Физика элементарных частиц

Открытие в 1897 г. электрона привело к установлению строения атома (1911 г.). Следующим этапом стало открытие составных частей ядра: протона (1919 г.) и нейтрона (1932 г.). Огромное количество новых частиц было открыто в 30-х годах ХХ века благодаря использованию циклотрона – предшественника современного синхрофазотрона и коллайдера.

В физике микромира состояние частиц задается квантовыми   величинами (числами): главное квантовое число n, элементарный заряд е, масса m, спин j, орбитальный момент L и др.

Пла́нковское время – единица времени в планковской системе единиц: ≈ 5,391 ·10⁻⁴⁴ с. Физический смысл этой величины: время, за которое волна или частица (не имеющая массы покоя), двигаясь со скоростью света, преодолеет планковскую длину (≈ 1,6·10⁻³⁵ м).

Квантовые закономерности являются определяющими в поведении элементарных частиц.

 

Наиболее важное свойство всех элементарных частиц – способность рождаться и уничтожаться при взаимодействии с другими частицами. Микрообъекты по-разному участвуют в фундаментальных физических взаимодействиях: сильном, электромагнитном, слабом и гравитационном (перечислены в порядке убывания интенсивности).

 

Сильное взаимодействие приводит к самой «прочной» связи элементарных частиц: именно оно обеспечивает связь протонов и нейтронов в ядрах атомов. Электромагнитное взаимодействие обеспечивает связь ядер и электронов в атомах. Слабое взаимодействие вызывает некоторые процессы с элементарными частицами, в частности, распады квазистабильных частиц. Гравитационное взаимодействие элементарных частиц дает крайне незначительные эффекты из-за малости их масс.

 

У микрообъктов проявляется корпускулярно-волновой дуализм, впервые обнаруженный у фотонов. В 1923 г. Луи де Бройль предположил, что корпускулярно-волновой дуализм присущ не только свету, но всем элементарным частицам.

В это время физики сомневаются в возможности описывать состояния элементарных частиц с помощью динамических уравнений, взятых из классической механики.

В 1925 г. Гейзенберг для описания квантовых состояний микрообъектов разработал «матричную механику»– впоследствии ее стали именовать квантовой механикой. В 1926 г. Шредингер предложил новую теоретическую модель описания явлений в микромире – волновую механику, созданную на базе выведенного им уравнения для волновой функции . Борн показал тождественность волновой механики Шредингера и квантовой механики Гейзенберга. Однако волновая механика была удобнее матричной, и вскоре стала общепризнанной.

В 1927 г. Дэвиссон обнаружил дифракцию электронов, что было воспринято как подтверждение вероятностной концепции. Статистический, вероятностный характер взаимодействий в микромире подтвердил сформулированный Гейзенбергом принцип неопределённости, согласно которому невозможно одновременно с абсолютной точностью определить координату и импульс (энергию и время) частицы. Бор обобщил его до принципа дополнительности: корпускулярное и волновое описание явлений дополняют друг друга.

В 1928 г. Дирак дал релятивистский вариант квантовой механики и предсказал существование позитрона, положив начало квантовой электродинамике.

 

Современная физика существенно продвинулась вглубь материи – в понимании структурных уровней микромира. Физики стали различать сначала внутриатомный, ядерный уровень, затем – уровеньэлементарных частиц (лептонов, мезонов и барионов), и наконец –глубинный кварковый уровень. На сегодняшний день фундамент микрообъектов составляют 12 частиц – 6 лептонов и 6 кварков.

 

Число открытых элементарных частиц к настоящему времени идет на сотни, и оно в несколько раз превышает число элементов периодической системы Менделеева. Попытки объединить все частицы в систему наподобие таблицы химических элементов, отражающей их фундаментальные свойства и связи, пока не увенчались успехом.

