Физика элементарных частиц

СОДЕРЖАНИЕ

              Введение…………………………………………….............. стр.2

              1. Состав ядра. Элементарные частицы..…………………..стр.3                                          2. Взаимопревращаемость элементарных частиц…………стр.6

              3. Лептоны, адроны, кварки, фундаментальные

             взаимодействия, глюоны…………………………………..стр.7  

              Заключение…………………………………………..............стр.12                                                                                                                       

              Список используемой литературы…………………………стр.13

ВВЕДЕНИЕ

              В середине и второй половине ХХ века в тех разделах физики, которые заняты изучением фундаментальной структуры материи, были получены поистине удивительные результаты. Прежде всего это проявилось в открытии целого множества новых субатомных частиц. Их обычно называют элементарными частицами, но далеко не все из них действительно элементарны. Элементарные  частицы в точном значении этого термина — пер­вичные, далее неразложимые частицы, из которых, по предположению, состоит вся материя, но многие из них в свою очередь состоят из еще более элементарных частичек.

Мир субатомных частиц поистине многообразен. В настоящее время известно более 350 элементарных частиц. К ним относятся протоны и нейтроны, составляющие атомные ядра, а также обращающиеся вокруг ядер электроны. Но есть и такие частицы, которые в окружающем нас веществе практически не встречаются. Если среднее время жизни нейтрона, находящегося вне атомного ядра, составляет 15 минут, то  время жизни таких короткоживущих частиц чрезвычайно мало, оно составляет мельчайшие доли секунды. По истечении этого чрезвычайно короткого времени они распадаются на обычные частицы. Таких нестабильных короткоживущих частиц поразительно много: их известно уже несколько сотен. Однако нельзя считать, что нестабильные элементарные частицы «состоят» из стабильных хотя бы потому, что одна и та же частица может распадаться несколькими способами на различные элементарные частицы.

Каждая элементарная частица (за исключением абсолютно нейтральных частиц) имеет свою античастицу.

Существование элементарных частиц физики обнаружили при изучении ядерных процессов, поэтому вплоть до середины XX века физика элементарных частиц была разделом ядерной физики. В настоящее время физика элементарных частиц и ядерная физика являются близкими, но самостоятельными разделами физики, объединенными общностью многих рассматриваемых проблем и применяемыми методами исследования. Главная задача физики элементарных частиц — это исследование природы, свойств и взаимных превращений элементарных частиц.

В 60-70-е годы физики были совершенно сбиты с толку многочисленностью, разнообразием и необычностью вновь открытых субатомных частиц. Казалось, им не будет конца. Совершенно непонятно, для чего столько частиц. Являются ли эти элементарные частицы хаотическими и случайными осколками материи? Или, возможно, они таят в себе ключ к познанию структуры Вселенной? Развитие физики в последующие десятилетия показало, что в существовании такой структуры нет никаких сомнений. В конце ХХ века физика начинает понимать, каково значение каждой из элементарных частиц.

Миру субатомных частиц присущ глубокий и рациональный порядок. В основе этого порядка — фундаментальные физические взаимодействия.

СОСТАВ ЯДРА. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ

              Ядром называется центральная часть атома, в которой сосредоточена практически вся масса атома и его положительный электрический заряд. Все атомные ядра состоят из элементарных частиц: протонов и нейтронов, которые считаются двумя зарядовыми состояниями одной частицы – нуклона. Протон имеет положительный заряд, равный по абсолютной величине заряду электрона, нейтрон не имеет электрического заряда.

       Элементарными называют частицы, входящие в состав считавшегося «неделимым» атома. Первыми были обнаружены электрон, протон, нейтрон и фотон – квант электромагнитного поля. Из первых трёх строили вещество, а фотон осуществлял их взаимодействие. Раньше считали, что они ни на что далее не могут быть разложены и поэтому являются «первичными кирпичиками» мироздания. Позднее эти представления изменились, прежние элементарные частички имеют внутреннюю структуру и могут превращаться друг в друга. После второй мировой войны благодаря мощной технике были открыты, помимо электрона, протона, нейтрона, фотона и позитрона, ещё много частиц претендующих на «элементарность».

