ЧАСТИНИ ЕЛЕМЕНТАРНІ

ЧАСТКИ ЕЛЕМЕНТАРНІ. Склад матерії неймовірно простий. Вся видима матерія у Всесвіті – на Землі та у космосі – складається з фундаментальних частинок трьох різних видів: електронів та двох типів кварків.

Ці три частинки (як і інші описані нижче) взаємно притягуються і відштовхуються відповідно до своїх зарядам, яких всього чотири види за кількістю фундаментальних сил природи. Заряди можна розташувати у порядку зменшення відповідних сил таким чином: колірний заряд (сили взаємодії між кварками); електричний заряд (електричні та магнітні сили); слабкий заряд (сили у деяких радіоактивних процесах); нарешті, маса (сили тяжіння, чи гравітаційної взаємодії). Слово «колір» тут немає нічого спільного з кольором видимого світла; це просто характеристика сильного заряду та найбільших сил.

Заряди зберігаються, тобто. заряд, що входить до системи, дорівнює заряду, що з неї виходить. Якщо сумарний електричний заряд деякого числа частинок до взаємодії дорівнює, скажімо, 342 одиницям, він і після взаємодії незалежно з його результату дорівнює 342 одиницям. Це стосується й інших зарядів: колірного (заряду сильної взаємодії), слабкого та масового (маси). Частинки розрізняються своїми зарядами: по суті, вони і є зарядами. Заряди – це хіба що «довідка» про право відповідати відповідну силу. Так, тільки на кольорові частинки діють колірні сили, тільки на електрично заряджені частинки діють електричні сили тощо. Властивості частки визначаються найбільшою силою, що діє на неї.Тільки кварки є носіями всіх зарядів і, отже, схильні до дії всіх сил, серед яких домінуючою є колірна. Електрони мають усі заряди, крім колірного, а домінуючою їм є електромагнітна сила.

Найбільш стійкими у природі виявляються, зазвичай, нейтральні комбінації частинок, у яких заряд частинок одного знака компенсується сумарним зарядом частинок іншого знака. Це відповідає мінімуму енергії усієї системи. (Точно так само два стрижневі магніти розташовуються в лінію, причому північний полюс одного з них звернений до південного полюса іншого, що відповідає мінімуму енергії магнітного поля.) Гравітація ж є винятком з цього правила: негативної маси не існує. Немає тіл, які б падали вгору.

ВИДИ МАТЕРІЇ

Звичайна матерія утворюється з електронів і кварків, що групуються в об'єкти, нейтральні за колірним, а потім і електричним зарядом. Колірна сила нейтралізується, про що докладніше буде сказано нижче, коли частки об'єднуються в триплети. (Звідси і сам термін «колір», взятий з оптики: три основні кольори при змішуванні дають білий.) Таким чином, кварки, для яких колірна сила є головною, утворюють триплети. Але кварки, а вони поділяються на u-кварки (від англ. up - верхній) та d-кварки (від англ. down - нижній), мають ще й електричний заряд, що дорівнює u-кварка і для d-Кварювання. Два u-кварка та один d-Кварк дають електричний заряд +1 і утворюють протон, а один u-кварк і два d-кварка дають нульовий електричний заряд і утворюють нейтрон

Стабільні протони і нейтрони, що притягуються один до одного залишковими силами взаємодії між складовими їх кварками, утворюють нейтральне за кольором ядро ​​атома. Але ядра несуть позитивний електричний заряд і, притягуючи негативні електрони, що обертаються навколо ядра на зразок планет, що обертаються навколо Сонця, прагнуть утворити нейтральний атом. Електрони на своїх орбітах віддалені від ядра на відстані, що в десятки тисяч разів перевищують радіус ядра, – свідчення того, що електричні сили, що їх утримують, набагато слабші за ядерні. Завдяки силі взаємодії кольору 99,945% маси атома укладено в його ядрі. Маса u- І d-кварків приблизно в 600 разів більше за масу електрона. Тому електрони набагато легші і рухливіші за ядер. Їхнім рухом у речовині обумовлені електричні явища.

