Элементарные частицы и физические взаимодействия

Физика стремилась свести все многообразие сложных свойств тел к простым свойствам малого числа первичных — «элементарных» — частиц. Этот термин первоначально означал ни на что далее не разложимые частицы. В настоящее время к ним относят и составные частицы (например, протон и нейтрон), которые неразложимы на части вследствие конфайнмента. Часто говорят о микрочастицах, но это более расплывчатое наименование может относиться и к атомам, и к ионам, и даже к молекулам.

Электрон был открыт в 1897 г., вторая частица (протон) открыта Э. Резерфордом при бомбардировке атомов альфа-частицами в 1919 г., третья {нейтрон) была открыта в составе космического излучения. Фотон — квант света — введен для объяснения фотоэффекта. Начиная с 1930;х гг. физики открывают новые элементарные частицы в космических лучах: позитрон (1932), нейтрино (1953), мю-мезон (конец 1930;х гг.), пи-мезоны (1947) и др.

Информация к размышлению Процессы в атоме в принципе нельзя наглядно представить в виде механических моделей по аналогии с событиями в макромире. Электрон — это нс точка, движущаяся, но круговой орбите. Вследствие своей волновой природы электроны и их заряды как бы «размазаны» по атому, однако нс равномерно, а таким образом, что в некоторых точках усредненная, но времени электронная плотность заряда больше, а в других — меньше. Даже понятия пространства и времени так, как они понимались в теории макромира, оказались непригодными для теоретического описания микромира.

С середины XX в. основное средство обнаружения и исследования микрочастиц — ускорители микрочастиц (циклотроны, синхрофазотроны и др.). Ныне число известных частиц превышает 400. Их многообразие и разнообразие их свойств неизбежно требуют классификации, которая может осуществляться по ряду оснований. Чаще всего используются такие характеристики элементарных частиц, как масса, заряд, среднее время жизни, спин, квантовые числа, тип взаимодействия.

Масса покоя элементарных частиц определяется по отношению к массе покоя электрона. Фотоны не имеют массы покоя, остальные частицы по этому признаку делятся на лептоны (от греч. легкий, топкий) — легкие частицы, сопоставимые по массе с электроном; мезоны (от др.-греч. средний) — средние частицы с массой от одной до тысячи масс электрона; барионы (от греч. тяжелый) — тяжелые частицы с массой, превышающей в тысячу раз массу электрона.

В настоящее время первоначальная этимология термина «лептой» не вполне согласуется с реальностью, поскольку открытый в 1977 г. таулентон примерно в два раза тяжелее самых легких барионов (протона и нейтрона). Само понимание лептонов обогатилось другими характеристиками, а именно: они не участвуют в сильном взаимодействии и являются фермионами.

Этимология мезонов также изменилась. На основании подходящей массы к этому семейству отнесли в конце 1930;х гг. мюон (или мю-мезон), однако он не подвержен сильному взаимодействию, как остальные мезоны. В рассматриваемом семействе выделяют пи-мезоны (пионы), ка-мезоны (каоны) и более тяжелые мезоны.

Ныне известно, что барионы состоят из трех кварков (предполагается также существование барионов из пяти кварков). Протон — самый легкий из барионов, он в 1836 раз тяжелее электрона. Протон и нейтрон образуют группу нуклонов — частиц, образующих атомное ядро (от лат. nucleus — ядро). Кроме них, к барионам принадлежат гипероны и барионные резонансы. Единственно стабильным барионом является протон. Нейтроны в свободном состоянии распадаются, а стабильность обретают во взаимодействии с протонами внутри ядра. Остальные барионы, быстро распадаясь, превращаются в протон и лептоны.

Электрический заряд. Все известные частицы обладают целочисленным (кратным электрическому заряду электрона) зарядом: положительным, отрицательным, нулевым. Каждая частица (кроме фотона и двух мезонов), имеет соответствующую античастицу с противоположным зарядом. Обнаружилось, что кварки обладают дробным электрическим зарядом: 1/3 либо 2/3.