Существуют относительно простые классификации, объединяющие частицы по их свойствам. Общепринятой стало разделение частиц в соответствии с их массами на три класса – лептоны, мезоны и барионы. Большой популярностью пользуется объединение частиц в соответствии с их способностью участвовать в различного рода взаимодействиях: в сильном взаимодействии – класс адронов, в слабом взаимодействии – класс лептонов; к классу переносчиков взаимодействий относят фотоны, бозоны, глюоны и гравитоны.  

Лептоны.

Самые легкие частицы. Лептоны могут участвовать в электромагнитном и слабом взаимодействиях. У каждого лептона есть своя античастица. Первой открытой античастицей был позитрон – с массой электрона, но положительным электрическим зарядом; позитрон в 1932 г. был предсказан Дираком и обнаружен в составе космических лучей Андерсоном.

Электрон. Единственный из лептонов, входящий в состав атома (имеет массу, заряд, спин = 1 / 2). Заряд электрона неделим и равен −1,602176565(35)·10⁻¹⁹ Кл (был впервые измерен в экспериментах А. Ф. Иоффе в 1911 г.); эта величина служит единицей измерения электрического заряда других элементарных частиц. Масса электрона равна 9,10938291·10⁻³¹ кг, или0,510998928 МэВ.

 

Мюон. По параметрам напоминает электрон: имеет тот же заряд и спин, участвует в тех же взаимодействиях, но имеет бóльшую массу и нестабилен (m ≈ 206,7 m.е.; за 2,2·10^-6 с – распадается в соответствии с законами сохранения заряда и энергии). На долю мюона приходится значительная часть космического излучения. Отрицательно заряженные мюоны распадаются на электрон е‾, электронное антинейтрино νе  и мюонное нейтрино νμ:

μ‾ → е‾ + νе + νμ                           

Положительно заряженный мюон является античастицей по отношению к μ‾ и распадается на позитрон e⁺, электронное нейтрино ν_e и мюонное антинейтрино νμ:

μ⁺ → e⁺ + ν_e + νμ               

Тау-лептон. Самый тяжелый лептон (масса составляет ≈ 3500 m.е.). Нестабилен: время жизни 2.9·10^-13 с (распадается с разной процентной вероятностью либо на электрон и два нейтрино, либо на мюон и два нейтрино, либо на адроны).

Нейтрино. Наиболее распространенная частица во Вселенной. Не имея массы покоя и не участвуя ни в сильном, ни в электромагнитном взаимодействиях, обладает огромной проникающей способностью (легко проникают через массивы планет и звезд). Существуют нейтрино трех видов – электронное, мюонное, тау-нейтрино.

              

        Основные характеристики лептонов:

 

Название	Масса (кратная е)	Масса  (кг)	Заряд	Спин
Электрон	1	9,1·10−31	-1	1/2
Мюон	206,7	1,8·10−28	-1	1/2
Тау-лептон	3536,0	3,2·10−27	-1	1/2
Электронное нейтрино	0	0	0	1/2
Мюонное нейтрино	0	0	0	1/2
Тау-нейтрино	0	0	0	1/2

 

Адроны.

Тяжелее лептонов частицы – мезоны и барионы, объединенные, благодаря участию их в сильных взаимодействиях, в отдельный класс частиц, названных адронами. Среди представителей адронов наиболее известны и широко распространены два бариона – нейтрон и протон, входящие в состав ядра атома. Адроны участвуют в сильном, слабом и электромагнитном взаимодействиях.

Для объяснения обнаруженной у сильновзаимодействующих частиц симметрии Гелл-Ман и Цвейг высказали в 1964 г. гипотезу о существовании особых частиц кварков, которая, спустя пять лет, была экспериментально подтверждена.

Суть кварковой модели.

Все адроны построены из более элементарных частиц, называемых кварками. Кварки могут соединяться друг с другом одним из двух возможных способов: либо тройками, либо парами «кварк-антикварк». Из трех кварков состоят барионы, а из двойных структур – мезоны.