Існує кілька сотень природних різновидів атомів (включаючи ізотопи), що відрізняються числом нейтронів і протонів в ядрі і відповідно числом електронів на орбітах. Найпростіший - атом водню, що складається з ядра у вигляді протона і єдиного електрона, що обертається навколо нього. Вся «видима» матерія у природі складається з атомів і частково «розібраних» атомів, які називаються іонами. Іони - це атоми, які, втративши (або придбавши) кілька електронів, стали зарядженими частинками. Матерія, що складається майже з одних іонів, називається плазмою. Зірки, що горять за рахунок термоядерних реакцій, що йдуть в центрах, складаються в основному з плазми, а оскільки зірки - найпоширеніша форма матерії у Всесвіті, можна сказати, що і весь Всесвіт складається в основному з плазми. Точніше, зірки – це цілком іонізований газоподібний водень, тобто.суміш окремих протонів і електронів, а отже, з неї і складається майже весь видимий Всесвіт.

Це – видима матерія. Але у Всесвіті є ще невидима матерія. І є частинки, які у ролі носіїв сил. Існують античастинки та збуджені стани деяких частинок. Все це призводить до явно надмірного достатку «елементарних» частинок. У цьому достатку можна знайти вказівку на справжню, справжню природу елементарних частинок і сил, що діють між ними. Згідно з останніми теоріями, частинки у своїй основі можуть бути протяжними геометричними об'єктами – «струнами» в десятивимірному просторі.

Невидимий світ.

У Всесвіті є не лише видима матерія (а також чорні дірки та «темна матерія», наприклад, холодні планети, які стануть видимими, якщо їх висвітлити). Існує і справді невидима матерія, що пронизує всіх нас і весь Всесвіт щомиті. Вона являє собою швидко рухається газ із частинок одного сорту – електронних нейтрино.

Електронне нейтрино є партнером електрона, але немає електричного заряду. Нейтрино несуть лише так званий слабкий заряд. Їх маса спокою, ймовірно, дорівнює нулю. Але з гравітаційним полем вони взаємодіють, оскільки мають кінетичну енергію. E, якій відповідає ефективна маса m, згідно з формулою Ейнштейна E = mc 2 , де c - Швидкість світла.

А що ж нейтрино? Оскільки ці частинки вкрай слабо взаємодіють з іншою речовиною, вони майже відразу йдуть із зірок, у яких народилися. Усі зірки сяють, випускаючи нейтрино, а нейтрино вдень і вночі просвічують наші тіла та всю Землю. Так вони мандрують Всесвітом, поки не вступлять, можливо, в нову взаємодію (див. також НЕЙТРИННА АСТРОНОМІЯ; ЗІРКИ).

Переносники взаємодій.

За рахунок чого з'являються сили, що діють між частинками на відстані? Сучасна фізика відповідає: рахунок обміну іншими частками. Уявіть собі двох ковзанярів, що перекидаються м'ячем. Повідомляючи м'ячу імпульс при кидку та отримуючи імпульс з прийнятим м'ячем, обидва одержують поштовх у напрямку один від одного. Так можна пояснити виникнення сил відштовхування. Але в квантовій механіці, що розглядає явища в галузі мікросвіту, допускаються незвичайні розтягнення та справакалізація подій, що призводить, здавалося б, до неможливого: один із ковзанярів кидає м'яч у напрямку від іншого, але той проте може цей м'яч зловити. Неважко збагнути, що, якби таке можливо (а у світі елементарних частинок це можливо), між ковзанярцями виникло б тяжіння.

Частинки, завдяки обміну якими виникають сили взаємодії між чотирма розглянутими вище «частинками матерії», називаються калібрувальними частинками. вісім). Фотон – переносник електромагнітної взаємодії. (Він один, а фотони ми сприймаємо як світло). W + -, W - -бозони та нейтральний Z-бозон).Частиною-переносником гравітаційної взаємодії є поки що гіпотетичний гравітон (він повинен бути один). , а гравітони – гравітаційними хвилями (поки що з достовірністю не виявленими).