По времени жизни выделяют две группы частиц: стабильные (фотон, две разновидности нейтрино, электрон (t > 5×10²¹ лет), протон (^>5х х 10³¹ лет) и их античастицы. Они играют важнейшую роль в структуре макротел. Все остальные частицы нестабильные и самопроизвольно распадаются за время приблизительно от 1000 с (для свободного нейтрона) до величины от 10^_24до 10~²²с для резонансов. После этого они распадаются. Резонансы — частицы, которые не фиксируются в реальных экспериментах, поскольку они распадаются еще до того, как успевают покинуть атом или атомное ядро.

Квантовые числа выражают корпускулярные (дискретные) состояния микрочастиц: положение электрона на конкретной электронной орбите, магнитный момент и др. Главное квантовое число (от 1 до 7) связано с движением частицы и определяет число разрешенных электронных оболочек в атоме конкретного химического элемента. Другие квантовые числа отражают «внутреннее» состояние частицы. Так, применительно к кваркам появляются такие квантовые числа, как цвет, очарование, прелесть (или красота) и истинность.

В соответствии с двумя основными видами материи все элементарные частицы подразделяют на фермионы (названные в честь итальянского физика Э. Ферми, 1901 — 1954) и бозоны (в честь индийского физика Ш. Бозе, 1894—1974). Фермионы подчиняются принципу запрета Паули (сформулирован австрийским физиком В. Паули, 1900—1958): в одном квантовом состоянии может находиться не более одной частицы. Этот принцип ответственен за устойчивость электронных оболочек атомов, благодаря ему оказывается возможным существование сложных химических элементов. Фермионы образуют вещество. К ним, в частности, принадлежат кварки и лептоны.

Бозоны являются квантами полей, т. е. выступают переносчиками взаимодействий (фотоны, векторные бозоны, глюоны, гравитино, гравитоны). Они подчиняются закономерностям, определяемым статистикой Бозе — Эйнштейна, которая допускает, чтобы в одном квантовом состоянии могло находиться неограниченное количество одинаковых частиц.

Информация к размышлению

Физики приводят шуточный пример. В телефонной будке одновременно может находиться не более 40 человек (рекорд, зафиксированный в Книге Гиннеса). Так же ведут себя и фермионы. Если бы люди обладали свойствами бозонов, в телефонную будку могло бы попасть любое их число.

Понятие «спин» интерпретируют как момент импульса микрочастицы, неуничтожимый и не зависящий от внешних условий. Он не имеет аналогов в классической физике, а его вычисление определенным образом связано с постоянной Планка. Все фермионы имеют полуцелый спин, все бозоны — целочисленный или нулевой спин.

Важнейшее свойство элементарных частиц — их способность взаимодействовать друг с другом; благодаря этому они превращаются в другие частицы. Наиболее изученные ядерные реакции — реакции превращения одних атомов в другие. Такие преобразования в естественных условиях происходят применительно к радиоактивным элементам, а в искусственных — при бомбардировке ядер атомов нейтронами.

В природе выделяют четыре вида фундаментальных взаимодействий.

Сильное взаимодействие происходит на расстоянии порядка 10^-15 м (уровень атомных ядер). Оно представляет собой взаимное притяжение и отталкивание частиц, входящих в состав ядер, благодаря чему очень прочно связываются протоны и нейтроны. Именно по этой причине ядра атомов весьма устойчивы, и их трудно разрушить. Сильное взаимодействие наиболее интенсивно, его кванты — глюоны.

Частицы, участвующие в сильном взаимодействии, — кварки, глюоны и образованные из них адроны.

Электромагнитное взаимодействие слабее сильного примерно в 1000 раз, но значительно более дальнодействующее. В нем участвуют только электрически заряженные частицы: кварки, электроны, мюоны и тау-лептоны, а также заряженные калибровочные VT-бозоны. Электромагнитное взаимодействие между этими частицами осуществляется посредством электромагнитного поля. Носитель этого взаимодействия — квант электромагнитного поля, не имеющий заряда безмассовый бозон (фотон). Благодаря этому взаимодействию электроны и атомные ядра соединяются в атомы, атомы — в молекулы. Справедливо считать его основным для химии и биологии.