В природе существует шесть видов кварков, которым физики дали весьма причудливые названия: верх – u, d – низ, s – странность, c – очарование, b – красота, t – истина.

 

Кварки обладают необычными свойствами:

1) Имеют дробный в сравнении с протоном электрический заряд (u, c, t = +2/3; d, s, b = –1/3).

2) Не наблюдаются в свободном состоянии (свойство confinement – заточение в тюрьму).

3) Имеют специфический заряд, названный цветом (существует три разновидности – красный, зеленый, синий; и цветовые заряды антикварков – антикрасный, антизеленый, антисиний). Для комбинации кварков в структуре частицы выполняется принцип бесцветности: в барионах соединяются красный, зеленый и синий, дающие в совокупности бесцветную систему, т.е. нулевой цветной заряд; в мезонах – кварк и антикварк, например, красный и антикрасный.

4) Соединяются кварки посредством носителей сильного взаимодействия – глюонов (в переводе – буквально клей). В отличие от кулоновских и гравитационных сил с увеличением расстояния между кварками сила притяжения не уменьшается, а увеличивается подобно упругой силе и на расстоянии, соизмеримом с размерами атомных ядер, резко ослабевает до нуля.

 

Протон Как фундаментальная частица: фермион Структура: два u-кварка + один d-кварк Участвует в фундаментальных взаимодействиях: сильное, электромагнитное,  слабое, гравитационное

 

Адроны характеризуются рядом дополнительных характеристик. Барионный зарядВ – одна из внутренних характеристик частиц, отличная от нуля для барионов и равная нулю для всех остальных частиц. В барионов полагают равным +1, а антибарионов – 1. Суммарный барионный заряд системы частиц равен разности между числами барионов и антибарионов. В частности, В атомного ядра равен их массовому числу (числу нуклонов). В процессах взаимодействий и превращений частиц барионный заряд сохраняется. Именно благодаря сохранению барионного заряда самый легкий из барионов протон является стабильной частицей.

Изотопи́ческий спинI – квантовое число, определяющее число зарядовых состояний адронов. В частности, протон и нейтрон, находясь в ядре, различаются значением проекции изоспина, тогда как абсолютные значения их изоспина одинаковы (свойство изотопической инвариантности сильного взаимодействия).

Эта модель была разработана из-за близости свойств протона и нейтрона в качестве нуклонов при нахождении их в ядре: любой нуклон обладает изотопическим спином, равным 1/2, у которого есть две возможные проекции в особом изотопическом пространстве. Когда проекция изотопического спина I_z равна +1/2, то нуклон становится протоном, а когда −1/2 — нейтроном.

 

Четность – квантовая характеристика состояния микрообъекта (атома, атомного ядра, элементарной частицы), отображающая свойства его симметрии относительно зеркальных отражений.

В процессах, обусловленных сильными и электромагнитными взаимодействиями, имеет место закон сохранения четности Р: физическая система, обладавшая в начальном состоянии зеркальной симметрией определённого типа, сохраняет эту симметрию во все последующие моменты времени.

В слабых взаимодействиях, обусловливающих, в частности, Бета-распад ядер, закон сохранения Р нарушается, что связано с распадом нейтронов, которые устойчивы только в составе стабильных атомных ядер. Свободный нейтрон n – нестабильная частица, распадающаяся на протон p⁺, электрон е‾ и электронное антинейтрино νе:

 

n → p⁺ + е‾ + νе

Основные параметры (квантовые числа) кварков

 

Параметр	Тип кварка
	d	u	s	c	b	t
Электрический заряд Q	-1/3	+2/3	-1/3	+2/3	-1/3	+2/3
Барионный заряд B	1/3	1/3	1/3	1/3	1/3	1/3
Спин J	1/2	1/2	1/2	1/2	1/2	1/2
Изоспин I	1/2	1/2	0	0	0	0
Четность P	+1	+1	+1	+1	+1	+1
Масса в составе адрона, ГэВ	0.33	0.33	0.51	1.8	5	180