Элементарные частицы

Элементарными называют частицы, которые, как принято считать, не состоят из более простых частиц. Сначала ими считались атомы. Затем, после работ Резерфорда и Бора, стало ясно, что атомы состоят из более мелких частиц.

Вскоре были открыты сотни таких частиц, которые можно было сгруппировать, и совсем недавно считалось, что все частицы можно отнести к двум группам частиц: адронам и лептонам.

Но сейчас уже известно, что адроны состоят из кварков и антикварков — частиц с дробными электрическими зарядами.

Всего имеется шесть видов (или “ароматов”) кварков, обозначаемых первыми буквами соответствующих английских слов u (uр), d (down), c (charm), s (strange), t (top), в (beaty). Например, нуклоны состоят из трех кварков: протон — из кварков uud, нейтрон — из кварков udd.

В таблице указаны три поколения фермионов. Практически нас интересует только первое поколение (u и d), поскольку реальный вещественный мир — мир протонов и нейтронов, входящих в состав ядер атомов, состоит из трех кварков первого поколения.

В таблице приведены характеристики четырех фундаментальных векторных бозонов. Заряженные бозоны W ⁺ и W⁻ являются античастицами по отношению друг к другу, поэтому рассматриваются как единое целое.

Физика элементарных частиц базируется также на понятии о фундаментальных взаимодействиях: гравитационном, электромагнитном, сильном и слабом.

Электромагнитное взаимодействие обусловлено обменом фотонами, которые изучены лучше всех бозонов. Источником фотонов является электрический заряд. Гравитационное взаимодействие связано с пока гипотетическими частицами — гравитонами.

Нейтральный (Z⁰) и заряженные (W⁺, W⁻) бозоны являются переносчиками слабого взаимодействия между электронами, протонами, нейтронами и нейтрино.

Переносчиками сильного взаимодействия являются глюоны. Они как бы “склеивают” кварки в адронах. Источниками глюонов являются так называемые “цветовые” заряды. Они не имеют никакого отношения к обычным цветам и названы так для удобства описания.

Таким образом, в настоящее время полное число кварков и антикварков (с учетом трех цветов и шести “ароматов”) достигло 36. Кроме того, имеется еще 9 глюонов. Глюоны, как и кварки, не наблюдаются в свободном состоянии.

Существование кварков и глюонов приводит к появлению нового состояния вещества, которое носитназвание кварк-глюонная плазма. Это плазма, состоящаяне изэлектронов и ионов, акобычная плазма, а из кварков и глюонов, слабо взаимодействующих друг с другом или не взаимодействующих вообще.

Одной из главных задач микрофизики, о решении которой мечтал еще А. Эйнштейн, является создание единой теории поля, которая объединила бы все известные фундаментальные взаимодействия. Создание такой теории означало бы фундаментальный прорыв во всех областях науки. Однако сейчас мы находимся только на подходе к этому.

К настоящему времени создана и признана теория, которая объединяет два фундаментальных взаимодействия — слабое и электромагнитное.

Эти частицы, названные бозонами W ⁺, W⁻ и Z⁰, были теоретически предсказаны в 70-х гг. прошлого века и экспериментально обнаружены в 1983 г. на ускорителе в ЦЕРНе (Европейский центр ядерных исследований, Швейцария).

Теория сильного взаимодействия именуется квантовой хромодинамикой. Эта теория, описывающая взаимодействие кварков и глюонов, построена по образу квантовой электродинамики, которая, в свою очередь, описывает электромагнитные взаимодействия, обусловленные обменом фотонами.

В отличие от электрически нейтральных фотонов, глюоны являются носителями “цветовых” зарядов. Это приводит к тому, что при попытке развести их в пространстве энергия взаимодействия возрастает. В результате глюоны и кварки не существуют в свободном состоянии: они “самозапираются” внутри адронов.

Современную теорию элементарных частиц, состоящую из теорий электрослабого взаимодействия и квантовой хромодинамики, принято называть стандартной моделью (standard model). Эта сложная, но уже почти законченная феноменологическая теория — главный теоретический инструмент, с помощью которого решаются задачи микрофизики.

Великое объединение — так называют теоретические модели, исходящие из представлений о единой природе сильного, слабого и электромагнитного взаимодействия. Оно призвано объединить все существующие частицы: фермионы, бозоны и скалярные частицы.

По последним данным, среднее время жизни протона больше 1,6 · 10³³ лет. Доказательство нестабильности протона явилось бы открытием фундаментальной важности. Однако пока этот распад не зафиксирован.

Ученые надеются, что дальнейшее развитие моделей Великого объединения приведет к объединению всех взаимодействий, включая и гравитационное (суперобъединение). Но это — дело будущего.

В микрофизике известна и играет важную роль фундаментальная длина, называемая планковской, или гравитационной, длиной, lР = 1,6 · 10⁻³³ см. Считается, что длины меньше планковской в природе не существует.

Совместно с планковским временем tР, приблизительно равным 10⁻⁴³ с, они составляют пространственно-временные кванты, которые призваны лечь в основу будущей квантовой теории гравитации.

В настоящее время наименьшей “прицельный параметр”, достигнутый на современных ускорителях, — фундаментальная длина — lf составляет около 10⁻¹⁷ см.

Значение lf отличается от значения lР на целых 16 порядков. Поэтому вопрос о фундаментальной длине еще остается актуальным для науки.

С первой половины XX столетия, когда объектами изучения микрофизики были атом, а затем атомное ядро, для того чтобы понять поведение электронов в атомах, пришлось совершить подлинную революцию в науке — создать квантовую механику.

Микрофизика занимала тогда в естествознании совершенно особое место. Благодаря ее успехам мы смогли разобраться в строении вещества. Микрофизика — это фундамент современной физической науки.