К физике атомного ядра тесно прилегает физика элементарных частиц. Эта область современной науки базируется на квантовых представлениях и в своем развитии всё дальше проникает в глубину материи, открывая загадочный мир ее первооснов. В физике элементарных частиц чрезвычайно велика роль теории. В силу невозможности прямого наблюдения таких материальных объектов их образы ассоциируются с математическими уравнениями, с наложенными на них запрещающими и разрешающими правилами.

По определению элементарные частицы — это первичные, неразложимые образования, из которых, по предположению, состоит вся материя. На самом же деле этот термин употребляется в более широком смысле — для обозначения обширной группы микрочастиц материи, структурно не объединенных в ядра и атомы. Большинство объектов исследования физики элементарных частиц не отвечают строгому определению элементарности, поскольку представляют собой составные системы. Поэтому частицы, удовлетворяющие этому требованию, принято называть истинно элементарными.

Первой элементарной частицей, открытой в процессе изучения микромира еще в конце XIX в., был электрон. Следующим был открыт протон (1919), затем пришла очередь нейтрона, открытого в 1932 г. Существование позитрона теоретически было предсказано П. Дираком в 1931 г., и в 1932 г. этот положительно заряженный «двойник» электрона был обнаружен в космических лучах Карлом Андерсоном. Предположение о существовании в природе нейтрино было выдвинуто В. Паули в 1930 г., а экспериментально оно было обнаружено только в 1953 г. В составе космических лучей в 1936 г. были найдены мю-мезоны (мюоны) — частицы обоих знаков электрического заряда с массой около 200 масс электрона. Во всем остальном свойства мюонов очень близки к свойствам электрона и позитрона. Также в космических лучах в 1947 г. были открыты положительный и отрицательный пи-мезоны, существование которых было предсказано японским физиком Хидэки Юкавой в 1935 г. В дальнейшем выяснилось, что существует также нейтральный пи-мезон.

В начале 50-х гг. была открыта большая группа частиц с весьма необычными свойствами, что побудило назвать их «странными». Первые частицы этой группы были обнаружены в космических лучах, это К-мезо- ны обоих знаков и К-гиперон (лямбда-гиперон). Отметим, что мезоны получили свое название от греч. «средний, промежуточный» в силу того, что массы первых открытых частиц этого типа (пи-мезоны, мю-мезоны) имеют массу, промежуточную между массой нуклона и электрона. Гипероны же ведут свое название от греч. «сверх, выше», поскольку их массы превышают массу нуклона. Последующие открытия странных частиц делались уже на ускорителях заряженных частиц, которые стали основным инструментом изучения элементарных частиц.

Так были открыты антипротон, антинейтрон и ряд гиперонов. В 60-е гг. было обнаружено значительное число частиц с крайне малым временем жизни, которые получили названиерезонансов. Как выяснилось, к резонансам относится большинство известных элементарных частиц. В середине 70-х гг. было открыто новое семейство элементарных частиц, получивших романтическое название «очарованных», а в начале 80-х — семейства «красивых» частиц и так называемых промежуточных векторных бозонов. Открытие этих частиц явилось блестящим подтверждением теории, основанной на кварковой модели элементарных частиц, которая предсказала существование новых частиц задолго до их обнаружения.

Таким образом, за время после открытия первой элементарной частицы — электрона — в природе выявлено множество (около 400) микрочастиц материи, и процесс открытия новых частиц продолжается. Оказалось, что мир элементарных частиц устроен весьма и весьма сложно, а их свойства разнообразны и зачастую крайне неожиданны.

Все элементарные частицы являются материальными образованиями чрезвычайно малых масс и размеров. Большинство из них имеют массы порядка массы протона (~10 -24 г) и размеры порядка 10 -13 м. Это определяет сугубо квантовую специфику их поведения. Важное квантовое свойство всех элементарных частиц (включая и относящийся к ним фотон) состоит в том, что все процессы с ними происходят в виде последовательности актов их испускания и поглощения (способность рождаться и уничтожаться при взаимодействии с другими частицами). Процессы с участием элементарных частиц относятся ко всем четырем видам фундаментального взаимодействия, сильному, электромагнитному, слабому и гравитационному. Сильным взаимодействием обусловлена связь нуклонов в атомном ядре. Электромагнитное взаимодействие обеспечивает связь электронов с ядрами в атоме, а также связь атомов в молекулах. Слабое взаимодействие вызывает, в частности, распад квазистабильных (т. е. относительно долгоживущих) частиц, имеющих время жизни в пределах 10 -12 -г 10 -14 с. Гравитационное взаимодействие на характерных для элементарных частиц расстояниях ~10 -13 см, в силу малости их массы, имеет крайне малую интенсивность, однако может оказаться существенным на сверхмалых расстояниях. Интенсивности взаимодействий, сильного, электромагнитного, слабого и гравитационного — при умеренной энергии процессов относятся соответственно как 1 , 10 -2 , 10 -10 , 10 -38 . Вообще же с ростом энергии частиц это соотношение изменяется.

Элементарные частицы классифицируют по различным признакам, и надо сказать, что в целом принятая их классификация достаточно сложна.

В зависимости от участия в различных видах взаимодействия все известные частицы делят на две основные группы: адроны и лептоны.

Адроны участвуют во всех видах взаимодействия, включая сильное. Они получили свое название от греч. «большой, сильный».

Лептоны не участвуют в сильном взаимодействии. Их название происходит от греч. «легкий, тонкий», поскольку массы известных до середины 70-х гг. частиц этого класса были заметно меньше масс всех других частиц (кроме фотона).

К адронам относятся все барионы (группа частиц с массой не меньше массы протона, названных так от греч. «тяжелый») и мезоны. Самым легким барионом является протон.

Лептонами являются, в частности, электрон и позитрон, мюоны обоих знаков, нейтрино трех видов (легкие, электрически нейтральные частицы, участвующие только в слабом и гравитационном взаимодействиях). Предполагается, что нейтрино столь же распространены в природе, как и фотоны, к их образованию приводит множество различных процессов. Отличительной особенностью нейтрино является его огромная проникающая способность, особенно при низких энергиях. Завершая классификацию по видам взаимодействия, следует отметить, что фотон принимает участие только в электромагнитном и гравитационном взаимодействиях. Кроме того, в соответствии с теоретическими моделями, направленными на объединение всех четырех видов взаимодействия, существует гипотетическая частица, переносящая гравитационное поле, которая получила название гравитон. Особенность гравитона состоит в том, что он (согласно теории) участвует только в гравитационном взаимодействии. Заметим, что теория связывает с квантовыми процессами гравитационного взаимодействия еще две гипотетические частицы — гра- витино и гравифотон. Экспериментальное обнаружение гравитонов, т. е., по сути, гравитационного излучения, крайне затруднено из-за его чрезвычайно слабого взаимодействия с веществом.

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

Стабильными частицами являются электрон (его время жизни t > 10 21 лет), протон (t > 10 31 лет), нейтрино и фотон. Квазистабильными считаются частицы, распадающиеся за счет электромагнитного и слабого взаимодействий, их время жизни t > 10 -20 c. Резонансы — частицы, распадающиеся в результате сильного взаимодействия, их время жизни находится в интервале 10 -22 ^10 -24 с.

Распространенным является еще один вид подразделения элементарных частиц. Системы частиц с нулевым и целым спином подчиняются статистике Бозе-Эйнштейна, поэтому такие частицы принято называть бозонами. Совокупность же частиц с полуцелым спином описывается статистикой Ферми-Дирака, отсюда и название таких частиц — фермионы.

