Элементарные частицы

Вы уже знаете, что с давних времён учёные пытались найти наименьшие «кирпичики» материи, при помощи которых можно понять иерархическую структуру строения вещества. Сначала у древних греков (Демокрит, Эпикур) такими неделимыми частицами считались атомы, из которых, по их убеждениям, состоят все тела. Когда Демокрит назвал простейшие нерасчленимые далее частицы атомами (слово атом, напомним, означает «неделимый»), то ему, вероятно, всё представлялось в принципе не очень сложным. Различные предметы, растения, животные состоят из неделимых неизменных частиц. Превращения, наблюдаемые в мире, — это простая перестановка атомов. «Всё в мире течёт, всё изменяется, кроме самих атомов, которые остаются неизменными».

Более 2200 лет понятие Демокрита об атоме не претерпевало практически никаких изменений. Только в начале XIX века данное понятие конкретизировали химики, которые считали атомы наименьшими частицами вещества, определяющими его химические свойства (Я. Берцелиус, Дж. Дальтон, А. Авогадро).

Лишь в конце XIX века, после открытия электрона Томсоном и исследования явления радиоактивности Беккерелем и супругами Кюри, учёные подвергли сомнению элементарность атома и предположили, что он также имеет сложное строение. А в начале нового столетия Эрнест Резерфорд подтвердил это экспериментально и предложил ядерную модель атома, в которой ядро считается также сложным образованием. В 1919 году Резерфорд открыл протон — нуклон, имеющий положительный заряд. Другая частица — нейтрон, входящая в состав ядра, была открыта спустя 13 лет Джеймсом Чедвиком. С тех пор протоны, нейтроны и электроны, а также фотоны стали считаться элементарными частицами.

Затем последовал бум в открытии новых частиц. Сначала (в 1932 году) американец Карл Андерсон обнаружил позитрон — частицу с массой, равно массе электрона, но имеющую положительный элементарный заряд. В 1935 году для объяснения обменного характера сильного взаимодействия нуклонов в ядре японский физик Xидэки Юкава выдвинул гипотезу о существовании пи-мезонов, которые были обнаружены англичанином Сесилом Пауэллом в 1947 году в космических лучах.

Немного раньше (в 1937 году) в космическом излучении были обнаружены мюоны — частицы с отрицательным или положительным элементарным зарядом и массой, в 207 раз превышающей массу электрона.

Позже, по мере возрастания мощности ускорителей, создания новых детекторов элементарных частиц и усовершенствования методики эксперимента, было обнаружено около 400 элементарных частиц.

В настоящее время элементарными называют частицы, которые на современном уровне развития физики нельзя считать соединением более «простых» частиц, существующих в свободном состоянии.

Для всех элементарных частиц характерна способность рождаться и уничтожаться при взаимодействии с другими частицами. Например, мы знаем, что нейтрон в ядре может распасться на протон, электрон и антинейтрино. Но, что удивительно, эти частицы не являются составными частями нейтрона — внутри нейтрона их нет, так как они рождаются только в момент распада. Аналогично ему в класс элементарных частиц попадает мюон, который распадается на электрон, нейтрино и антинейтрино.

Открытие большого количества новых микрочастиц, побудило учёных иначе посмотреть на проблему их элементарности. Согласно современным представлениям — это не просто первоначальные неделимые частицы, составляющие вещество, а специфические объекты, которым кроме всего прочего присуще слабое взаимодействие как особый вид фундаментального взаимодействия.

По своей интенсивности слабое взаимодействие во много раз меньше сильного и электромагнитного взаимодействия. Однако оно значительно сильнее гравитационного притяжения, поскольку массы элементарных частиц очень малы и радиус их взаимодействия равен лишь одному аттометру (10^–18 м).

Общими характеристиками всех элементарных частиц является масса, время жизни, электрический заряд и спин.

Первоначально классификация элементарных частиц осуществлялась по их массе, что и получило отражение в названиях типов частиц (лепто́ны — лёгкие, мезо́ны — средние и барио́ны — тяжёлые). Выражают массы частиц, как правило, в массах электрона. Электрические заряды элементарных частиц являются кратными величине элементарного электрического заряда.

В зависимости от времени жизни элементарные частицы делятся на стабильные, квазистабильные и нестабильные (резонансы).

Стабильными в пределах точности современных измерений являются электрон, протон, фотон и нейтрино. К квазистабильным относятся частицы, распадающиеся за счёт электромагнитного и слабого взаимодействий. Их время жизни больше 10^–20 секунд. А резонансами (то есть нестабильными частицами) называются элементарные частицы, распадающиеся за счёт сильного взаимодействия. Их время жизни очень мало (10^–22—10^–24 с).

Спин (что с английского буквально переводится как ‘вращение, вращать’) — это собственный момент импульса элементарных частиц, имеющий квантовую природу и не связанный с перемещением частицы как целого.

Чаще всего спин измеряется в единицах постоянной Дирака и равен произведению данной постоянной и спинового квантового числа:

𝐽 = 𝑗ℏ, где 𝑗 = 0; 1/2; 1; 3/2…

Таким образом, каждая элементарная частица обладает набором дискретных квантовых чисел, которые однозначно определяют её специфические свойства.

В зависимости от присущего типа взаимодействия все элементарные частицы, кроме фотона, делятся на две основные группы: лептоны (от греческого тонкий, лёгкий), которые характеризуют только сильное взаимодействие. И адроны (от греческого большой, сильный), участвующие во всех типах взаимодействий — гравитационном, электромагнитном, сильном и слабом.

Адроны делятся на два класса: с целым спином — мезоны (или бозоны); и с полуцелым спином — фермионы (или барионы). Самыми лёгкими из барионов являются нуклоны. За ними следуют так называемые гипероны. Вся таблица замыкается омега-минус-частицей, открытой в 1964 году. Её масса в 3273 раза больше массы электрона.