Электромагнитное взаимодействие (как и гравитационное) — наиболее дальнодействующее. За счет дальнодействия оно заметно проявляется как на макро-, так и на микроскопическом уровнях. Электромагнитную природу имеет подавляющее большинство физических сил, известных в классической механике: силы упругости, силы трения, химические превращения, магнитные и оптические явления и т. д. Справедливо считать, что большинство явлений макромира объясняются при помощи механизма электромагнитного взаимодействия.

Слабое взаимодействие возможно между всеми частицами и проявляется на расстояниях 2×10^_18м, которые значительно меньше размеров атомного ядра. Именно благодаря слабому взаимодействию большинство частиц являются нестабильными, например, в атомном ядре нейтрон превращается в протон, электрон и антинейтрино.

Оно названо слабым, поскольку значительно менее интенсивное, чем сильное и электромагнитное; однако оно значительно сильнее гравитационного взаимодействия. В современной физике электромагнитное и слабое взаимодействия рассматриваются как проявления единого электрослабого взаимодействия. За теорию электрослабого взаимодействия Ш. Глэшоу, А. Салам и С. Вайнберг получили в 1979 г. Нобелевскую премию по физике. Переносчики слабого взаимодействия — векторные бозоны: W+, W~, Z°.

Слабое взаимодействие обусловливает термоядерные реакции как основной источник энергии большинства звезд, благодаря ему происходит распад массивных частиц на более легкие. Так, в результате бета-распада нейтрон может спонтанно превратиться в протон, электрон и электронное нейтрино.

Гравитационное взаимодействие (от лат. gravitas — тяжесть) — самое слабое; оно не учитывается в теории элементарных частиц (их массы крайне малы). Так, сила гравитационного взаимодействия между двумя протонами на расстоянии И)^-13 см в 10³⁶ раз меньше электростатического взаимодействия между ними на гаком же расстоянии. Но на ультрамалых расстояниях (около 10 ³³ см), а также при ультрабольших энергиях в микромире гравитация вновь оказывается значимой. В частности, в вакууме сверхтяжелые виртуальные частицы создают вокруг себя такое гравитационное поле, которое начинает искажать геометрию пространства.

Гравитационное взаимодействие приобретает существенную роль, когда взаимодействуют большие массы. Именно поэтому в космических масштабах оно имеет решающее значение (табл. 7.1).

Таблица 7.1

Фундаментальные взаимодействия.

Гравитация ответственна как за крупномасштабные эффекты (структура галактик, черные дыры, расширение Вселенной и др.), так и за элементарные астрономические явления: орбиты планет, притяжение к поверхности Земли, падение тел и др.

Сфера «ответственности» каждого типа взаимодействия отражена в табл. 7.2. Все четыре фундаментальных взаимодействия можно получить из одного фундаментального взаимодействия — суперсилы. Теоретически доказано, что при очень высоких температурах (или энергиях) все четыре взаимодействия объединяются в одно.

При энергии в 100 ГэВ (100 млрд электрон-вольт) объединяются электромагнитное и слабое взаимодействия. Такая температура соответствует температуре Вселенной через 10 ¹⁰ с после Большого взрыва. При энергии 10¹⁵ ГэВ к ним присоединяется сильное взаимодействие, а при энергии 10¹⁹ ГэВ происходит объединение всех четырех взаимодействий.

По типу взаимодействия, в котором участвуют элементарные частицы, их относят к двум основным группам. Первая группа — адроны, особенно активно участвующие в сильном взаимодействии. Вместе с тем они могут участвовать также в электромагнитном и слабом взаимодействиях. К адронам относят барионы и мезоны. Вторая группа — лептоны, участвующие только в электромагнитном и слабом взаимодействиях.

Таблица 7.2

Функции физических взаимодействий.