3.6. Структура микромира и классификация элементарных частиц

На рубеже XIX – XX вв. в естественно-научной картине мира произошли радикальные изменения, вызванные новейшими научными открытиями в области физики и затронувшие ее основополагающие идеи и установки. В результате научных открытий были опровергнуты традиционные представления классической физики об атомной структуре вещества. Открытие электрона означало утрату атомом статуса структурно неделимого элемента материи и тем самым коренную трансформацию классических Представлений об объективной реальности. Новые открытия позволили, во-первых, выявить существование в объективной реальности не только макро-, но и микромира; во-вторых, подтвердить представление об относительности истины, которая служит только ступенькой на пути познания все более фундаментальных свойств природы; в-третьих, доказать, что материя состоит не из «неделимого первоэлемента» (атома), а из бесконечного многообразия явлений, видов и форм материи и их взаимосвязей.

Переход естественно-научных знаний с атомного уровня и уровень элементарных частиц привел ученых к заключению, что понятия и принципы классической физики неприменимы к исследованию физических свойств мельчайших частиц материи (микрообъектов), таких, как электроны, протоны, нейтроны, атомы, которые образуют невидимый нами микромир. В силу особых физических показателей свойства объектов этого мира совершенно не похожи на свойства объектов привычного нам макромира и далекого мегамира. Отсюда возникла необходимость отказаться от привычных представлений, которые навязаны нам предметами и явлениями окружающего нас макромира. Поиски новых способов описания микрообъектов привели к созданию концепции элементарных частиц.

Согласно этой концепции, основными элементами структуры микромира выступают микрочастицы материи, которые являются ни атомами, ни атомными ядрами, не содержат в себе какие-либо другие элементы и обладают наиболее простыми свойствами. Такие частицы были названы элементарными, т. е самыми простыми и не имеющими в себе никаких составных частей.

После того как было установлено, что атом не является последним кирпичиком мироздания и сам он построен из боле простых элементарных частиц, поиск таких фундаментальных частиц занял главное место в исследованиях физиков. История их открытия началась в конце XIX в., когда в 1897 г. английский физик Дж. Томсон открыл первую элементарную частицу – электрон. К началу 30-х годов XX в. были открыты протон и фотон, в 1932 г. – нейтрон, а спустя четыре года – первая античастица – позитрон, которая по массе равна электрону, но имеет положительный заряд. В дальнейшем открытие всех известных сегодня элементарных частиц прошло два этапа. Первый приходится 30 – 50-е годы XX в., к концу которого стало известно о 32 элементарных частицах. На этом этапе основным средством открытия и исследования элементарных частиц стали ускорители заряженных частиц. Второй этап приходится на 60-е годы, когда общее число известных частиц превысило 200. В 70 – 80-е годы открытий новых элементарных частиц усилился, и ученые говорили о семействах элементарных частиц. На данный момент науке известно более 350 элементарных частиц, различающихся массой, зарядом, спином, временем жизни и еще рядом физических характеристик. Все элементарные частицы, кроме абсолютно нейтральных, имеют свои античастицы – элементарные частицы, но отличающиеся знаками электрического заряда.

Элементарные частицы служат основными «кирпичиками», из которых состоят как материя, так и поле. При этом все они неоднородны: некоторые из них являются составными (протон, нейтрон), а другие – несоставными (электрон, нейтрино, фотон). Частицы, которые не являются составными, называются фундаментальными.

В целом элементарные частицы обладают довольно большим количеством характеристик. На основании некоторых из них ученые провели их классификацию.

Так, одной из важнейших характеристик частиц является их масса. Масса элементарной частицы – это масса ее покоя, которая определяется по отношению к массе покоя электрона, который, в свою очередь, считается самой легкой из всех частиц, имеющих массу. В зависимости от массы покоя все частицы можно разделить на несколько групп:

– частицы, не имеющие массы покоя. Это фотоны, движущиеся со скоростью света;

– лептоны (от «лептос» – легкий) – легкие частицы. К ним относятся электрон и нейтрино;

– мезоны (от «мезос» – средний, промежуточный) – средние частицы с массой от одной до тысячи масс электрона;

– барионы (от «барос» – тяжелый) – тяжелые частицы с массой более тысячи масс электрона. К ним относятся протоны, нейтроны, гипероны, многие резонансы.

Второй важной характеристикой элементарных частиц является электрический заряд. Он всегда кратен фундаментальной единице заряда – заряду электрона (-1), который рассматривается в качестве единицы отсчета зарядов. Заряд частиц может быть отрицательным, положительным либо нулевым. Как предполагают ученые, существуют также частицы с дробным электрическим зарядом – кварки, экспериментальное наблюдение которых пока невозможно.

Третьей характеристикой элементарных частиц служит тип физического взаимодействия, в котором участвуют элементарные частицы. По данному показателю все их многообразие можно разделить на три группы:

1. Адроны (от «адрос» – крупный, сильный), участвующие в электромагнитном, сильном и слабом взаимодействии;

2. Лептоны, участвующие только в электромагнитном и слабом взаимодействии;

3. Частиц – переносчики взаимодействий.

Частицы – переносчики взаимодействий непосредственно обеспечивают взаимодействие. К ним относятся фотоны – переносчики электромагнитного взаимодействия, глюоны – переносчики сильного взаимодействия, бозоны – переносчики слабого взаимодействия. Высказывается также предположение о существовании гравитонов – частиц, обеспечивающих гравитационное взаимодействие.