              Атомное ядро окружено сравнительно рыхлой и легко перестраиваемой оболочкой из Z-электронов. Именно электронные оболочки ответственны за химические и многие физические свойства веществ. Это связано с тем, что электроны могут теряться атомом и присоединяться к нему, образуя положительно и отрицательно заряженные ионы. Кроме того, они могут переходить с одного энергетического уровня на другой, в результате чего атом будет испускать или поглощать кванты света.

              Элементарными частицами называются такие частицы, которым нельзя приписать внутренней структуры, являющейся простым соединением других стабильных частиц. При взаимодействии с другими частицами и полями элементарная частица ведёт себя как единое целое. Термин «элементарная» частица имеет, в сущности, условный характер.

              С квантовой точки зрения элементарные возбуждения электромагнитного поля обладают всеми свойствами частиц. Они называются – фотонами. Сравнительно недавно нуклоны, электроны и фотоны размещались на едином уровне элементарных частиц и рассматривались как его равноправные члены. Однако постепенно выяснилось, что протоны и нейтроны (и вообще все адроны) являются составными микрообъектами. Они построены из более «мелких» частиц, эти частицы принадлежат к классу кварков. Кварки необходимы для построения других адронов, отличных от протона и нейтрона.

              Почти у каждой частицы, кроме фотона, оказалась ещё и античастица. Сейчас элементарных частиц уже более 300. К ним относятся и полученные при помощи мощных циклотронов, синхротронов и других ускорителей частиц. Есть элементарные частицы, возникающие при прохождении через атмосферу космических лучей, они существуют несколько миллионных долей секунды, потом распадаются, видоизменяются, превращаясь в другие элементарные частицы, или испускают энергию в форме излучения.

ОБЩИЕ СВОЙСТВА ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

              Основными характеристиками элементарных частиц являются масса, электрический заряд, спин, среднее время жизни, магнитный момент, пространственная чётность, барионный заряд и квантовые числа.

              Массу элементарных частиц понимают как массу покоя, поскольку она не зависит от состояния движения. Её определяют по отношению к массе покоя электрона me, самой маленькой из масс покоя. Нейтрон и протон тяжелее электрона почти в 2000 раз. Но есть и очень тяжёлые частицы. Так, например, Z-частица, получаемые на ускорителях, имеют массу покоя  2 000 000 me. Фотоны вообще не имеют массы покоя. Наиболее тяжёлая из известных сейчас частиц (промежуточный бозон) почти в 100 раз массивнее протона и самая нестабильная из всех известных элементарных частиц.

              Среднее время жизни служит мерой стабильности частицы и выражается в секундах. Электрон, протон, фотон и нейтрино абсолютно стабильны, во всяком случае, их распады экспериментально не зарегистрированы.

Существует несколько групп элементарных частиц, различающихся своими свойствами и характером взаимодействия друг с другом.

              В основе лежат их различия по массам покоя: лептоны (лёгкие), мезоны (средние, промежуточные частицы) и барионы (тяжёлые), которые подразделяются на нуклоны и гипероны.

              - по наличию электрического заряда, измеренного в единицах элементарного заряда, различают положительные, отрицательные и нейтральные частицы. Теоретически предсказаны частицы с дробными электрическими зарядами (кварки).

              - по значениям спина элементарные частицы подразделяются на частицы с полуцелым, целым или нулевым спином.

              - по временам жизни – на стабильные и нестабильные, характеризуемые временем жизни частицы и преимущественной схемой распада.