Так, електрони, здатні випускати фотони, оточені електричними і магнітними полями, а також слабкими і гравітаційними полями, але ще й полем сильного. взаємодії. На частинки з колірним зарядом у полі колірних сил діє колірна сила. саме відноситься до інших сил природи. Тому можна сказати, що світ складається з речовини (матеріальних частинок) і поля (калібрувальних частинок).

Антиречовина.

Кожній частинці відповідає античастка, з якою частка може взаємно знищитися, тобто.«Анігілювати», внаслідок чого вивільняється енергія. «Чистої» енергії самої собою, проте, немає; в результаті анігіляції виникають нові частинки (наприклад, фотони), що забирають цю енергію.

Античастка в більшості випадків має протилежні по відношенню до відповідної частки властивостями: якщо частка під дією сильного, слабкого або електромагнітного полів рухається вліво, то її античастка рухатиметься вправо. Коротше кажучи, античастинка має протилежні знаки всіх зарядів (крім масового заряду). Якщо частинка складова, як, наприклад, нейтрон, її античастка складається з компонент з протилежними знаками зарядів. Так, антиелектрон має електричний заряд +1 слабкий заряд +1/2 і називається позитроном. Антинейтрон складається з і-антикварків з електричним зарядом –2/3 та d-антикварки з електричним зарядом +1/3. Істинно нейтральні частки є своїми власними античастинками: античастинка фотону - фотон.

Відповідно до сучасних теоретичних уявлень, своя античастка має бути для кожної існуючої в природі частинки. І багато античасток, у тому числі позитронів і антинейтронів, дійсно були отримані в лабораторії. Наслідки цього є виключно важливими і лежать в основі всієї експериментальної фізики елементарних частинок. Відповідно до теорії відносності, маса та енергія еквівалентні, і в певних умовах енергія може бути перетворена на масу. Оскільки заряд зберігається, а заряд вакууму (порожнього простору) дорівнює нулю, з вакууму, як кролики з капелюха фокусника, можуть виникати будь-які пари частинок і античастинок (з нульовим сумарним зарядом), аби енергія була достатньою для створення їхньої маси.

Так, в експериментах одного із звичайних сьогодні типів електрони змушують стикатися з позитронами, створюючи енергію з нульовим повним зарядом, яка може реалізовуватися у вигляді будь-якої пари частка – античастка, аби її вистачало для створення їхньої маси. Так само в будь-якому іншому експерименті зі зіткненнями частинок енергія може виникати у вигляді нових частинок будь-яких типів, якщо вони утворюють пари з нульовим сумарним зарядом. Таким чином, прискорювачі частинок не просто зондують структуру матерії, а створюють нові види матерії, в тому числі й такі, яких, можливо, вже не було з часу Великого вибуху, який дав початок нашому Всесвіту.див. також АНТИРЕЧОВИНА; КОСМОЛОГІЯ В АСТРОНОМІЇ; ПРИСКОРЮВАЧ ЧАСТИНИ).

Покоління частинок.

Експерименти на прискорювачах показали, що четвірка (квартет) матеріальних частинок принаймні двічі повторюється за більш високих значень маси. У другому поколінні місце електрона займає мюон (з масою, приблизно в 200 разів більшої маси електрона, але з колишніми значеннями решти всіх зарядів), місце електронного нейтрино – мюонне (яке супроводжує у слабких взаємодіях мюону так само, як електрону супроводжує електронне нейтрино), місце і-кварка займає з-кварк (зачарований), а d-кварка - s-кварк (дивний). У третьому поколінні квартет складається з тау-лептону, тау-нейтрино, t-кварка та b-Кварювання.

Маса t-кварка приблизно в 500 разів більше за масу найлегшого – d-Кварювання. Експериментально встановлено, що є лише три типи легких нейтрино. Таким чином, четверте покоління частинок або немає зовсім, або відповідні нейтрино є дуже важкими.Це узгоджується з космологічними даними, відповідно до яких можуть існувати трохи більше чотирьох типів легких нейтрино.

В експериментах з частинками високих енергій електрон, мюон, тау-лептон та відповідні нейтрино виступають як відокремлені частки. Вони не несуть колірного заряду і вступають лише у слабкі та електромагнітні взаємодії. У сукупності вони називаються лептонами.

