Структура и систематика элементарных частиц

Проникновение в глубины микромира связано с переходом от уровня атомов к уровню элементарных частиц. В качестве первой элементарной частицы в конце ХIХ в. был открыт электрон, а затем в первое десятилетие ХХ в — фотон, протон, позитрон и нейтрон. После второй мировой войны, благодаря использованию современной экспериментальной техники, и прежде всего мощным ускорителям, в которых создаются условия высоких энергий и громадных скоростей, было установлено существование большого числа элементарных частиц — свыше 300. Среди них имеются как экспериментально обнаруженные, так и теоретически вычисленные, включая резонансы, кварки и виртуальные частицы.

Термин «элементарная частица» первоначально означал простейшие, далее ни на что не разложимые частицы, лежащие в основе любых материальных образований. Позднее физики осознали всю условность термина «элементарный» применительно к микрообъектам. Сейчас уже не подлежит сомнению, что частицы имеют сложную структуру, но исторически сложившееся название продолжает существовать

Основными характеристиками элементарных частиц являются: масса, заряд, среднее время жизни, спин и квантовые числа. Массу покоя элементарных частиц определяют по отношению к массе покоя электрона. Существуют элементарные частицы, не имеющие массы покоя, — фотоны. Остальные частицы по этому признаку делятся на лептоны – легкие частицы (электрон, мюон, нейтрино); мезоны – средние частицы с массой в пределах от одной до тысячи масс электрона (p-мезоны, К – мезоны); барионы – тяжелые частицы, чья масса превышает тысячу масс электрона (протоны, нейтроны, гипероны и многие резонансы).

Электрический заряд является другой важнейшей характеристикой элементарных частиц. Все известные частицы обладают положительным, отрицательным, либо нулевым зарядом. Каждой частице, кроме фотона и двух мезонов, соответствуют античастицы с противоположным зарядом. В 1964 году ученые выдвинули идею кварков, т.е. частиц, имеющих дробные заряды, из которых состоят все элементарные частицы. Эта гипотеза получила широкое распространение в научном мире, хотя окончательного экспериментального подтверждения пока не нашла.

По времени жизни частицы делятся на стабильные и нестабильные. Стабильных частиц пять: фотон, две разновидности нейтрино, электрон, и протон. Именно стабильные частицы играют важнейшую роль в структуре макротел. Все остальные частицы нестабильны, они существуют около10^-10 – 10^-24 с, после чего распадаются. Элементарные частицы со средним временем жизни 10^-23 – 10^-24с называются резонансами. Вследствие краткого времени жизни они распадаются ещё до того, как успеют покинуть атом или атомное ядро. Резонансные состояния вычислены теоретически, зафиксировать их в реальных экспериментах не удается.

Помимо заряда, массы и времени жизни, элементарные частицы описываются также понятиями, не имеющими аналогов в классической физике: понятием «спина», или собственного момента количества движения микрочастицы, и понятием «квантовых чисел», выражающих состояние элементарных частиц.

В характеристике элементарных частиц существует ещё одно важное представление – взаимодействие. Различают четыре вида фундаментальных взаимодействий в природе: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Свойства элементарных частиц определяются в основном первыми тремя видами взаимодействия.

Сильное взаимодействие происходит на уровне атомных ядер и представляет собой взаимное притяжение и отталкивание их составных частей. Оно действует на расстоянии порядка 10^{-13 см. При определенных условиях сильное взаимодействие очень прочно связывают частицы, в результате чего образуются материальные системы с высокой энергией связи – атомные ядра. Именно по этой причине ядра атомов являются устойчивыми, их трудно разрушить.}

Электромагнитное взаимодействиепримерно в тысячу раз слабее сильного, но значительно более дальнодействующее. Носителем электромагнитного взаимодействия является не имеющий заряда фотон – квант электромагнитного поля. В процессе электромагнитного взаимодействия электроны и атомные ядра соединяются в атомы, атомы – в молекулы. Это взаимодействие является основным в химии и биологии.

Слабое взаимодействие возможно между различными частицами на расстоянии 10^-15– 10^{-22 см и связано главным образом с распадом частиц. Согласно современному уровню знаний, большинство частиц нестабильны именно благодаря слабому взаимодействию.}

Гравитационное взаимодействие – самое слабое, не учитываемое в теории элементарных частиц. Однако на ультра-малых расстояниях (порядка 10^-33см) и при ультра больших энергиях гравитация вновь приобретает существенное значение. В космических масштабах гравитационное взаимодействие (тяготение) имеет решающее значение. Радиус его действия не ограничен.

В природе, как правило, проявляется не один, а одновременно несколько типов взаимодействия, и свойства многих частиц определяются всеми четырьмя типами. Фундаментальные взаимодействия приводят к превращению частиц: их уничтожению и созданию. От силы взаимодействия зависит время, в течение которого совершается превращение элементарных частиц. Поэтому по времени различных превращений можно судить о силе связанных с ними взаимодействий. Взаимодействия элементарных частиц осуществляются посредствам соответствующих физических полей, квантами которых они являются.

В современной квантовой теории поля под полем понимается система с переменным числом частиц (квантов поле). Самое низкое энергетическое состояние поля, в котором вообще нет квантов поля, называется вакуумом. В состоянии вакуума при отсутствии возбуждения электромагнитное поле не содержит частиц (фотонов). В этом состоянии оно не обладает механическими свойствами, присущими корпускулярному веществу. Вакуум не содержит обычных видов материи, однако он не пуст в прямом смысле слова, поскольку при соответствующем возбуждении в нем появляются фотоны – кванты электромагнитного поля, посредством которых осуществляется электромагнитное взаимодействие. В вакууме присутствуют и другие физические поля, в частности гравитационное, кванты которого, гравитоны, предсказаны теоретически, но экспериментально пока не зафиксированы.

Основная проблема квантовой теории поля – проблема взаимодействия частиц разного типа. Пока она решена лишь в кантовой электродинамике, описывающей взаимодействие электронов, позитронов и фотонов. Квантовая теория поля для сильных и слабых взаимодействий до сих пор не разработана. Они описываются посредством нестрогих методов, хотя ясно, что без соответствующей теории невозможно понять структуру элементарных частиц, которая определяется именно их взаимодействием. Поэтому окончательно не решен и вопрос о структуре элементарных частиц. Согласно современным представлениям, структура элементарных частиц описывается посредством непрерывно возникающих и снова распадающихся «виртуальных» частиц. Формальное привлечение виртуальных частиц означает, что внутреннюю структуру элементарных частиц невозможно описать через другие частицы.

Важнейшее направление развития современной физики – это так называемое «Великое объединение» - попытка свести все четыре вида физического взаимодействия (сильного, слабого, гравитационного и электромагнитного) к одному фундаментальному взаимодействию, которое позволило бы объяснить физическую форму движения материи в целом и создать наиболее фундаментальную физическую теорию. Многие ученые считают, что такую теорию можно создать только при учете космологических обстоятельств, исследовании таких ситуаций, где микромир оказывается связанным с мегамиром, ультрамалое с ультрабольшим, физика с астрономией и космологией.

ТЕМА 6. МЕГАМИР: