Элементарные частицы.
В середине 30-х годов 20 века было установлено, что все атомы построены из нейтронов, протонов и электронов. Именно эти частицы называли в то время “кирпичами мироздания”. Помимо этих частиц к тому времени было известно о существовании и нескольких других: позитрон, нейтрино и -квант (фотон), т.е. всего шесть элементарных частиц. Но в последующие годы с появлением мощных ускорителей были открыты сотни других субъядерных частиц.
Начало физике элементарных частиц было положено в 1935 г. японским физиком Хидеки Юкавой, который предсказал существование новой частицы, которая могла быть своего рода переносчиком сильного взаимодействия. Для того, чтобы понять идею Юкавы обратимся к электромагнитным взаимодействиям.
Известно, что электромагнитное взаимодействие между частицами обусловлено:
электромагнитным полем одной частицы;
обменом фотонами, или -квантом.
Проиллюстрировать
данное взаимодействие можно с помощью
диаграммы Фейнмана.
е-
е-
е-
е-
В данном случае показан обмен одним фотоном. Одна из заряженных частиц испускает фотон и испытывает вследствие этого отталкивание, а вторая частица поглощает фотон. При таком взаимодействии происходит передача энергии и импульса от одной частицы к другой а “переносчиком” является фотон. Т.к. все это происходит за короткий промежуток
Фотон
времени фотон ничем себя не обнаруживает и поэтому его называют виртуальным, в отличие от реальных свободных фотонов.
Исходя из этой аналогии, Юкава предсказал, что должна существовать частица, служащая “переносчиком” сильного взаимодействия. Причем эта частица должна иметь массу, промежуточную между массой электрона и протона, поэтому она получила название мезон, что означает “промежуточный”. По грубой оценке масса мезона должна составлять около 130 Мэв/с. Мезон искали в космическом излучении. Причем в 1937г. “попутно” была открыта частица с массой 107 Мэв/с, ее назвали мю-мезон или мюон. Мюон сильных взаимодействий не проявлял и представлял из себя (как потом было доказано) очень тяжелый электрон. И в 1947 году частица Юкавы была обнаружена и названа -мезон (пион). Она имела три модификации +, -, и 0. Все три пиона сильно взаимодействуют с веществом. В последующие годы были открыты и другие мезона, которые также рассматривались как переносчики сильного взаимодействия.
Примечание: В современной теории – квантовой хромодинамике, основанной на кварковой структуре, мезоны уступили свою роль глюонам.
Итак можно предположить, что в природе существуют переносчики всех типов взаимодействий:
- сильное – мезоны/глюоны
- электромагнитное - фотоны
- слабое –W+ и Z0
- гравитационное – гравитон (?).
Особый интерес представляют античастицы. Первой из них была открыта античастица электрона – позитрон, позже антинейтрон и т.д. Но у фотона и 0-мезона античастиц не существует, а вернее сказать, они тождественны своим античастицам. Античастицы рождаются при достаточно больших энергиях в ядерных реакциях.
Была проделана огромная теоретическая и экспериментальная работа, чтобы понять причину происхождения такого большого количества частиц. Один из путей состоит в классификации частиц, т.е. в распределении их по категориям в соответствии с их свойствами. Один из способов классификации основан на взаимодействии частиц, поскольку не все частицы участвуют в четырех фундаментальных взаимодействиях. Перечислим многочисленные стабильные (или “долгоживущие”) частицы, классифицированные по взаимодействиям и другим свойствам. Фотон участвует только в электромагнитном взаимодействии и сам по себе образует отдельный класс. Лептоны – это частицы, не участвующие в сильном взаимодействии, но участвующие в слабом взаимодействии (и еще более слабом гравитационном взаимодействии); заряженные лептоны помимо этого участвуют в электромагнитном взаимодействии. В число четырех хорошо изученных лептонов входят электрон, мюон и два типа нейтрино – электронное нейтрино и мюонное нейтрино. У каждого из четырех лептонов существует античастица. После открытия еще одного лептона – -лептона и его нейтрино число лептонов увеличилось до шести.
Третий класс частиц образуют адроны. Так называют частицы, которые участвуют в сильном ядерном взаимодействии (само название адроны означает сильно взаимодействующие частицы). Адроны взаимодействуют также благодаря другим типам сил, но на малых расстояниях преобладает сильное взаимодействие. К адронам относятся нуклоны, пионы и много других частиц. Адроны подразделяются на две подгруппы: барионы (частицы с барионным зарядом +1 или –1, если речь идет об античастицах) и мезоны (частицы с барионным зарядом 0).
Почти все наблюдаемые частицы принадлежат к одному из двух семейств: лептонам или адронам. Основное различие между ними состоит в том, что адроны учвствуют в сильном взаимодействии а лептоны нет. Другое важное различие состояло в том, что в 60-х годах были известны только четыре лептона и более сотни адронов.
Лептоны считаются истинно элементарными частицами, так как они, насколько известно, не распадаются на составные части, не обнаруживают никакой внутренней структуры и не имеют поддающихся определению размеров.
С другой стороны, адроны оказались более сложными частицами. Эксперементы показывают, что адроны обладают внутренней структурой. И их обилие наводит на мысль, что адроны совсем не элементарны. Для решения этой проблемы М. Гелл-Манн и Г. Цвейг в 1963 году независимо высказали идею, согласно которой все известные адроны не элементарны, а построены из трех более фундаментальных точечных объектов, названных кварками. Подобно лептонам кварки представляют собой истинно элементарные частицы. Три “сорта” кварков были обозначены буквами u, d и s [от английских слов up (вверх), down (вниз), sideways (в сторону) (s чаще сопоставляют слову strange – странный)]. Предполагается, что кварки имеют дробный электрический заряд (равный 1/3 или 2/3 заряда электрона, т. е. меньше заряда электрона, который раньше считался минимальным).
Вскоре после появления гипотезы кварков физики занялись поиском этих частиц с дробным зарядом. Хотя имеются косвенные эксперементальные доказательства их существования, непосредственно обнаружить кварки не удалось. Было высказано предположение, что кварки очень сильно связаны и не существуют в свободном состоянии (заключены в адронах).
В 1964 году ряд физиков высказал предположение о существовании четвертого кварка. Они основывались на глубокой симметрии природы, включая связь кварков и лептонов. Если существуют (как считали в 60-х годах) четыре лептона, то и кварков должно быть четыре. Четвертый кварк получил название очарованный. Его электрический заряд должен быть равен +2/3 заряда электрона. Кроме того, четвертый кварк должен обладать еще одним свойством, отличающим его от трех остальных кварков. Это новое свойство, или квантовое число, было названо очарованием (или чармом). Предполагалось, что очарование С ведет себя подобно странности: сохраняется в сильном и электромагнитном взаимодействии и не сохраняется в слабом взаимодействии.