Астронет > Фундаментальные частицы

по текстам по ключевым словам в глоссарии по сайтам перевод по каталогу

Фундаментальные частицы

С. А. Славатинский (Московский физико-технический институт, Долгопрудный Московской обл.)
Опубликовано в Соросовском образовательном журнале, N 2, 2001 г. Содержание

Из наиболее изученных в настоящее время мезонов и мезонных резонансов наибольшую группу составляют легкие неароматные частицы, у которых квантовые числа S = C = B = 0. В эту группу входят около 40 частиц. Таблица 3 начинается с пионов ${\pi}^{\pm , 0}$ , открытых английским физиком С.Ф. Пауэллом в 1949 году. Заряженные пионы живут около 10^-8 с, распадаясь на лептоны по следующим схемам:

${\pi}^{+} \rightarrow {\mu}^{+} + \nu_{\mu}$ и ${\pi}^{-} \rightarrow {\mu}^{-} + \tilde{\nu_{\mu}}$

Их "родственники" в табл. 3 - резонансы ${\rho^{\pm , 0}}$ (ро-мезоны) имеют в отличие от пионов спин J = 1, они нестабильны и живут всего около 10^-23 с. Причина распада ${\rho^{\pm , 0}}$ - сильное взаимодействие.

Причина распада заряженных пионов обусловлена слабым взаимодействием, а именно тем, что составляющие частицу кварки способны испускать и поглощать в результате слабого взаимодействия на короткое время t в соответствии с соотношением (4) виртуальные калибровочные бозоны: $u \rightarrow d + {W}^{+}$ или $d \rightarrow u + {W}^{-}$ , причем в отличие от лептонов осуществляются и переходы кварка одного поколения в кварк другого поколения, например $u \rightarrow b + {W}^{+}$ или $u \rightarrow s + {W}^{+}$ и т.д., хотя такие переходы существенно более редкие, чем переходы в рамках одного поколения. Вместе с тем при всех подобных превращениях электрический заряд в реакции сохраняется.

Изучение мезонов, включающих s- и c-кварки, привело к открытию нескольких десятков странных и чармированных частиц. Их исследование проводится сейчас во многих научных центрах мира.

Изучение мезонов, включающих b- и t-кварки, интенсивно началось на ускорителях, и мы пока не будем говорить о них более подробно.

Перейдем к рассмотрению тяжелых адронов, то есть барионов. Все они составлены из трех кварков, но таких, у которых имеются все три разновидности цвета, поскольку, так же как и мезоны, все барионы бесцветны. Кварки внутри барионов могут иметь орбитальное движение. В этом случае суммарный спин частицы будет превышать суммарный спин кварков, равный 1/2 или 3/2 (если спины всех трех кварков параллельны друг другу).

Барионом с минимальной массой является протон p (см. табл. 3). Именно из протонов и нейтронов состоят все атомные ядра химических элементов. Число протонов в ядре определяет его суммарный электрический заряд Z.

Другой основной частицей атомных ядер является нейтрон n. Нейтрон немного тяжелее протона, он неустойчив и в свободном состоянии со временем жизни около 900 с распадается на протон, электрон и нейтрино. В табл. 3 показано кварковое состояние протона uud и нейтрона udd. Но при спине этой комбинации кварков J = 3/2 образуются резонансы ${\Delta}^{+}$ и ${\Delta}^{0}$ соответственно. Все другие барионы, состоящие из более тяжелых кварков s, b, t, имеют и существенно большую массу. Среди них особый интерес вызывал ${\Omega}^{-}$ -гиперон, состоящий из трех странных кварков. Он был открыт сначала на бумаге, то есть расчетным образом, с использованием идей кваркового строения барионов. Были предсказаны все основные свойства этой частицы, подтвержденные затем экспериментами.