Каждая элементарная частица характеризуется определенным набором дискретных физических величин — квантовых чисел. Общими для всех частиц характеристиками являются масса m, время жизни t, спин J и электрический заряд Q. Спин элементарных частиц принимает значения, равные целым или полуцелым кратным постоянной Планка. Электрические заряды частиц являются целыми кратными величине заряда электрона, считающегося элементарным электрическим зарядом.

Кроме того, элементарные частицы дополнительно характеризуются так называемыми внутренними квантовыми числами. Лептонам приписывается специфический лептонный заряд L = ±1, адроны с полуцелым спином несут барионный заряд В =±1 (адроны с В = 0 образуют подгруппу мезонов).

Важной квантовой характеристикой адронов является внутренняя четность Р, принимающая значение ±1 и отражающая свойство симметрии волновой функции частицы относительно пространственной инверсии (зеркального отображения). Несмотря на несохранение четности при слабом взаимодействии, частицы с хорошей точностью принимают значения внутренней четности, равные либо +1, либо -1.

Адроны, кроме того, подразделяются на обычные частицы (протон, нейтрон, пи-мезоны), странные частицы (^-мезоны, гипероны, некоторые резонансы), «очарованные» и «красивые» частицы. Им соответствуют особые квантовые числа: странность S, очарование С и красота b. Эти квантовые числа введены в соответствии с кварковой моделью для истолкования специфических процессов, характерных для этих частиц.

Среди адронов имеются группы (семейства) частиц с близкими массами, одинаковыми внутренними квантовыми числами, но различающиеся электрическим зарядом. Такие группы называются изотопическими мулътипле- тами и характеризуются общим квантовым числом — изотопическим спином, принимающим, как и обычный спин, целые и полуцелые значения.

В чем состоит уже неоднократно упоминавшаяся кварковая модель адронов?

Обнаружение закономерности группировки адронов в мультиплеты послужило основанием для предположения о существовании особых структурных образований, из которых построены адроны, — кварков. Допуская существование таких частиц, можно считать, что все адроны являются комбинациями кварков. Эта смелая и эвристически продуктивная гипотеза была выдвинута в 1964 г. американским физиком Марри Гелл-Маном. Суть ее состояла в предположении о наличии трех фундаментальных частиц с полуцелым спином, являющихся материалом для построения адронов, u-, d- и s-кварков. В дальнейшем на основе новых экспериментальных данных кварковая модель строения адронов пополнилась еще двумя кварками, «оча- рованным» (с) и «красивым» (b). Считается возможным существование и других типов кварков. Отличительная особенность кварков состоит в том, что они обладают дробными значениями электрического и барионного зарядов, не встречающимися ни у одной из известных частиц. С кварковой моделью согласуются все экспериментальные результаты по изучению элементарных частиц.

Согласно кварковой модели, барионы состоят из трех кварков, мезоны — из кварка и антикварка. Поскольку некоторые барионы являются комбинацией трех кварков в одном и том же состоянии, что запрещено принципом Паули (см. выше), каждому типу («аромату») кварка было приписано дополнительное внутреннее квантовое число «цвет». Кварк каждого типа («аромата» — u, d, s, c, b) может находиться в трех «цветовых» состояниях. В связи с использованием цветовых понятий теория сильного взаимодействия кварков получила название квантовой хромодинамики (от греч. «цвет»).

Можно считать, что кварки являются новыми элементарными частицами, причем они претендуют на роль истинно элементарных частиц для адронной формы материи. Однако остается неразрешенной проблема наблюдения свободных кварков и глюонов. Несмотря на систематические поиски в космических лучах, на ускорителях высокой энергии, обнаружить их в свободном состоянии пока так и не удалось. Имеются веские основания считать, что здесь физика столкнулась с особым явлением природы — так называемым удержанием кварков.

Дело в том, что существуют серьезные теоретические и экспери- ментальные доводы в пользу предположения о том, что силы взаимодействия кварков с расстоянием не ослабевают. Это означает, что для разделения кварков требуется бесконечно большая энергия, следовательно, появление кварков в свободном состоянии невозможно. Это обстоятельство придает кваркам статус совершенно особых структурных единиц вещества. Возможно, именно начиная с кварков принципиально невозможно опытное наблюдение ступеней дробления материи. Признание кварков в качестве реально существующих объектов материального мира не только олицетворяет собой яркий случай первичности идеи по отношению к существованию материальной сущности. Встает вопрос о пересмотре таблицы фундаментальных мировых постоянных, ибо заряд кварка втрое меньше заряда протона, а следовательно, и электрона.

Начиная с открытия позитрона наука встретилась с частицами антивещества. Сегодня очевидным является то, что для всех элементарных частиц с ненулевыми значениями хотя бы одного из квантовых чисел, таких как электрический заряд Q, лептонный заряд L, барионный заряд В, странность S, очарование С и красота b, существуют античастицы с теми же значениями массы, времени жизни, спина, но с противоположными знаками вышеуказанных квантовых чисел. Известны частицы, тождественные своим античастицам, они называются истинно нейтральными. Примерами истинно нейтральных частиц служат фотон и один из трех пи-мезонов (два других являются по отношению друг к другу частицей и античастицей).

Характерной особенностью взаимодействия частиц и античастиц является их аннигиляция при столкновении, т. е. взаимоуничтожение с образованием других частиц и выполнением законов сохранения энергии, импульса, заряда и т. п. Типичным примером аннигиляции пары является процесс превращения электрона и его античастицы — позитрона — в электромагнитное излучение (в фотоны или гамма-кванты). Аннигиляция пар происходит не только при электромагнитном взаимодействии, но и при сильном взаимодействии. При высоких энергиях легкие частицы могут аннигилировать с образованием более тяжелых частиц — при условии, что полная энергия аннигилирующих частиц превышает порог рождения тяжелых частиц (равный сумме их энергий покоя).

При сильном и электромагнитном взаимодействиях имеет место полная симметрия между частицами и их античастицами, т. е. все процессы, происходящие между первыми, возможны и для вторых. Поэтому антипротоны и антинейтроны могут образовывать ядра атомов антивещества, т. е. из античастиц в принципе вполне может быть построено антивещество. Возникает очевидный вопрос: если каждая частица имеет античастицу, то почему же в изученной области Вселенной отсутствуют скопления антивещества? Действительно, о наличии их во Вселенной, даже где-то «вблизи» Вселенной, можно было бы судить по мощному аннигиляционно- му излучению, приходящему к Земле из области соприкосновения вещества и антивещества. Однако современная астрофизика не располагает данными, которые позволили бы хотя бы предположить наличие во Вселенной областей, заполненных антивеществом.

Как же произошел во Вселенной выбор в пользу вещества и в ущерб антивеществу, хотя законы симметрии в основном выполняются? Причиной этого феномена, скорее всего, стало именно нарушение симметрии, т. е. флуктуация на уровне основ материи.

Ясно одно: если бы такой флуктуации не возникло, участь Вселенной была бы печальной — вся ее материя существовала бы в виде бесконечного облака фотонов, появившихся в результате аннигиляции частиц вещества и антивещества.

