Мартинсон Л.К., Смирнов Е.В. - Квантовая физика (2004), страница 70

Однако, говоря об элементарных частицах, необходимо учитывать интенсивную динамику развития ядерной физики и физики элементарных частиц, особенно в последние десятилетия. Еще совсем недавно считалось, что нуклоны, электроны и фотоны составляют единый уровень элементарных частиц и являются его равноправными членами.

Дальнейшие исследования показали, что протон и нейтрон, как и вообще все адроны, являются составными частицами. Они состоят из более фундаментальных частиц — кварков. В настоящее время по традиции элементарными часпщами продолжают называть все субьядерные микрообьекты (на рис. 7.14 457 находятся под верхней пунктирной линией), хотя многие из них и не являются элементарными в первоначальном смысле этого слова. Термин "элементарная частица" повторил в своем развитии историю термина "атом", который, напомним, в переводе с греческого означает "неделимый". На данный момент известно около 500 элементарных частиц. В их число наряду с протоном, нейтроном, электроном и фотоном входят к-мезоны, мюоны, т-лептоны, нейтрино, К-мезоны, гипероны, резонансы и все античастицы. Большинство из этих частиц не являются стабильными, они спонтанно распадаются, превращаясь в другие частицы. Стабильными частицами, т.

е. частицами, распад которых к настоящему времени не обнаружен экспериментально, являются фотон, электрон, протон, все виды нейтрино (электронное ч , мюонное ч „ и т-лептонное ч ), а также их е античастицы. Таким образом, согласно современным представлениям, уровень субьядерных элементарных частиц, ранее считавшийся единым, на самом деле разделяется на два уровня. Верхний нз них, называемый адронным уровнем, содержит составные часпщы. Этот уровень на рис.7.14 находится между верхней и нижней пунктирными линиямн.

В частности, на нем находятся протон и нейтрон. На самом нижнем уровне расположены частицы, которые при современном состоянии науки и техники считаются истинно элементарными, т. е. неделимыми на более мелкие составные части. Их еще называют фундаментальными частицами. На этом уровне 1на рис.7.14 под нижней пунктирной линией) находятся электрон (и другие лептоны), фотон (и другие переносчики взаимодействий), а также кварки.

Вопрос о том, существуют ли более глубокие уровни строения материи, в настоящее время остается открытым. Такие возможности обсуждаются в научной литературе и даже строятся конкретные теоретические модели, однако ответ на этот вопрос может дать только эксперимент. Напомним, что, как следует из соотношения неопределенностей (2.16) ЬхЬр > —, 6 2 для того чтобы исследовать структуры с размерами Лх, нужны зондирующие частицы с импульсом р>Ь/(2Лх). Пучки таких 458 заряженных частиц, необходимых для проведения соответствующих исследований, получают в современных ускорителях.

Поскольку полная энергия ультрарелятивистской частицы Е связана с ее импульсом соотношением Е = рс, то для энергии частицы находим Е >10 /Лх, где Е измеряется в электрон-вольтах, а Лх — в метрах. Максимальное значение энергии частиц Е, достижимое в настоящее время, составляет Е - 10 эВ =10 ГэВ. Согласно полу- 12 3 ченной выше оценке, этой энергии соответствуют минимальные расстояния Лх- 10 м. Отметим, что на этих расстояниях электрон остается бесструктурной, т. е.

истинно элементарной, частицей. Но конструируются и строятся новые, еще более мощные ускорители, которые позволят сделать доступными для исследования еще меньшие расстояния. Основные свойства элементарных частиц. Элементарные частицы имеют чрезвычайно малые массы и размеры. У большинства нз них массы сравнимы с массой протона т, =1,6726 10 кг. В физике элементарных частиц принято выражать массу в электрон-вольтах, т. е.

вместо массы частицы гло приводить значение энергии покоя атос~. В этих единицах масса протона составляет т =938,3МэВ. Из всех частиц с ненулевой массой заметно Р меньшую (в 1836 раз) массу имеет лишь электрон: т, = -30 =0,91 10 кг, или т, =0,511 МэВ. Самая тяжелая нз обнаруженных в настоящее время частиц — 2 -бозон — почти в 100 О раз превышает массу протона: и Π— — 93 ГэВ. г Размеры протона, нейтрона, и-мезона и других адронов сравнимы между собой и составляют порядка 10 1 м.

