Частинки - переносники взаємодій
Перелік відомих частинок не вичерпується лептонами та адронами, що утворюють будівельний матеріал речовини. Цей перелік не включений, наприклад, фотон. Є ще один тип частинок, які є будівельним матеріалом матерії, а безпосередньо забезпечують чотири фундаментальних взаємодії, тобто. утворюють свого роду "клей", що не дозволяє світові розпадатися на частини.
Переносником електромагнітної взаємодії виступає фототон . Теорія електромагнітної взаємодії представлена квантовою електродинамікою.
Переносники сильної взаємодії -глюони. Глюони - переносники взаємодії між кварками, які пов'язують їх попарно чи трійками.
Переносники слабкої взаємодії три частинки - W ± і Z - бозони. Вони були відкриті лише у 1983 р. Радіус слабкої взаємодії надзвичайно малий, тому його переносниками мають бути частки з великими масами спокою. Відповідно до принципу невизначеності час життя частинок з такою великою масою спокою має бути надзвичайно коротким — лише близько 10 -26 с.
Висловлюється думка, що можливе існування і переносника гравітаційного поля – гравітону. Подібно до фотонів,гравітонирухаються зі швидкістю світла; отже, це частки з нульовою масою спокою. Але цим схожість між гравітонами та фотонами вичерпується. У той час як фотон має спін 1, спін гравітону дорівнює 2. Ця важлива відмінність визначає напрямок сили: при електромагнітній взаємодії однойменно заряджені частинки (електрони) відштовхуються, а при гравітаційному всі частинки притягуються один до одного. У принципі гравітони можна зафіксувати експериментально. Але оскільки гравітаційна взаємодія дуже слабка і в квантових процесах практично не виявляється, тобезпосередньо зафіксувати гравітони дуже складно і поки що не вдалося.
Класифікація частинок на лептони, адрони та переносники взаємодій вичерпує світ відомих нам субатомних частинок. Кожен вид частинок відіграє свою роль у формуванні структури матерії, Всесвіту.
Теорії елементарних частинок
Квантова електродинаміка
Квантова механіка дозволяє описувати рух елементарних частинок, але з їх породження чи знищення, тобто. застосовується лише для опису систем із постійним числом частинок. Узагальненням квантової механіки є квантова теорія поля - це квантова теорія систем з нескінченним числом ступенів свободи (фізичних полів), що враховує вимоги і квантової механіки, і теорії відносності. Потреба такої теорії породжується квантово-хвильовим дуалізмом, існуванням хвильових властивостей в усіх частинок. У квантової теорії поля взаємодію представляють як наслідок обміну квантами поля, а польові величини оголошуються операторами, які пов'язують із актами народження та знищення квантів поля, тобто. частинок.
У середині XX ст. була створена теорія електромагнітної взаємодії – квантова електродинаміка (КЕД). Це продумана до дрібних деталей і оснащена досконалим математичним апаратом теорія взаємодії між собою заряджених елементарних частинок (насамперед електронів або позитронів) за допомогою обміну фотонами. У КЕД для опису електромагнітної взаємодії використано поняття віртуального фотона. Ця теорія задовольняє основним принципам як квантової теорії, і теорії відносності.
У центрі теорії аналіз актів випромінювання або поглинання одного фотона однією зарядженою часткою, а також анігіляції електрон-позитронної пари у фотон або породженняфотонами такої пари.
Якщо в класичному описі електрони представляються у вигляді твердої точкової кульки, то в КЕД навколишнє електрона електромагнітне поле розглядається як хмара віртуальних фотонів, яка слідує за електроном, оточуючи його квантами енергії. Фотони виникають і зникають дуже швидко, а електрони рухаються у просторі не за цілком певними траєкторіями. Ще можна тим чи іншим способом визначити початкову і кінцеву точки шляху — до і після розсіювання, але шлях у проміжку між початком і кінцем руху залишається невизначеним.
Розглянемо, наприклад, акт випромінювання (віртуального) фотона електроном. Після того, як електрон випускає фотон, той породжує (віртуальну) електрон-позитронну пару, яка може анігілювати з утворенням нового фотона. Останній може поглинути вихідний електрон, але може породити нову пару і т.д. Таким чином, електрон покривається хмарою віртуальних фотонів, електронів та позитронів, що перебувають у стані динамічної рівноваги. Всі ці процеси допускають графічну виставу (діаграми Р. Фейнмана, рис. 3). При цьому відомі тільки початкове та кінцеве положення електронів, а визначити момент, коли відбувається обмін фотоном і яка з часток випромінює фотон, а яка поглинає неможливо. Ці характеристики приховані пеленою квантової невизначеності.
Опис взаємодії за допомогою частки-переносника у КЕД призвело до розширення поняття фотона. Вводяться поняття реального (кванту видимого нами світла) та віртуального (швидкотного, примарного) фотона, який «бачать» лише заряджені частинки, які зазнають розсіяння.
