149954 (Элементарные частицы)

Элементарными называют частицы, у которых на данный момент не обнаружено внутренней структуры. Еще в прошлом веке элементар­ными частицами считались атомы. Их внут­ренняя структура — ядра и электроны — была обнаружена в начале XX в. в опытах Э. Резерфорда. Размер атомов — около 10 ^-8 см, ядер — в десятки тысяч раз меньше, а размер электронов совсем мал. Он меньше чем 10 ^-16 см, как это следует из современных тео­рий и экспериментов.

Таким образом, сейчас электрон — элемен­тарная частица. Что касается ядер, то их внутренняя структура обнаружилась вскоре после их открытия. Они состоят из нукло­нов — протонов и нейтронов. Ядра довольно плотные: среднее расстояние между нуклонами всего в несколько раз больше их собственного размера. Для того чтобы выяснить, из чего состоят нуклоны, понадобилось около полуве­ка, правда, при этом заодно появились и были разрешены и другие загадки природы.

Нуклоны состоят из трех кварков, которые элементарны с той же точностью, что и элек­трон, т. е. их радиус меньше 10^-16 см. Радиус нуклонов — размер области, занимаемой квар­ками, — около 10^-13см. Нуклоны принадлежат к большому семейству частиц — барионов, составленных из трех различных (или одина­ковых) кварков. Кварки могут по-разному связываться в тройки, и это определяет раз­личия в свойствах бариона, например, он может иметь различный спин.

Кроме того, кварки могут соединяться в пары - мезоны, состоящие из кварка и антикварка. Спин мезонов принимает целые значения, в то время как для барионов он при­нимает полуцелые значения. Вместе барионы и мезоны называются адронами.

В свободном виде кварки не найдены, и сог­ласно принятым в настоящее время представ­лениям они могут существовать только в виде адронов. До открытия кварков некоторое время адроны считались элементарными частицами (и такое их название еще довольно часто встре­чается в литературе).

Первым экспериментальным указанием на составную структуру адронов были опыты по рассеянию электронов на протонах на линейном ускорителе в Станфорде (США), которые мож­но было объяснить, лишь предположив наличие внутри протона каких-то точечных объектов.

Вскоре стало ясно, что это — кварки, существо­вание которых предполагалось еще ранее тео­ретиками.

Здесь представлена таблица современных элементарных частиц. Кроме шести видов квар­ков (в опытах пока проявляются только пять, но теоретики предполагают, что есть и шестой) в этой таблице приведены лептоны — частицы, к семье которых принадлежит и электрон. Еще в этой семье обнаружены мюон и (совсем не­давно) -лептон. У каждого из них есть свое нейтрино, так что лептоны ес­тественным образом разбиваются на три пары е, _е; , ;, .

Каждая из этих пар объединяется с соответ­ствующей парой кварков в четверку, которая называется поколением. Свойства частиц повторяются из поколения в поколение, как это видно из таблицы. Отличаются лишь массы. Второе поколение тяжелее первого, а третье по­коление тяжелее второго.

В природе встречаются в основном частицы первого поколения, а остальные создаются искусственно на ускорителях заряженных час­тиц или при взаимодействии космических лучей в атмосфере.

Кроме имеющих спин 1/2 кварков и лептонов, вместе называемых частицами ве­щества, в таблице приведены частицы со спином 1. Это кванты полей, создаваемых час­тицами вещества. Из них наиболее известная частица — фотон, квант электромагнитного поля.

Так называемые промежуточные бозоны W+ и W- , обладающие очень большими массами, были недавно обнаружены в экспериментах на встречных р-пучках при энергиях в несколь­ко сотен ГэВ. Это переносчики слабых взаимо­действий между кварками и лептонами. И на­конец, глюоны — переносчики сильных взаимодействий между кварками. Как и сами квар­ки, глюоны не обнаружены в свободном виде, но проявляются на промежуточных стадиях реакций рождения и уничтожения адронов. Недавно были зарегистрированы струи адронов, порожденные глюонами. Поскольку все пред­сказания теории кварков и глюонов — кван­товой хромодинамики — сходятся с опытом, почти нет сомнений в существовании глюонов.