Многие экспериментально наблюденные факты убедительно говорят сейчас о существовании кварков. В частности, речь идет и об открытии нового процесса в реакции соударения электронов и позитронов, приводящей к образованию кварк-антикварковых струй. Схема этого процесса показана на рис. 4. Эксперимент выполнен на коллайдерах в Германии и США. На рисунке показаны стрелками направления пучков e⁺ и e^-, а из точки их столкновения вылет кварка q и антикварка $\tilde{q}$ под зенитным углом $\theta$ к направлению полета e⁺ и e^-. Такое рождение пары происходит в реакции

${e}^{+} + {e}^{-} \rightarrow \gamma_{\mbox{вирт}} \rightarrow q + \tilde{q}$ .

(5)

Как мы уже говорили, жгут силовых линий (чаще говорят струна) при достаточно большом растяжении рвется на составляющие. При большой энергии кварка и антикварка, как говорилось ранее, струна рвется во многих местах, в результате чего в обоих направлениях вдоль линии полета кварка q и антикварка $\tilde{q}$ образуются два узких пучка вторичных бесцветных частиц, как это показано на рис. 4. Такие пучки частиц названы струями. Достаточно часто на опыте наблюдается образование трех, четырех и более струй частиц одновременно.

Схема рождения двух кварковых струй в реакции электрон-позитронной аннигиляции

Рис. 4.Схема рождения двух кварковых струй в реакции ${e}^{+} + {e}^{-} \rightarrow {\gamma}_{\mbox{вирт}} \rightarrow q + \tilde{q}$

В экспериментах, которые проводились при сверхускорительных энергиях в космических лучах, в которых принимал участие и автор этой статьи, получены как бы фотографии процесса образования многих струй. Дело в том, что жгут или струна одномерны и поэтому центры образования трех, четырех и более струй также располагаются вдоль прямой линии [Жданов Г.Б., Максименко В.М., Славатинский С.А., 1984].

Теория, описывающая сильные взаимодействия, называется квантовой хромодинамикой или сокращенно КХД. Она гораздо сложнее теории электрослабых взаимодействий. Особенно успешно КХД описывает так называемые жесткие процессы, то есть процессы взаимодействия частиц с большой передачей импульса между частицами. Хотя создание теории еще не завершено, многие физики-теоретики уже сейчас заняты созданием "великого объединения" - объединения квантовой хромодинамики и теории электрослабого взаимодействия в единую теорию.

В заключение кратко остановимся на том, исчерпывают ли шесть лептонов и 18 разноцветных кварков (и их античастицы), а также кванты фундаментальных полей - фотон, ${W}^{\pm}$ -, Z⁰-бозоны, восемь глюонов и, наконец, кванты гравитационного поля - гравитоны весь арсенал истинно элементарных, точнее, фундаментальных частиц. По-видимому, нет. Скорее всего, описанные картины частиц и полей суть отражение лишь наших знаний в настоящее время. Недаром уже сейчас есть много теоретических идей, в которые вводятся большая группа еще на наблюденных так называемых суперсимметричных частиц, октет сверхтяжелых кварков и многое другое.

Очевидно, современная физика еще далека от построения завершенной теории частиц. Возможно, был прав великий физик Альберт Эйнштейн, полагая, что лишь учет гравитации, несмотря на ее сейчас кажущуюся малую роль в микромире, позволит построить строгую теорию частиц. Но все это уже в XXI веке или еще позже.

Рецензент статьи Л.И. Сарычева

Назад | Вперед

Публикации с ключевыми словами: элементарные частицы - кварки - физика высоких энергий
Публикации со словами: элементарные частицы - кварки - физика высоких энергий

См. также:

Бозон Хиггса: объяснение в комиксе

Связь кварков с космосом: двенадцать научных вопросов для нового века

Публичная лекция лауреата Нобелевской премии: Рождение творческих идей

Эволюция вселенной

Лептоны

Элементарные частицы

Ее звали Икс

Все публикации на ту же тему >>

Мнение читателя [1]

Версия для печати

Астрометрия - Астрономические инструменты - Астрономическое образование - Астрофизика - История астрономии - Космонавтика, исследование космоса - Любительская астрономия - Планеты и Солнечная система - Солнце