Частицы вещества

Взаимодействия. Классификация элементарных частиц

Все обычное вещество состоит из частиц первого поколения.

Предполагается, что остальные поколения можно создать искусственно на ускорителях заряженных частиц.

На основе кварковой модели физики разработали простое и изящное решение проблемы строения атомов.

Каждый атом состоит из тяжелого ядра (сильно связанных шюонными полями прогонов и нейтронов) и электронной оболочки. Число протонов в ядре равно порядковому номеру элемента в перио­дической таблице химических элементов Д. И. Менделеева. Протон имеет положительный электрический заряд, массу в 1836 раз больше массы электрона, размеры порядка 10'¹³ см. Электриче­ский заряд нейтрона равен нулю. Протон, согласно кварковой гипотезе, состоит из двух «верхних» кварков и одного «ниж­него», а нейтрон — из одного «верхнего» и двух «нижних» кварков. Их нельзя представить в виде твердого шарика, ско­рее, они напоминают облако с размытыми границами, состоя­щее из рождающихся и исчезающих виртуальных частиц.

Остаются еще вопросы о происхождении кварков и лептонов, о том, являются ли они основными «кирпичиками» при­роды и насколько фундаментальны? Ответы на эти вопросы ищут в современной космологии. Большое значение.имеет ис­следование рождения элементарных частиц из вакуума, по­строение моделей первичного ядерного синтеза, породивших те или иные частицы в момент рождения Вселенной.

В настоящее время в физике определено существование четырех типов физических взаимодействий — гравитаци­онного, сильного, электромагнитного и слабого. Оказыва­ется, что все они имеют калибровочную природу и описы­вается калибровочными симметриями, являющимися раз­личными представлениями групп Ли. Так, электромагнит­ное взаимодействие описываются калибровочной симметрии SU(1), слабое взаимодействие — калибровочной симметрией SU(2), сильное взаимодействие — калибровочной симметри­ей SU(3). Тот факт, что все известные физические взаимо­действия имеют одну калибровочную природу, как бы сде­ланы «из одной болванки», вселяет надежду, что можно будет найти «единственный ключ ко всем известным зам­кам» и описать эволюцию Вселенной из состояния, пред­ставленного единым суперсимметричным суперполем, из состояния, в котором различия между типами взаимодей­ствий, между всевозможными частицами вещества и кван­тами полей еще не проявлены. История же самодвижения Вселенной отмечена датами спонтанного нарушения сим­метрии, моментами, когда проявляется различие между ти­пами физических взаимодействий, когда микрообъекты приобретают массы, заряды и другие характеристики, что» в конечном счете, приводит ко всему последующему мно­гообразию физического мира.

Для обсуждения этих проблем остановимся вкратце на существующей в современной физике классификации эле­ментарных частиц. При этом подчеркнем, что обсуждаемые нами выше взаимодействия и связанные с ними поля со­гласно квантовой теории поля — квантованы, то есть со­держат соответствующие каждому конкретному полю кван­ты, посредством которых и осуществляются взаимодей­ствия между частицами.

Физика до недавнего времени изучала материю в двух ее проявлениях — веществе и поле. Причем частицы ве­щества и кванты полей подчиняются разным квантовым статистикам и ведут себя различным образом. Так, части­цы вещества являются ферми-частицами (фермионами). Системы тождественных ферми-частиц подчиняются статистике Ферми—Дирака. Все фермионы имеют лолуцелое значение некоторой очень важной квантовой характеристи­ки элементарной частицы (не менее важной, чем заряд или масса), называемой спином. А для частиц с полуцелым зна­чением спина справедлив принцип запрета Паули, соглас­но которому две тождественные частицы с полуцелым спи­ном не могут находиться в одном и том же состоянии. Принцип Паули определяет образование электронных обо­лочек в атомах, поскольку в одном и том же состоянии на одном подуровне могут находиться только два электрона с противоположными спинами, что определяет закономерно­сти периодической системы элементов Менделеева.

Все кванты полей являются бозе-частицами (бозонами) — частицами с целочисленным значением спина. Си­стемы тождественных бозе-частиц подчиняются статистике Бозе-Эйнштейна. Принцип Паули для них несправедлив: в одном и том же состоянии может находиться любое число частиц. Так что бозе- и ферми-частицы рассматри­ваются как частицы, имеющие различную природу. В ка­либровочных теориях до недавнего времени это различие снять не удавалось, и физики констатировали факт разде­ления в настоящую эпоху эволюции Вселенной материи на два вида — вещество и поле.

