Основные физические взаимодействия

Классификация элементарных частиц

Исторически первыми экспериментально обнаруженными элементарными частицами были электрон, протон, а затем нейтрон. Однако вскоре выяснилось, что мир устроен значительно сложнее. Было установлено, что для каждой частицы имеется своя античастица, отличающаяся от нее лишь знаком зарядов; для частиц с нулевыми значениями всех зарядов античастица совпадает с частицей (пример - фотон). Далее, с развитием экспериментальной ядерной физики, к перечисленным частицам прибавилось еще свыше 300 частиц.

Элементарные частицы характеризуются своей массой, электрическим зарядом, собственным моментом количества движения - спином. Исходя из значения спина, все элементарные частицы можно разделить на две группы. Частицы с полуцелым спином называются фермионами (в честь известного физика Э.Ферми). Все эти частицы обладают свойством, имеющим характер закона - частицы с полуцелым спином могут находиться вместе лишь при условии, что их физические состояния (то есть вся совокупность характеризующих частиц параметров) не одинаковы. Этот закон в квантовой механике называется запретом Паули. Частицы с целочисленным спином называются бозонами (в честь другого крупного физика – Ш.Бозе). На них запрет Паули не распространяется, и они могут находится вместе в любом количестве.

Поля фермионов всегда остаются квантованными, и в классическом пределе они переходят в частицы. Например, электрон, являющийся фермионом (его спин равен 1/2), в классическом пределе выступает как истинная частица, хотя и обладает волновыми свойствами. То же относится к протону, нейтрону и всем другим частицам-фермионам. Поля же бозонов в пределе переходят в классические поля. Так, один из представителей бозонных частиц - фотон (его спин равен 1) - в пределе становится классическим электромагнитным полем (свет, радиоволны). Существование фермионов и бозонов создает важнейшую предпосылку для проявлений привычного нашего макромира, состоящего из атомного вещества (фермионы) и излучений (бозоны).

Зная, что все элементарные частицы являются либо бозонами, либо фермионами, можно попытаться ответить на вопрос об элементарных «кирпичиках» материи. Поиск самых простых частиц вещества привел исследователей к пониманию того, что абсолютной элементарности не существует, что частица любого уровня сложна в своей сущности и в своих проявлениях, она неотделима от других физических реальностей, в числе которых особая роль принадлежит физическому вакууму. Условно же принято считать элементарными те частицы, у которых сегодня не обнаружена внутренняя структура.

Известны три класса таких частиц: лептоны, кварки и бозоны. Лептоны и кварки относятся к фермионам. Класс лептонов состоит из шести частиц и шести античастиц (электрон, мюон, тау-лептон и три вида нейтрино). Каждому заряженному лептону отвечает нейтральная частица - нейтрино (электронное, мюонное или тау). Лептоны играют важную роль в структуре мира. Нейтральные лептоны участвуют только в слабом взаимодействии; заряженные - в слабом и электромагнитном.

Класс кварков, как и класс лептонов, содержит шесть частиц и столько же античастиц. Физики назвали каждый тип кварков ароматом. Этот термин, ассоциирующейся с обонянием, на самом деле обозначает квантовое число, приписываемое частицам данного типа. Ароматы обозначаются первыми буквами английских слов, принятых в качестве их названия: up, down, strange, charmed, beauty, truth. Кварки - электрически заряженные частицы. Но их заряды имеют дробные значения по отношению к заряду электрона, условно принимаемого за 1, и равны ±1/3 или ±2/3. Экспериментальные поиски дробного заряда оказались безуспешными, хотя точность измерений была доведена до исключительно высоких значений. Очевидно, существование в природе дробного электрического заряда возможно при условии, что такие заряды вместе со своими частицами-носителями образуют связанные объединения, в которых суммарный электрический заряд равен либо 0, либо ± 1.

Также не удалось обнаружить ни один кварк в свободном состоянии, хотя эксперименты на ускорителях дают убедительные косвенные доказательства их реального существования в связанном состоянии. Кварки и антикварки группируются либо по две, либо по три частицы, образуя составные частицы, названные адронами. Кварки существуют только в таких составных частицах, вне их в современных условиях они существовать не могут, и это - принципиальное свойство вещества на данном микроуровне.

Составленные из кварков адроны подразделяются на три группы. Первая - барионы - образуется комбинациями из трех кварков. Эта группа включает протон и нейтрон - фундаментальную основу атомных ядер. Вторую группу образуют частицы, получаемые путём сочетания кварка и антикварка. Они называются мезонами. Ещё одна группа содержит частицы, образуемые сочетаниями трёх антикварков. В неё попадают антипротон, то есть то, что составляет основу антивещества. Выше перечисленные частицы-адроны составляют лишь небольшую часть образующихся из кварков частиц. Большую часть их составляют так называемые резонансы - неустойчивые коротко живущие частицы, быстро распадающиеся на стабильные частицы. Адроны участвуют в сильном, слабом и электромагнитном взаимодействиях.

В описанной стройной схеме обнаруживается принципиальный дефект. Кварки будучи фермионами, должны подчиняться запрету Паули и не могут соединяться вмести, если их состояния одинаковы. А в барионных и антибарионных частицах кварки одного аромата часто оказываются вместе. Например, протон образуется комбинацией кварков, записываемой так: uud, нейтрон - udd. Казалось бы, нарушается запрет Паули. Для устранения этого противоречия ввели предположение, что кварки одного аромата не идентичны, что они различаются характером взаимодействия друг с другом и поэтому для их описания ввели ещё одно квантовое число - цвет.