Частинки другого та третього покоління не менш реальні, ніж першого. Щоправда, виникнувши, вони за мільйонні чи мільярдні частки секунди розпадаються на звичайні частки першого покоління: електрон, електронне нейтрино, а також і- І d-Кварки. Питання, чому у природі існують кілька поколінь частинок, досі залишається загадкою.

Про різні покоління кварків і лептонів часто говорять (що, звичайно, дещо ексцентрично) як про різні «аромати» частинок.Необхідність їхнього пояснення називається проблемою «аромату».

БОЗОНИ І ФЕРМІОНИ, ПОЛЕ І РЕЧОВИНА

Однією з важливих відмінностей між частинками є різницю між бозонами і ферміонами. Усі частинки поділяються на ці два основні класи. Однакові бозони можуть накладатися один на одного або перекриватися, а однакові ферміони – ні. Накладення відбувається (чи відбувається) у дискретних енергетичних станах, куди квантова механіка ділить природу. Ці стани являють собою окремі осередки, в які можна поміщати частинки. Так от, в один осередок можна помістити скільки завгодно однакових бозонів, але тільки один ферміон (див. також КВАНТОВА МЕХАНІКА).

Як приклад розглянемо такі осередки, чи «стану», для електрона, що обертається навколо ядра атома. На відміну від планет Сонячної системи, електрон за законами квантової механіки не може звертатися будь-якою еліптичною орбітою, для нього існує лише дискретний ряд дозволених «станів руху». Набори таких станів, що групуються відповідно до відстані від електрона до ядра, називаються орбіталями. У першій орбіталі є два стани з різними моментами імпульсу і, отже, дві дозволені осередки, а вищих орбіталях – вісім і більше осередків.

Оскільки електрон відноситься до ферміонів, у кожному осередку може бути лише один електрон. Звідси випливають дуже важливі наслідки – вся хімія, оскільки хімічні властивості речовин визначаються взаємодією між відповідними атомами.Якщо йти по періодичній системі елементів від одного атома до іншого в порядку збільшення на одиницю числа протонів в ядрі (кількість електронів теж відповідно збільшуватиметься), то перші два електрони займуть першу орбіталь, наступні вісім розташуються на другій і т.д. Цією послідовною зміною електронної структури атомів від елемента до елемента та обумовлені закономірності в їх хімічних властивостях (див. також ПЕРІОДИЧНА ТАБЛИЦЯ ЕЛЕМЕНТІВ).

Якби електрони були бозонами, то всі електрони атома могли б займати ту саму орбіталь, що відповідає мінімальній енергії. При цьому властивості всієї речовини у Всесвіті були б зовсім іншими, і в тому вигляді, в якому ми її знаємо, Всесвіт був би неможливим.

Усі лептони – електрон, мюон, тау-лептон та відповідні їм нейтрино – є ферміонами. Те саме можна сказати про кварки. Таким чином, усі частинки, які утворюють «речовину», основний наповнювач Всесвіту, а також невидимі нейтрино є ферміонами. Це дуже суттєво: ферміони не можуть поєднуватися, так що те саме стосується предметів матеріального світу.

У той же час усі «калібрувальні частинки», якими обмінюються взаємодіючі матеріальні частинки і створюють поле сил (див. вище), є бозонами, що також дуже важливо. Так, наприклад, багато фотонів можуть бути в одному стані, утворюючи магнітне поле навколо магніту або електричне поле навколо електричного заряду. Завдяки цьому можливий лазер (див. також Лазер).

Спін.

Різниця між бозонами та ферміонами пов'язана із ще однією характеристикою елементарних частинок – спином. Хоч як це дивно, але всі фундаментальні частинки мають власний момент імпульсу або, простіше кажучи, обертаються навколо осі. Момент імпульсу – характеристика обертального руху, як і сумарний імпульс – поступального. У будь-яких взаємодіях момент імпульсу та імпульс зберігаються.

