Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Иерархия элементарных частиц

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 3

1. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ОТКРЫТИЯ В ОБЛАСТИ ФИЗИКИ КОНЦА XIX - НАЧАЛА XX ВВ. 4

2.ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ КАК ГЛУБИННЫЙ УРОВЕНЬ СТРУКТУРНОЙ ОРГАНИЗАЦИИ МАТЕРИИ 5

3. СТАНДАРТНАЯ ИЕРАРХИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ 10

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 17

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 18

ВВЕДЕНИЕ

Вопрос о внутренней структуре материи («из чего все состоит?») является одним из главных в естествознании. Однако, несмотря на достигнутый в прошлом столетии прогресс в изучении этого вопроса, мы по-прежнему еще не пришли к однозначному представлению о первоосновах материального мира. Более того, скорость увеличения достоверной информации в последнее время заметно уменьшилась, так как экспериментальное продвижение в глубь микромира требует колоссальных энергетических затрат, которые обеспечиваются гигантскими ускорителями.

В мире материальных систем существуют определенные иерархии — упорядоченные последовательности соподчинения и усложнения. Они служат эмпирической основой системологии. Все многообразие нашего мир можно представить в виде последовательно возникших иерархий.

Принципы самоорганизации материи, естественным образом вытекающие из основных закономерностей иерархии, создают стройную картину эволюции материи, эволюцию, которая происходит не случайным, а строго закономерным образом. Основы теории иерархии, иерархических пространств, основы теории собственных пространств, основы теории целевых функций иерархических систем - вот главнейшие составные компоненты теории иерархии. Значение основ этих теорий трудно переоценить, так как они легли в основу фундамента обоснования природы периодичности свойств материи, обоснования пространственно-временной концепции специальной и общей теории относительности и создания основ Единой Теории Эволюции Материи.

Целью данной работы является изучение иерархии элементарн6ых частиц.

1. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ОТКРЫТИЯ В ОБЛАСТИ ФИЗИКИ КОНЦА XIX - НАЧАЛА XX ВВ.

В конце XIX — начале XX вв. физика вышла на уровень исследования микромира, для описания которого концептуальные построения классической физики оказались непригодными. В результате научных открытий были опровергнуты представления об атомах как о последних неделимых структурных элементах материи. История исследования строения атома началась в 1895 г. благодаря открытию Дж. Дж. Томсоном электрона — отрицательно заряженной частицы, входящей в состав всех атомов.

Поскольку электроны имеют отрицательный заряд, а атом в целом электрически нейтрален, то было сделано предположение о наличии помимо электрона и положительно заряженной частицы. Опыты английского физика Э. Резерфорда с альфа-частицами привели его к выводу о том, что в атомах существуют ядра — положительно заряженные микрочастицы, размер которых (10^-12 см) очень мал по сравнению с размерами атомов (10^-8 см), но в которых почти полностью сосредоточена масса атомов. Кроме того, было обнаружено, что атомы одних элементов могут превращаться в атомы других в результате радиоактивности, впервые открытой французским физиком А. А. Беккерелем [6].

Вопросы радиоактивности различных элементов изучались французскими физиками Пьером и Марией Кюри. Ими были открыты новые элементы — полоний и радий, а также установлено, что в результате радиоактивного излучения атом радиоактивного элемента превращается в атом другого элемента. Открытие сложной структуры атома стало крупнейшим событием в физике, поскольку оказались опровергнутыми представления классической физики об атомах как твердых и неделимых структурных единицах вещества [1].

2. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ КАК ГЛУБИННЫЙ УРОВЕНЬ СТРУКТУРНОЙ ОРГАНИЗАЦИИ МАТЕРИИ

Дальнейшее проникновение в глубины микромира связано с переходом от уровня атомов к уровню элементарных частиц. В качестве первой элементарной частицы в Конце XIX в. был открыт электрон, а затем в первые десятилетия XX 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 образовании. Позднее физики осознали всю условность термина «элементарный» применительно к микрообьекгам.

Сейчас уже не подлежит сомнению, что частицы имеют ту или иную структуру, но тем не менее исторически сложившееся название продолжает существовать [7].