Взаимодействие цветовых зарядов осуществляют глюоны. Глюоны, обладая цветовым зарядом, взаимодействуют друг с другом. По-видимому, в этом лежит причина принципиально нового явления, называемого конфайнментом или невылетанием кварков. Дело в том, что, несмотря на достаточно большие энергии частиц, ускоренных в современных ускорителях, кварки наблюдать в свободном состоянии не удается. Они, по-видимому, существуют в природе только в виде пар кварк-антикварк (), троек (qqq) или более сложных образований. При объединении кварков и антикварков в адроны должны выполняться два условия: суммарный электрический заряд кварков в адроне должен быть целочисленным; кварки соединяющиеся в адрон, должны полностью компенсировать свои цветовые заряды и удовлетворять признаку бесцветности.

Известны четыре основных физических взаимодействия, которые определяют структуру нашего мира: сильные, слабые, электромаг­нитные и гравитационные.

1. Сильные взаимодействия происходят на уровне атомных ядер и представляют собой взаимное притяжение их взаимных частей. Действуют на расстояниях примерно 10^-13 см. Одно из проявлений сильных взаимодействий — ядерные си­лы. Сильные, взаимодействия открыты Э. Резерфордом в 1911 году одновременно с открытием атомного ядра. Переносчиками сильных взаимодействий являются глюоны. Ядерные силы не зависят от заряда частиц. В сильных взаимодействиях ве­личина заряда сохраняется.

2. Электромагнитное взаимодействие в 100-1000 раз слабее
сильного взаимодействия, но более дальнодействующее. 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. Электромагнитное взаимодействие связано с электрическими и магнит­ными полями. Электрическое поле возникает при наличии электрических за­рядов, а магнитное поле — при их движении. Различные агрегатные состояния вещества, явление трения, упругие и другие свойства вещества определяются преиму­щественно силами межмолекулярного взаимодействия, которое по своей природе является электромагнитным. Электромагнитное взаимодействие описывается фундаментальными законами электростатики и электродина­мики: законом Кулона, законом Ампера и др. Его наиболее общее описание дает электромагнитная теория Максвелла, основанная на фундаментальных уравнениях, связывающих электрическое и магнитное поля.

3. Слабые взаимодействия слабее электромагнитного. Радиус его действия 10^-15 - 10^{-22 см. Слабое взаимодействие связано с распадом частиц, например, с происходящими в ядре превращениями протона в нейтрон, позитрон и нейтри­но. Испускаемое нейтрино обладает огромной проницающей спо­собностью — оно проходит через железную плиту толщиной милли­ард километров. При слабых взаимодействиях меняется заряд частиц.} Слабое взаимодействие представляет собой не контактное взаимодействие, а осуществляется путем обмена промежуточны­ми тяжелыми частицами — бозонами.

4. Гравитационное взаимодействие характерно для всех материальных объ­ектов вне зависимости от их природы. Оно заключается во взаимном притя­жении тел и определяется фундаментальным законом всемирного тяготения: между двумя точечными телами действует сила притяжения, прямо пропор­циональная произведению их масс и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними. Гравитационным взаимодействием определяется падение тел в поле сил тяготения Земли. Законом всемирного тяготения опи­сывается, например, движение планет Солнечной системы и различных мак­рообъектов. Предполагается, что гравитационное взаимодействие обуслов­ливается некими элементарными частицами — гравитонами, существование которых к настоящему времени экспериментально не подтверждено.

Гравитационное взаимодействие во много раз слабее электромагнитного. Оно не учитывается в теории элементарных частиц, поскольку на характерных для них расстояниях порядка 10^{-13 см дает чрезвычайно малые эффекты. Однако на ультрамалых расстояниях (10-33 см) и при ультрабольших энергиях гравитация вновь приобретает существенное значение. Сверхтяжелые виртуальные частицы создают вокруг себя заметное гравитационное поле, которое искажает геометрию пространства. В космических масштабах гравитационное взаимодействие имеет решающее значение. Радиус его действия не ограничен.}

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.

Все четыре взаимодействия необходимы и достаточныдля построения разнообразного мира. Без сильных взаимодействий не существовали бы атомные ядра. Без электромагнитных взаимодействий не было бы ни ато­мов, ни молекул, ни макроскопических объектов, а также тепла и света. Без слабых взаимодействий не были бы возможны ядерные реакции в недрах Солнца и звезд, не происходили бы вспышки сверхновых звезд и необходимые для жизни тяжелые элементы не могли бы распространиться во Вселенной. Без гравитационного взаимодействия не только не было бы галактик, звезд, планет, но и вся Вселенная не могла бы эво­люционировать, поскольку гравитация является объединяющим фактором, обеспечивающим единство Вселенной как целого и ее эволюцию.

Современная физика пришла к выводу, что все четыре фун­даментальных взаимодействия, необходимые для создания из элементарных частиц сложного и разнообразного материаль­ного мира, можно получить из одного фундаментального взаи­модействия — суперсилы. Наиболее ярким достижением стало доказательство того, что при очень высоких температурах (или энергиях) все четыре взаимодействия объединяются в одно. При энергии в 100 ГэВ объеди­няются электромагнитное и слабое взаимодействия. Такая тем­пература соответствует температуре Вселенной через 10^-10 с после Большого взрыва. При энергии 10¹⁵ ГэВ к ним присое­диняется сильное взаимодействие, а при энергии 10¹⁹ ГэВ про­исходит объединение всех четырех взаимодействий.

Это предположение носит чисто теоретический характер, поскольку экспериментальным путем его проверить невозмож­но. Косвенно эти идеи подтверждаются астрофизическими данными, которые можно рассматривать как эксперименталь­ный материал, накопленный Вселенной.

Дата добавления: 2014-11-29