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ , в узком смысле - частицы, к-рые нельзя считать Состоящими из других частиц. В совр. физике термин "элементарные частицы" используют в более широком смысле: так наз. мельчайшие частицы материи, подчиненные условию, что они не являются и (исключение составляет ); иногда по этой причине элементарные частицы называют субъядерными частицами. Большая часть таких частиц (а их известно более 350) являются составными системами.
Э лементарные частицы участвуют в электромагнитном, слабом, сильном и гравитационном взаимодействиях. Из-за малых масс элементарных частиц их гравитационное взаимод. обычно не учитывается. Все элементарные частицы разделяют на три осн. группы. Первую составляют т. наз. бозоны- переносчики электрослабого взаимодействия. Сюда относится фотон, или квант электромагнитного излучения. Масса покоя фотона равна нулю, поэтому скорость распространения электромагнитных волн в (в т. ч. световых волн) представляет собой предельную скорость распространения физ. воздействия и является одной из фундам. физ. постоянных; принято, что с = (299792458 1,2) м/с.
Вторая группа элементарных частиц - лептоны, участвующие в электромагнитных и слабых взаимодействиях. Известно 6 лептонов: , электронное , мюонное , тяжелый-лептон и соответствующее . (символ е) считается материальным наименьшей массы в природе m с, равной 9,1 x 10 -28 г (в энергетич. единицах 0,511 МэВ) и наименьшего отрицат. электрич. заряда е = 1,6 x 10 -19 Кл. (символ) - частицы с массой ок. 207 масс (105,7 МэВ) и электрич. зарядом, равным заряду ; тяжелый-лептон имеет массу ок. 1,8 ГэВ. Соответствующие этим частицам три типа - электронное (символ v c), мюонное (символ) и-нейтрино (символ) - легкие (возможно, безмассовые) электрически нейтральные частицы.
Все лептоны имеют ( - ), т. е. по статистич. св-вам являются фермионами (см. ).
Каждому из лептонов соответствует , имеющая те же значения массы, и др. характеристик, но отличающаяся знаком электрич. заряда. Существуют (символ е +) - по отношению к , положительно заряженный (символ) и три типа антинейтрино (символ), к-рым приписывают противоположный знак особого квантового числа, наз. лептонным зарядом (см. ниже).
Третья группа элементарных частиц,- адроны, они участвуют в сильном, слабом и электромагнитном взаимодействиях. Адроны представляют собой "тяжелые" частицы с массой, значительно превышающей массу . Это наиб. многочисленная группа элементарных частиц. Адроны делятся на барионы - частицы со мезоны - частицы с целочисленным (О или 1); а также т. наз. резонансы - короткоживущие адронов. К барионам относят (символ р) - ядро с массой, в ~ 1836 раз превышающей m с и равной 1,672648 x 10 -24 г (938,3 МэВ), и положит. электрич. зарядом, равным заряду , а также (символ n) - электрически нейтральная частица, масса к-рой немного превышает массу . Из и построены все , именно сильное взаимод. обусловливает связь этих частиц между собой. В сильном взаимодействии и имеют одинаковые св-ва и рассматриваются как два одной частицы - нуклона с изотопич. (см. ниже). Барионы включают и гипероны - элементарные частицы с массой больше нуклонной:-гиперон имеет массу 1116 МэВ,-гиперон- 1190 МэВ,-гиперон -1320 МэВ,-гиперон- 1670 МэВ. Мезоны имеют массы, промежуточные между массами и (-мезон, K-мезон). Существуют мезоны нейтральные и заряженные (с положит. и отрицат. элементарным электрич. зарядом). Все мезоны по своим сгатистич. св-вам относятся к бозонам.

Основные свойства элементарных частиц. Каждая элементарная частица описывается набором дискретных значений физ. величин (квантовых чисел). Общие характеристики всех элементарных частиц - масса, время жизни, электрич. заряд.
В зависимости от времени жизни элементарные частицы делятся на стабильные, квазистабильные и нестабильные (резонансы). Стабильными (в пределах точности совр. измерений) являются: (время жизни более 5 -10 21 лет), (более 10 31 лет), фотон и . К квазистабильным относятся частицы, распадающиеся вследствие электромагнитного и слабого взаимод., их времена жизни более 10 -20 с. Резонансы распадаются за счет сильного взаимод., их характерные времена жизни 10 -22 -10 -24 с.
Внутренними характеристиками (квантовыми числами) элементарных частиц являются лептонный (символ L) и барионный (символ В)заряды; эти числа считаются строго сохраняющимися величинами для всех типов фундам. взаимод. Для лептонных и их L имеют противоположные знаки; для барионов В = 1, для соответствующих В = -1.
Для адронов характерно наличие особых квантовых чисел: "странности", "очарования", "красоты". Обычные (нестранные) адроны - ,-мезоны. Внутри разных групп адронов имеются семейства частиц, близких по массе и со сходными св-вами по отношению к сильному взаимод., но с разл. значениями электрич. заряда; простейший пример -протон и . Общее квантовое число для таких элементарных частиц - т. наз. изотопич. , принимающий, как и обычный , целые и полуцелые значения. К особым характеристикам адронов относится и внутренняя четность, принимающая значения1.
Важное св-во элементарных частиц - их способность к взаимопревращениям в результате электромагнитных или др. взаимодействий. Один из видов взаимопревращений - т. наз. рождение , или образование одновременно частицы и (в общем случае - образование элементарных частиц с противоположными лептонными или барионными зарядами). Возможны процессы рождения электрон-позитронных е - е + , мюонных новых тяжелых частиц при столкновениях лептонов, образование из кварков cc- и bb-состояний (см. ниже). Другой вид взаимопревращений элементарных частиц - аннигиляция при столкновениях частиц с образованием конечного числа фотонов (квантов). Обычно образуются 2 фотона при нулевом суммарном сталкивающихся частиц и 3 фотона - при суммарном , равном 1 (проявление закона сохранения зарядовой четности).
При определенных условиях, в частности при невысокой скорости сталкивающихся частиц, возможно образование связанной системы - е - е + и Эти нестабильные системы, часто наз. , их время жизни в в-ве в большой степени зависит от св-в в-ва, что позволяет использовать для изучения структуры конденсир. в-ва и кинетики быстрых хим. р-ций (см. , ).

Кварковая модель адронов. Детальное рассмотрение квантовых чисел адронов с целью их позволило сделать вывод о том, что странные адроны и обычные адроны в совокупности образуют объединения частиц с близкими св-вами, названные унитарными мультиплетами. Числа входящих в них частиц равны 8 (октет) и 10 (декуплет). Частицы, входящие в состав унитарного мультиплета, имеют одинаковые и внутр. четность, но различаются значениями электрич. заряда (частицы изотопич. мультиплета) и странности. С унитарными группами связаны св-ва , их обнаружение явилось основой для вывода о существовании особых структурных единиц, из к-рых построены адроны,-кварков. Считают, что адроны представляют собой комбинации 3 фундам. частиц со 1 / 2: и-кварков, d-кварков и s-кварков. Так, мезоны составлены из кварка и антикварка, барионы - из 3 кварков.
Допущение, что адроны составлены из 3 кварков, было сделано в 1964 (Дж. Цвейг и независимо от него М. Гелл-Ман). В дальнейшем в модель строения адронов (в частности, для того чтобы не возникало противоречия с ) были включены еще 2 кварка - "очарованный" (с) и "красивый" (b), а также введены особые характеристики кварков - "аромат" и "цвет". Кварки, выступающие как составные части адронов, в свободном состоянии не наблюдались. Все многообразие адронов обусловлено разл. сочетаниями и-, d-, s-, с- и b-кварков, образующих связные состояния. Обычным адронам ( ,-мезонам) соответствуют связные состояния, построенные из и- и d-кварков. Наличие в адроне наряду с и- и d-кварками одного s-, с- или b-кварка означает, что соответствующий адрон - "странный", "очарованный" или "красивый".
Кварковая модель строения адронов подтвердилась в результате экспериментов, проведенных в кон. 60-х - нач.
70-х гг. 20 в. Кварки фактически стали рассматриваться как новые элементарные частицы- истинно элементарные частицы для адронной формы материи. Ненаблюдаемость свободных кварков, по-видимому, носит принципиальный характер и дает предполагать, что они являются теми элементарными частицами, к-рые замыкают цепь структурных составляющих в-ва. Существуют теоретич. и эксперим. доводы в пользу того, что силы, действующие между кварками, не ослабевают с расстоянием, т. е. для отделения кварков друг от друга требуется бесконечно большая энергия или, иначе говоря, возникновение кварков в свободном состоянии невозможно. Это делает их совершенно новым типом структурных единиц в-ва. Возможно, что кварки выступают как последняя ступень материи.

