Мир элементарных частиц

После той непонятной и запутанной ситуации, которая была характерна для физики 1950 - 1960 годов, когда открываемые «элементарные частицы» исчислялись буквально сотнями, и их число продолжало непрерывно расти, сегодня положение заметно изменилось: мы имеем достаточно простую теорию фундаментальной природы материи и энергии, а также их трансформаций. Возникла так называемая стандартная модель мироздания, согласно которой физический универсум строится на основе двух групп фундаментальных составляющих: кварков (из которых состоят нуклоны и атомные ядра) и лептонов (из которых наиболее известным является электрон). На основе этих двух групп частиц далее строятся атомы и молекулы - основа всей химии и биологии.

Согласно стандартной модели, кварки и лептоны связаны и взаимодействуют между собой посредством другой группы частиц, именуемых калибровочными бозонами, такими как фотон, W- и Z-бозоны и глюоны. Известные в природе различные взаимодействия сведены к трём фундаментальным видам: электрослабому, цветовому и гравитационному, причём первые два сходным и весьма элегантным способом описываются в рамках концепции калибровочного поля. Кроме того, есть надежда, что в обозримом будущем удастся создать теорию великого единения всех сил природы.

Всё же, несмотря на успех стандартной модели, многие из тех вопросов, которыми задаются сегодня физики в поисках полной «теории всего сущего», остаются неразрешёнными. В число этих вопросов входят:

Каково происхождение массы и чем определяются массы различных элементарных частиц? Будут ли экспериментально обнаружены хиггсовы бозоны - гипотетические частицы, специально постулированные в рамках стандартной теории для объяснения явления спонтанного нарушения симметрии?

Будет ли открыто ещё одно поколение кварков и лептонов, а вместе с ним ещё один, более фундаментальный уровень элементарных частиц?

Существуют ли в природе другие, ещё не открытые нами силы?

Подтвердятся ли такие теоретические идеи, как, например, идея суперсимметрии и техницвета? Удастся ли физикам обнаружить постулируемые ими суперсимметричные частицы? Будем ли мы иметь полную теорию «всего сущего»? Оправдает ли теория суперструн связываемые с ней надежды?

Исторически термин «элементарные частицы» был введен для тех частиц, которые считались неделимыми и бесструктурными, и из которых построена вся материя. В современной физике этот термин употребляется менее строго - для обозначения большой группы «мельчайших частичек материи», не являющихся атомами и атомными ядрами (единственным исключением является протон.)

В группу элементарных частиц помимо протона входят нейтрон, электрон, фотон, а также пи-мезоны, мюоны, тяжелые лептоны, нейтрино трех типов (электронное, мюонное и t- нейтрино), странные частицы (K - мезоны, гипероны), огромное количество разнообразных резонансов, мезоны со скрытым очарованием (J/Y, Yв) и другие «очарованные» частицы, ипсилон-частицы (U), «красивые» частицы, промежуточные векторные бозоны (W±, Z0) - число таких частиц продолжает расти - (открыто около 1000) и, скорее всего, неограниченно велико. Большинство перечисленных частиц, строго говоря, не удовлетворяют критерию элементарности, так как являются составными объектами. В соответствии со сложившейся практикой термин «элементарные частицы» употребляется для обозначения всех субъядерных частиц.

При обсуждении частиц, претендующих на роль первичных элементов материи, используют термин «истинно элементарные» или «фундаментальные частицы». При этом, наряду с уже известными частицами, такими как электрон, фотон и нейтрино, теоретики вынуждены вводить новые частицы, которые еще только предстоит обнаружить. Часть же требуемых частиц (например, кварки) оказалось необходимым наделить такими свойствами, что они никогда не будут обнаружены в свободном состоянии (вне составных элементарных частиц).

Изучение элементарных частиц и их взаимодействий представляет прямой (возможно единственный) путь к пониманию фундаментальных законов природы. Информация об элементарных частицах получается либо в результате экспериментов с космическими лучами, либо с помощью построенных ускорителей.

В зависимости от типа ускоряемых частиц различают протонные и электронные ускорители. Кроме того, ускорители бывают кольцевые и линейные. В линейных ускорителях частицы разгоняют вдоль прямой линии. В кольцевых ускорителях, «циклотронах», частицы ускоряются, летая по кругу. Использование ускорителей позволяет изучать свойства элементарных частиц и излучений в самых разных условиях. Подвергая определенные мишени бомбардировкам этими частицами, можно получить атомы других элементов, в том числе - и доселе неизвестных. Именно таким способом получают в научном центре в Дубне новые элементы Периодической системы Д. И. Менделеева.

