Класифікація елементарних частинок
елемент частки.docx
Класифікація елементарних частинок
1. Характеристики субатомних часток.
У XX ст., особливо у другій половині, було відкрито новий глибинний пласт структурної організації матерії — світ елементарних частинок. Ця назва не є, однак, точною. Під елементарною часткою в точному значенні розуміють далі нерозкладні «цеглинки» матерії, з яких складається її структурна організація. Насправді більшість з відкритих частинок виявилися системними утвореннями, що складаються з ще більш елементарних частинок. Тому правильніше сказати, що «світ елементарних частинок – це особливий рівень організації матерії – суб'ядерна матерія, із форм якої структуруються ядра та атоми речовини, фізичні поля. Але оскільки термін «елементарні частки» устоявся і широко вживається, ми використовуватимемо його у значенні «суб'ядерна матерія».
Вивчення елементарних частинок показало, що вони народжуються та знищуються при взаємодії коїться з іншими елементарними частинками. Крім того, вони можуть спонтанно розпадатися. Всі ці перетворення частинок (розпад, народження, знищення) реалізуються через послідовні акти поглинання та випромінювання частинок.
Властивості елементарних частинок різноманітні. Так, кожній частинці відповідає своя античастка, що відрізняється від неї лише знаком заряду. Для частинок з нульовими значеннями всіх зарядів античастинка збігається з частинкою (наприклад, фотон). Кожна елементарна частка характеризується власним набором значень певних фізичних величин. До таких величин відносяться: маса, електричний заряд, спин, час життя частки, магнітний момент, просторова парність, лептонний заряд, баріонний заряд та ін.
Загальні характеристики всіх частинок: маса, час життя,спин. Коли говорять про масу частки, мають на увазі її масу спокою, оскільки вона залежить від стану руху. Частка, що має нульову масу спокою, рухається зі швидкістю світла (фотон). Нема двох частинок з однаковими масами. Електрон - найлегша частка з ненульовою масою спокою. Протон і нейтрон важчий за електрон майже в 2000 разів. А найважча з отриманих у прискорювачах елементарних частинок (Z-бозон) має масу, в 200 000 разів більшу масу електрона.
Важлива характеристика частки – спин – свій момент імпульсу частки. Так, протон, нейтрон і електрон мають спін 1/2, а спін фотона дорівнює 1. Відомі частки зі спином 0,3/2,2. Частка зі спином 0 при будь-якому куті повороту виглядає однаково. Частка зі спином 1 набуває того ж вигляду після повного обороту на 360°. Частка зі спином 1/2 набуває колишнього вигляду після обороту на 720° і т.д. Частка зі спином 2 (гіпотетичний гравітон) приймає колишнє положення через півоберта (180 °). Залежно від спина всі частинки поділяються на дві групи: бозони - частинки з спинами цілими 0, 1 і 2; ферміони - частинки з напівцілими спинами (1/2, 3/2). Частинки зі спином понад 2, можливо, взагалі не існують.
Частки характеризуються і часом життя. За цією ознакою частинки поділяються на стабільні та нестабільні. Стабільні частинки – це електрон, протон, фотон та нейтрино. (До кінця поки не вирішено питання про стабільність протона. Можливо, він розпадається за t = 1031 років.) Нейтрон стабільний, коли знаходиться в ядрі атома, але вільний нейтрон розпадається приблизно за 15 хв. Решта відомі частинки нестабільні; час їхнього життя коливається від кількох мікросекунд до 10-24 с. Найнестабільніші частки резонанси. Час їхнього життя 10-22-10-24 с.
Велику роль фізиці елементарних частинок грають законизбереження, що встановлюють рівність між певними комбінаціями величин, що характеризують початковий та кінцевий стан системи. Арсенал законів збереження у квантовій фізиці більше, ніж у класичній фізиці. Він поповнився законами збереження різних парностей (просторової, зарядової), зарядів (лептонного, баріонного та інших.), внутрішніх симетрій, властивих тому чи іншому типу взаємодій. У цьому чим інтенсивніше взаємодія, тим більше відповідає законів збереження, тобто. тим паче воно симетричне. У квантовій фізиці закони збереження є законами заборони. Але якщо якийсь процес дозволено законами збереження, він обов'язково відбувається реально.
Вершиною розвитку поглядів на закони збереження у квантової фізики є концепція спонтанного порушення симетрії, тобто. існування стійких асиметричних рішень деяких типів завдань. У 1960-х роках. експериментально підтверджено так зване порушення комбінованої чіткості. Інакше кажучи, виявилося, що в мікросвіті є абсолютні відмінності між частинками та античастинками, між «правим» і «лівим», між минулим та майбутнім (стріла часу, чи незворотність, мікропроцесів, а не лише макропроцесів).
Виділення та пізнання характеристик окремих субатомних частинок - важливий, але тільки початковий етап пізнання їхнього світу. На наступному етапі потрібно зрозуміти, яка роль кожної окремої частки, які її функції у структурі матерії.
Фізики з'ясували, що насамперед властивості частки визначаються її здатністю (або нездатністю) брати участь у сильній взаємодії. Частинки, що у сильному взаємодії, утворюють особливий клас і називаються адронами. Частинки, що беруть участь переважно у слабкій взаємодії і не беруть участь усильному, називаються лептонами. Крім того, існують частки – переносники взаємодій.
Розглянемо властивості цих основних типів частинок.
Лептони поводяться як точкові об'єкти, не виявляючи внутрішньої структури навіть за надвисоких енергій. Вони, очевидно, є елементарними (у сенсі цього терміну) об'єктами, тобто. вони складаються з якихось інших частинок. Хоча лептони можуть мати електричний заряд, а можуть і не мати, спін у всіх у них дорівнює 1/2.
