46

Лекция12. Элементарные частицы и современная

физическая картина мира

1. Элементарные частицы

Микромир элементарных частиц характеризуется масштабом 10^-8м и менее.

Структура строения материи в соответствии с современными взглядами представлена на схеме.

Молекулы и атомы м.

Атомные ядра м.

Элементарные частицы

Адроны (n, p) м адронный уровень (составные частицы)

Кварки	Переносчики взаимодействия	Лептоны
(u, d, s, c, b, t)	(фотоны)

уровень фундаментальных частиц

В настоящее время известно около 400 элементарных частиц. Первоначально, например, нейтрон, электрон,  - квант относили к элементарным частицам од­ного уровня. К настоящему времени выяснено, что нейтрон - это составная час­тица и представляет собой объединение 3-х более мелких частиц - кварков. (Аналог - история атома). Поэтому пришлось разделить уровень элементарных частиц на два уровня - адронный уровень, на котором находятся основные час­тицы, в частности, нуклоны, и на более глубокий уровень, который условно назы­вается уровнем фундаментальных частиц. Не исключено, что и фундаментальные частицы, например, электрон, сами являются составными.

Из соотношения неопределенностей следует, что для анализа деталей масштабом r, требуются зондирующие частицы, обладающие импульсом не меньшим, чем p  h/r. Чем меньше структура, тем до больших значений им­пульса и энергии необходимо разгонять зондирующие частицы. В настоящее время, в ускорителях достижимы энергии 10⁹-10¹² эВ, что эквивалентно масштабам структуры r10^-19м.

1. Свойства элементарных частиц

Наряду с известными свойствами:

1) массой покоя, m;

2) временем жизни  - временем, за которое число нераспавшихся частиц умень­шается в e раз;

1. спином (собственный момент импульса);

2. электрическим зарядом q;

3. магнитным моментом

По мере открытия и изучения новых частиц приходилось вводить новые свой­ства: странность, очарование, красота, истинность и др. Этим параметрам соответствуют свои квантовые числа и соответствующие законы сохранения.

Почти у всех элементарных частиц имеются зарядово совмещенные античас­тицы: (электрон e^- - позитрон е⁺) У некоторых частиц заряд равен нулю, например, у фотона. Для них частицы и античастицы тождественны.

Важное свойство элементарных частиц - возможность их взаимопревра­щений. Например, аннигиляция электрона и позитрона приводит к образованию двух  - квантов.

Взаимное превращение элементарных частиц можно вызвать при их столкно­вении в ускорителях. В ускорите­лях были открыты большинство элементарных частиц. (Ускорители имеют характерную энергию до W  10¹²эВ, в космическом излучении энергия частиц достигает 10²⁰эВ).

1. Классы элементарных частиц.

1. Адроны - составные частицы, которые участвуют и могут участвовать в сильном взаимодействии.

По времени жизни адроны разделяют на стабильные адроны ( ~ 10^-23с) и резонансы ( < 10^-24). Адроны с целым спином называют мезонами, а с полуце­лыми - барионами. Вводят барионный заряд В = 1, В = -1 у антибариона, В = 0 у мезона. Пока считается, что барионный заряд сохраняется во всех взаимодейст­виях. Сахаров А. Д. и Зельдович считают, что само существование Вселенной является доказательством не сохранения барионного заряда и возможность рас­пада протона. Адроны разделяют на обычные, странные, очарованные, красивые и истинные. Совокупность этих параметров называют ароматом. Аромат адронов зависит от того, из каких кварков они состоят.

2.Кварки - фундаментальные частицы, участвующие в сильном взаимодей­ствии. Считается, что существует 6 типов (вариантов) кварков.(см. таблицу 12.1)

Таблица 12.1 Виды кварков.

Аромат кварка		q	B
u – верхний	1/2	2/3	1/3
d – нижний	1/2	-1/3	1/3
c – очарованный	1/2	2/3	1/3
s – странный	1/2	-1/3	1/3
t – истинный	1/2	2/3	1/3
b – красивый (прелестный)	1/2	-1/3	1/3

Каждый мезон строится из одного кварка q и одного антикварка , каждый барион - из трех кварков: q*q₁

Например, нейтрон = udd протон = uud

*) Кварк каждого типа (аромата) характеризуется также цветом. R - крас­ный, G - зеленый, В - голубой (или антицветом ). Если три кварка имеют разные цвета, то в сумме получиться бесцветная частица. Бес­цветными будут и пара кварков цвет + антицвет. Существует принцип удержи­вания цвета, согласно которому цветные объекты в свободном состоянии не су­ществуют. Согласно этому принципу кварки в свободном состоянии зарегистри­ровать нельзя.

Итак, у кварков имеется 6 ароматов и 3 цвета.

3. Лептоны - элементарные частицы, не участвующие в сильном взаимодей­ствии и имеющие спин J = 1/2. Существует кварк - лептонная симметрия, со­гласно которой 6 типам кварков соответствует 6 типов лептонов:

электронный дуплет (ē, ν_е); лептонный дуплет (μ^-, ν_μ) таонный дуплет (τ^-, ν_τ)

*) Всем лептонам приписывается заряд L = 1, антилептонам L = -1, остальным частицам L = 0.

1. Переносчики взаимодействий.

Все четыре вида фундаментальных взаимодействий сильное, электромагнит­ное, слабое и гравитационное имеют обменный характер. Элементарный акт взаимодействия состоит в испускании и поглощении (обмене) некоторой третьей частицей - переносчиком взаимодействия.

1. Переносчиками сильного взаимодействия являются глюоны - 8 электрически ней­тральных безмассовых частиц. Глионы имеют цвет, но не аромат.