В кольцевых ускорителях, вдоль всего кольца, в котором движутся разгоняемые заряженные частицы и из которых откачан воздух, стоят электромагниты. Чем сильнее магнитное поле, тем более энергичные частицы могут быть удержаны внутри кольца (камеры). Разгоняются частицы при помощи электрического поля в ускоряющих промежутках, которые расположены вдоль кольца. В кольцевом ускорителе, где частица может многократно пролететь вдоль кольца, пока не наберет нужную энергию, электрическое поле может быть не очень сильным. В линейном ускорителе, напротив, ускоряющие электрические потенциалы должны быть предельно высокими, потому что частица должна набрать всю свою энергию за один пролет. (Линейные ускорители используются также и для получения высокоэнергичных пучков ионов и ядер.) Один из самых больших действующих линейных ускорителей (SLAC) расположен в Стэнфорде (вблизи Сан-Франциско, США).

Все окружающие нас предметы, а также и живые существа состоят из маленьких частиц, обычно - молекул. Молекулы же, в свою очередь, состоят из атомов. В составе молекулы может быть много атомов, пример тому - обыкновенный спирт. Молекула может состоять также из небольшого количества атомов, бывает, даже из одного атома. В таких случаях обычно говорят, что предмет просто состоит из атомов. Медная проволока, например, состоит из молекул, каждая из которых имеет в своем составе единственный атом. Можно сказать, что медная проволока просто состоит из атомов меди

Атомы, в свою очередь, тоже состоят из частиц. В середине каждого атома находится ядро, состоящее из двух видов частиц протонов и нейтронов. Бывают ядра, в которых совсем нет нейтронов (пример тому - ядро атома водорода), но это случается редко. Протоны и нейтроны имеют очень маленькую массу, приблизительно равную массе атома водорода. Каждый протон заряжен положительно, и величина его заряда равна +1. А вот нейтрон не заряжен, то есть заряд его просто равен нулю.

Если посмотреть на ядро в сборе, то оно в целом окажется заряженным положительно, а заряд его будет равен числу содержащихся в ядре протонов. Чтобы уравновесить положительный заряд ядра, необходимо окружить его в атоме отрицательно заряженными частицами, называемыми электронами. Заряд одного электрона равен -1, то есть для нейтрализации положительного заряда необходимо расположить столько же электронов, сколько протонов содержится в атомном ядре. Масса каждого электрона в тысячи раз меньше массы протона (или нейтрона), поэтому любой атом весит примерно столько же, сколько весит его ядро.

Если атом не трогать, то он будет жить своей жизнью в так называемом «основном» состоянии, в котором электроны располагаются вокруг ядра в строго определенных местах в соответствии с известными им законами. Если на атом оказать воздействие, хорошенько нагрев предмет или поместив в сильное электромагнитное поле, то некоторые электроны просто не смогут удержаться на своих местах и начнут от избытка энергии перемещаться на большее от ядра расстояние. Такое состояние атома называют «возбужденным». Бывает, однако, что через некоторое время часть электронов возвращается на свои законные позиции, при этом тот самый избыток энергии выхлестывается наружу, вызывая яркое свечение.

Именно таким образом возникает свечение электрической лампочки, когда под действием электрического тока многочисленные атомы вольфрама дружно переходят то в возбужденное состояние, то обратно. Если еще более усилить воздействие на атом, то часть электронов может совсем улететь, при этом атом в целом приобретет положительный заряд. Такое состояние атома называют «ионизированное», а сам атом называют «ионом». На явлении улетания электронов основано устройство кинескопа телевизора. Из нагретой нити вылетают отрицательно заряженные электроны, которые тут же устремляются к положительно заряженному экрану телевизора, вызывая его свечение. Если хорошо постараться, то можно заставить улететь из атома абсолютно все электроны. Атом в таком состоянии уже никак не называется, потому что это теперь не атом, а обыкновенное ядро. В совсем уж экстремально жарких условиях, например, внутри Солнца, материя как раз состоит из таких вот ядер.

Все элементарные частицы, за исключением фотона, электрона, протона и обоих нейтрино, нестабильны. Это означает, что они самопроизвольно, без каких-либо внешних воздействий распадаются, превращаясь в другие частицы. Например, нейтрон самопроизвольно распадается на протон, электрон и электронное антинейтрино. Невозможно предсказать, когда именно произойдет указанный распад того или иного конкретного нейтрона; каждый конкретный акт распада случаен. Однако если проследить за множеством актов, то обнаруживается закономерность распада.