В свою очередь, частицы вещества делятся на две груп­пы — кварки и лептоны. Кварки и лептоны входят в со­став других физических объектов и считаются при достиг­нутых на сегодняшний день энергиях «бесструктурными». Кварки — это частицы, которые, кроме электрического за­ряда, обладают цветным зарядом. Наличие у кварков цвет­ного заряда обусловливает способность их к сильным вза­имодействиям. Известно, что протон и нейтрон состоят из трех кварков. Однако принцип Паули здесь не нарушает­ся, так как эти кварки имеют различные цветовые заряды. Заряд сильного взаимодействия назвали «цветом» именно по аналогии с действительными цветами для того, чтобы подчеркнуть, что смешение трех цветов кварков делает протон или нейтрон бесцветным (так же, как смешение красного, желтого и зеленого цветов даст белый цвет). Со­ответственно различают три заряда сильных взаимодействий — красный (R), желтый (Y) и зеленый (G). Лептоны — бесцветны и не участвуют в сильных взаимодействи­ях. Предполагается существование шести кварков и шес­ти лептонов. При этом производится деление их на семей­ства трех поколений.

В столбце «Кварки» латинскими буквами обозначены различные ароматы кварков, индексами — цвета кварков. Название ароматов кварков: U — нижний, от английского слова up — верх;

d — нижний, от английского слова down — вниз;

С — очарованный, от английского слова charm — очарование;

S — странный, от англий­ского слова strange — странный, чуждый;

t — истинный, от английского сло­ва truth — истина, правда;

b — прелестный, от английского слова beauty — красота, прелесть.

Все вещество во Вселенной составлено из четырех ча­стиц I (первого) поколения. Частицы второго (II) и третьего (III) поколения рассматриваются как возбужденные состо­яния частиц первого поколения в соответствии сих рас­положением в таблице. В настоящее время пока неизвест­но, почему существует именно такое количество поколений частиц, и не существуют ли и другие, пока еще не откры­тые семейства частиц? И почему до сихпор не наблюда­лись переходы между частицами разных поколений?

Все частицы участвуют в гравитационных и в слабых взаимодействиях. Так, например, действие слабых сил при­водит к изменению природы частиц — превращению кварка одного аромата в кварк другого аромата, электрона в нейтрино и т. д. В электромагнитных взаимодействиях участвуют только те частицы, которые имеют электриче­ский заряд. Известно, что кварки имеют дробный электри­ческий заряд. Значит, они также участвуют в электромаг­нитных взаимодействиях, как и электрон. Нейтрино в электромагнитных взаимодействиях не участвуют. И, на­конец, только кварки, обладающие цветным зарядом, спо­собны к сильным взаимодействиям. Частицы, состоящие из кварков, называются адронами. Адроны делятся на два класса — барионы, в состав которых входят три кварка с различными цветами, и мезоны, состоящие из пары кварк — антикварк. Соответственно, антикварк имеет ан­тицветовой заряд. Таким образом, адроны, содержащие в себе цветные кварки, сами являются бесцветными. Барионами являются протоны и нейтроны — частицы, входящие в состав ядра атома. Протон состоит из двух u-кварков и одного d-кварка (р =uud); нейтрон состоит из одного u-кварка и двух d-кварков (n =udd). Протон имеет положи­тельный электрический заряд, нейтрон является электри­чески нейтральной частицей. Ядра и электроны образуют атомы, а атомы — молекулы.

Следует сказать, что физика кварков открывает новую, необычную страницу в истории физики. С одной стороны, ничего нетрадиционного в поисках наиэлементарнейшего уровня в иерархии элементарных частиц и в связи с этим с гипотезой кварков нет. Но, с другой стороны, само пове­дение кварков несколько необычно, ибо они никогда не встречаются в. свободном состоянии, а находятся в посто­янном плену, заключены внутри адронов. В физике квар­ков сформулирована гипотеза конфайнмента (от англ. confinement — пленение), кварков внутри адронов, соглас­но которой невозможно вылетание свободного кварка из адрона. Несмотря на это необычайное обстоятельство, су­ществование кварков как реальных частиц в физике на­дежно обосновано.

Дата добавления: 2015-07-02