Астронет > Фундаментальные частицы

Астронет: СОЖ Фундаментальные частицы
http://variable-stars.ru/db/msg/1175741/page1.html

Фундаментальные частицы

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

Еще сравнительно недавно элементарными считались несколько сот частиц и античастиц. Детальное изучение их свойств и взаимодействий с другими частицами и развитие теории показали, что большинство из них на самом деле не элементарны, так как сами состоят из простейших или, как сейчас говорят, фундаментальных частиц. Фундаментальные частицы сами уже ни из чего не состоят. Многочисленные эксперименты показали, что все фундаментальные частицы ведут себя как безразмерные точечные объекты, не имеющие внутренней структуры, по крайней мере до наименьших, изученных сейчас расстояний $\sim {10}^{-16}$ см.

Среди бесчисленных и разнообразных процессов взаимодействия между частицами имеются четыре основных или фундаментальных взаимодействия: сильное (ядерное), электромагнитное, слабое и гравитационное. В мире частиц гравитационное взаимодействие очень слабое, его роль еще неясна, и о нем дальше мы говорить не будем.

В природе существуют две группы частиц: адроны, которые участвуют во всех фундаментальных взаимодействиях, и лептоны, не участвующие только в сильном взаимодействии.

Согласно современным представлениям, взаимодействия между частицами осуществляются посредством испускания и последующего поглощения квантов соответствующего поля (сильного, слабого, электромагнитного), окружающего частицу. Такими квантами являются калибровочные бозоны, также являющиеся фундаментальными частицами. У бозонов собственный момент количества движения, называемый спином, равен целочисленному значению постоянной Планка hљ= 1,05*10^-27 эрг*с. Квантами поля и соответственно переносчиками сильного взаимодействия являются глюоны, обозначаемые символом g (джи), квантами электромагнитного поля являются хорошо известные нам кванты света - фотоны, обозначаемые $\gamma$ (гамма), а квантами слабого поля и соответственно переносчиками слабых взаимодействий являются ${W}^{\pm}$ (дубль ве)- и Z⁰ (зет нуль)-бозоны.

В отличие от бозонов все остальные фундаментальные частицы являются фермионами, то есть частицами, имеющими полуцелое значение спина, равное h /2.

В табл. 1 приведены символы фундаментальных фермионов - лептонов и кварков.

Каждой частице, приведенной в табл. 1, соответствует античастица, отличающаяся от частицы лишь знаками электрического заряда и других квантовых чисел (см. табл. 2) и направлением спина относительно направления импульса частицы. Античастицы мы будем обозначать теми же символами, как и частицы, но с волнистой чертой над символом.

Частицы в табл. 1 обозначены греческими и латинскими буквами, а именно: буквой $\nu$ (ню) - три различных нейтрино, буквами е - электрон, $\mu$ (мю) - мюон, $\tau$ љ(тау) - таон, буквами u, c, t, d, s, b обозначены кварки; их наименования и характеристики приведены в табл. 2.

Частицы в табл. 1 сгруппированы в три поколения I, II и III в соответствии со структурой современной теории [Окунь Л.Б., 1988.]. Наша Вселенная построена из частиц первого поколения - лептонов и кварков и калибровочных бозонов, но, как показывает современная наука о развитии Вселенной, на начальной стадии ее развития важную роль играли частицы всех трех поколений.

Таблица 1

Лептоны			Кварки
I	II	III	I	II	III
$\nu_{e}$	$\nu_{\mu}$	$\nu_{\tau}$	u	c	t
e	$\mu$	$\tau$	d	s	b

Лептоны

Сначала рассмотрим более подробно свойства лептонов. В верхней строке табл. 1 содержатся три разных нейтрино: электронное $\nu_{e}$ , мюонное $\nu_{\mu}$ и тау-нейтрино $\nu_{\tau}$ . Их масса до сих пор точно не измерена, но определен ее верхний предел, например для $\nu_{e}$ равный 10^-5 от величины массы электрона (то есть $\leq {10}^{-32}$ г).

