На пути к более общей физической теории
За пределами Стандартной модели сейчас идет только поиск, устоявшейся теории нет. Существуют гипотезы о том, что кварки и лептоны сами состоят из более фундаментальных частиц – "преонов". То же относится к W+, W- и Z0-бозонам.
Было принято считать, что масса нейтрино равна нулю, хотя теоретических оснований к этому нет. Более того, имеются определенные экспериментальные указания на то, что масса нейтрино отлична от нуля и составляет величину примерно в миллион раз меньшую массы электрона. Если это так, то возможны процессы превращения нейтрино одного вида в нейтрино другого — осцилляции нейтрино.
После открытий в современной физике значительно возросла уверенность в том, что все виды взаимодействия тесно связаны между собой и, по существу, являются различными проявлениями некоторого единого поля. Прилагаются значительные усилия в попытках рассмотреть на единой основе не только электромагнитное и слабое, но и сильное взаимодействие. Эта теория получила название Великого объединения.
В настоящее время считается доказанным, что единое поле, объединяющее все виды взаимодействия, может существовать только при чрезвычайно больших энергиях частиц, недостижимых на современных ускорителях. Такими большими энергиями частицы могли обладать только на самых ранних этапах существования Вселенной, которая возникла в результате так называемого Большого взрыва (Big Bang). Космология – наука об эволюции Вселенной – предполагает, что Большой взрыв произошел примерно 14 миллиардов лет тому назад. В стандартной модели эволюции Вселенной предполагается, что в первый период после взрыва температура могла достигать 1032 К, а энергия частиц E = kT достигать значений 1019 ГэВ. В этот период материя существовала в форме кварков и нейтрино, при этом все виды взаимодействий были объединены в единое силовое поле. Постепенно по мере расширения Вселенной энергия частиц уменьшалась, и из единого поля взаимодействий сначала выделилось гравитационное взаимодействие (при энергиях частиц ≤ 1019 ГэВ), а затем сильное взаимодействие отделилось от электрослабого (при энергиях порядка 1014 ГэВ). При энергиях порядка 103 ГэВ все четыре вида фундаментальных взаимодействий оказались разделенными. Одновременно с этими процессами шло формирование более сложных форм материи – нуклонов, легких ядер, ионов, атомов и т. д. Космология в своей модели пытается проследить эволюцию Вселенной на разных этапах ее развития от Большого взрыва до наших дней, опираясь на законы физики элементарных частиц, а также ядерной и атомной физики.
На рубеже XIX-XX веков, кризис в физике успешно разрешился созданием теории относительности и квантовой механики, которые полностью перевернула наши представления об окружающем мире. А ведь совсем незадолго до эпохальных событий лорд Кельвин сказал свою знаменитую фразу о том, что в физике ничего нового сделать нельзя. Но в последние годы двадцатого века произошли новые эпохальные события. Обнаружилось, что результаты измерений гравитационной массы, полученные разными методами, расходятся. И физики заговорили о некой темной материи, которая взаимодействует с обычной только с помощью силы тяготения.
Затем вдруг оказалось, что Вселенная последние два миллиарда лет расширяется с ускорением, то есть взрывается во второй, после Большого взрыва, раз. Это наблюдение породило еще одну сущность - темную энергию. Этой таинственной субстанции дали много других названий - от квинтэссенции ифизического вакуума, наполненного невидимой энергией до лямбда-членауравнений Эйнштейна. А еще ее называют антигравитацией, потому что чем больше темной энергии где-то сосредоточится, тем сильнее в этом месте массы будут друг от друга отталкиваться - в полном противоречии с законом тяготения Ньютона.
После того, как вдруг выяснилось, что 95% Вселенной состоит неизвестно из чего, возникает широкий простор для поиска, для создания новых теорий, порой очень смелых.
Приложение 1.
Примечание. Античастицы имеют тождественные с частицей значения массы, времени жизни, спина и изоспина и противоположные по знаку значения электрического, лептонного L и барионного B зарядов, проекции изоспина и странности S.