Среди лептонов наиболее известен электрон, вероятно, он не состоит из других частиц, т.е. элементарен. Другой лептон – нейтрино. Это самый распространенный лептон во Вселенной и в тоже время самый неуловимый. Нейтрино не участвует ни в сильном, ни в электромагнитном взаимодействиях. После предсказания эта частица была обнаружена только через 30 лет на ускорителях. Нейтрино бывает 3 видов – электронное, мюонное и t-нейтрино, они рождаются вместе с тем или иным лептоном.

Мюон – тоже широко распространенный в природе лептон. Он был обнаружен в космических лучах ещё в 1936 г; это чрезвычайно нестабильная частица, а в остальном он очень похож на электрон.

В конце 70-хгг. был обнаружен третий заряжённый лептон (помимо электрона и мюона) – t-лептон. Он ведёт себя, как и собратья, но тяжелее электрона в 35000 раз. У каждого лептона есть и античастица, т.е. всего их 12.

Электрический заряд меняется от нуля до положительного или отрицательного.

Каждой частице, кроме фотона, нейтрино и двух мезонов, соответствует частица с противоположным зарядом, или античастица. Из теории следует, что массы, времена жизни и спины частицы и античастицы должны быть одинаковыми, и это подтверждается на опыте. Остальные характеристики, в том числе и электрический заряд, и магнитный момент у них равны по модулю, но противоположны по знаку. У некоторых частиц (истинно нейтральных), все «заряды» равны нулю, и они тождественны своим античастицам, например, фотон.

Особенностью античастиц является их способностью к быстрому воссоединению со своими частицами, например, позитронов с электронами, антипротонов с протонами. Это связано с тем, что вещества, из которых построена окружающая нас природа, состоят из электронов, протонов и нейронов.

              Спин – одна из важнейших характеристик элементарных частиц, определяемая собственным моментом импульса частицы, т.е. её момент импульса в системе отчёта покоя. Спин не имеет классического аналога, так как элементарную частицу нельзя представить в виде вращающегося шарика. В частности, для покоящейся частицы только вектор спина задаёт выделенное направление в пространстве.

Обычно спин выражается в единицах и принимает только целые и полуцелые значения. Спин фотона равен 1, это означает, что частица примет тот же вид после полного оборота на 360 градусов. Частица со спином ½ примет прежний вид при обороте в 2 раза больше, т.е. в 720 градусов. Спин протона, нейтрона и электрона – ½. Существуют частицы со спином в 3/2, 5/2 ит.д. Частица со спином, равным нулю, одинаково выглядит при любом угле поворота. В зависимости от значения спина все частицы делят на две группы:

              Фермионы – к ним относят частицы с полуцелыми (1/2, 3/2...) спинами. Фермионы составляют вещество и, в свою очередь, делятся на два класса: лептоны (лёгкий) и кварки. Кварки входят в состав протонов, нейтронов и других подобных им частиц, называемых в совокупности адронами (сильный).

              Бозоны – это частицы с целыми спинами (0,1,2..), переносящие взаимодействие.

              Между частицами существуют 4 типа взаимодействия, каждое из которых переносится своим типом бозонов:

-фотон, квант света, переносит электромагнитные взаимодействия;

              -гравитон - силы тяготения, действующие между любыми телами, имеющими массу;

              -восемь глюонов (клей) осуществляют перенос сильных ядерных взаимодействий, вызывающих кварки;

              -промежуточные векторные бозоны переносят слабые взаимодействия, ответственные за некоторые распады частиц. Считается, что к этим 4  взаимодействиям сводятся все силы в природе.

ВЗАИМОПРЕВРЕЩЕНИЯ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

              Основным экспериментальным и теоретическим методом исследования в физике микромира является метод рассеяния. Всякий опыт по рассеянию всегда становится так, что весь процесс можно разделить на три основных этапа.