При взгляде на табл. 1 невольно возникает вопрос о том, зачем природе потребовалось создание трех разных нейтрино. Ответа на этот вопрос пока нет, ибо не создана такая всеобъемлющая теория фундаментальных частиц, которая бы указала на необходимость и достаточность всех таких частиц и описала бы их основные свойства. Возможно, эта проблема будет решена в XXI веке (или позже?).

Нижняя строка табл. 1 начинается с наиболее изученной нами частицы - электрона. Электрон был открыт еще в конце прошлого века английским физиком Дж. Томсоном. Роль электронов в нашем мире огромна. Они являются теми отрицательно заряженными частицами, которые вместе с атомными ядрами образуют все атомы известных нам элементов Периодической таблицы Менделеева. В каждом атоме число электронов в точности равно числу протонов в атомном ядре, что и делает атом электрически нейтральным.

Электрон стабилен, главной возможностью уничтожения электрона является его гибель при соударении с античастицей - позитроном e⁺. Этот процесс получил название аннигиляции:

${e}^{-} + {e}^{+} \rightarrow \gamma + \gamma$ .

(1)

В результате аннигиляции образуются два гамма-кванта (так называют фотоны высокой энергии), уносящие и энергии покоя e⁺ и e^-, и их кинетические энергии. При высокой энергии e⁺ и e^- образуются адроны и кварковые пары (см., например, (5) и рис. 4).

Реакция (1) наглядно иллюстрирует справедливость знаменитой формулы А. Эйнштейна об эквивалентности массы и энергии: E = mc².

Действительно, при аннигиляции остановившегося в веществе позитрона и покоящегося электрона вся масса их покоя (равная 1,22 МэВ) переходит в энергию $\gamma$ -квантов, которые не имеют массы покоя.

Во втором поколении нижней строки табл. 1 расположен мюон - частица, являющаяся по всем своим свойствам аналогом электрона, но с аномально большой массой. Масса мюона в 207 раз больше массы электрона. В отличие от электрона мюон нестабилен. Время его жизни t = 2,2*10^-6 с. Мюон преимущественно распадается на электрон и два нейтрино по схеме

$\mu^{-} \rightarrow {e}^(-) + \tilde{{\nu}_{e} + {\nu}_{\mu}}$ .

(2)

Еще более тяжелым аналогом электрона является $\tau$ -лептон (таон). Его масса более чем в 3 тыс. раз превосходит массу электрона ( ${m}_{tau} = 1777$ МэВ/с²), то есть таон тяжелее протона и нейтрона. Время его жизни равно 2,9*10^-13 с, а из более чем ста разных схем (каналов) его распада возможны следующие:

${\tau}^{-}\begin{array}{cc}\nearrow & {e}^{-} + \tilde{{\nu}_{e}} + {\nu}_{\tau} \\ \searrow & {\mu}^{-} + \tilde{{\nu}_{\mu}} + {\nu}_{\tau} \end{array}$ .

(3)

Говоря о лептонах, интересно сравнить слабые и электромагнитные силы на некотором определенном расстоянии, например R = 10^-13 см. На таком расстоянии электромагнитные силы больше слабых сил почти в 10 млрд раз. Но это вовсе не значит, что роль слабых сил в природе мала. Отнюдь нет.

Именно слабые силы ответственны за множество взаимных превращений различных частиц в другие частицы, как, например, в реакциях (2), (3), и такие взаимопревращения являются одной из характернейших черт физики частиц. В отличие от реакций (2), (3) в реакции (1) действуют электромагнитные силы.

Говоря о лептонах, необходимо добавить, что современная теория описывает электромагнитные и слабые взаимодействия с помощью единой электрослабой теории. Она разработана С. Вайнбергом, А. Саламом и Ш. Глэшоу в 1967 году [Кобзарев И.Ю., 1980].

Назад | Вперед

Фундаментальные частицы

Введение

Лептоны