Краткие исторические сведения. Первой открытой элементарной частицей был - отрицат. электрич. заряда в обоих знаков электрич. заряда (К. Андерсон и С. Неддермейер, 1936), и К-мезоны (группа С. Пауэлла, 1947; существование подобных частиц было предположено X. Юкавой в 1935). В кон. 40-х - нач. 50-х гг. были обнаружены "странные" частицы. Первые частицы этой группы - К + - и К - -мезоны, Л-гипероны - были зафиксированы также в космич. лучах.
С нач. 50-х гг. ускорители превратились в осн. инструмент исследования элементарных частиц. Были открыты антипротон (1955), антинейтрон (1956), анти--гиперон (1960), а в 1964 - самый тяжелый W -гиперон. В 1960-х гг. на ускорителях обнаружили большое число крайне неустойчивых резонансов. В 1962 выяснилось, что существуют два разных : электронное и мюонное. В 1974 обнаружены массивные (в 3-4 протонные массы) и в то же время относительно устойчивые (по сравнению с обычными резонансами) частицы, к-рые оказались тесно связанными с новым семейством элементарных частиц - "очарованных", их первые представители открыты в 1976. В 1975 обнаружен тяжелый аналог и --лептон, в 1977 - частицы с массой порядка десяти протонных масс, в 1981 - "красивые" частицы. В 1983 открыты самые тяжелые из известных элементарных частиц - бозоны (масса80 ГэВ) и Z° (91 ГэВ).
Т. обр., за годы, прошедшие после открытия , выявлено огромное число разнообразных микрочастиц. Мир элементарных частиц оказался сложно устроенным, а их св-ва во многих отношениях неожиданными.

Лит.: Коккедэ Я., Теория кварков, [пер. с англ.], М., 1971; Марков М. А., О природе материи, М., 1976; Окунь Л.Б., Лептоны и кварки, 2 изд., М., 1990.

Элементарные частицы

Естественно начать рассмотрение структуры материи с самых «мелких» структурных единиц, существование которых в настоя­щее время установлено. Такие частицы получили название эле­ментарных, как более неделимых (их структура не обнару­живается), и как фундаментальных, из которых состоит материя.

Классификация элементарных частиц. Частицы, участвующие в сильном взаимодействии, составляют семейство адронов. Это барионы (протон р , нейтрон n ), гипероны (λ, Σ и др.), мезоны (π-; k -), а также большая группа так называемых резонансных частиц (резонансов). Барионы обладают полуцельми спинами, мезоны - целыми. Барионы отличаются от мезонов так называемым барионным зарядом, в связи с чем превращения барионов в мезоны запрещены законом сохранения барионного заряда. Это важное свойство, которое обеспечивает стабильность ядер и, следовательно, всего окружающего мира. Действительно, если бы являющиеся барионами нуклоны (протон и нейтрон) могли превращаться в мезоны, то атомные ядра в итоге распались бы. Адроны не являются истинно элементарными частицами, т. е. имеют внутреннюю структуру. Этим объясняется в частности нестабильность большинства из адронов.

На сегодня можно считать доказанным существование истин­но фундаментальных бесструктурных частиц, образующих адроны. Эти частицы называются кварками (Гелл-Манн. Цвейг, 1963). Они пока экспериментально не обнаружены, предположительно потоки, что не существуют по отдельности, т. е. в свободном состоянии. Известно, что заряд кварков кратен 1/3е , а спин равен 1/2. Предполагается существование шести типов кварков, различающихся по характеристике, называемой «ароматом» (верхний, нижний, очарованный, странный, истинный, прелест­ный); каждый кварк характеризуется еще и определенным кван­товым числом - «цветом» (красный, зеленый, голубой). Все барионы состоят из трех кварков (протон, например из двух верхних с зарядами +2/Зе и одного нижнего с зарядом - 1/Зе ). По «цвету» тройка кварков «подбирается» так, чтобы протон был «белым». Мезоны состоят из кварка и антикварка.

Все остальные частицы (кроме фотона), не участвующие в сильных взаимодействиях, названы лептонами. Семейство лептонов представлено шестью бесструктурными («точечными») части­цами: электрон е , мюон μ, тау-лептон (таон) τ и соответствующие этим частицам нейтрино (v e , v μ , v τ).

Согласно принципу кварк-лептон ной симметрии каждому лептону соответствует определенный кварк (табл. 5.2).

Таблица 5.2.

Таким образом, кварки и лептоны на сегодняшний день на­ряду с частицами-переносчиками взаимодействий считаются ис­тинно элементарными (фундаментальными) частицами. Из лептонов и кварков первого поколения вместе с фотонами построена современная Вселенная. Полагают, что частицы второго и треть­его поколений играли важную роль в ранней Вселенной, в пер­вые мгновения Большого Взрыва, при этом различия между кварками и лептонами не существовало.

Основные характеристики элементарных частиц . Одной из важ­нейших характеристик элементарных частиц является стабиль­ность, т. е. способность определенное время (время жизни) находиться в свободном состоянии. Среди экспериментально об­наруженных частиц лишь немногие стабильны. Неограниченно долго в свободном состоянии могут существовать протон, электрон, фотон и, как считается, нейтрино всех типов. Все другие частицы, стремясь перейти в состояние с минимальной энергией, более или менее быстро распадаются, достигая конечного устойчивого состояния. Самое короткое время жизни (~10 -23 с) у резонансных частиц. Нейтрон в свободном состоянии существует ~10 3 с. В семействе лептонов мюон «живет» ~10-6 с, таон ~10 -12 с.

Предполагается, что в Природе короткоживущие элементар­ные частицы играют определяющую роль в экстремальных условиях, например, подобных начальным стадиям образования Вселенной.

Массы покоя стабильных элементарных частиц имеют следующие значения: протона m p ≈ 1,67 · 10 -27 кг, электрона m е ≈ 0,91 · 10 -30 кг. У фотона и всех типов нейтрино масса покоя равна нулю.

Как правило, массы элементарных частиц выражаются в энер­гетических единицах - электрон-вольтах. Тогда m р ≈938,3×10 6 эВ =938,3 МэВ, m е ≈ 0,51 МэВ.

Элементарные частицы обладают электрическим зарядом +е или -е или являются электрически нейтральными.

Заряд электрона е равен - 1,6 · 10 -19 Кл.

Одна из важнейших характеристик элементарных частиц - спин. Значение спина определяет вид волновой функции (симмет­ричная или антисимметричная) и вид статистики (т.е. закона, которым описывается поведение коллектива микрочастиц). Час­тицы с нулевым или целочисленным спином (фотоны, π-мезоны и др.) подчиняются статистике Бозе-Эйнштейна и называются бозонами. Частицы с полуцелым спином (электроны, протоны, нейтроны) подчиняются статистике Ферми-Дирака и называются фермионами. Фундаментальными фермионами являются лептоны к кварки. Фермионы подчиняются принципу Паули, согласно ко­торому в любой системе одинаковых фермионов любые два из них не могут одновременно находиться в одном и том же состоя­нии. Применительно к распределению электронов в атоме прин­цип Паули утверждает; что в одном и том же атоме не может быть более одного электрона с одинаковым набором четырех квантовых чисел n, l, m и σ .

