ФУНДАМЕНТАЛЬНЕ БУДОВА МАТЕРІЇ
Наш світ складається із речовини. На Землі, у Сонячній системі та в безпосередньо оточуючому Сонячній системі космічному просторі відсутня скільки-небудь помітна кількість антиречовини, тому що через реакції анігіляції тісне співіснування частинок і античастинок неможливо. Ті небагато античастин, які вдається зробити в лабораторних умовах, рано чи пізно гинуть. Тривале існування стабільних античасток (наприклад, антипротонів чи позитронів) можливе лише за низької щільності речовини – у спеціальних накопичувачах заряджених частинок чи космічному просторі. Питання, чому наш світ складається з речовини, коли і чому виникла асиметрія нашого Всесвіту, мають принципове значення і продовжують привертати увагу фізиків-теоретиків.
Друге сімейство фундаментальних елементарних частинок, з яких побудовано адрони (баріони та мезони), отримало назву кварків. Існує шість різновидів кварків, (фізики називають їх «ароматами» – flavours) які, подібно до лептонів, групуються в пари і утворюють три покоління. Перше покоління – u та d кварки ( up - верхній та down
- нижній); друге покоління - s та c кварки ( strange - дивний та charm –
зачарований ) і, нарешті, третє покоління - b і t кварки ( beauty - красивий і true - істинний ; іноді їх називають bottom і top ). Останній шостий t-кварк було виявлено порівняно недавно (1995 року).
Кварки є ферміонами (їх спин дорівнює?, як і у лептонів). При цьому можливі два внутрішні квантові стани з проекціями вектора-
Баріонне число для кварків дорівнює одній третині B = 1/3, для антикварків
− B = –1/3. У кожного кварку є ще одна характеристика, яку фізики назвали ароматом (дивина, чарівність і т.д.).
Найдивовижнішим є те, що кварки мають дробовий електричний заряд, величина якого становить або 2/3 від елементарного заряду (при цьому заряд кварка позитивний), або 1/3 від заряду електрона (знак заряду при цьому негативний).
Усі баріони є комбінаціями трьох кварків. Нуклони – фундаментальна основа атомних ядер, є найлегшими баріонами та складаються з кварків першого покоління. Протон складається з двох u-кварків та одного d-кварку, нейтрон з двох d-кварків та одного u-кварку:
Легко перевірити, що заряд протона у своїй виявляється рівним одиниці (2/3+2/3–1/3 = +1), а заряд нейтрона нулю (2/3 – 1/3 – 1/3 = 0).
Нейтрон важчий за протон, тому що d-кварк важчий за u-кварку.
Отримує нове пояснення процеси β + - і β - розпадів як взаємоперетворення кварків ( u d ).
Мезони виходять із поєднання пари кварк-антикварк. Зрозуміло, що
баріонна кількість мезонів дорівнює нулю,
нулю чи одиниці.
Поєднання з трьох антикварків утворюють антибаріони (антипротони,
антинейтрони і т.д.).
У таблиці 1 подано всі фундаментальні ферміони -
структурні одиниці будови речовини
Все різноманіття адронів виникає за рахунок різних поєднань
відповідають пов'язані стану, побудовані тільки з u - і d-кварків. Якщо ж у зв'язаному стані, поряд з u- і d-кварками, є, наприклад, s- або c-кварк, то відповідний адрон називають дивний або
Та обставина, що з різних комбінацій кварків можна отримати всі відомі баріони та мезони, символізувала головний тріумф теорії кварків. Проте всі зусилля виявити поодинокі кварки виявилися марними. Склалася парадоксальна ситуація. Всередині адронів кварки,безперечно, існують. Про це свідчить не лише розглянута кваркова систематика адронів, а й пряме просвічування нуклонів швидкими електронами. У цьому експерименті (по суті, повністю аналогічному досвіду Резерфорда) було виявлено, що всередині адронів електрони розсіюються на точкових частинках із зарядами, рівними -1/3 і +2/3 і спином, рівним ½, тобто отримані прямі фізичні докази існування кварків усередині адронів. А ось вирвати кварки з адронів неможливо. Це явище отримало назву «конфаймент»
(Confinement - полон, англ.).