Элемента́рная части́ца — собирательный термин, относящийся к микрообъектам в субъядерном масштабе, которые невозможно расщепить на составные части. Следует иметь в виду, что некоторые элементарные частицы (электрон, нейтрино, кварки и т. д.) на данный момент считаются бесструктурными и рассматриваются как первичные фундаментальные частицы. Другие элементарные частицы (так называемые составные частицы, составляющие в т.ч. ядро атома— протон, нейтрони т. д.) имеют сложную внутреннюю структуру, но, тем не менее, по современным представлениям, разделить их на части невозможно по причине эффекта конфайнмента. Всего вместе с античастицами открыто более 350 элементарных частиц. Из них стабильны фотон, электронное и мюонное нейтрино, электрон, протон и их античастицы. Остальные элементарные частицы самопроизвольно распадаются за время от приблизительно 1000 секунд (для свободного нейтрона) до ничтожно малой доли секунды (от 10−24 до 10−22, для резонансов).
Античасти́ца — частица-двойник некоторой другой элементарной частицы, обладающая той же массой и тем же спином, но отличающаяся от неё знаками всех других характеристик взаимодействия[1] (зарядов, таких как электрический и цветовой заряды, барионное и лептонное квантовые числа). Само определение того, что называть «частицей» в паре частица-античастица, в значительной мере условно. Однако при данном выборе «частицы» её античастица определяется однозначно. Сохранение барионного числа в процессах слабого взаимодействия позволяет по цепочке распадов барионов определить «частицу» в любой паре барион-антибарион.
Спин -- одна из важнейших характеристик элементарных частиц. Она определяется собственным моментом импульса частицы. Спин фотона равен 1; это означает, что частица примет тот же вид после полного оборота на 360°. Частица со спином -- 1/2 примет прежний вид при обороте, в 2 раза большем, т. е. в 720°. Спин протона, нейтрона и электрона -- 1/2. Существуют частицы со спином 3/2, 5/2 и т.д. Частица со спином, равным нулю, одинаково выглядит при любом угле поворота. В зависимости от значения спина все частицы делят на две группы:
1. фермионы -- с полуцелыми (1/2, 3/3, ...) спинами. Фермионы составляют вещество и, в свою очередь, делятся на два класса -- лептоны (от греч. leptos -- легкий) и кварки. Кварки входят в состав протонов, нейтронов и других подобных им частиц, называемых в совокупности адронами (от греч. adros -- сильный). Заряженные лептоны могут так же, как и электроны, вращаться вокруг ядер, образуя атомы. Лептоны, не имеющие заряда, могут, как и нейтрино, проходить сквозь всю Землю, ни с чем не взаимодействуя. У каждой частицы есть и античастица, отличающаяся только зарядом;
2. бозоны -- это частицы с целыми спинами (0, 1, 2), бозоны переносят взаимодействие.
По видам взаимодействий элементарные частицы делятся на следующие группы:
1. Составные частицы:
1.1 адроны -- частицы, участвующие во всех видах фундаментальных взаимодействий. Они состоят из кварков и подразделяются, в свою очередь, на:
1.1.1 мезоны (адроны с целым спином, т. е. бозоны);
1.1.2 барионы (адроны с полуцелым спином, т. е. фермионы). К ним, в частности, относятся частицы, составляющие ядро атома, -- протон и нейтрон.
2. Фундаментальные (бесструктурные) частицы:
2.1 лептоны -- фермионы, которые имеют вид точечных частиц (т. е. не состоящих не из чего) вплоть до масштабов порядка 10?18 м. Не участвуют в сильных взаимодействиях. Участие в электромагнитных взаимодействиях экспериментально наблюдалось только для заряженных лептонов (электроны, мюоны, тау-лептоны) и не наблюдалось для нейтрино. Известны 6 типов лептонов.
2.2 кварки -- дробнозаряженные частицы, входящие в состав адронов. В свободном состоянии не наблюдались (для объяснения отсутствия таких наблюдений предложен механизм конфайнмента). Как и лептоны, делятся на 6 типов и являются бесструктурными, однако, в отличие от лептонов, участвуют в сильном взаимодействии.