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 и нейтрино); мезоны — средние частицы с массой в пределах от одной до тысячи масс электрона; барионы — тяжелые частицы, чья масса превышает тысячу масс электрона и в состав которых входят протоны, нейтроны, гипероиы 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. Приблизительно в 1963—1964 гг. была высказана гипотеза о существовании кварков — частиц с дробным электрическим зарядом. Экспериментального подтверждения эта гипотеза 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 около 10^-10 — 10^-24 с, после чего распадаются. Элементарные частицы со средним временем жизни 10^-23 — 10^-22 с называют резонансами. Вследствие краткого времени жизни они распадаются еще 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 еще одно важное представление — взаимодействия. 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 связывает частицы, в результате чего образуются материальные системы с высокой энергией связи — атомные ядра. Именно по этой причине ядра атомов являются весьма устойчивыми, их трудно разрушить.

Электромагнитное взаимодействие примерно в тысячу раз слабее сильного, но значительно более дальнодействуюшее. Взаимодействие такого типа свойственно электрически заряженным частицам. 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. В определенном смысле это взаимодействие является f основным в химии и биологии. Слабое взаимодействие возможно между различными частицами. Оно простирается на расстояние порядка 10^-15 — 10^-22 ем и связано главным образом с распадом частиц, например, с происходящими в атомном ядре превращениями нейтрона в простои, электрон и антинейтрино. Согласно современному уровню знаний, большинство частиц нестабильны именно благодаря слабому взаимодействию [2].

Гравитационное взаимодействие — самое слабое, не учитываемое в теории элементарных частиц. Однако на ультрамалых расстояниях (порядка 10^-33 см) и при ультрабольших энергиях гравитация вновь приобретает существенное значение поскольку гравитационное взаимодействие по своей силе становится сравнимым с остальными видами взаимодействия. 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 его типами. Например, протон — частица с сильным взаимодействием, но наличие электрического заряда заставляет его принимать участие также в электромагнитном взаимодействии. А так как он мог возникнуть вследствие (3-распада нейтрона, т.е. процесса слабого взаимодействия, то протон связан и со слабым взаимодействием. И, наконец, он участвует в гравитационном взаимодействии, поскольку тела, в состав атомов которых входит протон, имеют вес.

Некоторые частицы могут принимать участие в одних видах взаимодействия и не участвовать в других. Частицы типа электрона или мюона не принимают участие в сильных взаимодействиях. Фундаментальные взаимодействия приводят к превращению частиц: их уничтожению и созданию. Например, при столкновении нейтрона и протона могут возникнуть два нейтрона и П⁺ —мезон. От силы взаимодействия зависит время, в течение которого совершается превращение элементарных частиц. Ядерные реакции, связанные с сильными взаимодействиями, происходят в течение 10^-24 — 10^-23 с. Это приблизительно тот кратчайший интервал времени, за который частица, ускоренная до высоких энергий, до скорости, близкой скорости света, проходит через элементарную частицу размером порядка 10^-13 см. Изменения, обусловленные электромагнитными взаимодействиями, осуществляются в течение 10^-19 — 10^-21 с, а слабыми (например, распад элементарных частиц) — в основном 10^-10 с. По времени различных превращений можно судить о силе связанных с ними взаимодействий.

Взаимодействия элементарных частиц осуществляются посредством соответствующих физических полей, квантами которых они являются. В современной квантовой теории поля под полем понимается система с переменным число частиц (квантов поля). Наинизшее энергетическое состояние поля, в котором вообще нет квантов поля, называется вакуумом. В вакуумном состоянии при отсутствии возбуждения электромагнитное поле не содержит частиц (фотонов). В этом состоянии оно не обладает механическими свойствами, присущими корпускулярному веществу (например, тела при движении в нем не испытывают трения). 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 зарегистрированы. Квантовое поле представляет собой совокупность квантов и носит дискретный характер, так как все взаимодействия элементарных частиц: взаимопревращение, излучение и поглощение фотонов происходит дискретно, квантованным образом.

Состояние поля в квантовой электродинамике, как и в квантовой механике, задается волновой функцией, которая связана с реальными наблюдаемыми явлениями не строго однозначно, а посредством понятия вероятности. Квадрат модуля функции дает вероятность наблюдения того или иного физического явления. Если провести целый комплекс опытов, то в итоге получится картина, напоминающая результат волнового процесса.

