Б.С. Ишханов, И.М. Капитонов, Н.П. Юдин - Частицы и атомные ядра, страница 7

В 1998 г. были получены атомы антиводорода. В настояшее время экспериментально обнаружены античастицы большинства известных частиц. Частицы и античастицы равноправны. Можно было бы считать позитрон частицей, а электрон античастицей. Из античастиц можно построить антивешество точно так же, как из частиц— 4 зак зв 34 Глава 1.

Элементарные частицы вещество. Однако в окружающей нас Вселенной присутствуют только частицы, так как аннигиляция приводит к тому, что античастицы, попадая в нашу Вселенную, быстро погибают. Антивещество может существовать так же долго, как и вещество, если они не вступают во взаимодействие. Одна из нерешенных на сегодня проблем — существуют ли антимиры, состоящие из античастиц? 4 15. Кварки — частицы, из которых состоят адроны К середине шестидесятых годов ХХ в. число обнаруженных сильновзаимодействующих элементарных частиц — адронов — перевалило за 100. Возникла уверенность, что наблюдаемые частиць< не отражают предельный элементарный уровень организации материи.

В 1964 г. независимо друг от друга М. Гелл-Манн и Д. Цвейг предложили модель кварков — частиц, из которых могут состоять адроны. Эксперименты по рассеянию электронов и пионов на нуклонах показали, что нейтрон и протон, в отличие от лептонов, имеют сложную внутреннюю структуру. Поэтому гипотеза о новых фундаментальных частицах, из которых можно строить адроны, казалась вполне правдоподобной. Однако для того чтобы объяснить наблюдаемые свойства адронов, кларкам пришлось приписать довольно необычные свойства.

Кварки должны были иметь дробный электрический заряд +2/3 или -1/3 (в единицах элементарного заряда, т.е. заряда позитрона). Так, ц-кварк имеет электрический заряд +2/3, И- и е-кварки имеют электрические заряды -1/3. Барионы «конструировались> из трех кварков, мезоны — из кварка и антикварка. Все обнаруженные до 1974 г, адроны можно было описать, составляя их из кварков всего лишь трех типов — и, <1, в. Так, например, протон состоит из двух я-кварков и одного <1-кварка, т. е. его структура цид.

Нейтрон имеет структуру иЫ. Л-гиперон — это комбинация и<!а. н+-мезон состоит из кварка и и антикварка <1, т, е, его структура и<!. х — это кварковая комбинация й<!. При этом трехкварковая модель адронов казалась достаточно замкнутой — практически каждой комбинации кварков (антикварков) соответствовала обнаруженная частица. Однако 1974 г. завершился для физиков сенсацией. Одновременно две группы физиков объявили о наблюдении новой частицы. Теперь ее называют У/</<-мезоном. Масса обнаруженной частицы была — 3, ! ГэВ.

Причиной сенсации было необычайно большое время жизни 7/б<-мезона, Оказалось, что его время жизни почти в 1 000 раз больше, чем у известных частиц такой же массы. Дальнейшие исследования показали, что причиной такого долгожития является то, что в его состав входит новый неизвестный ранее с-кварк, названный очарованным кварком. Было высказано предположение, что .7/<р это л<езон, состоящий из с-кварка и е-антикварка, т. е.

зто частица с так называемым скрытым очарованием. Так же как с а-кларком В 15. Кварки — частицы, из которых состоят си)роны 35 Рие. 1.10. Рождение и распад очарованного барионв Е„"+ связано квантовое число а — странность, с-кварк несет новое квантовое число с, названное сЬагш или очарование (результируюшее значение квантового числа очарование для г/гр, т. е. системы сс, равно нулю). Очарованный кварк должен порождать новое семейство адронов, имеюших в своем составе с-кварк или его античастицу с. Все зти частицы тяжелые, так как масса очарованного кварка больше массы странного кварка.

На рис. 1.10 показана фотография события в пузырьковой камере лаборатории Брукхевена 1США), на которой впервые зафиксировано рождение очарованного бариона Е,+~. В правой части рисунка показана схема распада„соответствуюшая фотографии в пузырьковой камере. Траектории частиц, не оставляюшие треков в пузырьковой камере, показаны штриховыми линиями, заряженные частицы показаны сплошными линиями. Нейтрино, идушее снизу, взаилюдействует с протоном: ии+р Е~~+р А+я++я++я +я+ 1в+ 1г В результате взаимодействия возникает 5 заряженных частиц — отрицательно заряженный мюон, 3 положительно заряженных и 1 отрицательно заряженный пион и одна нейтральная частица Л-гиперон. Спирали— 4' Глава !. Элементарные частицы это электроны, лвижушнеся в магнитном пале.

Л-гиперон образует характерную вилку, распадаясь на протон и отрицательно заряженный пион. Анализ треков приводит к выводу, что Л-гиперон и четыре пиона образовались в результате распала очарованного бариана Е, ~ с массой около 24 ГзВ. Его распад происходит настолько быстро, что заметно~о трека Е,++ в пузырьковой камере не видно.

