Слабое взаимодействие

Слабое взаимодействие ответственно за распа­ды частиц, и поэтому с его проявлением столкнулись с открытием радиоактивности и исследованием бета-распада.

У бета-распада обнаружилась странная особен­ность. Исследования приводили к выводу, что в этом распаде как будто нарушается закон сохранения энергии. Казалось, что часть энергии куда-то исчезала. В. Паули предположил, что при бета-распаде вместе с электроном вылетает, унося с собой недостающую энергию, еще одна частица. Она – нейтральная и обла­дает необычайно высокой проникающей способностью, вследствиечего ее не удавалось наблюдать. Ферми назвал эту частицу-невидимку «нейтрино». Как же они возникали? Было высказано предположение, что электроны и нейтрино не существуют в ядре в «готовом виде», а каким-то образом образуются из энергии радиоактивного ядра. Дальнейшие исследования показали, что входящие в состав ядра нейтроны, вне ядра, через несколько минут распадаются на протон, электрон и нейтрино, т.е. вместо одной частицы появляется три новые. Анализ приводил к выводу, что известные силы не могут вызвать такой распад. Он, видимо, порождался какой-то иной, неизвестной силой. Исследования показали, что этой силе соответствует некоторое слабое действие.

Особенности:

1. Слабое взаимодействие по величине значительно меньше всех взаимодействий, кроме гравитационного.

2. Слабое взаимодействие распространяется на очень незначительных расстояниях. Радиус слабого 10^-16 см.

3. Когда началось лавинообразное открытие множества нестабильных субъядерных частиц, то обнаружилось, что большинство из них участвуют в слабом взаимодействии.

 

Сильное взаимодействие

К представлению о существовании сильного взаимодействия физика пришла в ходе изучения структуры атомного ядра. Какая-то сила должна удерживать положительно заряженные протоны в ядре, не позволяя им разлетаться под действием электростатического отталкивания. Гравитация слишком слаба и не может это обеспечить. Очевидно, что необходимо какое-то взаимодействие, причем, более сильное, чем электромагнитное. Впоследствии оно было обнаружено.

Особенности:

1. По своей величине сильное взаимодействие существенно превосходит все остальные фундаментальные взаимодействия.

2. Как и в случае слабого взаимо­действия, радиус действия новой силы оказался очень малым: сильное взаимодействие проявляется на расстоянии, определяемом размерами ядра, т.е. примерно 10^-13 см.

3. Сильное взаимодействие испытывают не все частицы. В сильном взаимодействии участвуют обычно толь­ко тяжелые частицы.

Оно ответственно за образование ядер и многие взаимодействия элементарных частиц.

Классификация элементарных частиц  

Характеристики субатомных частиц

Характеристиками субатомных частиц являются масса, электри­ческий заряд, спин, время жизни частицы и др.

Когда говорят о массе частицы, имеют в виду ее массу покоя, по­скольку она не зависит от состояния движения. Частица, имеющая нулевую массу покоя, движется со скоростью света (фотон). Нет двух частиц с одинаковыми массами. Электрон — самая легкая частица с ненулевой массой покоя. Протон и нейтрон тяжелее электрона почти в 2000 раз. А самая тяжелая Z-частица обладает массой в 200 000 раз боль­шей массы электрона.

Электрический заряд меняется в довольно узком диапазоне и всегда кратен фундаментальной единице заряда – заряду электрона (- 1). Некоторые частицы (фотон, нейтрино) вовсе не имеют заряда.

Спин – собственный момент импульса частицы. Частица со спином 0 при любом угле поворота выглядит одинакова. Частицы со спином 1 принимает тот же вид после полного оборота на 360⁰.

В зависимости от спина все частицы делятся на две группы:

бозоны — частицы с целыми спинами 0, 1, 2;

фермионы — частицы с полуцелыми спинами 1/2, 3/2.

Частицы характеризуются временем жизни. По этому признаку частицы делятся на стабильные и нестабильные. Стабильные частицы — это электрон, протон, фотон и нейтрино. Нейтрон стабилен,когда находится в ядре атома, но свободный нейтрон распадается примерно за 15 минут. Все остальные известные частицы нестабильны, время их жизни колеблется от нескольких микросекунд до 10^-24 с.

Физики выяснили, что прежде всего свойства частицы определяются ее способностью (или неспособностью) участвовать в сильном взаимодействии. Частицы, участвующие в сильном взаимодействии, образуют особый класс и называются адронами. Частицы, не участвующие в сильном взаимодействии называются лептонами. Кроме того, существуют частицы – переносчики взаимодействий.

 

Рассмотрим свойства этих основных типов частиц.

Лептоны

Среди лептонов наиболее известен электрон. Электрон – это первая из открытых элементарных частиц.

Другой хорошо известный лептон – нейтрино. Нейтрино являются наиболее распространенными частицами во Вселенной. Вселен­ную можно представить безбрежным нейтринным морем, в котором изредка встречаются острова в виде атомов. Но, несмотря на такую распространенность нейтрино, изучать их очень сложно, т.к. нейтрино почти неуловимы, они проникают через вещество, как будто его вообще нет.

Достаточно широко распространены в природе мюоны, на долю которых приходится значительная часть космического излучения. Мюон – одна из первых известных нестабильных субатомных частиц, открытая в 1936 г. Во всех отношениях мюон напоминает электрон: имеет тот же заряд и спин, участвует в тех те взаимодействиях, но имеет большую массу и нестабилен

В конце 70-х гг. был обнаружен третий заряженный лептон, получивший на­звание тау-лептон. Это очень тяжелая частица. Ее масса около 3500 масс электрона, но во всем остальном он ведет себя подобно электрону и мюону.

Значительно расширился список лептонов в 60-х гг. Было установлено, что существует несколько типов нейтрино: электронное нейтрино, мюонное нейтрино и тау-нейтрино. У каждого лептона есть своя античастица, таким образом, общее число лептонов равно двенадцати.

 

Адроны

Если лептонов двенадцать, то адронов сотни, и подавляющее большинство из них резонансы, т.е. крайне нестабильные частицы. Наиболее известны такие адроны, как нейтрон и протон. Остальные адроны короткоживущие и быстро распадаются.

В 1963 г. была предложена кварковая модель адронов: все адроны построены из более мелких частиц – кварков. Кварки несут дробный электрический заряд: -1/3, либо +2/3 заряда электрона. Комбинация из 2-х или 3-х кварков может иметь суммарный заряд, равный 0 или 1. Основоположники теории кварков Гелл-Манн и Цвейг в 60-е гг. ввели три сорта (аромата) кварков: u (от up-верхний), d (от down - нижний) и s (от strange - странный).

Кварки могут соединяться друг с другом либо тройками, либо парами кварк-антикварк. Пр.: протон состоит из двух u- и одного d-кварка (uud), нейтрон udd.

Из различных комбинаций трех основных частиц получили все известные адроны. Но в 70-ые гг. были открыты новые адроны (пси-частицы, ипсилон-мезон и др.). Это нанесло удар по первому варианту теории кварков, т.к. в том варианте уже не было места для новых частиц. Проблему решили за счет трёх новых ароматов: с – очарованный, b – прелестный, и t – истинный.