Основная проблема квантовой теории поля — проблема взаимодействия частиц разного типа. Пока она решена лишь в квантовой 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 взаимодействиями [4].

3. СТАНДАРТНАЯ ИЕРАРХИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

В общем случае множество феноменов (объектов, явлений) может быть классифицировано (в том числе иерархически) неконечным числом способов, то есть на основании различных принципов. Под иерархической понимается такая классификация, в которой, помимо разделения множества объектов на некоторые группы, дополнительно устанавливаются некоторые отношения соподчинения между отдельными группами.

Вопрос о структуре элементарных частиц окончательно не решен. С одной стороны, понятно, что элементарные частицы обладают собственной структурой, а с другой — характер этой структуры остается во многом невыясненным. Элементарные частицы на самом деле не элементарны, т.е. не «неделимы», как думали раньше, а обладают внутренней структурой, могут распадаться и превращаться одна в другую. Об их строении пока мало что известно. Тем не менее на основе некоторых фактов можно утверждать, что элементарные частицы представляют собой вид материи, качественно отличный от более сложных частиц. Различие между ними так велико, что к элементарным частицам неприменимы категории простого и сложного, составной части и структурного целого, т.е. понятие «внутренней структуры», к которой мы привыкли при рассмотрении атомных ядер, атомов, молекул и макроскопических тел [3].

Понятия «простого и сложного», «составной части» и «структурного целого» в мире элементарных частиц имеют совершенно иное содержание, чем в атомной или классической физике. Специфика элементарных частиц проявляется и в энергетических взаимодействиях. Энергия материальных тел, от макроскопических объектов до атомных ядер, складывается из двух составляющих: собственной энергии, соответствующей массе тела, и суммы энергий связей составных элементов. Хотя эти два вида энергий и неотделимы друг от друга, они в корне различны по своей природе. Собственная энергия объектов намного превышает энергию связи составных частей. Энергия связи элементов такова, что при помощи несколько большей энергии вполне возможно однозначное деление структуры на составные части. Например, можно разложить молекулу на атомы, но в самих атомах при этом не происходит заметных изменений. С элементарными частицами дело обстоит совершенно иначе. Энергия элементарных частиц не раскладывается на собственную энергию и энергию связи. Поэтому элементарные частицы не могут разлагаться на составные части, хотя, несомненно, имеют внутреннюю структуру, которую пока невозможно описать. Элементарные частицы не содержат частиц, из которых они возникли в более или менее неизменной форме.

В структурной иерархии материальных систем свой единственный структурный уровень образуют и атомное ядро, и атом, и молекула, и макроскопические тела. Поэтому составляющие тела, с одной стороны, относительно просты по сравнению с телами следующего уровня и являются их составными частями. С другой стороны, они относительно сложны по сравнению с телами, лежащими на более низком уровне, и являющимися в свою очередь их составными частями.

Все тела, начиная с атомных ядер до материальных тел самого большого размера, обладают следующим общим свойством: в каждом из них можно выделить относительно простые структурные элементы, которые образуют данное тело и в структурной иерархии лежат непосредственно под ними. Каждое тело можно разделить на части, из которых оно возникло. Процессы соединения и разделения по сути своей равнозначны. Например, молекула данного химического вещества может быть образована из некоторого числа определенных атомов и разложена точно на такие же атомы. Сложное целое обладает большей массой, чем масса каждой из его составляющих. Для элементарных частиц это положение недействительно. Продукты распада элементарной частицы не более просты, чем распавшаяся, точнее, «преобразовавшаяся» частица. Они так же являются элементарными частицами. Следовательно, согласно современным представлениям, продукты распада находятся на том же уровне структурной иерархии, что и породившая их частица [8].

Например, из нейтрона при определенных условиях возникают протон, электрон и нейтрино. Но нейтрон не более сложен и не более прост, чем протон, электрон или нейтрино. Кроме того, протон и электрон можно получить и в других реакциях. Почти каждая элементарная частица может быть «составной частью» любой другой элементарной частицы. На элементарном уровне структурное целое не обязательно больше, чем каждая из его составляющих. Более того, его масса может быть и намного меньше. Например, в некоторых случаях из нуклона и антинуклона образуется мезон, масса которого значительно меньше массы нуклона. Это обусловлено тем, что высвобождающаяся при возникновении элементарной частицы энергия Е уносит такую массу, что продукт реакции С² уже не похож на первоначальную частицу.