Принцип Паули основан на неразличимости одинаковых кван­товых частиц. При перестановке двух фермионов волновая функ­ция должна изменить свой знак. Однако, если состояния двух фермионов (т. е. их наборы квантовых чисел) одинаковы, то ψ-функция не должна менять знака. Это противоречие формаль­но устраняется только при ψ=0, что означает невозможность (нулевую вероятность) нахождения частицы в таком состоянии.

Античастицы. Для каждой известной элементарной частицы существует так называемая античастица. Массы, времена жизни и спин частицы и античастицы одинаковы. Остальные характерис­тики, например, электрический заряд, магнитный момент - рав­ны по модулю, но противоположны по знаку. Такими парами являются, например, протон р и антипротон , электрон - и антиэлектрон е + (т.е. позитрон е +). Некоторые частицы, напри­мер, фотон, тождественны своим античастицам.

Античастицы рождаются в ядерных реакциях при достаточно больших энергиях, но в веществе время жизни их мало. При встрече частицы и античастицы происходит аннигиляция. Масса и кинетическая энергия пары «частицы-античастицы» превраща­ются в энергию фотонов или других частиц. Например, при аннигиляции электрона и позитрона выделяется два фотона:

е - + е + → 2γ.

В свою очередь, фотоны могут превращаться в электронно- позитронные пары. В подобных реакциях ярко проявляется отсутствие четкой грани между полем и веществом, характерной для классической картины мира.

Атомные ядра

Следующим в рассматриваемой иерархии объектов Природы является атомное ядро. Ядро представляет собой связанную сис­тему из адронов двух типов - протонов и нейтронов, которые объединяют в этом случае общим наименованием «нуклоны». Протон есть ядро простейшего атома - атома водорода. Он имеет положительный заряд, численно равный заряду электрона. Нейтрон электрически нейтрален. Масса нейтрона m n =1,6750·10 -27 кг. Число протонов -в ядре атома называется атомным номером (Z ), а общее число нуклонов - массовым числом (А ). Заряд ядра положителен и равен Z · е . Большинство атомных ядер представлены группами изотопов. Заряд Z в каждой группе изотопов постоянен, а количество нейтронов различно. Различают стабильные, долгоживущие и радиоактивные изотопы. Причины радиоактивной нестабильности связаны с недостатком или избытком нейтронов внутри ядра.

Размер ядра условно характеризуется радиусом R ядра. Радиус возрастает с увеличением числа нуклонов в соответствии с фор­мулой , где R 0 = (1,3 …, 1,7) · 10 -15 м. Плотность «упаковки» нуклонов в ядре очень велика и составляет ~10 44 нуклонов/м 3 или 10 17 кг/м 3 .

Как уже отмечалось, стабильность ядра объясняется наличием сильного взаимодействия или ядерных сил притяжения сил притяжения. Энергия, которая необходима для удержания нуклонов в ядре, в соответст­вии с законом сохранения энергии определяется работой, кото­рую нужно совершить для расщепления ядра на составляющие нуклоны. Эта энергия называется энергией связи ядра. Энергия связь проявляется как уменьшение массы ядра при его образова­нии по сравнению с суммарной массой составляющих ядро нук­лонов:

Величина Δm носит название дефекта массы. Энергия связи определяется как

Обычно ядро характеризуют удельной энергией связи, т. е. энергией, приходящейся на один нуклон. На рис. 5.3 приведена зависимость удельной энергии связи от массового числа А , характеризующая прочность связей нуклонов в ядрах различных хими­ческих элементов. Как следует из графика, наиболее прочными являются связи ядер элементов с массовыми числами (28 ... 138). По мере увеличения А энергия связи убывает. Понижение проч­ности ядер объясняется тем, что в легких ядрах связи нуклонов не насыщены, а в тяжелых ядрах начинает сказываться кулоновское отталкивание протонов друг от друга.

Из рис. 5.3 также видно, что процессы образования более ста­бильных ядер (т. е. характеризующихся большими значениями ΔЕ СВ сопровождаются выделением энергии. Таким образом, реак­ция слияния легких ядер с образованием более тяжелых (стрелка 1 на. рис. 5.3) и реакции деления тяжелых ядер (стрелка 2 на рис. 5.3) перспективны с точки зрения энергетики.

Подробно этот вопрос обсужден во второй части курса.

Ядерные реакции. Радиоактивность . Ядерными реакциями называются процессы, в результате которых из ядер одних элемен­тов получаются ядра других элементов. Эти процессы могут происходить как в результате внешних воздействий (например, «столкновения ядра с другими частицами), так и самопроизвольно, спонтанно (радиоактивный расти).

Ядерные реакции записываются подобно химическим. Напри­мер, в результате реакции деления ядра урана при столкновении с нейтроном образуются ядра цезия и рубидия и два нейтрона:

Облучение ядра нейтронами наиболее часто используется для осуществления ядерных реакций. Дело в том, что электрически нейтральный нейтрон не испытывает кулоновского отталкивания протонов ядра и легко в него проникает. Под действием высоко­энергетического (>100 МэВ) нейтронного облучения делятся все ядра.

Выделяющиеся в реакциях распада нейтроны могут вызвать деление других ядер, благодаря чему возникает цепная реакция - лавинообразный процесс, например, взрыв атомной бомбы. Часть нейтронов можно удалить из делящегося вещества, тогда реак­цией деления можно управлять. Поглощение нейтронов в графи­товых стержнях используется в атомных реакторах.

Самопроизвольный распад ядер с испусканием различных час­тиц называется радиоактивностью. В любом радиоактивном рас­паде масса исходного ядра превышает единицу масс продуктов распила, т.е. выделяется энергия. Естественная радиоактивность была открыта А. Бсккерелем (1896 г.), а искусственная - суп­ругами Жолио-Кюри (1936 г.). Основными типами радиоактив­ности является альфа-, бета- и гамма-распады.

Альфа-распад заключается в самопроизвольном испускании ядром ci-частицы (т. е. ядра гелия ). Альфа-распад наблюда­ется только у тяжелых ядер с Z ≥ 82.

При бета-распаде ядро испускает электрон и электронное антинейтрино (или позитрон и электронное нейтрино):

Бета-распад обусловлен превращением нуклонов, вызываемых слабым взаимодействием, например в первой из записанных реакции происходит превращение нейтрона по схеме

Гамма-распад состоит в испускании ядром фотонов с высокой энергией (γ-квантов). Ядро, являясь квантовой системой, может находиться в состояниях с различной энергией. При переходах из возбужденных энергетических состояний в основные, невозбужденные, ядра испускают γ-кванты. При этом ни массовое число Л, ни атомный номер ядра Z не изменяются.

Элементарная частица

Элементарная частица (англ. Elementary particle) - мельчайший неделимый объект в микромире (в атомном, ядерном и субъядерном масштабе). Из элементарных частиц состоят атомы и атомные ядра барионного вещества (и антивещества), а из электронных нейтрино (в гигантских количествах выбрасываемых звездами) состоит нейтринное вещество, которое астрономы выдают за "темную материю". Экспериментально установлено, что элементарные частицы одновременно обладают корпускулярными и волновыми свойствами (корпускулярно-волновой дуализм), а также наличие у элементарных частиц электромагнитных полей.

