Фундаментальные взаимодействия. Физика элементарных частиц

Физика элементарных частиц

К настоящему времени известны 4 вида основных фундаментальных взаимодействий: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое.

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 2 точечными телами действует сила притяжения, прямо пропорциональная произведению их масс и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними. Гравитационным взаимодействием определяется падение тел в поле тяготения Земли. Предполагается, что гравитационное взаимодействие обуславливается некими элементарными частицами, существование которых к настоящему времени экспериментально не подтверждено.

Электромагнитное взаимодействие связано с электрическими и магнитными полями. Электрическое поле возникает при наличии электрических зарядов, а магнитное поле - при их движении. В природе существуют положительные и отрицательные заряды; и это определяет характер электромагнитного взаимодействия: например, возникает либо притяжение, либо отталкивание зарядов. Различные агрегатные состояния вещества, трение, упругие и некоторые 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.

Сильное взаимодействие обеспечивает связь нуклонов в ядре и определяет ядерные силы, которые обладают зарядной независимостью, короткодействием, насыщением и другими свойствами.

Слабое взаимодействие описывает некоторые виды ядерных процессов. Оно короткодействующее и характеризует все виды бета-превращений.

Обычно для количественного анализа перечисленных взаимодействий используют 2 характеристики:

• радиус действия

• константа взаимодействия - характеризует величину взаимодействия.

Вид взаимодействия	Константа взаимодействия	Радиус взаимодействия
Гравитационное	6·10^-39	∞
Электромагнитное	1/137	∞
Сильное		(0,1-1) 10 ^-13 см
Слабое	10^-14	<<0,1- 10 ^-13см

Из таблицы видно, что константа гравитационного взаимодействия самая малая, а радиус его действия неограничен. Гравитационное взаимодействие в процессах микромира не играет существенной роли, однако при макропроцессах ему принадлежит определяющее значение.

Сильное взаимодействие отвечает за устойчивость ядер и распространяется только в пределах размеров ядра. Чем сильнее взаимодействуют нуклоны в ядре, тем оно устойчивее, тем больше энергия его связи. Она определяется работой, которую необходимо совершить, чтобы разделить нуклоны и удалить их друг от друга на такие расстояния, при которых взаимодействие становится равным.

Классификация элементарных частиц

Характеристиками субатомных частиц являются масса, электрический заряд, спин, время жизни частицы, магнитный момент, пространственная четность, лептонный заряд, барионный заряд и др.

Когда говорят о массе частицы, имеют в виду ее массу покоя, которая не зависит от состояния движения. Частица, имеющая нулевую массу покоя, движется со скоростью света (фотон). Электрон - самая легкая частица с нулевой массой покоя.

Вторая характеристика частицы - спин - собственный момент импульса частицы. Так, протон, нейтрон и электрон имеют спин Vi, а спин фотона равен 1. В зависимости от спина все частицы делятся на 2 группы:

§ бозоны (частицы с целыми спинами - 0, 1 и 2);

§ фермионы (частицы с полуцелыми спинами - ½ и 3/2).

Частицы характеризуются временем жизни. По этому признаку частицы делятся на:

• стабильные (электрон, протон, фотон, нейтрино);

• нестабильные - все остальные; время жизни колеблется от нескольких микросекунд до 15 мин (нейтрон за пределами ядра).

Свойства частиц определяются их способностью участвовать в сильном взаимодействии. Частицы, участвующие в сильном взаимодействии, называются адронами. Частицы, участвующие в слабом взаимодействии и не участвующие в сильном, называются лептонами. Кроме того, существуют частицы - переносчики взаимодействий.

Лептоны. Хотя лептоны могут иметь электрический заряд, а могут и не иметь, спин у всех у них равен ½. Среди лептонов наиболее известен электрон. Электрон - это первая их открытых элементарных частиц. Другой хорошо известный лептон — нейтрино. Нейтрино являются наиболее распространенными частицами во 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 электромагнитных 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. Мюон - одна из первых известных нестабильных субатомных частиц, открытая в 1936 г. Во всех отношениях мюон напоминает электрон: имеет тот же заряд и спин, участвует в тех же взаимодействиях, но имеет большую массу и не стабилен, примерно за 2 миллионные доли секунды мюон распадается на электрон и 2 нейтрино.