              1.Подходящие источники создают один или два параллельных пучка невзаимодействующих частиц с энергиями, примерно одинаковыми в каждом пучке. Раньше использовался один пучок, который направлялся на неподвижную мишень. В последнее время широко применяются встречные пучки – протон-протонные, протон-антипротонные, электрон-электронные, электрон-позитронные.

              2.Частицы из разных пучков сближаются и вступают в область взаимодействия. В результате они рассеиваются: изменяется состояние их движения или рождаются новые частицы.

              3.Рассеянные частицы расходятся на большие (в масштабе микромира) расстояния и регистрируются детекторами, назначение которых – зафиксировать образовавшиеся частицы и измерить необходимые их характеристики (массу, энергию, импульс, спин, электрический заряд и т.д.)

              Основные задачи экспериментаторов состоит в изготовлении источников и детекторов, в реальном проведении опыта по рассеянию и в регистрации рассеянных частиц вместе с их характеристиками. Цель – теоретиков – по заданному начальному состоянию частиц до рассеяния и известному взаимодействию между ними предсказать результат опыта, т. е. конечное состояние частиц. Но чаще всего приходиться решать обратную задачу: по заданному начальному состоянию и по экспериментальным данным о конечных состояниях восстанавливать характеристики взаимодействия и детали структуры частиц.

              Взаимодействия между частицами обуславливают самые разнообразные процессы. Они делятся на три большие группы.

              1.При упругом рассеянии, частицы не претерпевают превращения, а изменяют состояние своего движения.

              2.В неупругих процессах (реакциях) сталкивающиеся частицы превращаются в частицы других сортов. Например, рождение электрон-позитронной пары, процесс образования антипротона.

              3.Частицы, рождающиеся в процессах рассеяния, за редким исключениями, являются нестабильными и претерпевают распады.

              Следует отметить, что образующиеся частицы не содержатся в исходных частицах, а рождаются непосредственно в процессах их соударений (рассеяния) или распада. Например, фотон также не содержится в составе атома, а рождается непосредственно при переходе электрона с одного энергетического уровня на другой. Именно в процессах взаимопревращений и открывают ранее неизвестные частицы.

      ЛЕПТОНЫ, АДРОНЫ, КВАРКИ, ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ

ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ, ГЛЮОНЫ.

Перейдём дальше к краткому обсуждению отдельных больших классов элементарных частиц, о которых уже упоминали.

ЛЕПТОНЫ

              Лептоны считаются истинно элементарными частицами. Хотя лептоны могут иметь электрический заряд, а могут и не иметь, спин у всех у них равен 1/2. Среди лептонов наиболее известен электрон. Электрон — это первая из открытых элементарных частиц. Как и все остальные лептоны, электрон, по-видимому, является элементарным (в собственном смысле этого слова) объектом. Насколько известно, электрон не состоит из каких-то других частиц.

Другой хорошо известный лептон — нейтрино. Нейтрино являются наиболее распространенными частицами по 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. Нейтрино почти неуловимы. Не участвуя ни в сильном, ни в электромагнитном взаимодействиях, они проникают через вещество, как будто его вообще нет. Нейтрино —  это некие "призраки физического мира".

Достаточно широко распространены в природе мюоны, на долю которых приходится значительная часть космического излучения. Во многих отношениях мюон напоминает электрон: имеет тот же заряд и спин, участвует в тех те взаимодействиях, но имеет большую массу (около 207 масс электрона) и нестабилен. Примерно за две миллионные доли секунды мюон распадается на электрон и два нейтрино. В конце 70-х годов 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.

В 60-х годах список лептонов значительно расширился. Было установлено, что существует несколько типов нейтрино: электронное нейтрино, мюонное нейтрино и тау-нейтрино. Таким образом, общее число разновидностей нейтрино равно трем, а общее число лептонов — шести. Разумеется, у каждого лептона есть своя античастица; таким образом, общее число различных лептонов равно двенадцати. Нейтральные лептоны участвуют только в слабом взаимодействии; заряженные - в слабом и электромагнитном. Все лептоны участвуют в гравитационном взаимодействии, но не способны к сильным.