б) Переносчиками электромагнитного взаимодействия нейтральные, безмассовые  кванты (фотоны).

в) Переносчики слабого взаимодействия - промежуточные бозоны (заряды ), обладающие большой массой m_W = 81 ГэВ, m_Z⁰ = 93 ГэВ (очень короткодей­ствующие). При слабом взаимодействии изменяется аромат, но не цвет частицы.

г) Переносчик гравитационного взаимодействия - нейтральные, безмассовые гравитоны G, имеющие спин J = 2. Гравитоны пока не найдены.

Физики ищут пути объединить взаимодействия единой теорией. Практически завершена теория элктрослабого взаимодействия. Следующий шаг - электроядер­ное взаимодействие. Великое объединение всех 4-х видов взаимодействия на­ходится на начальной стадии.

1. Физическая картина мира

В зависимости от масштабов физических объектов, различают: мегамир R > 10¹⁸м; макромир 10^-8 < R <10¹⁸м; микромир R < 10^-8м. С законами микромира и его строением мы познакомились на последних лекциях. С макромиром мы стал­киваемся ежедневно, это мир обычных предметов и классических законов.

Интерес представляет мегамир, вопросы рождения Вселенной, ее эволюция, ее будущее. Рассмотрим современные взгляды на физику мегамира.

Известно, что гравитационная энергия отрицательна, в то время как масса имеет положительную энергию W = m c². По этой причине возможен гравитаци­онный коллапс звезд - сжатие звезд под действием гравитационных сил и обра­зование либо нейронной звезды, либо черной дыры. При этом звезда сжимается до очень малого размера, а общая масса уменьшается. Присходит, как бы, час­тичное уничтожение гравитационной энергии и энергии mc². Ландау Л. Д. по­казал, что у замкнутой Вселенной полная энергия равна нулю, т. е. гравитацион­ная энергия равна по величине энергии mc², связанной с массой. Следовательно, в принципе, допустима возможность за счет серии гравитационных коллапсов схлопнуть Вселенную в ничего.

Возможность образования Вселенной из ничего всерьез обсуждается веду­щими физиками (см., например, Статью Я. Б. Зельдовича в Природе № 4, 1988г.). Оказывается, что такая модель не противоречит основным законам: за­кону сохранения энергии W_{вселен.} = 0, закону сохранения электрического заряда Q_{вселен.} = 0, другим законам сохранения. Единственным нарушением здесь явля­ется тот факт, что барионный заряд Вселенной отличен от нуля. Однако акаде­мик А. Д. Сахаров и другие физики полагают, что само существование Вселен­ной указывает на то, что барионый заряд не сохраняется, т. е. возможен, напри­мер, распад протона, только постоянная этого распада очень велика J > 10³² лет.

Косвенным подтверждением рождения Вселенной из ничего является тео­рия большого взрыва Вселенной. Он доказан тем, что Вселенная сейчас расширя­ется, галактики разлетаются от центра Вселенной тем быстрее, чем дальше они от него находятся (красное смещение). Существует два варианта эволюции Все­ленной. Первый вариант: разлет галактик со временем затормозится и перейдет в сжатие (пульсирующая Вселенная). Второй: расширение Вселенной будет неог­раниченным. Вид эволюции зависит от полной массы Вселенной: если она меньше критической, то расширение не затормозится. Видимая масса звезд и га­лактик меньше критической, однако, астрофизики предполагают, что на ряду с видимой массой существует еще также невидимая, скрытая масса Вселенной, свя­занная с нейтрино, струнами, монополями и т. д.

Полагают, что в начальный момент взрыва Вселенная представляла собой шарик размером с элементарную частицу, хотя и очень большой массы. Заметим, что при столь огромных плотностях материи понятие пространство - времени искажены. Полагают, что до взрыва ни пространства, ни времени не су­ществовало, а на начальных стадиях взрыва пространство свернуто, замкнуто. Серия инфляций (раздувания) материи приводила к быстрому расширению, взрыву Вселенной. При этом происходит формирование пространства, фазовые переходы вакуума из одних состояний в другие. На определенных этапах начи­нает происходить разделение видов фундаментальных взаимодействий. (На на­чальных этапах взрыва фундаментальные взаимодействия неразличимы). Одна из теорий предполагает, что при фазовых переходах вакуума должны рождаться дефекты на границах фазовых переходов: монополи, струны, стенки доменов. Эти дефекты должны нести скрытую энергию. Однако эта теория до сих пор практического подтверждения не получила. Существуют другие теории образо­вания Вселенной, связанные с переходом в другое многомерное пространство, (пространство Минковского), теория спонтанного рождения Вселенной.

Следует отметить, что свойства пространства-времени, материи при началь­ных стадиях взрыва Вселенной весьма далеки от привычных, в настоящее время практически не изучены, поэтому в этой области физики человечество делает лишь первые шаги.

Основные формулы

Название	Формула	Комментарий
Уравнение состояния идеального газа Клапейрона - Менделеева	- число молей.	где R=8,3 - универсальная газовая постоянная,
Основное уравнение кинетической теории газов	P- давление газа	n0 – концентрация молекул, mv2/2 – средняя кинетическая энергия молекулы
Средняя кинетическая энергия молекулы газа		k=R/NA, k=1,38.10-23 Дж/К – постоянная Больцмана, NA = 1/моль - число Авогадро.
Основное уравнение кинетической теории		n0 – концентрация молекул, k=1,38.10-23 Дж/К – постоянная Больцмана, Т- температура
Барометрическая формула	k – постоянная Больцмана	Р0 – давление газа на уровне Н=0, Р – давление на высоте Н.
Распределение Максвелла-Больцмана		где Wп Wk – потенциальная и кинетическая энергия молекулы