19. Элементарные частицы и виды фундаментальных взаимодействий

Элементарные частицы

Вещество определяется в физике как вид материи, обладающий массой покоя. При этом опираются на те представления о материи, массе и покое, которые существуют на интуитивном уровне.

В нормальных (человеческих) условиях (T ≈ 300 K, p ≈ 1 атм.) вещество встречается в твёрдом, жидком и газообразном состоянии. Это так называемые агрегатные состояния вещества (лат. aggrego – присоединяю). Они различаются по характеру молекулярного теплового движения. Переходы между ними сопровождаются скачкообразными изменениями физических свойств. При больших отклонениях от нормальных условий возможны иные состояния. Например, плазма: электроны и "голые" ядра при очень высоких температурах.

Мир молекул (molecula – уменьшит. от лат. mōlēs – масса) приоткрыл много интересного в природе вещества, и физики устремились дальше вглубь материи на уровень атомов, которые сначала казались неделимыми, откуда и произошло их название (греч. átomos – неделимый). Однако атомы не оправдали своего названия. Оказалось, что они состоят из массивного положительно заряженного ядра, вокруг которого вращаются отрицательно заряженные электроны, образующие внешнюю "оболочку" атома. Заряд – величина, определяющая интенсивность электромагнитного взаимодействия. У простейшего атома водорода имеется всего один электрон, масса которого 10^-30 кг, в то время как масса ядра 10^-27 кг. Радиус электрона 10^-18 м, ядра – 10^-15 м, атома – 10^-10 м, так что фактически атом почти весь состоит из ... пустоты.

"Покопавшись" в ядре, физики обнаружили, что оно состоит из протонов (греч. prōtos – первый), заряженных положительно, и нейтронов (лат. neuter – ни тот, ни другой), не имеющих заряда. Тяжёлые частицы (протон и нейтрон), составляющие ядро, называются нуклонами (лат. nucleus – ядро).

В 1928 году Поль Дирак предсказал существование частицы, противоположной по свойствам электрону. В 1936 такую частицу, заряженную положительно, экспериментально обнаружил К.Андерсон. Её назвали позитрон (лат. positivus – положительный). Антипротон был открыт в 1955 г., антинейтрон – в 1956 г. Заряд у антинейтрона, как и у нейтрона, отсутствует, но его магнитный момент имеет противоположный знак. При встрече частицы с античастицей происходит их аннигиляция, взаимоуничтожение, в результате чего рождаются другие частицы. Например, электрон и позитрон превращаются в два фотона (e- + e+ → 2γ). Фотон как частица света (греч. phōtόs – свет) был введён в теоретическую физику А.Эйнштейном в 1905 г.

В 1935 г. Х.Юкава предсказал существование частиц с промежуточной массой (легче нуклона, тяжелее электрона). Их назвали мезонами (греч. mesos – средний, промежуточный) и обнаружили экспериментально в 1947 г. Эти частицы появляются, например, при аннигиляции нуклонов и антинуклонов, присутствуют в космических лучах, существенно используются в ядерной физике.

Семья элементарных частиц росла и росла и сейчас насчитывает более 300 видов. Конечно, их всё время стараются упорядочить. Пока преобладает комбинативная система с такими признаками как масса, время жизни и спин. По массе различаются барионы (нуклоны), мезоны, лептоны (электроны, нейтрино) и фотон, вообще не имеющий массы покоя. По времени жизни: стабильные частицы (электрон, протон, фотон, нейтрино), квазистабильные (нейтрон) и резонансы. Термин "спин" (англ. spin –вращение) характеризует собственный момент импульса частицы. Он может принимать значения, кратные ћ или ћ/2. Частицы с полуцелым спином, фермионы (нуклоны, лептоны) подчиняются принципу Паули, согласно которому в одном состоянии может находиться только один фермион. Частицы с целым спином, бозоны (мезоны, фотоны) не ограничены этим правилом и могут "уживаться в коммунальных квартирах". Заряд у всех элементарных частиц оказывается кратным заряду электрона e .