1 История
2 Классификация элементарных частиц

2.1 Классификация элементарных частиц в квантовой теории
2.2 Классификация элементарных частиц в полевой теории элементарных частиц

3 Систематизация элементарных частиц
4 Масса у элементарных частиц
5 Радиус элементарной частицы (определяемый полевой теорией элементарных частиц)
6 Возбужденные состояния элементарных частиц
7 Элементарная частица и теория гравитации элементарных частиц
8 Немного о Стандартной модели элементарных частиц
9 Элементарная частица и "теория струн"
10 Элементарная частица - разное
11 Новая физика: Элементарная частица - итог

1 История

С открытием элементарных частиц физика задалась вопросом об их количестве и строении. Пока элементарных частиц было открыто порядка 10 - каждая элементарная частица считалась истинно элементарной, и делались попытки объяснить строение элементарных частиц исходя из электромагнитного поля. Но построить сходу полевую теорию элементарных частиц не получилось.

Параллельно в физике велись работы по созданию квантовой теории поля , которые выдвинулись на передний план. В основе квантовой теории лежит утверждение, что взаимодействия носят дискретный характер и передаются с помощью переносчиков - квантов. Но реально в природе были обнаружены только фотон и другие элементарные частицы. Поэтому в качестве не существующих в природе переносчиков взаимодействий элементарных частиц были выбраны сами элементарные частицы, которым приписывалась возможность временного существования и в виртуальном состоянии в нарушение закона сохранения энергии. Началась эра манипуляций над законами природы.

Предложенная в 1964 году модель кварков (впоследствии Стандартная модель элементарных частиц) утверждала, что элементарные частицы (участвующие в гипотетическом сильном взаимодействии) имеют сложную структуру и состоят из гипотетических кварков. В качестве математического обоснования гипотезы кварков была разработана унитарная симметрия. Но вымышленные кварки не были обнаружены (в природе нет дробного электрического заряда, равного по величине заряду гипотетических кварков), ни при каких энергиях и тогда Стандартной модели пришлось выдумать механизм препятствующий появлению кварков в свободном виде. Для этого гипотетические глюоны (гипотетические переносчики гипотетического сильного взаимодействия гипотетических кварков, также не найденные в природе - поскольку для них не оказалось места в спектре элементарных частиц) были наделены уникальными свойствами (конфайнмент) - способностью создавать себе подобных при движении (такой способностью не обладает ни одна элементарная частица). Понятно, что закон сохранения энергии - фундаментальный закон природы опять был проигнорирован.

Несмотря на кажущийся успех Стандартной модели элементарных частиц, работы над полевой теорией элементарных частиц не прекращались. Прогресс в данном направлении наметился в середине 70-х годов прошлого века, когда была сделана попытка объединить классику с не противоречащей ей частью квантовой механики (пришлось пожертвовать виртуальными частицами, нарушающими закон сохранения энергии). Так в результате ввода квантовых чисел удалось получить правильный спектр основных состояний элементарных частиц (включающий фотон, лептоны без тау-лептона, мезоны, барионы, векторные мезоны). Стало ясно, что данное направление является перспективным. Дальнейшая работа, подкрепленная развитием вычислительной техники и появлением компьютеров позволяющих рассчитывать взаимодействия магнитных полей привела к значительному продвижению полевой теории элементарных частиц.

Полевая теория элементарных частиц, действуя в рамках НАУКИ, опирается на проверенный ФИЗИКОЙ фундамент:

• Классическую электродинамику,
• Квантовую механику (без виртуальных частиц),
• Законы сохранения - фундаментальные законы физики.

В этом принципиальное отличие научного подхода, использованного полевой теорией элементарных частиц - подлинная теория должна строго действовать в рамках законов природы: в этом и заключается НАУКА. Пришлось отбросить, по причине недоказанности, некоторые квантовые числа, постулированные Квантовой теорией и Стандартной моделью и связанные с ними якобы законы сохранения, бездоказательно приписанные их сторонниками к числу законов физики.

Теперь полевая теория элементарных частиц описывает весь спектр элементарных частиц, в котором естественно не нашлось места для сказочных: кварков, глюонов, гравитонов, гравитино, нейтралино, партонов, преонов, ... . Кроме того полевая теория объяснила откуда берется электрический заряд элементарных частиц и почему он квантуется, магнитные поля элементарных частиц и чем на самом деле являются ядерные силы . Но самое главное - это то, что все законы природы "снова" действуют, в том числе и такой нелюбимый квантовой теорией фундаментальный закон природы - закон сохранения энергии.

Подведем итог сказанному :
1. Квантовая теория вместе со Стандартной моделью утверждает, что каждая элементарная частица, участвующая в гипотетическом сильном взаимодействии (называемая ими адроном), состоит из кварков - но кварки (равно как и глюоны) не были обнаружены на ускорителях и вообще в природе ни при каких энергиях, а обмен виртуальными частицами противоречит законам природы.

2. Полевая теория утверждает, что элементарные частицы (с квантовым числом L>0, существование которого у элементарных частиц установлено полевой теорией) состоят из вращающегося поляризованного переменного электромагнитного поля с постоянной составляющей. Такие элементарные частицы должны обладать:

• постоянным электрическим полем,
• постоянным магнитным полем,
• волновым переменным электромагнитным полем.

Наличие данных полей у элементарных частиц с ненулевой величиной массы покоя, а также гравитационного поля (создаваемого электромагнитными полями элементарных частиц), физика подтвердила экспериментально для ряда элементарных частиц.

С электромагнитными полями как постоянными, так и переменными мы сталкиваемся на каждом шагу. Число элементарных частиц бесконечно и каждая элементарная частица (с квантовым числом L>0) имеет бесконечное число возбужденных состояний . Благодаря наличию переменного электромагнитного поля элементарные частицы обладают волновыми свойствами. Таким видится микромир полевой теорией элементарных частиц.

Элементарная частица с квантовым числом L>0 в полевой теории

Строение протона в полевой теории (поперечное сечение) (E-постоянное электрическое поле,H-постоянное магнитное поле, желтым цветом отмечено переменное электромагнитное поле).

Как мы видим, полевая теория охватывает все элементарные частицы и объясняет их строение исходя из реально существующих в природе полей.

2 Классификация элементарных частиц

2.1 Классификация элементарных частиц в квантовой теории

С точки зрения квантовой теории все элементарные частицы делятся на два класса:

• фермионы - элементарные частицы с полуцелым спином;
• бозоны - элементарные частицы с целым спином.

Квантовая теория вводит следующие (с ее точки зрения существующие) фундаментальные взаимодействия:

При этом, кроме сильного взаимодействия и слабого взаимодействия, квантовая теория вводит особое электромагнитное взаимодействие, вместо действительно существующих в природе электромагнитных взаимодействий (отбросив взаимодействия магнитных полей элементарных частиц, которые не вписывались в квантовую теорию).

По видам введенных фундаментальных взаимодействий квантовая теория разделяет элементарные частицы на следующие группы:

• адроны - элементарные частицы, участвующие во всех видах фундаментальных взаимодействий (постулированных квантовой теорией), как реально существующих в природе, так и вымышленных;
• лептоны - фермионы, участвующие в электромагнитном и гипотетическом слабом взаимодействии (квантовой теории);
• калибровочные бозоны - фотон, промежуточные векторные бозоны и предполагаемые переносчики взаимодействий (в рамках предположений квантовой теории).