В конце 70-х гг. был обнаружен третий заряженный лептон - «тау-лептон». Это очень тяжелая частица. Ее масса около 3500 масс электрона, но во всем остальном тау-лептон ведет себя подобно электрону и мюону.

В 60-е гг. было установлено, что существует несколько типов нейтрино: электронное нейтрино, мюонное нейтрино и тау-нейтрино.

Т.о., общее число лептонов — 6, разумеется, у каждого лептона есть своя античастица. Т.е., общее число лептонов — 12. Нейтральные лептоны участвуют только в слабом взаимодействии, заряженные - в слабом и электромагнитных взаимодействиях.

Итак, лептоны:

электрон	позитрон
мюон	антимюон
тау-лептон	анти-тау-лептон
электронное нейтрино	позитронное нейтрино
мюонное нейтрино	антимюонное нейтрино
тау-лептоное нейтрино	анти-тау-лептоное нейтрино

Адроны. Если лептонов 12, то адронов сотни, и подавляющее число из них резонансны, т.е. крайне нестабильны. Тот факт, что адронов существует сотни, наводит на мысль, что адроны - не элементарные частицы, а построены из более мелких частиц. Все адроны встречаются в 2 разновидностях - электрически заряженные и нейтральные. Наиболее известны и широко распространены такие адроны, как нейтрон и протон. Остальные адроны короткоживущие и быстро распадаются. Это класс барионов (тяжелые частицы гипероны и барионные резонансы). Адроны участвуют в сильном, слабом и электромагнитном взаимодействиях.

Существование и свойства большинства известных адронов были установлены в ускорителях.

Адроны состоят из кварков.

Кварков всего 6:

Символ	Название	Заряд	Масса
рус.	англ.
Первое поколение
d	нижний	down	−^1/3	~ 5 МэВ/c²
u	верхний	up	+^2/3	~ 3 МэВ/c²
Второе поколение
s	странный	strange	−^1/3	95 ± 25 МэВ/c²
c	очарованный	charm (charmed)	+^2/3	1,8 ГэВ/c²
Третье поколение
b	прелестный	beauty (bottom)	−^1/3	4,5 ГэВ/c²
t	истинный	truth (top)	+^2/3	171 ГэВ/c²

Частицы переносчики взаимодействий. Это тип частиц, которые не являются строительным материалом материи, а непосредственно обеспечивают четыре фундаментальных взаимодействия, т.е. образуют своего рода «клей», не позволяющий миру распадаться на части. Переносчиком электромагнитного взаимодействия выступает фотон. Теория электромагнитного взаимодействия представлена квантовой электродинамикой. Переносчики сильного взаимодействия - глюоны. Глюоны - переносчики взаимодействия между кварками, связывающими их попарно или тройками. Переносчики слабого взаимодействия три частицы - W и Z —бозоны. Они были открыты лишь в 1983 г. Радиус слабого взаимодействия чрезвычайно мал, поэтому его переносчиками должны быть частицы с большими массами покоя. В соответствии с принципом неопределенности жизнь частиц с такой большой массой покоя должна быть чрезвычайно короткой - всего лишь около 10 ^-26 с.

Высказывается мнение, что возможно существование и переносчика гравитационного поля - гравитона. Подобно фотонам, гравитоны движутся со скоростью света; это частицы с нулевой массой покоя. Но этим сходство фотона и гравитона исчерпывается. В то время как фотон имеет спин 1, спин гравитона — 2. Это различие определяет направление силы: при электромагнитном взаимодействии одноименно заряженные частицы отталкиваются, а при гравитационном - все частицы притягиваются друг к другу. В принципе гравитоны можно зафиксировать в эксперименте. Но поскольку гравитационное взаимодействие очень слабое и в квантовых процессах почти не проявляется, то непосредственно зафиксировать гравитоны очень сложно и пока не удалось.

Дата добавления: 2014-12-07