Фундаментальные взаимодействия

Долгое время мельчайшими неделимыми частицами материи, «кирпичиками», из которых построен мир, считались атомы. Однако в 1897 г. английский физик Дж.Дж. Томсон открыл микрочастицы - электроны, которые, как выяснилось позже, являются наряду с атомными ядрами составными частями атомов. В 1916 г. Э. Резерфорд открыл протон, а в 1932 г. Дж. Чедвик (англ., Нобелевская премия 1935 г.) - нейтрон; протоны и нейтроны называют также нуклонами (от лат. nucleus - ядро), из них состоит атомное ядро. Образование ядер из нуклонов объясняется тем, что между нуклонами существует особое сильное взаимодействие, в результате которого между ними возникают ядерные силы притяжения, которые и связывают их в атомное ядро.

В 1905 г. А. Эйнштейн предположил, а в 1922 г. А. Комптон окончательно доказал существование фотонов - частиц света (электромагнитного излучения), не имеющих массы покоя. Впоследствии из этого открытия выросла квантовая электродинамика - физическая теория, рассматривающая электромагнитное взаимодействие заряженных тел, как результат обмена между ними фотонами, то есть квантами электромагнитного поля. Основы квантовой электродинамики были заложены в 1928-32 гг. П. Дираком, В. Гейзенбергом, В. Паули, Э. Ферми (ит.), В.А. Фоком (сов.). Создание современной квантовой электродинамики было завершено в 1948-49 гг. С. Томонагой (яп.), Р. Фейнманом (амер.), Ю. Швингером (амер.), удостоенными за это Нобелевской премии по физике за 1965 г.

Основная идея квантовой электродинамики об электромагнитном взаимодействии как процессе постоянного рождения и поглощения фотонов заряженными частицами была использована и для объяснения природы сильного взаимодействия. В 1934 г. И.Е. Тамм и Д.Д. Иваненко (сов.) предположили, что сильное взаимодействие нуклонов, подобно электромагнитному, имеет обменный характер. В 1935 г. Х. Юкава (яп., Нобелевская премия 1949 г.) предсказал, что сильное взаимодействие нуклонов есть результат обмена между ними квантами особого ядерного поля, имеющими, в отличие от квантов электромагнитного поля (фотонов), ненулевую массу покоя. По оценке Юкавы масса покоя квантов ядерного поля должна быть в 200-300 раз больше массы электронов и примерно в 10 раз меньше массы нуклонов. Поэтому предсказанные им частицы были названы мезонами (от греч. mesos - средний, промежуточный). Впоследствии было обнаружено множество разновидностей мезонов, в том числе в конце 40-х годов – так называемые -мезоны (пи-мезоны, пионы), которые и оказались предсказанными Юкавой переносчиками сильного взаимодействия.

В 1931 г. П. Дирак предсказал существование античастиц, у которых масса, время жизни и спин должны быть тождественны соответствующим характеристикам обычных частиц, а остальные характеристики, в том числе электрический заряд и магнитный момент, должны быть по модулю такими же, как у частиц, но противоположными по знаку. В частности, Дирак предсказал существование античастицы электрона - позитрона, экспериментально обнаруженного в 1932 г. К. Андерсоном (амер., Нобелевская премия 1936 г.).

Если в 30-40-ых годах новые частицы (мезоны, позитроны) обнаруживали в космических лучах, то с начала 50-х годов основные открытия и исследования в области элементарных частиц были сделаны с помощью ускорителей заряженных частиц.

Еще в 1931 г. Паули, пытаясь объяснить кажущееся нарушение закона сохранения энергии при -распаде радиоактивных ядер, выдвинул гипотезу о существовании частиц с огромной проникающей способностью - нейтрино. Экспериментально в 1953 г. была обнаружена первая разновидность нейтрино - электронное нейтрино, а затем - еще ряд разновидностей.

С конца 40-х гг. было открыто множество новых элементарных частиц: антипротоны и антинейтроны, «странные» частицы, десятки крайне неустойчивых и короткоживущих частиц, названных резонансами, «очарованные», «красивые» частицы и др. В 1983 г. были открыты промежуточные векторные бозоны, которые являются квантами поля, посредством которого осуществляется слабое взаимодействие - четвертое, последнее из известных в настоящее время фундаментальных физических взаимодействий (К. Руббиа (ит.), С. ван дер Меер (голл.) - Нобелевская премия 1984 г.).

Постепенно выяснилось, что протоны, нейтроны и вообще все адроны, то есть частицы, способные к сильному взаимодействию, являются составными микрообъектами. Они построены из более «мелких» частиц - кварков.

В настоящее время известно около 400 различных микрочастиц (вместе с античастицами).

В современной физике все это множество микрочастиц, не являющихся атомами или атомными ядрами (а также протон - ядро атома водорода), называют элементарными частицами. Такое название нельзя считать абсолютно верным, так как под элементарными частицами в строгом смысле слова нужно понимать первичные, неразложимые частицы, из которых состоит вся материя. Большинство же из известных частиц обладают внутренней структурой и называются элементарными лишь по традиции. В современной науке существует проблема выявления истинно элементарных, неразложимых и не имеющих внутренней структуры частиц, называемых фундаментальными частицами. В настоящее время к фундаментальным частицам относят группу лептонов (электроны, позитроны, нейтрино и др.), кварки и частицы - переносчики фундаментальных взаимодействий. Вопрос о существовании еще более глубинных уровней строения материи остается открытым.

Общими характеристиками элементарных частиц является их масса покоя , среднее время жизни , спин J и электрический заряд q.