2.3 калибровочные бозоны -- частицы, посредством обмена которыми осуществляются взаимодействия:
2.3.1 фотон -- частица, переносящая электромагнитное взаимодействие;
2.3.2 восемь глюонов -- частиц, переносящих сильное взаимодействие;
2.3.3 три промежуточных векторных бозона W+, W и Z0, переносящие слабое взаимодействие;
2.3.4 гравитон -- гипотетическая частица, переносящая гравитационное взаимодействие. Существование гравитонов, хотя пока не доказано экспериментально в связи со слабостью гравитационного взаимодействия, считается вполне вероятным; однако гравитон не входит в Стандартную модель.
Адроны и лептоны образуют вещество. Калибровочные бозоны -- это кванты разных видов излучения.
Долгое время мельчайшими неделимыми частицами материи, «кирпичиками», из которых построен мир, считались атомы. Однако в 1897 г. английский физик Дж.Дж. Томсон открыл микрочастицы - электроны, которые, как выяснилось позже, являются наряду с атомными ядрами составными частями атомов. В 1916 г. Э. Резерфорд открыл протон, а в 1932 г. Дж. Чедвик (англ., Нобелевская премия 1935 г.) - нейтрон; протоны и нейтроны называют также нуклонами (от лат. nucleus - ядро), из них состоит атомное ядро. Образование ядер из нуклонов объясняется тем, что между нуклонами существует особое сильное взаимодействие, в результате которого между ними возникают ядерные силы притяжения, которые и связывают их в атомное ядро.
В 1905 г. А. Эйнштейн предположил, а в 1922 г. А. Комптон окончательно доказал существование фотонов - частиц света (электромагнитного излучения), не имеющих массы покоя. Впоследствии из этого открытия выросла квантовая электродинамика - физическая теория, рассматривающая электромагнитное взаимодействие заряженных тел, как результат обмена между ними фотонами, то есть квантами электромагнитного поля. Основы квантовой электродинамики были заложены в 1928-32 гг. П. Дираком, В. Гейзенбергом, В. Паули, Э. Ферми (ит.), В.А. Фоком (сов.), создание современной квантовой электродинамики было завершено в 1948-49 гг. С. Томонагой (яп.), Р. Фейнманом (амер.), Ю. Швингером (амер.), удостоенным за это Нобелевской премии по физике за 1965 г.
Основная идея квантовой электродинамики об электромагнитном взаимодействии как процессе постоянного рождения и поглощения фотонов заряженными частицами была использована и для объяснения природы сильного взаимодействия. В 1934 г. И.Е. Тамм и Д.Д. Иваненко (сов.) предположили, что сильное взаимодействие нуклонов, подобно электромагнитному, имеет обменный характер. В 1935 г. Х. Юкава (яп., Нобелевская премия 1949 г.) предсказал, что сильное взаимодействие нуклонов есть результат обмена между ними квантами особого ядерного поля, имеющими, в отличие от квантов электромагнитного поля (фотонов), ненулевую массу покоя. По оценке Юкавы масса покоя квантов ядерного поля должна быть в 200-300 раз больше массы электронов и примерно в 10 раз меньше массы нуклонов. Поэтому предсказанные им частицы были названы мезонами (от греч. mesos - средний, промежуточный). Впоследствии было обнаружено множество разновидностей мезонов, в том числе в конце 40-х годов – так называемые -мезоны (пи-мезоны, пионы), которые и оказались предсказанными Юкавой переносчиками сильного взаимодействия.
В 1931 г. П. Дирак предсказал существование античастиц, у которых масса, время жизни и спин должны быть тождественны соответствующим характеристикам обычных частиц, а остальные характеристики, в том числе электрический заряд и магнитный момент, должны быть по модулю такими же, как у частиц, но противоположными по знаку. В частности, Дирак предсказал существование античастицы электрона - позитрона, экспериментально обнаруженного в 1932 г. К. Андерсоном (амер., Нобелевская премия 1936 г.).
Если в 30-40-ых гг. новые частицы (мезоны, позитроны) обнаруживали в космических лучах, то с начала 50-х гг. основные открытия и исследования в области элементарных частиц были сделаны с помощью ускорителей заряженных частиц.