Каждая нестабильная элементарная частица характеризуется своим временем жизни. Чем меньше время жизни, тем больше вероятность распада частицы. Например, время жизни мюона составляет 2,2 10^-6 с, положительно заряженного π-мезона - 2,6 10^-8 с, нейтрального π-мезона – 10^-16 с, гиперонов - около 10^-10 с. В 70-х годах были обнаружены около 100 частиц с очень малым временем жизни – 10^-22 – 10^-23 с, получивших название резонансов. Примечательно, что гипероны и мезоны могут распадаться различными способами. Например, положительно заряженный π-мезон может распадаться на мюон и мюонное нейтрино, на позитрон (антиэлектрон) и электронное нейтрино, на нейтральный π-мезон, позитрон и электронное нейтрино. Для конкретного π-мезона нельзя предсказать не только время распада, но и тот способ распада, который данный мезон «выберет».

Нестабильность присуща не только элементарным частицам, но и другим микрообъектам. Явление радиоактивности (самопроизвольное превращение изотопов одного химического элемента в изотопы другого, сопровождающееся испусканием частиц) показывает, что нестабильными могут быть атомные ядра. Атомы и молекулы в возбужденных состояниях также оказываются нестабильными: они самопроизвольно переходят в основное или менее возбужденное состояние.

Определяемая вероятностными законами нестабильность есть, наряду с наличием спина, второе сугубо специфическое свойство, присущее микрообъектам. Его также можно рассматривать как указание на некую «внутреннюю сложность» микрообъекта.

Однако нестабильность - это специфическое, но отнюдь не обязательное свойство микрообъекта. Наряду с нестабильными существует много стабильных микрообъектов: фотон, электрон, протон, нейтрино, стабильные атомные ядра, а также атомы и молекулы в основном состоянии.

Взаимопревращения микрообъектов. Глядя на схему распада нейтрона, можно предположить, что нейтрон состоит из связанных друг с другом протона, электрона и электронного антинейтрино. Такое представление ошибочно. Распад элементарной частицы отнюдь не является распадом в прямом смысле слова; это акт превращения исходной частицы в некую совокупность новых частиц: исходная частица уничтожается, новые частицы рождаются. Несостоятельность буквального толкования термина «распад частицы» становится очевидной, если учесть, что многие частицы имеют несколько способов распада. Картина взаимопревращений элементарных частиц оказывается существенно богаче и сложнее, если рассматривать частицы не только в свободном, но также и в связанном состоянии.

Повседневный опыт учит: разобрать предмет на части - значит выяснить, из чего он структурно состоит. Идея анализа (идея дробления) отражает характерную сторону классических представлений. При переходе к микрообъектам эта идея в определенной мере еще «работает»: молекула состоит из атомов, атом состоит из ядра и электронов, ядро состоит из протонов и нейтронов. Однако на этом указанная идея себя исчерпывает: «дробление», например, нейтрона или протона не выявляет никакой структуры этих частиц. В отношении элементарных частиц нельзя утверждать: «распад объекта на какие-либо части означает, что объект состоит из этих частей». Именно это обстоятельство может служить определением самого термина «элементарная частица».

Распады элементарных частиц далеко не исчерпывают всех происходящих взаимопревращений частиц. Не менее богата картина взаимопревращений, происходящих при столкновениях частиц.

Ядра в различных атомах могут быть стабильными и нестабильными. В первом случае с атомами ничего интересного не происходит. Во втором случае, наоборот, происходит распад ядра. Явление, когда ядра сами по себе распадаются, называется радиоактивностью. Распад ядер обычно сопровождается вылетанием наружу ряда частиц. Чаще всего вылетают положительно заряженные альфа-частицы (это ядра гелия, состоящие из двух протонов и двух нейтронов) и отрицательно заряженные бета-частицы (это - попросту электроны). Радиоактивный распад часто сопровождается гамма-излучением, это что-то наподобие радиоволн. При распаде некоторых атомов бывают случаи, когда происходит вылетание и других частиц, скажем, нейтронов. В некоторых случаях вылетает и самая маленькая из известных частиц (до сих пор неизвестно, есть у этой частицы вообще хоть какая-нибудь масса!) - нейтрино. Также встречаются атомы, распад которых сопровождается не гамма-излучением, а каким-нибудь другим, например, рентгеновским.