Серед лептонів найвідоміший електрон. Електрон це перша з відкритих елементарних частинок. Електрон - носій найменшої маси і найменшого електричного заряду (крім кварків) у природі.
Інший добре відомий лептон – нейтрино. Нейтрино поряд із фотонами є найпоширенішими частинками у Всесвіті. Всесвіт можна уявити безмежним фотонно-нейтринним океаном, у якому рідко зустрічаються острови атомів. Але, попри таку поширеність нейтрино, вивчати дуже складно. Як ми вже зазначали, нейтрино майже невловимі, мають величезну проникаючу здатність, особливо при низьких енергіях. Не беручи участі ні в сильній, ні в електромагнітній взаємодії, вони проникають через речовину, ніби її взагалі немає. Нейтрино — це «привиди» фізичного світу. З одного боку, це ускладнює їх детектування, з другого – створює можливість вивчення внутрішньої будови зірок, ядер галактик, квазарів та інших.
Одна з цікавих сторінок історії вивчення нейтрино пов'язана з питанням про його масу: має чи не має масу нейтрино спокою. Теорія припускає, що на відміну фотона нейтрино може мати невелику масу спокою. Якщо нейтрино дійсно має масу спокою (за оцінками, від 0,1 эВ до 10 эВ), це тягне засобою фундаментальні наслідки теорії Великого об'єднання, космології, астрофізиці. «Погоня» фізиків, що триває вже майже 60 років, за масою невловимої частки, схоже, добігає кінця. Є підстави припускати, що на нових експериментальних установках (Японія, Італія) найближчими роками питання буде вирішено остаточно.
Досить поширені у природі мюони, частку яких припадає значна частина космічного випромінювання. Мюон - одна з перших відомих нестабільних субатомних частинок, відкрита в 1936 р. У всіх відносинах мюон нагадує електрон: має той же заряд і спин, бере участь у тих же взаємодіях, але має велику масу і нестабільний. Приблизно за дві мільйонні частки секунди мюон розпадається на електрон та два нейтрино. Проникаючи в речовину, мюони взаємодіють з ядрами та електронами атомів та утворюють незвичайні сполуки. Позитивний мюон, приєднуючи до себе електрон, утворює систему, аналогічну атому водню – мюоній, хімічні властивості якого багато в чому схожі на властивості водню. А негативний мюон може заміщати на електронній оболонці один із електронів, утворюючи так званий мезоатом. У мезоатом мюони розташовані в сотні разів ближче до ядра, ніж електрони. Це дозволяє використовувати мезоатом для вивчення форми та розмірів ядра.
Наприкінці 1970-х років. було виявлено третій заряджений лептон, який отримав назву тау-лептон. Це дуже важка частка. Її маса близько 3500 мас електрона, але у всьому іншому він веде себе подібно до електрона і мюона.
Якщо лептонів лише 12, то адронів налічуються сотні. Переважна більшість їх – резонанси, тобто. вкрай нестабільні частки. Той факт, що адронів існує сотні, наводить на думку, що адрони самі побудовані з дрібніших частинок.
Усі адронизустрічаються у двох різновидах – електрично заряджені та нейтральні. Найбільш відомі та широко поширені такі адрони, як нейтрон і протон. Інші адрони швидко розпадаються. Адрони поділяються на два класи. Це – клас баріонів (важкі частки) (протон, нейтрон, гіперони та баріонні резонанси) та велика родина легших мезонів (мюони, бозонні резонанси та ін.).
Існування та властивості більшості відомих адронів були встановлені у дослідах на прискорювачах. Відкриття безлічі різноманітних адронів у 1950-1960-х pp. вкрай спантеличило фізиків. Але з часом частки вдалося класифікувати за масою, зарядом та спиною. Поступово стала вибудовуватися більш менш чітка картина. З'явилися конкретні ідеї у тому, як систематизувати хаос емпіричних даних, розкрити таємницю адронів у цілісної наукової теорії. Вирішальний крок було зроблено у 1963 р., коли було запропоновано кваркову модель адронів.
4. Частинки - переносники взаємодій.
Перелік відомих частинок не вичерпується лептонами та адронами, що утворюють будівельний матеріал речовини. Є ще один тип частинок, які є будівельним матеріалом матерії, а безпосередньо забезпечують фундаментальні взаємодії, тобто. утворюють свого роду «клей», що не дозволяє матерії розпадатися на частини.
Переносником електромагнітної взаємодії є фотон. Теорія електромагнітної взаємодії представлена квантовою електродинамікою (див. 10.3.1).
Глюони (їх лише вісім) - переносники сильної взаємодії між кварками. Останні завдяки глюонам зв'язуються парами чи трійками (див. 10.3.2 та 10.3.4).
Переносниками слабкої взаємодії є три частинки – W± та Z°-бозони (див. 10.3.3). Вони були відкритілише 1983 р. Радіус слабкої взаємодії надзвичайно малий, тому його переносниками мають бути частинки 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, гравітони рухаються зі швидкістю світла; отже, це частки з нульовою масою спокою. Але в 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.
Особливо важливим є те, що кожна група цих переносників взаємодій характеризується своїми специфічними законами збереження. А кожен закон збереження може бути представлений як прояв певної внутрішньої симетрії рівнянь поля (руху). Ця обставина використовується для побудови єдиної теорії фундаментальних взаємодій.
Класифікація частинок на адрони, лептони та переносники взаємодій вичерпує світ відомих нам суб'ядерних частинок. Кожен вид частинок відіграє свою роль у формуванні структури матерії, Всесвіту.