Мир элементарных частиц

Материал из synset
Перейти к: навигация, поиск
<< Распады и столкновения Оглавление >>


Релятивистские распады и столкновения могу происходить с любыми объектами. Например, очень большие скорости и энергии возникают во Вселенной при взрыве сверхновых звёзд. Однако в лабораторных условиях разгонять макрообъекты до скоростей мы пока не умеем. Связано это в первую очередь с энергетическими затратами, которые необходимы для подобного ускорения. Если тело имеет массу , то для его ускорения даже до половины скорости света потребуется энергия . Для тела массой в один грамм ( кг) она равна:

Для сравнения, вся мировая электроэнергетика ежегодно производит около Дж. Поэтому для подобного эксперимента потребовалось бы всемирное отключение электричества на несколько секунд.

Энергетические затраты становятся существенно более обозримыми при работе с микрообъектами. Например, масса электрона кг в энергетических единицах равна 0.5 МэВ, или всего Дж.

Поэтому при помощи электромагнитных полей можно ускорять подобные микрообъекты до очень высоких скоростей. Обычно для этого используют электроны или протоны, разгоняемые в линейных или циклических ускорителях. В первых заряженные частицы разгоняются по прямой в сильном электрическом поле. В циклических ускорителях частица, двигаясь в магнитном поле по кругу, много раз проходит ускоряющий участок, постепенно увеличивая свою скорость. При этом магнитное поле, удерживающее её на постоянной круговой орбите, всё время увеличивается.

Частицы, двигающиеся с релятивистскими скоростями (обычно протоны и -частицы) возникают также в глубинах Вселенной. В результате их столкновения с атмосферой Земли рождаются потоки очень энергичных частиц. Их энергия иногда может быть существенно выше, чем доступная в наземных ускорительных экспериментах.

Разогнанные до околосветовых скоростей частицы сталкиваются или с неподвижной мишенью, или с другим встречным потоком частиц. При помощи таких столкновений изучают устройство микромира и характер фундаментальных взаимодействий.

Приведём краткую классификацию элементарных частиц, отложив более подробное обсуждение их взаимодействий до следующей главы.

Практически не вызывает сомнений тот факт, что окружающее многообразие веществ и их свойств возникает в результате взаимодействия молекул, которые, в свою очередь, состоят из сравнительно небольшого числа разновидностей атомов. Атомы представляют собой сложные системы, в которых вокруг положительного ядра двигаются отрицательно заряженные электроны. Естественно, динамика электронов не является классическим движением по орбитам, а подчиняется квантовым закономерностям. Поэтому говорят об электронных облаках даже для атома водорода, имеющего только один электрон. Несмотря на то, что электрон является частицей, говорить о его нахождении в данной точке пространства мы можем только с некоторой вероятностью, которая образно и называется электронным облаком. Электроны в атоме удерживаются благодаря электромагнитному взаимодействию, притягиваясь к ядру.

Ядро атома состоит из протонов и нейтронов. Протоны имеют положительный заряд, равный по модулю заряду электрона. Нейтроны заряда не имеют. Если бы существовало только электромагнитное взаимодействие, ядра из нескольких протонов были бы невозможны, так как в результате кулоновского отталкивания протоны разлетелись бы в разные стороны. В ядре их удерживают ядерные силы, или на более фундаментальном уровне хромодинамическое (цветное) взаимодействие. Оно же воздействует и на нейтроны, благодаря чему существуют многочисленные изотопы атомов данного типа (различное число нейтронов при фиксированном числе протонов, которое равно заряду ядра).

Ядерные силы, в отличие от электромагнитных, — короткодействующие. Это приводит к нестабильности ядер большого размера. В них протоны, находящиеся далеко друг от друга, имея одинаковый заряд, начинают отталкиваться сильнее, чем притягивают их ядерные силы от близлежащего окружения. Для многих тяжёлых ядер достаточно небольшого внешнего воздействия, например, столкновения с нейтроном, чтобы произошёл распад этого ядра (ядерные реакции деления). Распад сопровождается сильным электрическим отталкиванием осколков, энергия движения которых лежит в основе энергетики атомных электростанций.