Щоб перевірити, чи теорія узгоджується з реальністю, фізики зосередили увагу на двох ефектах, що представлялиособливий інтерес. Перший стосувався енергетичних рівнів атома водню - найпростішого атома. Згідно з КЕД, рівні мають бути трохи змінені щодо положення, яке вони займали б за відсутності віртуальних фотонів. Друга вирішальна перевірка КЕД стосувалася дуже малої поправки до свого магнітного моменту електрона. Теоретичні та експериментальні результати перевірки КЕД збігаються з найвищою точністю – понад дев'ять знаків після коми. Така разюча відповідність дає право вважати КЕД найбільш досконалою з існуючих природничо-наукових теорій. За створення КЕД С. Томанага, Р. Фейнман та Дж. Швінгер були удостоєні Нобелівської премії за 1965 р. Великий внесок у становлення КЕД було внесено і нашим видатним фізиком-теоретиком Л.Д. Ландау.
Після такого тріумфу КЕД була прийнята як модель для квантового опису трьох інших фундаментальних взаємодій. Зрозуміло, полям, що з іншими взаємодіями, повинні відповідати інші частки-переносники.
Теорія кварків
Теорія кварків - це теорія будови адронів *. Основна ідея цієї теорії дуже проста: всі адрони побудовані з дрібніших частинок - кварків. Кварки несуть дробовий електричний заряд, який становить або -1/3 або +2/3 заряду електрона. Комбінація з двох і трьох кварків може мати сумарний заряд, що дорівнює нулю або одиниці. Всі кварки мають спін 1/2, отже відносяться до ферміонів. Основоположники теорії кварків Гелл-Манн і Цвейг, щоб врахувати всі відомі у 60-ті роки. адрони ввели три сорти (аромату) кварків:u(відup- верхній),d(відdown- нижній) та s (Від strange - дивний).
* Термін «кварк» обраний цілком довільно. У романі Дж. Джойса «Поминки по Фіннегану» герою сниться сон, у якомучайки, що мечаються над бурхливим морем, кричать різкими голосами: «Три кварки для містера Марка!» Така довільність цілком співзвучна абстрактно-ненаглядному характеру понять сучасних фізичних теорій.
Кварки можуть з'єднуватися один з одним одним із двох можливих способів: або трійками, або парами кварк - антикварк. З трьох кварків складаються порівняно важкі частки баріони; найбільш відомі баріони - нейтрон і протон. Більш легкі пари кварк - антикварк утворюють частинки, що отримали назву мезони. Наприклад, протон складається з двохu- та одногоd-кварка (uud), а нейтрон - з двохd-кварків і одногоu-кварка (udd). Щоб це «тріо» кварків не розпадалося, необхідна сила, яка їх утримує, якийсь «клей».
Виявилося, що результуюча взаємодія між нейтронами і протонами в ядрі є просто залишковим ефектом більш потужної взаємодії між самими кварками. Це пояснило, чому сильна взаємодія видається такою складною. Коли протон «прилипає» до нейтрона чи іншого протону, у взаємодії беруть участь шість кварків, кожен із яких взаємодіє зі всіма іншими. Значна частина енергії витрачається на міцне "склеювання" тріо кварків, а невелика - на скріплення двох тріо кварків один з одним *.
* Але з'ясувалося, що кварки беруть участь і у слабкій взаємодії, яка може змінювати аромат кварку. Саме так відбувається розпад нейтрону. Один з d-кварків в нейтроні перетворюється наu-кварк, а надлишок заряду виносить електрон, що народжується одночасно. Аналогічним чином, змінюючи аромат, слабка взаємодія призводить до розпаду та інших адроїв.
Та обставина, що з різних комбінацій трьох основних частинок можна отримати всі відомі адрони, сталатріумфом теорії кварків*. Але в 70-ті роки. були відкриті нові адрони (псі-частки, іпсілон-мезон та ін.). Цим було завдано чутливого удару першому варіанту теорії кварків, оскільки в тому варіанті теорії вже не було місця для жодної нової частки. Усі можливі комбінації з кварків та його антикварків було вже вичерпано. Проблему вдалося вирішити за рахунок запровадження трьох нових ароматів. Вони отримав назву - charm (3) (чарівність) або с; b-кварк (відbeauty- краса або краса); згодом було введено ще один аромат - t (відtop- верхній).
* У 1969 р., вдалося отримати прямі фізичні докази існування кварків у серії експериментів з розсіювання (розігнаних до високих енергій) електронів на протонах. Експеримент показав, що розсіювання електронів відбувалося так, ніби електрони налітали на крихітні тверді вкраплення і відскакували від них під неймовірними кутами. Такими жорсткими вкрапленнями всередині протонів є кварки.
Кварки скріплюються між собою сильною взаємодією. Переносники сильної взаємодії – глюони (колірні заряди). Область фізики елементарних частинок, що вивчає взаємодію кварків і глюонів, зветься квантовою хромодинамікою. Як квантова електродинаміка – теорія електромагнітної взаємодії, так квантова хромодинаміка – теорії сильної взаємодії.
В даний час більшість фізиків вважає кварки справді елементарними частинками - точковими, неподільними і такими, що не обкладають внутрішньою структурою *. Щодо цього вони нагадують лептони, і вже давно передбачається, що між цими двома різними, але подібними за своєю структурою сімействами має існувати глибокий взаємозв'язок. Таким чином, найбільш ймовірне число істинно елементарних частинок (нерахуючи переносників (фундаментальних взаємодій) наприкінці XX в. одно 48. З них: лептонів (6 х 2) = 12 плюс кварків (6 х 3) х 2 = 36.
* Правда, у деяких фізиків (якщо число кварків виявляється надмірно більшим), виникає спокуса припустити, що і вони складаються з дрібніших частинок.