Четвертой основной характеристикой элементарных частиц выступает спин. Элементарные частицы – это мельчайшие вращающиеся частички материи (волчки). Они характеризуются моментом импульсов, связанным с вращением частицы и называемым спиновым моментом, или спином. Спин может принимать целые или полуцелые значения. Частицы с нолуцелым спином называются фермионами, а с целым спином – бозонами.

Наконец, пятой характеристикой элементарных частиц считается время их жизни, которое определяет их стабильность или нестабильность. По времени жизни частицы делятся на стабильные, квазистабильные и нестабильные. Большинство элементарных частиц нестабильно, время их жизни – 10^-10 – 10^-24 сек, т.е. несколько микросекунд. Стабильные частицы не распадаются длительное время. Они могут существовать от бесконечности до 10^-10 сек. Стабильными частицами считаются фотон, нейтрино, нейтрон, протон и электрон. Квазистабильные частицы распадаются в результате электромагнитного и слабого взаимодействия, иначе их называют резонансами. Время их жизни составляет от 10^-24 до 10^-26 сек.

3.6.1. Теория кварков. В середине 60-х годов XX в. число открытых андронов превысило сотню. В связи с этим возникла гипотеза, согласно которой наблюдаемые частицы не отражают предельного уровня деления материи. На основе этой гипотезы была создана теория кварков. Ее авторами стали физики Калифорнийского университета Марри Гелл-Манн и Джордж Цвейг. Термин «кварк» они позаимствовали из романа Дж. Джойса «Поминки по Финнегану», герой которого видел во сне чаек, кричавших на лету: «Три кварка для мистера Марка!». Слово «кварк» в переводе с немецкого языка означает «чепуха», но авторы теории понимали его как гипотетический материальный объект, существование которого еще не доказано наукой. Имея форму гипотезы, кварковая теория тем не менее позволила систематизировать известные частицы и предсказать существование новых.

Основные положения теории кварков заключаются в следующем. Адроны состоят из более мелких частиц – кварков, которые представляют собой истинно элементарные частицы и поэтому бесструктурны. Главная особенность кварков – их дробный электрический заряд. Кварки различаются спином, ароматом и цветом. Аромат кварка не имеет никакого отношения к аромату, понимаемому буквально (т. е. как аромат цветов, духов), это его особая физическая характеристика. Существует шесть видов кварков, различающихся ароматом: u (up – верхний), d (down – н ижний), s (strange – странный), с (charm – очарование), b (beauty – прелесть), t (top – верхний).

Кроме того, считается, что каждый кварк имеет один из трех возможных цветов, которые самими учеными выбраны произвольно: красный, зеленый, синий. Также понятно, что цвет кварка не имеет никакого отношения к обычному оптическому цвету в макромире. Цвет кварка, как и аромат, – условное название для определенной физической характеристики этих частиц. Цвет кварка практически означает разновидность «заряда» сильного ядерного взаимодействия, именуемого в физике «цветом». Каждый кварк может быть носителем одного из трех основных «зарядов», или цветов. Иначе говоря, каждый кварк может иметь «заряд» красного цвета, или «заряд» синего, или «заряд» зеленого цвета. Каждому кварку соответствует антикварк с противоположным цветом (антикрасный, антизеленый и антисиний). Таким образом, 6 кварков и 6 антикварков, т. е. 12 фундаментальных частиц, призваны объяснить почти все многообразие частиц, кроме лептонов.

Кварки соединяются тройками, образуя барионы, или парами, образуя мезоны. При объединении кварков их цвета («заряды») соединяются так же как в оптике, где сложение красного, синего и зеленого дает белый (бесцветный) цвет. Суммарный цвет объединившихся кварков или антикварков также должен быть белым или бесцветным. Белый цвет дает сумма красного, зеленого, синего или красного – антикрасного, синего – антисинего и т. п. Кварки объединяются между собой благодаря сильному взаимодействию. Переносчиками сильного взаимодействия выступают глюоны, которые как бы «склеивают» кварки между собой. Предполагается, что кварки участвуют также в электромагнитных и слабых взаимодействиях. В электромагнитном взаимодействии кварки не меняют свои цвет и аромат. В слабых взаимодействиях – меняют аромат, но сохраняют цвет.

Теория кварков позволяет предложить стройную и гармоничную модель строения атома. Согласно этой модели, атом состоит из тяжелого ядра и электронной оболочки. Протон состоит двух t-кварков и одного d-кварка. Нейтрон состоит из одного t-кварка и двух d-кварков.

Долгое время ученые пытались обнаружить кварки в многочисленных экспериментах, доводя в них точность измерений до очень высоких значений. Первоначально ученым пришлось признать, что законы природы нашего мира запрещают существование отдельных частиц с дробным электрическим зарядом. Однако в 1969 г. в Стэнфордском университете США в ходе экспериментов при бомбардировке электронами протонов было обнаружено, что электроны как бы налетали на твердые крохотные вкрапления и отскакивали от них под самыми невероятными углами. Ученые предположили, что эти твердые вкрапления и были кварками. В настоящее время теория кварков продолжает развиваться и уточняться, поэтому ее нельзя считать окончательно сформированной.