Как правило, массу элементарных частиц выражают в энергетических единицах, имея в виду, что массе покоя соответствует определяемая по формуле Эйнштейна энергия покоя . Обычно энергию покоя частиц измеряют в мегаэлектронвольтах (1 МэВ=1.6·10^-13 Дж). Спин частиц равен целому или полуцелому числу постоянных Планка и его значения выражаются в единицах . Например, у электрона J =1/2, у фотона J =1, у -мезона J =0. Электрический заряд частиц (кроме кварков) равен целому числу элементарных зарядов e =1.6·10^-19 Кл и выражается в элементарных зарядах. Например, у протона q =+1, у электрона q = - 1, у нейтрона и фотона q =0.

По времени жизни частицы подразделяются на стабильные, квазистабильные и нестабильные (резонансы). Стабильны электрон, протон, фотон и нейтрино (и соответствующие античастицы), для которых не наблюдается самопроизвольного превращения в другие частицы. Квазистабильные частицы имеют время жизни 10^-20 c и распадаются за счет электромагнитного и слабого взаимодействий. Нестабильные частицы распадаются за счет сильного взаимодействия и их время жизни ~10^-22÷10^-24 с.

В зависимости от значения спина все частицы могут быть разделены на два класса, резко отличающиеся по своим свойствам. К классу фермионов относятся частицы с полуцелым спином (J = 1/2, 3/2, 5/2,...). Как уже отмечалось в конце раздела 9, для фермионов справедлив принцип Паули, в соответствии с которым в квантовой системе не могут одновременно находиться два и более фермиона с полностью совпадающими значениями всех квантовых чисел. То есть в системе фермионов каждый из них находится в отличном от других состоянии, характеризующемся своим индивидуальным набором параметров. Фермионы являются «индивидуалистами», не способными к «коллективизации», то есть нахождению в одинаковых состояниях.

К классу бозонов относятся частицы с нулевым и целочисленным спином (J =0, 1, 2,...). Для них неприменим принцип Паули, напротив, бозонам присуще стремление к «коллективизации», то есть переходу множества частиц в идентичное состояние. Примером такой «коллективизации» бозонов является генерация лазером когерентного излучения. Частицы света - фотоны - имеют спин J =1 и относятся к бозонам. При взаимодействии фотонов с различными характеристиками (частотой, поляризацией, направлением распространения) и вещества при определенных условиях формируется лазерный луч, то есть поток фотонов с идентичными параметрами.

Формальным признаком разделения частиц на фермионы и бозоны является целочисленность или дробность спина, но этот признак лишь отражает глубокое различие в симметрии волновых функций, описывающих частицы этих двух классов.

Широко используется классификация элементарных частиц по их способности к фундаментальным физическим взаимодействиям. Как уже отмечалось, современная наука выделяет четыре типа фундаментальных физических взаимодействий, существенно различающихся по своей интенсивности. Приближенной мерой интенсивности какого-либо взаимодействия является величина обусловленной этим взаимодействием энергии двух частиц, находящихся на малом фиксированном расстоянии друг от друга. Фундаментальные взаимодействия отличаются также по радиусу взаимодействия, то есть по максимальному расстоянию, на котором возможно данное взаимодействие. В таблице 11.1 перечислены фундаментальные взаимодействия и приведены их основные характеристики. Указанное в таблице 11.1 соотношение интенсивностей различных взаимодействий справедливо при не очень больших кинетических энергиях самих взаимодействующих частиц. При увеличении кинетических энергий частиц, их масс и уменьшении расстояний между ними это соотношение изменяется, и интенсивности взаимодействий сближаются.

По своей способности к фундаментальным взаимодействиям все элементарные частицы делятся на три группы:

- фотоны, участвующие в электромагнитном, но не способные к сильному и слабому взаимодействиям (группа состоит из одного представителя - собственно фотона);

- лептоны (от греч. leptos - легкий), участвующие в слабом, а заряженные лептоны - и в электромагнитном взаимодействиях, но не способные к сильному взаимодействию (12 представителей);

- адроны (от греч. hadros - сильный), участвующие в сильном, электромагнитном и слабом взаимодействиях (более 300 представителей).

К гравитационному взаимодействию способны все частицы, включая фотоны.

Элементарные частицы дополнительно характеризуются рядом квантовых чисел, называемых внутренними. Лептоны имеют лептонный заряд L, равный +1 для частиц и -1 для античастиц. Для фотонов и адронов L = 0. Адронам с полуцелым спином приписывают барионный заряд B, равный +1 для частиц и -1 для античастиц. Адроны с 1 образуют подгруппу барионов (от греч. barys - тяжелый). Адроны с целочисленным спином имеют барионный заряд B =0 и образуют подгруппу мезонов (от греч. mesos - средний).

Адроны подразделяются на обычные (нестранные) частицы (протон, нейтрон, -мезоны и др.), странные частицы, «очарованные» и «красивые» частицы. Этому делению соответствует наличие у адронов особых внутренних квантовых чисел: странности S, «очарования» C, «красоты» b и др. Эти квантовые числа отражают особые, не имеющие аналогий в макромире, симметрийные свойства волновых функций, соответствующих этим частицам.

В таблице 11.2 приведены сведения о ряде элементарных частиц, разбитых на три вышеуказанные группы. Верхние индексы «+» или «-» при условных обозначениях частиц указывают знак их электрического заряда; индекс «0» или отсутствие индекса означает электронейтральность частицы (за исключением протона и антипротона). Любая частица с ненулевым значением хотя бы одного из чисел q, L, B, S, C, b имеет античастицу с равными по модулю, но противоположными по знаку значениями этих чисел. Частицы, тождественные своим античастицам, называются истинно нейтральными; в таблице 11.2 их обозначения помещены между частицами и античастицами.