Частица со спином 2 — это гравитон. Его существование вытекает из теории тяготе­ния Эйнштейна, принципов квантовой механики и теории относительности. Обнаружить грави­тон экспериментально будет чрезвычайно трудно, поскольку он очень слабо взаимодействует с веществом.

Наконец, в таблице со знаком вопроса приве­дены частицы со спином 0 (Н-мезоны) и 3/2 (гравитино); они не обнаружены на опы­те, но их существование предполагается во многих современных теоретических моделях.

Элементарные частицы

Адроны — общее название для частиц, участ­вующих в сильных взаимодействиях. Название происходит от греческого слова, означающего «сильный, крупный». Все адроны делятся на две большие группы — мезоны и барионы.

Барионы (от греческого слова, означающего «тяжелый») — это адроны с полуце­лым спином . Самые известные барионы — протон и нейтрон. К барионам принадлежит также ряд частиц с квантовым числом, названным когда-то странно­стью. Единицей странности обладают барион лямбда (°) и семейство барионов сигма (^-, + и °). Индексы +, - ,0 указывают на знак электрического заряда или нейтральность частицы. Двумя единицами странности обла­дают барионы кси (^- и °). Барион ^- имеет странность, равную трем. Массы перечисленных барионов примерно в полтора раза больше массы протона, а их характерное время жизни составляет около 10^-10 с. Напомним, что протон практически стабилен, а нейтрон живет более 15 мин. Казалось бы, более тяжелые барионы очень недолговечны, но по масштабам микро­мира это не так. Такая частица, даже двига­ясь относительно медленно, со скоростью, скажем, равной 10% от световой скорости, успевает пройти путь в несколько миллиметров и оста­вить свой след в детекторе элементарных час­тиц. Одним из свойств барионов, отличающих их от других видов частиц, можно считать наличие у них сохраняющегося барионного за­ряда. Эта величина введена для описания опытного факта постоянства во всех извест­ных процессах разности между числом барио­нов и антибарионов.

Протон — стабильная частица из класса адронов, ядро атома водорода. Трудно ска­зать, какое событие следует считать откры­тием протона: ведь как ион водорода он был известен уже давно. В открытии протона сыграли роль и создание Э. Резерфордом планетарной модели атома (1911), и откры­тие изотопов (Ф. Содди, Дж. Томсон, Ф. Астон, 1906—1919), и наблюдение ядер водорода, выбитых альфа-частицами из ядер азота (Э. Резерфорд, 1919). В 1925 г. П. Блэкетт получил в камере Вильсона (см. Детекторы ядерных излучений) первые фотографии следов протона, подтвердив открытие искусственного превра­щения элементов. В этих опытах -частица захватывалась ядром азота, которое испускало протон и превращалось в изотоп кислорода.

Вместе с нейтронами протоны образуют атомные ядра всех химических элементов, причем число протонов в ядре определяет атом­ный номер данного элемента. Протон имеет положительный электрический заряд, равный элементарному заряду, т. е. абсолютной величине заряда электрона. Это проверено на эксперименте с точностью до 10^-21. Масса протона m_p = (938,2796 ± 0,0027)МэВ или ~ 1,6-10^-24 г, т. е. протон в 1836 раз тяжелее электрона! С современ­ной точки зрения протон не является истин­но элементарной частицей: он состоит из двух u-кварков с электрическими зарядами +2/3 (в единицах элементарного заряда) и одного d-кварка с электрическим зарядом -1/3. Кварки связаны между собой обменом другими гипотетическими частицами — глюонами, квантами поля, переносящего сильные взаимо­действия. Данные экспериментов, в которых рассматривались процессы рассеяния электро­нов на протонах, действительно свидетельству­ют о наличии внутри протонов точечных рас­сеивающих центров. Эти опыты в определенном смысле очень похожи на опыты Резерфорда, приведшие к открытию атомного ядра. Будучи составной частицей, протон имеет конечные размеры ~ 10^-13 см, хотя, разумеется, его нель­зя представлять как твердый шарик. Скорее, протон напоминает облако с размытой грани­цей, состоящее из рождающихся и аннигили­рующих виртуальных частиц.