                                                   АДРОНЫ

Адронами называют элементарные частицы, которые могут участвовать и реально участвуют в сильном взаимодействии.

              Адронов существует очень много, их сотни. Поэтому часто считают их не элементарными частицами, а составленными из других. Они бывают электрически заряженные и нейтральные.

Все адроны участвуют в сильном, слабом и гравитационном взаимодействиях. Среди них самые известные – протон и нейтрон. Различают стабильные адроны (со средними временами жизни) и резонансы. Самой характерной особенностью резонансов является то, что они распадаются в результате сильного взаимодействия, тогда как распады «стабильных» адронов обусловлены гораздо менее интенсивными взаимодействиями.

Классификация адронов происходит по спину и типу статистики.

Адроны, обладающие целыми спинами, называют мезонами; имеющие полуцелый заряд – барионами. По типу статистики мезоны относятся к бозонам (частицы переносящие взаимодействие), а барионы – к фермионам.

Все мезоны и барионы подразделяются на «обычные», «странные», «очарованные» и «прелестные». Адроны рассортированы по массе, заряду и спину. В этом помогла гипотеза кварков, или частиц, составляющих адроны.

                                                     КВАРКИ

Практически доказано, что все адроны состоят из кварков – весьма необычных по своим свойствам  фундаментальных частиц, у которых имеются и античастицы – антикварки.

Кварковая модель строения элементарных частиц существует с 1964 г. Сначала кварки рассматривались как структурные гипотетические элементы с дробным электрическим зарядом, но потом заняли в квантовой хромодинамике роль основных частиц.

Кварки могут соединяться для этого тройками, составляя барионы, либо парами кварк – антикварк, составляя мезоны (средние) частицы.              Кварки имеют заряд 1/3 или 2/3 заряда электрона. Тогда в комбинации они дадут 0 или 1. Все кварки имеют спин = ½, т.е. они относятся к фермионам. Считается, что они сцепляются сильным взаимодействием, но участвуют и в слабом.              Исходя из особенностей сильного взаимодействия, кварки характеризуются типами (ароматами): «верхний», «нижний» и «странный».

              Причём слабое взаимодействие может поменять «аромат» кварка. Например, при распаде нейтрона один из «нижних» кварков становится «верхним», а избыток заряда уносит рождающийся электрон. Сильное взаимодействие не может менять «аромат», а без изменения «аромата» невозможен распад адрона. Сейчас считают, что существует 12 кварков – фундаментальных частиц и столько же античастиц. Шесть частиц – это кварки с экзотическими именами: «верхний», «нижний», «очарованный», «странный», «истинный», «прелестный». Они являются порождением теории, стремящейся к упорядоченности и красоте, и открыты все, за исключением «истинного».

              Остальные шесть – лептоны: электрон, мюон, t-частица и соответствующие им нейтрино.

              Эти 12 частиц, или два по шесть, группируются в три поколения, каждое из трёх членов. В первом поколении – «верхний» и «нижний» кварки, электрон и электронное нейтрино; во втором – «очарованный» и «странный» кварки, мюон и мюонное нейтрино; в третьем – «истинный» и «прелестный» кварки и t-частица со своим нейтрино. Всё обычное вещество состоит из частиц первого поколения. Протон, например, состоит из двух «верхних» кварков и одного «нижнего». Нейтрон – из двух «нижних» кварков и одного «верхнего».

              Кваркам было приписано дополнительное квантовое число, названное цветом, а три его значения обозначили символами R (красный), G (зеленый), B (голубой). Разумеется, к физиологии зрения «цвет» никакого отношения не имеет, но принятая терминология весьма удобна. Красный, зелёный и голубой цвет являются основными, и при смешивании их в равной пропорции получается белый цвет. Антикваркам приписываются «антицвета» R, G, B, которые можно рассматривать как дополнительные к основным цветам. Таким образом, у кварков имеется шесть ароматов и три цвета.