Образующиеся при радиоактивном распаде частицы и лучи очень опасны для здоровья. К счастью, эти лучи и частицы поглощаются различными материалами. Поэтому людям можно и нужно защищаться от вредных проявлений радиоактивности. Лучше всего поглощаются альфа-частицы, ведь они полностью застревают даже в обычном листе бумаги! Также совсем несложно защититься от бета-частиц. Кстати, нам повезло: альфа - и бета-частицы - самые опасные. Но поскольку они практически не проходят через кожу, бояться таких радиоактивных препаратов не надо (важно только не принимать их вовнутрь - иначе вещество быстро попадет в кровь и все закончится плохо).

К сожалению, чисто альфа - и бета-излучатели встречаются крайне редко, и распад подавляющего числа радиоактивных атомов сопровождается достаточно опасным гамма-излучением, от которого защититься значительно труднее, чем от неповоротливых альфа и бета-частиц. Чем толще и тяжелее слой защитного материала, тем эффективнее получится наша защита от проникающей радиации. От мощного гамма-излучения вполне удается защититься многометровыми слоями бетона. Неплохо также для изготовления защиты использовать материалы из свинца и вольфрама. Но и тут не все так гладко. Например, чрезвычайно опасные частицы - нейтроны - как раз довольно легко проходят через свинец и вольфрам, но зато они неплохо застревают в полиэтилене и даже в обыкновенной воде! Самые проникающие частицы (к счастью, неопасные) - это нейтрино. Эти частицы проходят через любые материалы, совершенно в них не поглощаясь. Они умудряются беспрепятственно пролететь даже сквозь земной шар.

Рост и изменение организма - пример все более развивающейся во времени, все более высокой упорядоченности. Но неизбежно наступает момент, когда человек умирает, машина отправляется в переплавку, а стела, повествующая о деяниях фараонов, трескается. Есть и еще одно, по-видимому, более важное свойство нашего мира, определяющее прямой полет времени: различие между атомами и антиатомами. Антиатомы - это точно такие же атомы, но их заряды изменены на противоположные. Атом водорода похож на маленькую планетную систему из положительного солнца-протона и отрицательной планеты-электрона. Это очень неточное, приблизительное сравнение, но для нашего разговора вполне достаточное. У антиводорода центр системы займет отрицательный антипротон, а вращаться вокруг него станет положительный электрон - позитрон. Физические и химические свойства таких «зеркальных» атомов остаются теми же. Единственное, чего нельзя делать, - это допускать их соприкосновения. Произойдет то, что физики называют аннигиляцией, - взрыв, в котором «сгорят» оба атома, породив поток излучения.

Советские и американские физики установили, что измениться на противоположный может не только заряд, но и «четность». Грубо говоря, это значит, что позитрон станет вращаться вокруг антипротона не по часовой стрелке, как электрон вокруг протона (повторяю, все это крайне грубая аналогия), а против, то есть станет еще и зеркальным отображением атома. Таким образом, можно, по крайней мере, мысленно, представить себе галактику из антиматерии, да к тому же еще и являющуюся зеркальным отображением другой галактики.

И, наконец, были открыты такие взаимодействия между элементарными частицами, которые заставили предположить, что изменяется при этом знак не только заряда и четности, но и времени. «Вполне может случиться, - заключает М. Гарднер, - что во Вселенной нет галактик из антиматерии. Но физики любят уравновешивать все на свете, и если во Вселенной имеется столько же антиматерии, сколько материи, то могут существовать и такие области космоса, в которых все три симметрии меняют знак. События в нашем мире, однозначные относительно заряда, четности и времени, будут все идти противоположным путем в «обращенной» галактике. Материя такой галактики должна быть зеркально отраженной, противоположной по заряду и двигающейся назад во времени».

Элементарные частицы появляются не только при радиоактивном распаде. Как мы уже знаем, если поместить совершенно стабильные атомы в какие-либо неординарные условия (сильное магнитное поле, высокая температура и т. п.), то все электроны быстро улетят, и мы получим голые заряженные ядра. Эти ядра можно затем разогнать до высоких скоростей и энергий в электромагнитном поле. Обычно любят разгонять ядра атомов водорода - эти ядра самые легкие, потому что каждое состоит всего лишь из одного протона. Пучок разогнанных частиц, направленный на какой-нибудь материал - «мишень», выбьет из этой мишени другие интересные частицы, которые можно изучать и направлять на другие мишени.