Олнако о его образовании можно заключить из анализа кинематики образовавшихся в результате распада частиц. Итак„кварков стало 4, но на этом открытие новых кварков не завершилось. В !977 г. были открыты нейтральные мезоны с массами около !О ГэВ. Они получили название ипсилон-мезонов. Для их обозначения используется буква Т. Так же как и Х/«р-мазаны, они наблюдались в реакции образования мкюнных пар в протон-ядерных столкновениях и на электронно-позитронных коллайдерах, и, так же как 1/«р-мазаны, они были долгоживушими (ширина распада Т-мезона 54 кэВ).

Открытие семейства ипсилон-мезонов означало открытие пятого кварка Ь (от английских слов Ьопош — нижний или Ьеаш!Вй — красивый). В состав Т-мезона входят Ь-кварк и Ь-антикварк, и поэтому он обладает скрытой красотой. После почти двадцатилетних поисков, в !995 г.

был открыт шестой, самый «тяжелый» кварк — 8-кварк (его обозначение происходит от английского гор — верхний). Таким образом, на этом этапе развития наших представлений о структуре материи на первый план выходят «новые элементарные частицы»вЂ” кварки. Все известные в настоящее время аароны могут быть сконструированы нз шести кваркав: м, с, и, в, Ь. Каждый кварк имеет еше одно квантовое число — цвет, которое может принимать три значения: красный, синий', зеленый. Это чисто условные названия.

Главное, что каждый кварк имеет еще одно дополнительное квантовое число, которое может принимать три значения. Сильное взаимодействие кварка не зависит от ега цветового состояния, т.е. оно одинакова лля всех трех цветов. Так появилась еще олна симметрия — цветовая симметрия сильного взаимодействия. Передний край физики микромира сместился на новый уровень— в область физики кварков и лептонов. На современном уровне познания кварки и лептоны считаются фундаментальными частицами вегцества. Они имеют полуцелый спин н являются феркгионами. Кварки и лептоны образуют вешество во Вселенной.

5 16. Калибровочные бозоны Во времена Ньютона было известно лишь адно взаимодействие между частицами вегцества — гравитационное. Со временем стало ясно, что сушествуют еше по крайней мере три лругих взаимодействия — сильное, 37 З 17. Снгандарглноя модель слабое и электромагнитное. Эти взаимодействия различаются своей селективностью по отношению к частицам вещества. Гравитационное взаимодействие связывает все частицы вещества.

Сильное взаимодействие делит вещество на адроны (сильна взаимодействующие частицы) и лептоны (частицы, не подверженные сильному взаимодействию). Электромагнитное взаимодействие делит частицы на заряженные и нейтральные. Слабые взаимодействия делят частицы на «левовинтовые» и «правовинтовые» (смысл этих понятий пока оставим без разъяснений). В слабых взаимодействиях не выполняется целый ряд законов сохранения, которые справедливы в мире сильных и электромагнитных взаимодействий.

Кроме кварков и лептонов, существуют частицы с целым значением спина, переносящие взаимодействие между фундачентальными частицами. Эти частицы получили название калибровочных базанов. Это 7-квант — квант электромагнитного поля, И'+-, И'= и Я-бозоны— кванты слабого поля и 8 глкюнов (их обозначают буквой л) — кванты поля сильного взаимодействия. $ 17. Стандартная модель Мы видим, что субъядерный мир состоит из большого числа частиц, н представляется очевидным, что большинства из них не могут быть истинно элементарными частицами — фундаментальными частицами.

В конце бО-х — начале 70-х гг, прошлого века после открытия кварков пришло осознание того, что число истинно элементарных (фундаментальных) частиц на самом деле невелико — это лептоны, кварки и калибровочные бозоны. Принципиально новым достижением явилось понимание чрезвычайно глубокой роли симметрий в физике. Более того, можно сказать, что калибровочные бозоны играют подчиненную раль по отношению к фундаментальным симметриям„именно, реализация постулированных симметрий л1ожет быть осуществлена только с помощью этих базанов.

Таким образом, в мире элементарных сущностей появился новый объект — фундаментальные симметрии, по отношению к которым фундаментальные частицы занимают подчиненное положение. В этом смысле существование калибровочных базанов становится понятным— они необходимы для реализации определенной симметрии, являющейся истинно элементарной сущностью. Пока еще, однако, симметрийный смысл существования фермионов остается неясным. Возможно, что истинный смысл существования фермионов выяснится в теории суперструн, Открытие фундаментальных симметрий и способов их математической реализации предопределило тип взаимодействия фермионов и калибровочных базанов. Фундаментальные частицы вместе с взаимодействием между ними образуют некоторый базис современной физики элементарных частиц, как оказалось способный описать мир явлений от космических масштабов до относительных расстояний 1О 'г см.