Сравнительное изучение элементарных частиц наводило на мысль, что они тоже, как и атомы, не совсем элементарны, а состоят из ещё более мелких "кирпичиков" материи. В 1964 г. М.Гелл-Манн и Дж.Цвейг выдвинули гипотезу кварков. Термин этот был взят из романа Дж.Джойса "Поминки по Финнегану", где его произносит человек, поражённый безумием. Теоретически почти все элементарные частицы можно рассматривать как комбинации кварков. Например, барионы состоят из трёх кварков, лептоны – из кварка и антикварка. Типы кварков названы ароматами. Их шесть: up – верхний, down – нижний, strange – странный, charmed – очарованный, beauty – прелестный, truth – истинный. Каждый может находиться в трёх состояниях, называемых цветами: жёлтом, красном, синем. Размеры кварков примерно в 10 раз меньше нуклона, спин – полуцелый, а заряды должны быть дробными. Однако в свободном виде они до сих пор экспериментально не обнаружены. Называя это феномен принципом удержания, физики говорят о центральной свободе и периферийном рабстве кварков.

Типы взаимодействий

Переходя от элементов к структуре, т.е. к совокупности связей, рассмотрим взаимодействия между частицами. Природа взаимодействий может быть различной. В настоящее время физики различают 4 типа фундаментальных взаимодействий. Два из них: гравитационное (лат. gravitas – тяжесть) и электромагнитное ( греч. ēlektron – янтарь, Magnētis – город, где нашли магнитный железняк) были известны давно, поскольку заметно проявляются в человеческом масштабе.

Изучение строения атомного ядра привело к открытию нового типа взаимодействия, которое назвали сильным, так как в ядерных масштабах (~10-15 м) оно на два-три порядка превосходит электромагнитное и позволяет объяснить, почему одинаково заряженные протоны не разлетаются. Затем был открыт 4-й тип взаимодействия, ответственный за распад элементарных частиц и взаимодействия с участием нейтрино. По интенсивности оно находится между электромагнитным и гравитационным. Последнее в атомном масштабе наименее ощутимо.

Механизм взаимодействия принято трактовать как обмен частицами-посредниками, несущими элементарные порции энергии – кванты. Считается, что каждое взаимодействие переносится определённым типом бозонов. Квант тяготения – гравитон – экспериментально пока не обнаружен. В слабых взаимодействиях посредниками являются мезоны, в электромагнитных – фотоны. Сильные взаимодействия осуществляются глюонами (англ. glue – клей), которые несут в себе столь большую энергию, что крепко удерживают кварки внутри частицы.

Теории, построенные для каждого из 4-х типов взаимодействий, получились разными, и физикам это не нравилось. Хотелось их объединить. Хорошим примером служила единая теория электромагнитных взаимодействий, построенная Дж.Максвеллом ещё в середине 19-го века. На рубеже 60-х – 70-х годов XX столетия усилиями трёх физиков (С.Вайнберг, Ш.Глэшоу, А.Салам) удалось объединить теории электромагнитного и слабого взаимодействий. Квант, переносящий электрослабое взаимодействие, может находиться в 4-х состояниях, одно из которых фотонное, а три других обладают большой массой. Такое объединение требует энергий порядка 1011 эВ, что соответствует температурам, в 4 триллиона раз выше комнатной.

Сейчас физики заняты построением теории Большого объединения, которое включило бы сильные взаимодействия. Искомый квант-посредник должен быть весьма многомерным, а энергия, необходимая для реализации этого объединения, на современных установках недостижима. Проект Суперобъединения, захватывающего и гравитацию, существует как великая мечта. Пример такой теории: Исключительно простая теория всего (Гаррет Лиси), предложена 6 ноября 2007 года, основана на группе Ли.