Согласно современным представлениям, структура элементарных частиц описывается посредством непрерывно возникающих и снова распадающихся «виртуальных» частиц. Например, мезон строится из виртуального нуклона и антинуклона, которые в процессе аннигиляции (лат. annihildtio, буквально уничтожение) непрерывно исчезают, а затем образуются снова. Формальное привлечение виртуальных частиц означает, что внутреннюю структуру элементарных частиц невозможно описать через другие частицы.

В масштабах микромира фактически теряется разница между частицами вещества и частицами (квантами) поля, поэтому в соответствии с общепринятой в настоящее время стандартной моделью все известные на сегодняшний день элементарные частицы делятся на два больших класса:

1.частицы - источники взаимодействий;

2. частицы - переносчики взаимодействий (рис. 1).

Рис. 1. Стандартная модель элементарных частиц

Частицы первого класса, в свою очередь, подразделяются на две группы, отличающиеся тем, что частицы первой группы – адроны - участвуют во всех четырех фундаментальных взаимодействиях, включая сильные, а частицы второй группы – лептоны - не участвуют в сильных взаимодействиях. К адронам относится очень много различных элементарных частиц, большинство из которых имеет своего «двойника» - античастицу. Как правило, это довольно массивные частицы, с малым временем жизни. Исключение составляют нуклоны, причем считается, что время жизни протона превышает возраст Вселенной.

Лептонами являются шесть элементарных частиц: электрон е, мюон m и таон t, а также связанные с ними три нейтрино nе, nm и nt. Кроме того, каждая из этих частиц также имеет своего «двойника» - соответствующую античастицу. Все лептоны настолько похожи друг на друга по некоторым, специфическим в масштабах микромира свойствам, что мюон и таон можно было бы назвать тяжелыми электронами, а нейтрино - электронами, «потерявшими» заряд и массу. В то же время, в отличие от электронов, мюоны и таоны являются радиоактивными, а все нейтрино чрезвычайно слабо взаимодействуют с веществом и поэтому настолько неуловимы, что, например, их поток проходит через Солнце, практически не ослабляясь.

Отметим, что нейтрино в последнее время привлекают к себе огромный интерес, особенно в связи с проблемами космологии, так как считается, что в потоках нейтрино сосредоточена значительная часть массы Вселенной.
Что касается адронов, то сравнительно недавно, около 30 лет назад, физики нащупали еще один «этаж» в их строении. Рассматриваемая стандартная модель предполагает, что все адроны являются суперпозицией нескольких кварков и антикварков. Кварки различаются по свойствам, многие из которых не имеют аналогов в макромире. Различные кварки обозначаются буквами латинского алфавита: u («up» ), d («down»), c («charm»), b («beauty»), s («strange»), t («truth»).

Кроме того, каждый из перечисленных кварков может существовать в трех состояниях, которые называются «цветом»: «синем», «зеленом» и «красном». В последнее время стало общепринятым говорить еще и об «аромате» кварка - так называют все его параметры, не зависящие от «цвета». Конечно, все эти термины не имеют ничего общего с обычными значениями соответствующих слов. Этими вполне научными терминами обозначаются физические характеристики, которым как правило невозможно дать макроскопическую интерпретацию.

Предполагается, что кварки имеют дробный электрический заряд (-е/3 и +2е/3, где е = 1,6 Ч 10-19 Кл - заряд электрона) и взаимодействуют друг с другом с «силой», увеличивающейся с расстоянием. Поэтому кварки нельзя «разорвать», они не могут существовать отдельно друг от друга. В определенном смысле кварки являются «настоящими», «истинными» элементарными частицами для адронной формы материи. Теория, описывающая поведение и свойства кварков, называется квантовой хромодинамикой.

Частицы - переносчики взаимодействий включают в себя восемь глюонов (от английского слова glue - клей), ответственных за сильные взаимодействия кварков и антикварков, фотон, осуществляющий электромагнитное взаимодействие, промежуточные бозоны, которыми обмениваются слабо-взаимодействующие частицы, и гравитон, принимающий участие в универсальном гравитационном взаимодействии между всеми частицами.