Еще в 1931 г. Паули, пытаясь объяснить кажущееся нарушение закона сохранения энергии при -распаде радиоактивных ядер, выдвинул гипотезу о существовании частиц с огромной проникающей способностью - нейтрино. Экспериментально в 1953 г. была обнаружена первая разновидность нейтрино - электронное нейтрино, а затем - еще ряд разновидностей.
С конца 40-х гг. было открыто множество новых элементарных частиц: антипротоны и антинейтроны, «странные» частицы, десятки крайне неустойчивых и короткоживущих частиц, названных резонансами, «очарованные», «красивые» частицы и др. В 1983 г. были открыты промежуточные векторные бозоны, которые являются квантами поля, посредством которого осуществляется слабое взаимодействие - четвертое, последнее из известных в настоящее время фундаментальных физических взаимодействий (К. Руббиа (ит.), С. ван дер Меер (голл.) - Нобелевская премия 1984 г.).
Постепенно выяснилось, что протоны, нейтроны и вообще все адроны, то есть частицы, способные к сильному взаимодействию, являются составными микрообъектами. Они построены из более «мелких» частиц - кварков.
В настоящее время известно около 400 различных микрочастиц (вместе с античастицами).
В современной физике все это множество микрочастиц, не являющихся атомами или атомными ядрами (а также протон - ядро атома водорода), называют элементарными частицами. Такое название нельзя считать абсолютно верным, так как под элементарными частицами в строгом смысле слова нужно понимать первичные, неразложимые частицы, из которых состоит вся материя. Большинство же из известных частиц обладают внутренней структурой и называются элементарными лишь по традиции. В современной науке существует проблема выявления истинно элементарных, неразложимых и не имеющих внутренней структуры частиц, называемых фундаментальными частицами. В настоящее время к фундаментальным частицам относят группу лептонов (электроны, позитроны, нейтрино и др.), кварки и частицы - переносчики фундаментальных взаимодействий. Вопрос о существовании еще более глубинных уровней строения материи остается открытым.
Общими характеристиками элементарных частиц является их масса покоя , среднее время жизни , спин J и электрический заряд q.
Как правило, массу элементарных частиц выражают не в килограммах, а в энергетических единицах, имея в виду, что массе покоя соответствует определяемая по формуле Эйнштейна энергия покоя . Обычно энергия покоя частиц измеряется в мегаэлектронвольтах (1 МэВ=106 эВ=106·1.6·10-19 Дж=1.6·10-13 Дж). Спин частиц равен целому или полуцелому числу постоянных Планка и его значения выражаются в единицах . Например, у электрона J=1/2, у фотона J=1, у -мезона J=0. Электрический заряд частиц (кроме кварков) равен целому числу элементарных зарядов e=1.6·10-19 Кл и выражается в элементарных зарядах. Например, у протона q=+1, у электрона q= - 1, у нейтрона и фотона q=0.
По времени жизни частицы подразделяются на стабильные, квазистабильные и нестабильные (резонансы). Стабильны электрон, протон, фотон и нейтрино (и соответствующие античастицы), для которых не наблюдается самопроизвольного превращения в другие частицы. Квазистабильные частицы имеют время жизни 10-20 c и распадаются за счет электромагнитного и слабого взаимодействий. Нестабильные частицы распадаются за счет сильного взаимодействия и их время жизни 10-22÷10-24 с.
В зависимости от значения спина все частицы могут быть разделены на два класса, резко отличающиеся по своим свойствам. К классу фермионов относятся частицы с полуцелым спином (J= 1/2, 3/2, 5/2, ...). Как уже отмечалось в конце главы 9, для фермионов справедлив принцип Паули, в соответствии с которым в квантовой системе не могут одновременно находиться два и более фермиона с полностью совпадающими значениями всех квантовых чисел. То есть в системе фермионов каждый из них находится в отличном от других состоянии, характеризующемся своим индивидуальным набором параметров. Фермионы являются «индивидуалистами», не способными к «коллективизации», то есть нахождению в одинаковых состояниях.
К классу бозонов относятся частицы с целочисленным спином (J=0, 1, 2, ...). Для них неприменим принцип Паули, напротив, бозонам присуще стремление к «коллективизации», то есть переходу множества частиц в идентичное состояние. Примером такой «коллективизации» бозонов является генерация лазером когерентного излучения. Частицы света - фотоны - имеют спин J=1 и относятся к бозонам. При взаимодействии фотонов с различными характеристиками (частотой, поляризацией, направлением распространения) и вещества при определенных условиях формируется лазерный луч, то есть поток фотонов с идентичными параметрами.