Здесь указаны предполагаемые квантовой теорией и Стандартной моделью, но не найденные в природе: кварки, глюоны, гравитон, бозон Хиггса (под видом якобы найденного бозона Хиггса нам подсовывают вновь открытую элементарную частицу: векторный мезон), но не указаны мезоны и барионы, поскольку квантовая теория не считает данные элементарные частицы истинно элементарными. Кроме того часть векторных мезонов квантовая теория отнесла к элементарным частицам поскольку она считает, что они являются переносчиками слабого взаимодействия (постулированного квантовой теорией) - это W- и Z-бозоны. Остальные векторные мезоны квантовая теория не считает элементарными частицами.

2.2 Классификация элементарных частиц в полевой теории элементарных частиц

С точки зрения полевой теории элементарных частиц все элементарные частицы делятся на группы по квантовому числу L лежащему в основе спина, а спектр элементарных частиц определяется одновременно Квантовой механикой и Классической электродинамикой. Из бесконечного набора возможных значений спина выделяется только нуль (L=1) поскольку в этой группе мезонов невозможно отличить нейтральную частицу от соответствующей античастицы.

Все элементарные частицы можно разбить на следующие основные группы:

• фотон
• лептоны
• мезоны
• барионы
• векторные мезоны

При этом число барионов и векторных мезонов в основном состоянии в природе бесконечно. Данная классификация разбивает элементарные частицы по квантовому числу L.

Фрагмент спектра основных состояний элементарных частиц

Элементарные частицы: фрагмент спектра основных состояний и возбужденных состояний (по полевой теории)

Гипотетических Слабых взаимодействий в природе нет, а степень участия элементарных частиц в ядерных силах определяется квантовым числом L (см. строение элементарных частиц) и энергией сосредоточенной в постоянном магнитном поле. С ростом квантового числа L растет процент энергии сосредоточенной в постоянном магнитном поле элементарных частиц, а также величина массы покоя - следовательно, растет и степень участия частицы в "сильных" взаимодействиях (а если правильно: в ядерных силах). Так что из четырех (предполагаемых квантовой теорией) типов фундаментальных взаимодействий в природе реально существует только два - электромагнитные и гравитационные , как и соответствующие им поля.

При этом электромагнитные взаимодействия отличаются от электромагнитного взаимодействия, учитываемого квантовой теорией, поскольку электромагнитные взаимодействия учитывают взаимодействия не только электрических но и магнитных полей.

3 Систематизация элементарных частиц

Имеется только одна систематизация элементарных частиц и их возбужденных состояний вытекающая из полевой теории элементарных частиц.

4 Масса у элементарных частиц

В соответствии с классической электродинамикой и формулой Эйнштейна, а также полевой теорией элементарных частиц, масса покоя элементарной частицы определяется как эквивалент энергии ее электромагнитных полей:

где определенный интеграл берется по всему собственному электромагнитному полю элементарной частицы, E - напряженность электрического поля, H - напряженность магнитного поля. Здесь учитываются все компоненты собственного электромагнитного поля: постоянное электрическое поле, постоянное магнитное поле, переменное электромагнитное поле. Это согласуется с реально существующими в природе фундаментальными взаимодействиями. Никакой сказочный бозон Хиггса массу покоя элементарных частиц и их гравитационное поле - не создает и создавать не может, поскольку, согласно теории гравитации элементарных частиц, гравитационные поля элементарных частиц и инерционная масса элементарных частиц создаются их электромагнитными полями .

Поместив элементарную частицу во внешнее электрическое или магнитное поле (например, протон или нейтрон в атомное ядро), мы изменим величину энергии электромагнитных полей элементарной частицы, а следовательно, и величину ее массы, в результате чего изменится ее среднее время жизни. Таким образом: масса покоя элементарной частицы, ее среднее время жизни (в том числе и каналы распада) зависят от электромагнитных полей, в которых частица находится , а не только от величины ее скорости движения (как следует из СТО).

5 Радиус элементарной частицы (определяемый полевой теорией элементарных частиц)

Полевая теория элементарных частиц вводит определение полевого радиуса элементарной частицы (r 0~), как среднего расстояния от центра элементарной частицы (с квантовым числом L>0), на котором вращается переменное электромагнитное поле:

где:
L - главное квантовое число элементарной частицы;
ħ - постоянная Планка;
m 0~ - масса, заключенная в переменном электромагнитном поле элементарной частицы;
c - скорость света.

Строение протона в полевой теории (поперечное сечение) (E-постоянное электрическое поле,H-постоянное магнитное поле, желтым цветом отмечено переменное электромагнитное поле).


Строение электрона в полевой теории (поперечное сечение)


Строение нейтрона в полевой теории (поперечное сечение)
Как видно из представленных рисунков, электрические поля элементарных частиц - дипольные .

На картинках электрон выглядит меньше протона, а в действительности полевой радиус электрона в 600 раз больше протонного (и нейтронного), следовательно упасть на атомное ядро электрон никак не может - линейные размеры электрона превышают линейные размеры любого атомного ядра (даже самого тяжелого). Электрон не присутствует внутри нейтрона, а создается электромагнитным полем в процессе распада нейтрона, естественно вместе с электронным антинейтрино, обладающим еще большими (чем электрон) размерами.

В m 0~ сосредоточена только часть величины массы покоя элементарной частицы:

M 0 - масса покоя элементарной частицы.
m 0= - масса, заключенная в постоянном электрическом и постоянном магнитном поле элементарной частицы.

Радиус области пространства, занимаемого элементарной частицей, определяется как:

К величине r 0~ добавился еще радиус кольцевой области, занимаемой переменным электромагнитным полем элементарной частицы. Необходимо помнить, что часть величины массы покоя, сосредоточенной в постоянных (электрическом и магнитном) полях элементарной частицы находится за пределами данной области, в соответствии с законами электродинамики.

6 Возбужденные состояния элементарных частиц

Согласно полевой теории элементарных частиц, элементарные частицы с квантовым числом L>0 могут находиться и в возбужденном состоянии, отличающемся от основного наличием дополнительного вращательного момента (V) . Физика уже экспериментально открыла множество таких состояний у элементарных частиц. Примеры приведены на рисунках:

подгруппа мюона

подгруппа пи-мезона

подгруппа протона

7 Элементарная частица и теория гравитации элементарных частиц

Появившаяся в 2015 году теория гравитации элементарных частиц установила наличие в природе электромагнитной формы гравитации. При этом необходимо четко понимать: в природе существует не гравитационное поле вещества, а гравитационные поля элементарных частиц, из которых состоит вещество. Это суперпозиция векторных полей, и они складываются по правилам сложения векторов.

Поскольку гравитационные поля вещества создаются электромагнитными полями элементарных частиц, из которых это вещество состоит, то возник вопрос и о природе инерционных свойств вещества.

В уравнении 137 теории гравитации элементарных частиц было установлено, что кинетическая энергия электромагнитного поля элементарной частицы равна кинетической энергии ее инертной массы.

Отсюда следует: электрическая и магнитная составляющая электромагнитного поля элементарной частицы и создают инерционные свойства полевой материи, из которой состоит вещество Вселенной .

Тем самым теорией гравитации элементарных частиц было доказано, что гравитационные поля вещества и инерционные свойства вещества создаются электромагнитными полями элементарных частиц, из которых это вещество состоит. - ФИЗИКОЙ 21 века была опровергнута математическая СКАЗКА о "бозоне Хиггса".

Элементарные частицы, из которых состоит вещество Вселенной - являются формой электромагнитной полевой материи и этой форме материи не требуется никакой сказочный "бозон Хиггса" вместе со своими сказочными взаимодействиями, выдуманными Стандартной моделью и квантовой теорией. Конечно, можно выдумать новую форму материи, но это будет новая математическая СКАЗКА.