Наступне важливе питання, який має відповісти наука до пояснення будови речовини, пов'язані з природою і характером взаємодії між частинками, що з певних умов призводить до утворення пов'язаних станів. Що ж змушує кварки об'єднуватися в нуклони, нуклони в ядра, ядра та електрони в атоми, атоми молекули? Чому у Всесвіті існують скупчення речовини у вигляді планет, зірок, галактик? Яка природа сил, що викликають усі ті зміни, що відбуваються у нашому матеріальному світі?
Виявляється, все, що відбувається в природі, можна звести всього до
чотирьом фундаментальним взаємодіям
Роль фундаментальних взаємодій у природі
Гравітаційна взаємодія є найслабшою і в той же час найуніверсальнішою. Гравітаційна взаємодія діє між будь-якими об'єктами, що мають масу або енергію. Саме гравітація не дозволяє Всесвіту розвалитися на частини, збираючи речовину в планети та зірки, утримуючи планети на орбітах, «зв'язуючи» зірки в галактики. Взагалі, в астрономічних масштабах гравітаційна взаємодія грає визначальну роль. У мікросвіті гравітацію можна знехтувати порівняно з іншиминайінтенсивнішими взаємодіями.
Електромагнітна взаємодія притаманна всім часткам,
що володіє електричним зарядом. Як і гравітаційна, електромагнітна взаємодія є далекодіючою, а закон, що визначає силу, що діє між точковими зарядами, що лежать, аналогічний закону тяжіння - це відомий зі школи закон Кулона:
Однак, на відміну від гравітації, яка завжди є тяжінням, електричне тяжіння існує лише між зарядами різного знака, тоді як однойменні заряди відштовхуються. Саме завдяки електромагнітній взаємодії можливе утворення атомів та молекул. Міжмолекулярні сили, що визначають властивості різних агрегатних станів речовини також мають електричну природу. До нього фактично зводиться більшість фізичних сил, що спостерігаються (пружності, тертя та ін.), саме воно лежить в основі хімічних перетворень речовин і всіх спостерігаються електричних, магнітних і оптичних явищ.
Сильне і слабке взаємодії проявляються лише у мікросвіті, на суб'ядерному рівні.
Сильна взаємодія властива кваркам та утворенням з кварків – адронам. Основна функція сильної взаємодії – з'єднувати кварки (і антикварки) у адрони. Ядерні сили, які поєднує нуклони в ядра, є специфічними відлуннями сильної взаємодії (його часто називають залишковою сильною взаємодією).
Слабка взаємодія притаманна всім фундаментальним ферміонам. Для нейтрино - це єдина взаємодія, в якій вони беруть участь. На відміну від сильної взаємодії, функція слабкої взаємодії полягає у зміні природи (аромату) частинок, тобто у перетворенні одного кварку на інший (те саме стосується і лептонів).
Без слабкоговзаємодії стабільними були б не тільки протон та електрон, а й мюони, π – мезони, дивні та зачаровані частки, які розпадаються внаслідок слабкої взаємодії. Якби вдалося «вимкнути» слабку взаємодію, то згасло б Сонце,
оскільки був би неможливий процес перетворення протона в нейтрон (β - розпад), в результаті якого чотири протони перетворюються на 2 Не 4 два позитрони і два нейтрино (так званий водневий цикл, який служить основним джерелом енергії Сонця і більшості зірок.).
Характеристики фундаментальних взаємодій
Про інтенсивність взаємодій можна судити за швидкістю процесів, які вони викликають. Зазвичай порівнюють між собою швидкості процесів при енергії 1 ГеВ, притаманних фізики елементарних частинок. При таких енергіях процес, зумовлений сильною взаємодією,
відбувається за час 10 -24 с, електромагнітний процес за час 10 -21 с, характерний час процесів, що відбуваються за рахунок слабкої взаємодії, набагато більше: 10 -10 с.