Формальным признаком разделения частиц на фермионы и бозоны является целочисленность спина, но этот признак лишь отражает глубокое различие в симметрии волновых функций, описывающих частицы этих двух классов.
Широко используется классификация элементарных частиц по их способности к участию в фундаментальных физических взаимодействиях. Как уже отмечалось, современная наука выделяет четыре типа фундаментальных физических взаимодействий, существенно различающихся по своей интенсивности. Приближенной мерой интенсивности какого-либо взаимодействия является величина обусловленной этим взаимодействием энергии двух частиц, находящихся на малом фиксированном расстоянии друг от друга. Фундаментальные взаимодействия отличаются также по радиусу взаимодействия, то есть по максимальному расстоянию, на котором возможно данное взаимодействие. В таблице 11.1 перечислены фундаментальные взаимодействия и приведены их основные характеристики. Указанное в таблице 11.1 соотношение интенсивностей различных взаимодействий справедливо при не слишком больших кинетических энергиях самих взаимодействующих частиц. При увеличении кинетических энергий частиц, их масс и уменьшении расстояний между ними это соотношение изменяется, и интенсивности взаимодействий сближаются.
Таблица 11.1 - Фундаментальные взаимодействия.
| Название | Интенсив- ность | Радиус действия | Примеры проявления |
| Сильное Электромагнит- ное Слабое Гравитационное | 10-2 10-10 10-38 | ~10-15 м ~10-18м | Ядерные силы между нуклонами Силы взаимодействия заряженных частиц (сила Кулона, сила Лоренца), сила упругости, сила трения Распад квазистабильных элементарных частиц Сила всемирного тяготения |
По своей способности к фундаментальным взаимодействиям все элементарные частицы делятся на три группы: фотоны, участвующие в электромагнитном, но не способные к сильному и слабому взаимодействиям (группа состоит из одного представителя - собственно фотона), лептоны (от греч. leptos - легкий), участвующие в слабом, а заряженные лептоны - и в электромагнитном взаимодействиях, но не способные к сильному взаимодействию, адроны (от греч. hadros - сильный), участвующие в сильном, электромагнитном и слабом взаимодействиях. К гравитационному взаимодействию способны все частицы, включая фотоны.
Элементарные частицы дополнительно характеризуются рядом квантовых чисел, называемых внутренними. Лептоны имеют лептонный заряд L, равный +1 для частиц и -1 для античастиц. Для фотонов и адронов L= 0. Адронам с полуцелым спином приписывают барионный заряд B, равный +1 для частиц и -1 для античастиц. Адроны с 1 образуют подгруппу барионов (от греч. barys - тяжелый), адроны с целочисленным спином имеют барионный заряд B=0 и образуют подгруппу мезонов (от греч. mesos - средний, промежуточный).
Адроны подразделяются на обычные (нестранные) частицы (протон, нейтрон, -мезоны и др.), странные частицы, «очарованные» и «красивые» частицы. Этому делению соответствует наличие у адронов особых внутренних квантовых чисел: странности S, «очарования» C, «красоты» b и других. Наличие этих квантовых чисел отражает особые, не имеющие аналогий в макромире, симметрийные свойства волновых функций, соответствующих этим частицам.
В таблице 11.2 приведены сведения о ряде элементарных частиц, разбитых на три вышеуказанные группы. Верхние индексы «+» или «-» при условных обозначениях частиц указывают знак их электрического заряда; индекс «0» или отсутствие индекса означает электронейтральность частицы (за исключением протона и антипротона). Любая частица с ненулевым значением хотя бы одного из чисел q, L, B, S, C, b имеет античастицу с равными по модулю, но противоположными по знаку значениями этих чисел. Частицы, тождественные своим античастицам, называются истинно нейтральными; в таблице 11.2 их обозначения помещены между частицами и античастицами.
