тип II А, тип II В, SO (32) и Е8 х Е8. В начале последнего десятилетия ХХ века одним из принципиальных вопро сов теоретической физики был вопрос выбора той или иной струнной теории качестве кандидата на роль Единой теории. В решении этого фундаментальн ого вопроса в последние годы был достиг нут значительный прогресс. Оказалось, что все известные теории суперстр ун связаны между собой преобразованиями дуальности, открытыми в 1995 году. Дуальность теорий – это их существенное различие в дет алях, но опись одной и той же физической реальности. На основе анализа вза имосвязи разных теорий выдвинута гипотеза, согласно которой все извест ные теории суперструн являются предельными случаями некоей фундамента льной М-теории. Эта теория живёт в 11-мерном пространстве-времени и на боль ших расстояниях описывает 11-мерную супергравитацию. С открытием дуальности связана третья струнная революция. Первая стру нная революция была вызвана изучением амплитуд рассеяния. Вторая струн ная революция связана с открытием Грином и Шварцем суперсимметрии. Суперсимметрия – это симметрия между бозо нами и фермионами. Фермионы и бозоны оказываются связанными через эту си мметрию и должен быть суперпартнёр в «противоположном лагере». Практическое применение элем ентарных частиц На первый взгляд кажется, что изучение элементарных ча стиц имеет чисто теоретическое значение. Но это не так. Применение элеме нтарным частицам нашли во многих сферах жизни. Самое простое применение элементарных частиц – на яд ерных реакторах и ускорителях. На ядерных реакторах с по мощью нейтронов разбивают ядра радиоактивных изотопов, получая энерги ю. На ускорителях элементарные частицы используются для исследований. В электронных микроскопах используются пучки «жёстки х» электронов, позволяющие увидеть более мелкие объекты, чем в оптическо м микроскопе. Бомбардируя ядрами некоторых элементов полимерные пл ёнки, можно получить своеобразное «сито». Размер отверстий в нём может б ыть 10 -7 см. Плотность этих отверстий дохо дит до миллиарда на квадратный сантиметр. Такие «сита» можно применять д ля сверхтонкой очистки. Они фильтруют воду и воздух от мельчайших вирусо в, угольной пыли, стерилизуют лекарственные растворы, незаменимы при кон троле за состоянием окружающей среды. Нейтрино в перспективе поможет учёным проникнуть в гл убины Вселенной и получить сведения о раннем периоде ра звития галактик. Потоки нейтронов, получаемые на импул ьсных источниках , позволяет диагностир овать живые клетки, не нарушая их нормальной работы. Пучки протонов используются в медицине вместо скальп еля. Дело в том, что протоны наносят вред только тем клеткам, в которых они остановились. Клетки же, которые протоны просто преодолели, практически не страдают от них. Должным образом подобрав энергию пучка протонов, мож но истребить болезнь, не причиняя вреда здоровым соседн им клеткам. Проводились опыты на собака х, которым облучали больной гипофиз. Теория блестяще подтвердилась, и те перь в Гатчине лечат опухоли, при которы х хирургическое вмешательство противопоказано. Также некоторые элементарные частицы испускает горяч ая плазма. Они дают информацию о многих процессах, происходящих внутри н её. С помощью диагностики плазмы в перспективе можно добиться управлени я термоядерной реакцией. Заключение Написав этот реферат, я открыл для себя новый мир – мир элементарных частиц. Как оказалось, я не знал очень многого из этой облас ти науки и достиг цели, поставленной себе в начале. Кроме того, я получил о громное удовольствие, узнавая новое для себя о удивительном микромире. Этот необычный мир поразил и удивил меня, преподнёс таки е сюрпризы, в которые было трудно поверить. Список использованной литературы 1. Д.В.Сивухин «Общий курс физ ики», том V «Атомная и ядерная фи зика», М.:ФИЗМАТЛИТ; Изд-во МФТИ, 2002 2. И.В.Савельев «Курс обще й физики», том 3.М.: Наука, 1987 3. Т.И.Трофимова «Физика о т А до Я», М.: Дрофа, 2002 4. В.С.Барашенков «Вселенная в электроне» , М.: Дет. Лит., 1988 5. «Музыка сфер», «Вокруг света» №1 (2772) январ ь 2005 года, 30-40 стр. 6. Эврика 83-84, сост. А. Лельев р, М., Молодая гвардия, 1984