У мікросвіті момент імпульсу квантується, тобто. набуває дискретних значень. У відповідних одиницях виміру лептони і кварки мають спін, рівний 1/2, а калібрувальні частинки - спін, рівний 1 (крім гравітону, який експериментально поки не спостерігався, а теоретично повинен мати спін, рівний 2). Оскільки лептони та кварки – ферміони, а калібрувальні частинки – бозони, можна припустити, що «ферміонність» пов'язана зі спином 1/2, а «бозонність» – зі спином 1 (або 2). Справді, і експеримент, і теорія підтверджують, що й у частки напівцілий спин, вона – ферміон, і якщо цілий – то бозон.

КАЛІБРУВАЛЬНІ ТЕОРІЇ І ГЕОМЕТРІЯ

У всіх випадках сили виникають унаслідок обміну бозонами між ферміонами. Так, колірна сила взаємодії між двома кварками (кварки – ферміони) виникає з допомогою обміну глюонами. Подібний обмін постійно відбувається у протонах, нейтронах та атомних ядрах. Так само фотони, якими обмінюються електрони і кварки, створюють електричні сили тяжіння, утримують електрони в атомі, а проміжні векторні бозони, якими обмінюються лептони і кварки, створюють сили слабкої взаємодії, відповідальні перетворення протонів в нейтрони при термоядерних реакціях.

Теорія такого обміну витончена, проста і, мабуть, правильна. Вона називається калібрувальною теорією. Але в даний час існують лише незалежні калібрувальні теорії сильної, слабкої та електромагнітної взаємодій і подібна з ними, хоча в чому і відрізняється, калібрувальна теорія гравітації. Однією з найважливіших фізичних проблем є зведення цих окремих теорій у єдину разом із тим просту теорію, у якій вони стали б різними аспектами єдиної реальності – як грані кристала.

Найпростішою і найстарішою з калібрувальних теорій є калібрувальна теорія електромагнітної взаємодії. У ній заряд електрона порівнюється (калібрується) із зарядом іншого електрона, віддаленого від нього. Як можна порівнювати заряди? Можна, наприклад, наблизити другий електрон до першого та порівнювати їх сили взаємодії. Але чи змінюється заряд електрона під час його переміщенні до іншої точки простору? Єдиний спосіб перевірки – надіслати від ближнього електрона до далекого сигналу і подивитися, як він зреагує. Сигналом є калібрувальна частка – фотон. Щоб можна було перевірити заряд на віддалених частинках, потрібний фотон.

У математичному відношенні ця теорія відрізняється надзвичайною точністю та красою.З описаного вище «калібрувального принципу» випливає вся квантова електродинаміка (квантова теорія електромагнетизму), і навіть теорія електромагнітного поля Максвелла – одне з найбільших наукових досягнень 19 в.

Чому ж такий простий принцип виявляється таким плідним? Мабуть, він висловлює певну співвіднесеність різних частин Всесвіту, дозволяючи проводити виміри у Всесвіті. У математичному плані поле інтерпретується геометрично як кривизна деякого мислимого «внутрішнього» простору. Вимірювання ж заряду – це вимір повної «внутрішньої кривизни» навколо частки. Калібрувальні теорії сильної та слабкої взаємодій відрізняються від електромагнітної калібрувальної теорії лише внутрішньою геометричною «структурою» відповідного заряду. На питання, де саме знаходиться цей внутрішній простір, намагаються відповісти багатовимірні єдині теорії поля, які тут не розглядаються.

Фізика елементарних частинок поки що не завершена. Ще далеко не зрозуміло, чи достатньо даних для повного розуміння природи частинок і сил, а також істинної природи та розмірності простору та часу. Чи потрібні нам для цього експерименти з енергіями 10 15 ГеВ чи буде достатньо зусиль думки? Відповіді наразі немає. Але можна сказати з упевненістю, що остаточна картина буде простою, витонченою і красивою.Можливо, що принципових ідей виявиться не так багато: калібрувальний принцип, простори вищих розмірностей, колапс та розширення, а насамперед – геометрія.

Намбу Е. Кварки: на передньому краї фізики елементарних частинок. М., 1984
Фундаментальна структура матерії. М., 1984
Окунь Л.Б. abg. Z (елементарне введення у фізику елементарних частинок). М., 1985