В физике элементарных частиц рассматривается понятие поколение — это часть классификации элементарных частиц, относящаяся к фундаментальным фермионам (кваркам и лептонам). Частицы разных поколений отличаются только массой и ароматом; все фундаментальные взаимодействия и квантовые числа идентичны. Согласно Стандартной Модели, существует всего три поколения.

В каждом поколении два лептона и два кварка. Два лептона — это один лептон с электрическим зарядом −1 (подобный электрону) и один нейтральный (нейтрино); из двух кварков один имеет заряд −1/3 (типа d-кварка), а второй +2/3 (типа u-кварка).

Первое поколение включает в себя: электрон, электронное нейтрино, d-кварк и u-кварк.

Второе поколение включает в себя: мюон, мюонное нейтрино, s-кварк и c-кварк.

Третье поколение включает в себя: тау-лептон, тау-нейтрино, b-кварк и t-кварк.

Каждый член следующего поколения имеет массу большую, чем соответствующая частица предыдущего (для нейтрино это остаётся лишь предположением, обратная иерархия масс не исключена экспериментально). Например, заряженный лептон первого поколения (электрон) имеет массу всего 0,511 МэВ, мюон (второе поколение) имеет массу 106 МэВ, а тау-лептон (третье поколение) имеет массу 1777 МэВ (почти в два раза тяжелее протона) [5].

Все обычные атомы содержат частицы первого поколения. Электроны окружают атомное ядро, состоящее из протонов и нейтронов, которые содержат u- и d-кварки. Второе и третье поколения заряженных частиц не присутствуют в обычной материи и наблюдаются только в условиях очень высоких энергий. Нейтрино всех поколений пронизывают вселенную, но редко взаимодействуют с обычной материей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, элементарных частиц иерархия — это одновременно и способ построения систем, и метод их логического анализа. Каждая из выделенных иерархий отражает некоторую сущность системы - они не исключают друг друга, а лишь дополняют. То есть констатируется возможность параллельного установления различных систем иерархизации.

Принцип неисчерпаемости материи основывается на признании бесконечного многообразия форм материи, отсутствия какого-либо исходного уровня в ее структуре, первой ступени ее развития.

Все это приводит к признанию несостоятельными идей, основанных на представлениях о самосогласованности уровня элементарных частиц, его замкнутости на самого себя. К тому же современная физика обнаружила сложную иерархию уровней элементарных частиц, сложную структуру физического вакуума, на очереди физика протокварков.

Удовлетворительной теории происхождения и структуры и взаимоотношений элементарных частиц пока нет. Многие учёные считают, что такую теорию можно создать только при учете космологических обстоятельств. Большое значение имеет исследование рождения элементарных частиц из вакуума в сильных гравитационных и электромагнитных полях, поскольку здесь устанавливается связь микро- и мегамиров. Фундаментальные взаимодействия во Вселенной в мегамире определяют структуру элементарных частиц и их превращения. Очевидно, потребуется выработка новых понятий для адекватного описания структуры материального мира.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Ващекин Н.П. Концепции современного естествознания. – М.: МГУК, 2000. – 189 с.
Горбачев В. В. Концепции современного естествознания. –В 2-х ч. - 2-е изд., испр. и доп. — М.: ОНИКС 21 век, «Мир и Образование», 2005. — 672 с.
Горелов А.А. Концепции современного естествознания: учебное пособие для вузов. - М.: Владос, 1999. - 511 с.
Дубнищева Т. Я. Концепции современного естествознания. – Новосибирск: ЮКЭА, 1997. – 834 с.
Дягилев Ф. М. Концепции современного естествознания. – М.: ИМПЭ, 1998. – 192 с.
Карпенков С. Х., Шахнов В. А. Концепции современного естествознания: учебник для студентов вузов. - М.: ЮНИТИ, 1997. - 520 с.
Концепции современного естествознания / Под ред. С. И. Самсыгина. – Ростов на Дону: Феникс, 1999. – 576 с.
Концепции современного естествознания: учебник для студентов вузов / Под ред. В. Н. Лавриненко, В. П. Ратникова. – 4-е изд., перераб. и доп. - М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2008. – 319 с.