В том же году американские учёные Мюррей Гелл-Манн и Джордж Цвейг независимо друг от друга выдвинули теорию кварков. Кварками они назвали предполагаемые «настоящие элементарные частицы», из которых состоят все адроны. Сначала было предложено три кварка (или три «аромата») — u, d, s, названия которых происходят от английских слов up — вверх, down — вниз и strange — странный.

Затем были обнаружены адроны, для объяснения свойств которых, пришлось предположить существование ещё трёх «ароматов» с, b и t (от английских слов charm — очарование; beauty — прелесть, красота и truth — истина).

Все шесть кварков располагают в виде трёх семейств (дуплетов) аналогично лептонным семействам. Спины у всех кварков полуцелые. У каждого кварка есть свой антикварк, спины которых также полуцелые. Электрические заряды кварков равны одной трети или двум третям элементарного заряда. Барионы состоят из трёх различных кварков, мезоны — из кварка и антикварка.

Кварки в адронах взаимодействуют посредством глюонов, которые не существуют в свободном виде и проявляются только в процессах рождения и уничтожения барионов и мезонов.

При изучении свойств атомов, ядер и элементарных частиц установлен один из фундаментальных законов физики: в системе взаимосвязанных частиц не может находиться два и более фермиона (то есть частиц с полуцелым спином) с тождественными параметрами. Этот закон называется принципом запрета Паули.

Однако в составе многих барионов есть по два, а в некоторых все три одинаковых кварка. Значит, все кварки, из которых состоит барион, должны отличаться каким-то параметром. Этот параметр назвали «цветным зарядом», или просто «цветом». Таких цветов оказалось три: красный, зелёный и синий. Они, естественно, не имеют прямого отношения к оптическому цвету, а лишь условно обозначают существование трёх типов специфических квантовых зарядов у кварков. «Цвета» антикварков соответственно: антикрасный, антисиний и антизелёный.

Оказывается, что, как и в оптике, смешение красного, синего и зелёного цветов в определённой пропорции даёт белый (нейтральный) цвет. Именно поэтому адроны считаются «белыми» или «бесцветными». Нейтрализуют друг друга цвет и антицвет, аналогично дополнительным цветам в оптике. Обмен глюонами между кварками меняет цвет кварка.

В соответствии с действующими в микромире законами сохранения, возникновение частиц происходит только в парах с античастицами. Поэтому все заряженные частицы существуют парами. Это так называемый принцип зарядового сопряжения. Оказалось, что у всех частиц имеются античастицы. Все характеристики частиц и античастиц одинаковы, но заряды (магнитные моменты) противоположны по знаку. Исключение — фотон, пи-ноль-мезон и тау-ноль-мезон — истинно нейтральные частицы, то есть полностью совпадающие со своими античастицами.

При столкновении частицы со своей античастицей (например, при столкновении медленно движущихся электрона и позитрона) они аннигилируют (от латинского «нииль» — ничто), то есть превращаются в какие-либо иные частицы, отличные от исходных:

Возможен и обратный процесс:

В настоящее время сложилась общепринятая теория наиболее общих типов элементарных частиц и их взаимодействий, которая называется стандартной моделью.

Стандартная модель элементарных частиц — теоретическая конструкция в физике элементарных частиц, описывающая электромагнитное, слабое и сильное взаимодействие всех элементарных частиц.

Согласно стандартной модели существуют два основных вида фундаментальных элементарных частиц: фермионы и бозоны. Фермионы являются элементарными «кирпичиками» окружающего нас вещества, а бозоны — переносчиками взаимодействий между фермионами.

Фундаментальная частица — это бесструктурная элементарная частица, которую до настоящего времени не удалось описать как составную.

В настоящее время данный термин применяется для шести лептонов и шести кварков. Все эти частицы являются фермионами с полуцелым спином и естественным образом организуются в три поколения. Вместе с античастицами фермионы составляют набор из 24 фундаментальных частиц в совокупности с калибровочными бозонами (частицами-переносчиками фундаментальных взаимодействий).

Между фундаментальными фермионами действуют три типа сил — электромагнитные, слабые и сильные. Кварки участвуют в сильных, слабых и электромагнитных взаимодействиях; заряженные лептоны — в слабых и электромагнитных; нейтрино — только в слабых взаимодействиях. Сильное взаимодействие связывает кварки в адроны — составные частицы, состоящие из кварков в разных комбинациях.

Взаимодействие частиц, имеющих электрический заряд, происходит путём обмена фотонами — квантами электромагнитного поля. Сильное взаимодействие осуществляется за счёт обмена глюо́нами. Переносчиками слабого взаимодействия являются W^±- и Z°-бозоны.

В 1964 году на основании стандартной модели элементарных частиц Питером Хиггсом было предсказано существование поля (называемого Полем Хиггса), которое имеет ненулевую амплитуду в основном состоянии. Массивный квант этого поля был назван бозоном Хиггса.

Бозон Хиггса — это элементарная частица или элементарный бозон, который обладает нулевым спином. В рамках стандартной модели именно бозон Хиггса «отвечает» за наличие инертной массы у элементарных частиц.

Несколько десятков лет понадобилось учёным для того, чтобы подтвердить существование этой частицы. Лишь 4 июля 2012 года появилось сообщение о том, что на обоих основных детекторах Большого адронного коллайдера наблюдалась новая частица. А 14 марта 2013 года пришло подтверждение, что найденная полугодом ранее частица действительно является бозоном Хиггса.

Подтверждение существования бозона Хиггса завершило экспериментальное обнаружение предсказываемых стандартной моделью элементарных частиц.