Размеры электрона и мюона в настоящее время не определены, но они меньше чем 10 19м, т. е. г, <10 м. 459 Ничтожно малые массы и размеры элементарных частиц обусловливают квантовую специфику их поведения. Одним из наиболее важных квантовых свойств всех элементарных часпщ является способность при взаимодействии с другими частицами рождаться и распадаться, взанмопревращаясь друг в друга. При этом продукты распада частицы возникают только в самом процессе распада.

Рассмотрим в качестве примера рождение электрон-позитронной пары. Эти пары образуются при соударении фотонов, обладающих энергией Е. > 2т,с, с заряженными частицами, обычно атомными ядрами: у+Х-+Х+е +е+. Здесь символ Х обозначает атомное ядро, наличие которого необходимо для выполнения закона сохранения импульса. Отметим, что электрон и позитрон возникают только в самом процессе рождения пары.

До этого их не было совсем, они не входили в состав фотона или атомного ядра. Важными характеристиками элементарных частиц являются также среднее время жизни, спин, электрический заряд, магнитный момент. Существуют еще лептонный и барионный заряды, о них будет рассказано далее. Остановимся подробнее на среднем времени жизни т элементарных частиц. Оно характеризует стабильность частицы. Как следует нз экспериментов, фотон, электрон, протон и все три вида нейтрино абсолютно стабильны, также стабильными являются и их античастицы. Во всяком случае, распады этих частиц до сих пор экспериментально не обнаружены.

Оценки времени жизни электрона и протона, полученные из эксперимента, составляют т > 4,2.10 лет, е т, >5.10 лет. Напомним для сравнения, что время существования нашей Вселенной, по современным представлениям, составляет приблизительно 10 лет. Однако подавляющее большинство элементарных частиц нестабильно, они самопроизвольно распадаются с образованием дру- гих частиц.

Так, нейтрон является квазистабильной частицей. Среднее время жизни свободного нейтрона тл =88712с. Существуют группы элементарных частиц, среднее время жизни которых имеет порядок 10, 10, 10, 10 зс и т. д. Для самых нестабильных (короткоживущих) частиц т - 10 ...10 с. Важнейшим свойством элементарных частиц является то, что практически к й част е сорта ств ет своя античасти . Она обозначается с помощью того же символа, но с добавлением знака "тильда" над ним, например, протон р и антипротон р. Существование античастиц предсказал П. Дирак в 1930 г. Согласно теории, частица и античастица должны иметь одинаковые массу, время жизни и спин. Это с высокой степенью точности подтверждается экспериментально. Другие характеристики, такие, например, как электрический заряд и магнитный момент, равны по модулю, но противоположны по знаку.

Приведем примеры частиц и античастиц: электрон е — позитрон е (е ), протон р — антипротон р, нейтрон и — антинейтрон й. Частицы и античастицы всегда различаются знаками электрических зарядов. Пара нейтрон п — антинейтрон й имеет различные знаки магнитных моментов и барионных зарядов. Существуют частицы, у которых все заряды (электрический, лептонный и барионный) равны нулю. Такие частицы называются истинно нейтральными, они тождественны своим античастицам. К числу таких частиц относятся фотон, я - и Ч-мезоны.

При столкновении частицы со своей античастицей может происходить их аннигиляция. Так, например, электрон и позитрон, встречаясь друг с другом, могут аннигнлнровать, рождая два фотона 7-излучения: е +е+ ->27. Термин "аннигиляция" в дословном переводе означает уничтожение, однако его не следует понимать буквально.

Никакого 461 уничтожения материи в этом процессе не происходит. Просто один ее вид — вещество (электрон и позитрон) — переходит в другой вид — электромагнитное поле (фотон). При этом выполняется закон сохранения энергии: энергия покоя электрона и пози- трона переходит в энергию излучения. Виды взаимодействий элементарных частиц. В настоящее время известны четыре вида взаимодействий между элементарными частицами: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Интенсивность взаимодействия обычно характеризуют с помощью так называемой константы взаимодействия А, которая представляет собой безразмерный параметр. Сила, с которой взаимодействуют частицы, пропорциональна константе взаимодействия А, а вероятность взаимодействия пропорциональна А . Значения константы А для различных видов фундаментальных взаимодействий приведены в табл.