Таблица 11.2 - Некоторые элементарные частицы.
| Название | Обозначение | , МэВ | J | S, C | , с | Продукты распада | |
| част. | анти- част. | ||||||
| Фотоны ( ) | |||||||
| Фотон | - | cтаб. | - | ||||
| Лептоны ( ) | |||||||
| Электрон | 0.511 | 1/2 | - | cтаб. | - | ||
| Электронное нейтрино | 0? (<3·10-5) | 1/2 | - | стаб. | - | ||
| Мюон | 1/2 | - | 2.2·10-6 | ||||
| Мюонное нейтрино | 0? (<0.51) | 1/2 | - | стаб. | - | ||
| Адроны ( ) Подгруппа мезонов ( ) | |||||||
| Пи-плюс-мезон | 0, 0 | 2.6·10-8 | |||||
| Пи-нуль-мезон | 0, 0 | 0.8·10-16 | |||||
| Ка-плюс-мезон | 1, 0 | 1.2·10-8 | |||||
| Ка-нуль-мезон | 1, 0 | 5.2·10-8 0.9·10-10 | |||||
| Эта-мезон | 0, 0 | 2.4·10-19 | |||||
| Дэ-плюс-мезон | 0, 1 | 8·10-13 | - и -мезоны |
Продолжение таблицы 11.2.
Фундаментальные частицы
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 ~10-16 см.
Введение
Среди бесчисленных и разнообразных процессов взаимодействия между частицами имеются четыре основных или фундаментальных взаимодействия: сильное (ядерное), электромагнитное, 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 h=1,05⋅10−27эрг⋅с. Квантами поля и соответственно переносчиками сильного взаимодействия являются глюоны, обозначаемые символом g, квантами электромагнитного поля являются хорошо известные нам кванты света - фотоны, обозначаемые γ, а квантами слабого поля и соответственно переносчиками слабых взаимодействий являются W± (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 ν - три различных нейтрино, буквами е - электрон, μ - мюон, τ - 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 [1]. 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.
| Лептоны | Кварки | ||||||||||||
|
|
Лептоны
Сначала рассмотрим более подробно свойства лептонов. В верхней строке табл. 1 содержатся три разных нейтрино: электронное νe, мюонное νm и тау-нейтрино νt. Их масса до сих пор точно не измерена, но определен ее верхний предел, например для ne равный 10-5 от величины массы электрона (то есть ≤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+→γ+γ.
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 γ-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
μ−→e−+ν˜e+νμ
Еще более тяжелым аналогом электрона является τ-лептон (таон). Его масса более чем в 3 тыс. раз превосходит массу электрона (mτ=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:
τ−⟨→e−+ν˜e+ντ→μ−+ν˜μ+ντ
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 [2].
Кварки
Сама идея кварков возникла в результате блестящей попытки классифицировать большое количество частиц, участвующих в сильных взаимодействиях и называемых адронами. М. Гелл-Ман и Г. Цвейг предположили, что все адроны состоят из соответствующего набора фундаментальных частиц - кварков, их антикварков и переносчиков сильного взаимодействия - глюонов [3].
Полное число адронов, наблюденное в настоящее время, составляет более ста частиц (и столько же античастиц). Много десятков частиц еще не зарегистрировано. Все адроны подразделяются на тяжелые частицы, названные барионами, и средние, названные мезонами.