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

              Все процессы, в которых участвуют элементарные частицы, обусловлены взаимодействиями между ними.

              В настоящее время различают 4 типа фундаментальных взаимодействий: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное.

-Сильное взаимодействие свойственно частицам, называемым адронами (сильный, массивный, крупный), к числу которых принадлежат, в частности, протон и нейтрон. Наиболее известное его проявление – ядерные силы, обеспечивающие существование атомных ядер. Пример сильного взаимодействия – реакции рождения антипротона и антинейтрона.

              -В электромагнитном взаимодействии, наиболее известном и наиболее изученном, непосредственно участвуют только электрически заряженные частицы и фотоны (нейтральные и безмассовые). Одно из его проявлений – кулоновские силы, обуславливающие существование атомов. Именно электромагнитное взаимодействие ответственно за подавляющее большинство макроскопических свойств вещества. Оно же ответственно за процессы рождения электрон-позитронной пары, за процессы упругого рассеяния электронов на ядрах, протонах и т.д.

              -Слабое взаимодействие присуще всем частицам, кроме фотонов. Наиболее известное его проявление – бета-превращения атомных ядер. Оно же обеспечивает нестабильность многих элементарных частиц, например нейтрона. Примерами слабых процессов служат также распады мюонов. В последнее время интенсивно изучаются слабые процессы рассеяния нейтрино и антинейтрино на атомных ядрах, протонах и электронах. В этом отношении нейтрино – уникальные частицы, так они могут участвовать только в слабом взаимодействии (если не считать гравитационного).

              -Гравитационное взаимодействие свойственно всем телам Вселенной, проявляясь в виде сил всемирного тяготения. Эти силы обусловливают существование звёзд, планетных систем и т.д. Гравитационное взаимодействие предельно слабое, и в мире элементарных частиц при обычных энергиях непосредственной роли не играет.

              Фундаментальные взаимодействия динамически различаются типами обменного механизма, а также свойственными им законами сохранения. При этом, чем более интенсивно взаимодействие, тем больше ему отвечает законов сохранения.

                                                             ГЛЮОНЫ

              Переносчиками сильного взаимодействия являются восемь электрически нейтральных и безмассовых глюонов (клей).

              Каждый глюон несёт некоторые цвет и антицвет, но не несёт аромат. Поэтому, например, кварк uR может испустить глюон g =RG, превратившись в кварк  uG  того же аромата, но другого цвета, а рядом расположенный кварк uG  может поглотить этот глюон, превратившись в uR. Цвет для сильного взаимодействия играет роль, аналогичную роли электрического заряда для электромагнитного взаимодействия.

Именно поэтому в сильном взаимодействии участвуют кварки, обладающие цветом, но не могут участвовать лептоны, являющиеся бесцветными (белыми) частицами.

Современной теорией сильного взаимодействия является квантовая хромодинамика, основы которой заложены, но которая пока не завершена. Последнее обстоятельство связано с тем, что глюоны в отличие от электрически нейтральных фотонов сами несут цвет, а потому взаимодействуют друг с другом.

К числу элементарных актов сильного взаимодействия относятся не только процессы испускания и поглощения глюонов, но и процессы «расщепления» одного глюона на два и даже на три глюона. В частности, не исключено существование весьма экзотических частиц – глюболов, представляющих собой сгустки глюонного поля без кварков. 

                                                                      ЗАКЛЮЧЕНИЕ

              Рассмотрим кратко основные типы элементарных частиц. Вещество состоит из молекул, молекулы – из атомов, а всякий атом представляет собой ядро, окружённое оболочкой. В состав атомного ядра входят протоны и нейтроны. Каждый атом состоит из тяжёлого ядра (сильно связанных протонов и нейтронов), окруженного электронным облаком.