Противоположна делению реакция синтеза, при которой лёгкие ядра объединяются в более тяжёлые. Так, если ядра дейтерия () и трития () за счёт высокой скорости преодолевают кулоновское отталкивание, попадая в зону ядерных сил, они могут образовать ядро гелия () и свободный протон . При такой реакции выделяется заметная энергия 18 МэВ. Предполагается, что управляемый ядерный синтез ляжет в основу будущей мировой энергетики.

Атомы или ядра при столкновениях "разваливаются" на частицы, из которых они состоят. Однако дальнейшая "матрёшка" структуры материи устроена намного хитрее. Например, сталкивающиеся протоны нельзя разбить на частицы, из которых они состоят. При таких реакциях "просто" возникают новые частицы. Например, два протона, столкнувшись, могут привести к рождению -мезона:

При ещё более высоких энергиях рождаются всё новые частицы, имеющие различную массу и время жизни (обычно очень небольшое).

Подобное нарушение арифметики числа частиц типично для квантово-релятивистского мира. При очень сильном взаимодействии в связанной системе число частиц не может быть измерено одновременно с массой системы (так же, как и импульс с координатой). Всё выглядит так, что вопрос "из чего состоит" начинает терять свой смысл.

Хотя протон или нейтрон нельзя "разбить", их удобно представлять составленными из трёх частиц — кварков, имеющих дробный заряд. Подобное представление возникло в попытке классифицировать "зоопарк" рождающихся при столкновениях частиц. Все частицы, предположительно состоящие из кварков, называются адронами. Этот класс, в свою очередь, делится на две большие группы — барионы и мезоны. Барионы "состоят" из трёх кварков, а мезоны — из двух. Все известные адроны можно классифицировать, если считать, что существует 6 типов кварков:

Table quarks.png

Кварки носят экзотические имена — нижний (), верхний (), странный (), очарованный (), прелестный (), топовый (). Естественно, никакого отношения к геометрическому положению, психологии или внешнему виду эти названия не имеют.

Каждый кварк дополнительно имеет свой антипод — антикварк с теми же свойствами, но противоположным зарядом. Они обычно обозначаются чертой сверху: , , и т.д. Например, протон, нейтрон, заряженные и нейтральный -мезоны имеют следующий кварковый "состав":

Особенно необычно выглядит нейтральный -мезон, состоящий как бы одновременно из пары кварк - антикварк верхнего и нижнего вида.

Кварки — очень необычные сущности. Они никогда не наблюдались в свободном состоянии. Более того, в соответствии с теорией цветного конфайнмента (пленения) они не могут "вылететь" из адрона в принципе. При увеличении расстояния между ними напряжённость связывающего их поля хромодинамического взаимодействия становится настолько большой, что из вакуума появляется пара кварк - антикварк и возникают новые частицы — барионы или мезоны. Ниже очень условно показана попытка "оторвать" друг от друга кварк и антикварк, в результате которой появляются две новые связанные кварковые системы (линии — это напряжённость хромодинамического взаимодействия):

Confinment.png

Результаты экспериментов с высокоэнергетическим рассеиванием электронов на протонах, с рождением множества других частиц (высоконеупругое рассеяние) можно описать, если представлять, что протоны "действительно" внутри себя имеют распределение заряда, сосредоточенное "вокруг" нескольких частиц (т.н. партонов).

Эти частицы можно интерпретировать, как кварки, каждый из которых окружён "шубой" постоянно рождающихся из вакуума пар кварков и антикварков, которая увеличивается при удалении их друг от друга. За счёт шубы эффективная масса кварков начинает возрастать. Поэтому в таблице выше для их масс приведены средние значения, полученные из согласования экспериментов и различных модельных представлений о динамике кварков. На малых расстояниях они становятся "раздетыми" и слабовзаимодействующими (асимптотически свободными). За подобной образной картиной скрывается достаточно нетривиальная математическая модель, называемая квантовой теорией поля. На современном уровне понимания все фундаментальные частицы являются квантами сравнительно небольшого числа полей, нелинейные взаимодействия которых описывают наблюдаемые на эксперименте реакции столкновений частиц и их связанные состояния.

К настоящему моменту известно очень большое число разновидностей адронов. Кроме протона и нейтрона, все адроны имеют экстремально малое время жизни и появляются только при столкновениях с очень высокими энергиями. Почему возникают только двух- и трёхкварковые системы (мезоны и барионы), не совсем понятно, и поиск других разновидностей адронного мира постоянно продолжается.