Существуют атомы, ядра которых при распаде помимо других частиц выделяют нейтроны. К таким атомам относятся, например, некоторые разновидности урана и плутония. В природном уране этих атомов немного, но уран-то можно «обогатить», отделив и отбросив все ненужные атомы. В результате полученный образец урана будет излучать очень интенсивный поток нейтронов. Чем больше возьмем мы такого урана и чем более плотно его упакуем, тем больше будет у нас интенсивность нейтронного потока. При достаточно большой интенсивности выделяющихся нейтронов уже хватит на то, чтобы начать выбивать дополнительные нейтроны из соседних атомов урана. Те, в свою очередь, также будут выбивать еще больше нейтронов из соседних к ним атомов. Пойдет так называемая «цепная реакция». Нейтронов будет становиться все больше и больше, и, в конце концов, дело кончится плохо - весь уран разрушится с образованием большого разнообразия других радиоактивных атомов. Что интересно, при этом выделится огромная энергия. Явление, только что рассмотренное нами, называется «ядерным взрывом», а устройство, которое сжимает образец обогащенного урана до требуемой плотности, называется «атомной бомбой».

Люди сконструировали приспособление, которое при необходимости вводит в зону с большим потоком нейтронов специальные материалы, эти нейтроны поглощающие. Регулируя степень вдвигания этих материалов, можно управлять скоростью цепной реакции, заставляя энергию выделяться постепенно. Такое устройство специалисты называют «ядерный реактор». Выделяющееся тепло подобных реакторов можно использовать для получения электроэнергии (такая электростанция называется атомной), а интенсивный поток нейтронов - для проведения всевозможных ядерных исследований.

Рассмотренные нами до сих пор процессы основаны на радиоактивном распаде ядер или на взаимодействии ядер с элементарными частицами. Удивительно, но существует некий особый класс реакций, основанных на слиянии двух или более ядер в одно. Такие процессы сопровождаются громадным выделением энергии и называются «реакциями термоядерного синтеза». Вот самый простой пример такой реакции. Берется смесь двух типов ядер водорода - ядра первого типа состоят из одного протона и одного нейтрона, а второго типа из одного протона и уже двух нейтронов. Реакцию начинают проводить при очень большой температуре: она нам необходима уже хотя бы для того, чтобы получить эти самые ядра, выгнав электроны из атомов. При взаимодействии двух разных ядер водорода они соединяются в ядра гелия (состоящие из двух протонов и двух нейтронов), а возникающий лишний нейтрон улетает восвояси.

Реакция сопровождается таким огромным выделением тепла, что его с большим запасом хватает для самопроизвольного продолжения соединения остальных атомов водорода. Устройство, в котором с успехом проводят описанную выше реакцию, специалисты называют «водородной бомбой», а сам процесс синтеза - «термоядерным взрывом». По аналогии с цепной реакцией деления ядер урана люди многие годы пытаются найти способ управления термоядерными процессами, чтобы получать энергию постепенно, а не в виде взрыва. К сожалению, пока науке неизвестно, какие материалы следует в этом случае вводить в зону реакции, и эта проблема до сих пор не решена.

Наше Солнце - это огромный источник энергии. Не будь его, жизнь на Земле была бы невозможной. Немудрено, что люди испокон веков стараются разобраться в устройстве нашего светила и понять, откуда же там берется энергия. К сожалению, Солнце само по себе очень плотное, и поэтому ученым удается наблюдать только его поверхность. Но даже скудные знания об интенсивности свечения поверхности, спектре, наличии пятен и температуре позволяют разработать стройную теорию процессов, происходящих в недрах Солнца. И такая теория уже построена. В её основе лежит разветвленная система реакций термоядерного синтеза, продукты которых вступают в аналогичные термоядерные реакции, приводящие к образованию все более тяжелых ядер.

Ученым удалось подобрать такие реакции, которые должны в конечном итоге привести к наблюдаемым ими свойствам поверхности Солнца. Но как проверить эту теорию? Вроде бы несложно, ведь в результате термоядерных процессов образуется большое число самых разных элементарных частиц и ядер, которые можно было бы исследовать. Не тут то было! Эти частицы не долетают до нас по простой причине - Солнце большое и плотное, и все продукты реакции застревают в нем, как в хорошей защите, даже близко не подходя к поверхности. Единственная частица, нейтрино, которая обладает высочайшей проникающей способностью, легко проходит сквозь толщу Солнца и вылетает к нам наружу. Реакции в центре светила сопровождаются образованием нескольких видов нейтрино с известными из солнечной теории свойствами. Все эти нейтрино, без всякого сомнения, долетают до Земли. Осталось только научиться их исследовать, чтобы проверить, верна ли теория строения Солнца.

1 Синонимами термина эмпирический являются экспериментальный, феноменологический, опытный.

Дата добавления: 2013-12-13