Барионы характеризуются барионным числом b = 1 для частиц и b = -1 для антибарионов. Их рождение и уничтожение всегда происходят парами: бариона и антибариона. У мезонов барионный заряд b = 0. Согласно идее Гелл-Мана и Цвейга, все барионы состоят из трех кварков, антибарионы - из трех антикварков. Поэтому каждому кварку было приписано барионное число 1/3, чтобы в сумме у бариона было b = 1 (или -1 для антибариона, состоящего из трех антикварков). Мезоны имеют барионное число b = 0, поэтому они могут быть составлены из любой комбинации пар любого кварка и любого антикварка. Помимо одинаковых для всех кварков квантовых чисел - спина и барионного числа имеются другие важные их характеристики, такие, как величина их массы покоя m, величина электрического заряда Q/e (в долях заряда электрона е = 1,6 · 10-19 кулон) и некоторого набора квантовых чисел, характеризующих так называемый аромат кварка. К ним относятся:
1) величина изотопического спина I и величина его третьей проекции, то есть I3 . Так, u-кварк и d-кварк образуют изотопический дублет, им приписан полный изотопический спин I = 1/2 с проекциями I3 = +1/2, соответствующей u-кварку, и I3 = -1/2, соответствующей d-кварку. Обе компоненты дублета имеют близкие значения массы и идентичны по всем остальным свойствам, за исключением электрического заряда;
2) квантовое число S - странность характеризует странное поведение некоторых частиц, имеющих аномально большое время жизни (~10-8 - 10-13 с) по сравнению с характерным ядерным временем (~10-23 с). Сами частицы были названы странными, в их состав входит один или несколько странных кварков и странных антикварков. Рождение или исчезновение странных частиц вследствие сильных взаимодействий происходят парами, то есть в любой ядерной реакции сумма ΣS до реакции должна быть равна ΣS после реакции. Однако в слабых взаимодействиях закон сохранения странности не выполняется.
В опытах на ускорителях наблюдали частицы, которые было невозможно описать с помощью u-, d- и s-кварков. По аналогии со странностью потребовалось ввести еще три новых кварка с новыми квантовыми числами С = +1, В = -1 и Т = +1. Частицы, составленные из этих кварков, имеют существенно большую массу (> 2 ГэВ/с2). Они имеют большое разнообразие схем распадов со временем жизни ~10-13 с. Сводка характеристик всех кварков приведена в табл. 2.
Каждому кварку табл. 2 соответствует свой антикварк. У антикварков все квантовые числа имеют знак, противоположный тому, который указан для кварка. О величине массы кварков необходимо сказать следующее. Приведенные в табл. 2 значения соответствуют массам голых кварков, то есть собственно кварков без учета окружающих их глюонов. Масса одетых кварков за счет энергии, несомой глюонами, больше. Особенно это заметно для легчайших u- и d-кварков, глюонная шуба которых имеет энергию около 300 МэВ.
Кварки, которые определяют основные физические свойства частиц, называют валентными кварками. Помимо валентных кварков в составе адронов имеются виртуальные пары частиц - кварки и антикварки, которые испускаются и поглощаются глюонами на очень короткое время
(где Е - энергия виртуальной пары), что происходит с нарушением закона сохранения энергии в соответствии с соотношением неопределенности Гейзенберга [4]. Виртуальные пары кварков называют кварками моря или морскими кварками. Таким образом, в структуру адронов входят валентные и морские кварки и глюоны.
Главная особенность всех кварков в том, что они являются обладателями соответствующих сильных зарядов. Заряды сильного поля имеют три равноправные разновидности (вместо одного электрического заряда в теории электрических сил). В исторически сложившейся терминологии эти три разновидности заряда называют цветами кварков, а именно: условно красным, зеленым и синим. Таким образом, каждый кварк в табл. 1 и 2 может быть в трех ипостасях и является цветной частицей. Смешение всех трех цветов, подобно тому как это имеет место в оптике, дает белый цвет, то есть обесцвечивает частицу. Все наблюдаемые адроны бесцветны.
| Кварки | u (up) | d (down) | s (strange) | c (charm) | b (bottom) | t (top) |
| Масса m0 | (1,5-5) МэВ/с2 | (3-9) МэВ/с2 | (60-170) МэВ/с2 | (1,1-4,4) ГэВ/с2 | (4,1-4,4) ГэВ/с2 | 174 ГэВ/с2 |
| Изоспин I | +1/2 | +1/2 | ||||
| Проекция I3 | +1/2 | -1/2 | ||||
| Электрический заряд Q/e | +2/3 | -1/3 | -1/3 | +2/3 | -1/3 | +2/3 |
| Странность S | -1 | |||||
| Чарм C | +1 | |||||
| Боттом B | -1 | |||||
| Топ T | +1 |
Взаимодействия кварков осуществляют восемь разных глюонов. Термин "глюон" означает в переводе с английского языка клей, то есть эти кванты поля есть частицы, которые как бы склеивают кварки между собой. Как и кварки, глюоны являются цветными частицами, но поскольку каждый глюон изменяет цвета сразу двух кварков (кварка, который испускает глюон,