Кроме адронов (барионов и мезонов), существует второй, не столь обширный, но очень важный класс элементарных частиц, так называемых лептонов. К ним относятся привычный электрон и два его тяжёлых брата — -мезон и -лептон. Каждый из них имеет верную спутницу — нейтрино соответствующего типа:

Table masses.png

Говорят о трёх поколениях лептонов, каждое из которых соответствует строке в таблице выше. Все лептоны имеют античастицы. Античастицы заряженных лептонов несут положительный электрический заряд. Антипод электрона получил персональное имя — позитрон, и был исторически первой открытой античастицей. Нейтрино, несмотря на электрическую нейтральность, также имеют античастицы, которые помечаются чертой сверху. Масса у нейтрино, если и есть, то очень мала.

Тяжёлые лептоны нестабильны и быстро распадаются, превращаясь, в конечном счёте, в электрон:

Как и в других реакциях элементарных частиц, распад -мезона на электрон и нейтрино не означает, что они в нём находились. Скорее всего второе и третье поколение заряженных лептонов — это возбуждённые состояния одной частицы - электрона. Однако теория, описывающая подобное возбуждение, пока отсутствует. К тому же электрон во всех известных взаимодействиях, выглядит как точечная частица, поэтому говорить о его структуре в том или ином смысле мы пока не можем.

Шесть лептонов и шесть кварков лежат в основе так называемой Стандартной модели элементарных частиц. Кроме них, существуют ещё "частицы-переносчики" взаимодействий (фотоны, глюоны и электрослабые бозоны), о которых мы будем говорить в следующей главе. Для описания основной массы наблюдаемого нами макроскопического вещества достаточно только первого поколения лептонов () и первого поколения кварков (). Для чего Природе "понадобились" ещё два поколения базовых частиц, абсолютно непонятно. Неясно также происхождение их масс, которые варьируются в очень широких пределах. Неизвестно, исчерпываются ли изученными поколениями все фундаментальные частицы нашего Мира, или они являются лишь первыми тремя ступеньками некой бесконечной лестницы.

Путеводной нитью при объяснении разнообразных реакций столкновений и распадов в мире элементарных частиц служат законы сохранения. Кроме энергии и импульса, всегда сохраняется электрический заряд. Для всех наблюдаемых в свободном виде частиц он кратен заряду электрона и принимает положительные или отрицательные значения.

Кроме этого, ни разу не было обнаружено нарушения сохранения барионного и лептонного чисел. Барионное число равно 1 для протона и нейтрона и -1 для их античастиц. Аналогично имеют барионное число и другие разновидности барионов. Суммарное значение барионного числа до начала реакции и после всегда оказывается одинаковым. Протон, как самый лёгкий барион, не может распадаться на мезоны или лептоны. Эта реакция запрещена законом сохранения барионного числа. По крайней мере, время жизни свободного протона оценивается более чем в лет.

Аналогична ситуация и для закона сохранения лептонного числа. Однако в этом случае их существует три вида, для каждого поколения лептонов (электронное, -мезонное и -лептонное числа). В качестве упражнения стоит проверить сохранение электрического заряда, барионного и лептонных чисел в следующих реакциях:

где — дейтерий, состоящий из протона и нейтрона, а —антипротон. Кроме этих законов сохранения, существуют и другие, приближенные, которые выполняются в одних видах взаимодействий и нарушаются в других.

Частицы микромира характеризуются также специфическим квантовым числом — спином, классическим аналогом которого является угловой момент вращения частицы вокруг своей оси. Однако, в отличие от классического вращения, спин принимает дискретные величины и не превышает некоторого значения. Так, у всех лептонов и кварков спин равен . Спин барионов, "состоящих" из трёх кварков, также полуцелый (например, у протона и нейтрона). У отдельных представителей барионов он может принимать значения и выше. Все мезоны имеют нулевое или целочисленное значение спина.

Частицы с полуцелым спином называются фермионами, а с целым — бозонами. Их квантовомеханическое поведение качественно различается, и два одинаковых (тождественных) фермиона, в отличие от бозонов, не могут находиться в одном состоянии (т.е. иметь одну энергию, ориентацию спина и т.п.).


Распады и столкновения << Оглавление >>

Релятивистский мир - лекции по теории относительности, гравитации и космологии