Протон, как и все адроны, участвует в каж­дом из фундаментальных взаимодействий. Так. сильные взаимодействия связывают протоны и нейтроны в ядрах, электромагнитные взаимо­действия — протоны и электроны в атомах. Примерами слабых взаимодействий могут слу­жить бета-распад нейтрона или внутриядерное превращение протона в нейтрон с испусканием позитрона и ней­трино (для свободного про­тона такой процесс невозможен в силу закона сохранения и превращения энергии, так как нейтрон имеет несколько большую массу). Спин протона равен 1/2. Адроны с полу­целым спином называются барионами ( от греческого слова, означающего «тяжелый»). К барионам относятся протон, нейтрон, раз­личные гипероны (, , , ) и ряд частиц с новыми квантовыми числами, большинство из которых еще не открыто. Для характеристики барионов введено особое число — барионный заряд, равный 1 для барионов, - 1 — для антибарионов и О — для всех прочих частиц. Барионный заряд не является источником барионного поля , он введен лишь для описания закономерностей, наблюдавшихся в реакциях с частицами. Эти закономерности выражаются в виде закона сохране­ния барионного заряда: разность между числом барионов и антибарионов в системе сохраняется в любых реакциях. Сох­ранение барионного заряда делает невозмож­ным распад протона, ибо он легчайший из барионов. Этот закон носит эмпирический ха­рактер и, безусловно, должен быть проверен на эксперименте. Точность закона сохранения барионного заряда характеризуется стабиль­ностью протона, экспериментальная оценка для времени жизни которого дает значение не меньше 1032 лет.

В то же время в теориях, объединяющих все виды фундаментальных взаимодействий, предсказываются процессы, приводящие к нарушению барион­ного заряда и к распаду протона. Время жизни протона в таких теориях указывается не очень точно: примерно 1032±2 лет. Это время огромно, оно во много раз больше времени существования Вселенной ( ~ 210¹⁰ лет). Поэтому протон практически стабилен, что сделало возможным образова­ние химических элементов и в конечном итоге появление разумной жизни. Однако поиски распада протона представляют сейчас одну из важнейших задач экспериментальной физи­ки. При времени жизни протона ~ 1032 лет в объеме воды в 100 м3 (1 м3 содержит ~ 10³⁰ протонов) следует ожидать распада одного протона в год. Остается всего лишь зарегистрировать этот распад. Открытие распада протона станет важным шагом к правильному пониманию единства сил природы.

Нейтрон — нейтральная частица, относящаяся к классу адронов. Открыт в 1932 г. английским физиком Дж. Чедвиком. Вместе с протонами нейтроны входят в состав атомных ядер. Электрический заряд нейтрона q_n равен нулю. Это подтверждается прямыми измерениями заряда по отклонению пучка нейтронов в силь­ных электрических полях, показавшими, что |q_n| <10^-20e (здесь е — элементарный элек­трический заряд, т. е. абсолютная величина заряда электрона). Косвенные данные дают оценку |q_n|< 210^-22 е. Спин нейтрона равен 1/2. Как адрон с полуцелым спином, он относит­ся к группе барионов. У каждого бариона есть античастица; анти­нейтрон был открыт в 1956 г. в опытах по рассеянию антипротонов на ядрах. Антинейт­рон отличается от нейтрона знаком барионного заряда; у нейтрона, как и у протона, барионный заряд равен +1.