2. Материя. Фундаментальные частицы и поля

К наиболее важным понятиям физики и всего естествознания относится понятие материи. Материя существует в двух формах: в форме вещества и поля. Если представление о веществе человек получает с самого раннего детства, то представления о поле он получает только при изучении школьного курса физики. В формировании этих представлений огромную роль играет опыт. К наиболее важным вопросам при изучении природы относятся следующие. Из чего состоит окружающий нас мир? Какие силы его объединяют или связывают?

Еще древние мыслители, наблюдая взаимное превращение вещества и переход его из одной формы в другую, пришли к мысли о том, что природа состоит из относительно небольшого числа элементов. Другая глубокая идея заключалась в корпускулярной гипотезе строения материи. Развитие физики и химии в XIX и XX вв. подтвердило эти догадки. Не менее важной для физики было установление связи между элементами материи, т.е. действующих между ними сил. Поэтому, рассмотрим на уровне современных знаний фундаментальную структуру материи и сил природы.

Наш мир является таким, каким мы его наблюдаем, благодаря значениям фундаментальных физических констант. В первую очередь к таким константам относятся постоянная Планка  = h/2 = 1,0510^–34 Джс и скорость света c = 310⁸ м/с. К фундаментальным константам относятся: элементарный заряд, гравитационная постоянная, масса протона, масса электрона и некоторые другие постоянные. Они определяют фундаментальную структуру материи и взаимодействий.

Напомним некоторые соотношения квантовой и релятивистской физики, в которые входят фундаментальные постоянные. К наиболее важным соотношениям квантовой физики относятся выражение для энергии частицы (кванта):

E =  = hc/,

где  – частота,  – длина волны де Бройля, которая связана с импульсом частицы p формулой

p = h/,

и соотношения неопределенностей:

xp  , E  .

Из формул релятивистской физики отметим формулу связи энергии и релятивистской массы m частицы:

E = mc²,

а также формулу связи энергии и импульса частицы:

,

где E₀ = m₀c² – энергия покоя частицы. Положив в этих формулах  = c = 1, легко увидеть, что приведенные выше формулы существенно упрощаются.

Фундаментальные частицы

Представленные на рис.1 фундаментальные фермионы, обладающие спином ½, представляют собой «первокирпичики» вещества. Они представлены лептонами (электронами e, нейтрино и др.) – частицами не участвующими в сильных ядерных взаимодействиях, и кварками, которые участвуют в сильных взаимодействиях. Из кварков состоят ядерные частицы – адроны (протоны, нейтроны и мезоны). Каждая из этих частиц имеет свою античастицу, которая должна быть помещена в ту же клетку. Обозначение античастицы отличается знаком «тильда» (~).

Из шести разновидностей кварков или шести ароматов электрическим зарядом 2/3 (в единицах элементарного заряда e) обладают верхний (u), очарованный (c) и истинный (t) кварки, а зарядом –1/3 – нижний (d), странный (s) и красивый (b) кварки. Антикварки с теми же ароматами будут обладать электрическими зарядами –2/3 и 1/3, соответственно.

Фундаментальные частицы

Фундаментальные фермионы (полуцелый спин)

Фундаментальные бозоны (целый спин)

Лептоны

Кварки

e





0

u

c

t

2/3

Сильное

Эл.-магнитное

Слабое

Гравитационное

e





–1

d

s

b

–1/3

8 g J = 1 m = 0

 J = 1 m = 0

W,Z0 J = 1 m100

G J = 2 m = 0

I

II

III

I

II

III

Электрослабое взаимодействие

Великое объединение

Суперобъединение

Рис. 1

В квантовой хромодинамике (теории сильного взаимодействия), кваркам и антикваркам приписываются заряды сильного взаимодействия трех типов: красный R (антикрасный ); зеленый G (антизеленый ); синий B (антисиний ). Цветовое (сильное) взаимодействие связывает кварки в адронах. Последние делятся на барионы, состоящие из трех кварков, и мезоны, состоящие из двух кварков. Например, протоны и нейтроны, относящиеся к барионам, имеют следующий кварковый состав:

p = (uud) и , n = (ddu) и .

Для примера приведем состав триплета пи-мезонов:

, ,

Легко видеть из этих формул, что заряд протона равен +1, а у антипротона он равен –1. Нейтрон и антинейтрон имеют нулевой заряд. Спины кварков в этих частицах складываются так, что суммарные их спины равны ½. Возможны и такие комбинации из этих же кварков, у которых суммарные спины равны 3/2. Такие элементарные частицы (⁺⁺, ⁺, ⁰, ^–) обнаружены и относятся к резонансам, т.е. короткоживущим адронам.

Известный процесс радиоактивного -распада, который представлен схемой

n  p + e + ,

с точки зрения теории кварков выглядит как

(udd)  (uud) + e + или d  u + e + .

Несмотря на многократные попытки обнаружить в опытах свободные кварки не удалось. Это говорит о том, что кварки, по всей видимости, проявляются только в составе более сложных частиц (пленение кварков). Полного объяснения этого явления на сегодняшний день не дано.

Из рис.1 видно, что между лептонами и кварками существует симметрия, называемая кварк-лептонной симметрией. Частицы верхней строчки имеют заряд на единицу больше чем частицы нижней строчки. Частицы первого столбца относятся к первому поколению, второго – ко второму поколению, а третьего столбца – к третьему поколению. Собственно кварки c, b и t были предсказаны на основе этой симметрии. Окружающая нас материя состоит из частиц первого поколения. Какова роль частиц второго и третьего поколений? Окончательного ответа на этот вопрос пока нет.