8 Немного о Стандартной модели элементарных частиц

В 1964 году Гелл-манн и Цвейг независимо предложили гипотезу существования кварков, из которых, по их мнению, состоят адроны. Удалось правильно описать спектр известных тогда элементарных частиц, но придуманные кварки пришлось наделить дробным электрическим зарядом, не существующим в природе. Лептоны в эту Кварковую модель, которая впоследствии переросла в Стандартную модель элементарных частиц, вообще НЕ вписались - поэтому были признаны истинно элементарными частицами, наравне с придуманными кварками. Чтобы объяснить связь кварков в адронах (барионах, мезонах), было предположено существование в природе сильного взаимодействия и его переносчиков - глюонов. Глюоны, как и положено в Квантовой теории, наделили единичным спином, тождественности частицы и античастицы и нулевой величиной массы покоя, как у фотона. В действительности, в природе существует не сильное взаимодействие гипотетических кварков, а ядерные силы нуклонов - и это РАЗНЫЕ понятия.

Прошло 50 лет. Вымышленные кварки так и не были найдены в природе и нам сочинили новую математическую сказочку под названием "Конфайнмент". Мыслящий человек с легкостью увидит в ней откровенное издевательство над фундаментальным законом природы - законом сохранения энергии. Но это сделает мыслящий человек, а сказочники получили устроившее их оправдание, почему в природе нет кварков в свободном виде.

Введенные глюоны также НЕ были найдены в природе. Дело в том, что единичным спином могут обладать в природе только векторные мезоны (и еще одно из возбужденных состояний мезонов), но у каждого векторного мезона имеется античастица. - Поэтому векторные мезоны на кандидаты в «глюоны» никак не подходят, и им не припишешь роль переносчиков вымышленного сильного взаимодействия. Остается девятка первых возбужденный состояний мезонов, но 2 из них противоречат самой Стандартной модели элементарных частиц и их существование в природе Стандартная модель не признает, а остальные неплохо изучены физикой, и выдать их за сказочные глюоны не получится. Есть еще последний вариант: выдать за глюон связанное состояние из пары лептонов (мюонов или тау-лептонов) - но и это при распаде можно вычислить.

Так что, глюонов в природе также нет, как нет в природе кварков и вымышленного сильного взаимодействия. Вы считаете, что сторонники Стандартной модели элементарных частиц этого не понимают - еще как понимают, вот только тошно признать ошибочность того, чем занимался десятилетиями. А потому мы видим все новые математические псевдонаучные сказки, одна из которых: "теория струн".

9 Элементарная частица и "теория струн"

В начале 1970-х годов в квантовой теории появилось новое направление: "теория струн", изучающее динамику взаимодействия не точечных частиц, а одномерных протяжённых объектов (квантовых струн). Была сделана попытка объединить идеи квантовой механики и теории относительности на основе главенства квантовой теории. Ожидалось, что на её основе, будет построена теория квантовой гравитации.

Несколько цитат из Википедии: Теория струн основана на гипотезе о том, что все элементарные частицы и их фундаментальные взаимодействия возникают в результате колебаний и взаимодействий ультрамикроскопических квантовых струн на масштабах порядка планковской длины 10 -35 м. Данный подход, с одной стороны, позволяет избежать таких трудностей квантовой теории поля, как перенормировка, а с другой стороны, приводит к более глубокому взгляду на структуру материи и пространства-времени.

Несмотря на математическую строгость и целостность теории, пока не найдены варианты экспериментального подтверждения теории струн. Возникшая для описания адронной физики, но не вполне подошедшая для этого, теория оказалась в своего рода экспериментальном вакууме описания всех взаимодействий.

Одна из основных проблем при попытке описать процедуру редукции струнных теорий из размерности 26 или 10 в низкоэнергетическую физику размерности 4 заключается в большом количестве вариантов компактификаций дополнительных измерений на многообразия Калаби - Яу и на орбифолды, которые, вероятно, являются частными предельными случаями пространств Калаби - Яу. Большое число возможных решений с конца 1970-х и начала 1980-х годов создало проблему, известную под названием "проблема ландшафта", в связи с чем, некоторые учёные сомневаются, заслуживает ли теория струн статуса научной .

А теперь уточнения:

• Электромагнитные поля элементарных частиц не возникают в результате колебаний ультрамикроскопических квантовых струн, а их взаимодействия не являются продуктом взаимодействия этих струн.
• Основная трудность квантовой "теории" заключается в отсутствии в природе переносчиков, выдуманных ей взаимодействий, и игнорировании виртуальными частицами фундаментального закона природы - закона сохранения энергии. Что касается перенормировки, то одна ее необходимость указывает на ошибочность такой "теории". Взяли и переписали результат действия законов природы - и это выдается за науку.
• Адронной физики в природе нет, поскольку в природе нет адронов. В природе НЕТ кварков с глюонами, а есть просто элементарные частицы, и фундаментальных взаимодействий всего два.
• Пространство с размерностью 26 или 10 - а почему не 25 или 11. Манипулируя размерностью пространства, можно построить сколько угодно "теорий", но СКАЗОЧНЫХ. А введение в струнных теориях многомерных объектов - это уж точно из мира математических СКАЗОК.
• К теориям относительности у физики тоже есть вопросы: специальная теория относительности (СТО) внутри элементарных частиц не работает, а гравитационное поле для общей теории относительности (ОТО) ничто не создает, кроме сказочных "черных дыр", "создаваемых" этим же самым полем и тем самым противоречащих принципу причинности. - Элементарные частицы создают суперпозицию векторных гравитационных полей, а не некоторое абстрактное математическое гравитационное поле для ОТО.
• Ну а квантовую "теорию гравитации" уже строить не нужно - разработана НАУЧНАЯ ТЕОРИЯ ГРАВИТАЦИИ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ, из которых состоит вещество Вселенной. Да и гравитонов в природе НЕТ.
• Предсказываемые струнными "теориями" тахионы - частицы, движущиеся со скоростью, превышающей скорость света в вакууме, и противоречащие принципу причинности, существуют лишь в таких "теориях" да и в воображении их авторов и сторонников.
• Предсказанная струнными "теориями" многомерность Вселенной противоречит экспериментальным данным. Физика установила наличие трех пространственных измерений, а Альберт Эйнштейн к ним в специальной теории относительности (работающей не везде) добавил четвертое мнимое измерение - время. Все прочие измерения Вселенной есть продукт воображения некоторых "теоретиков", ставящих свои желания выше законов природы.

Сторонники теории струн, сравнивая ее со Стандартной моделью элементарных частиц и агитируя за теорию струн, заявляют, что у Стандартной модели есть 19 свободных параметров, для подгонки под экспериментальные данные, а у теории струн их нет.

Они кое-что упускают. Когда Стандартная модель элементарных частиц еще называлась кварковой моделью, ей хватало всего 3-х кварков. Но по мере развития, Стандартной модели потребовалось увеличить число кварков до 6-ти (нижний, верхний, странный, очарованный, прелестный, истинный), а каждый гипотетический кварк еще и наделить тремя цветами (r, g, b) – получаем 6×3=18 гипотетических частиц. К ним еще понадобилось добавить 8 глюонов. – Модель разрослась для подгонки под новые экспериментальные данные. Но введения цветов у сказочных кварков оказалось мало и некоторые уже заговорили о сложном строении кварков. Другие сторонники Стандартной модели заявляют, что кварки являются формой полевой материи.

Аналогичная судьба ждет и "теорию" струн. Сначала ее сторонники рассказывают математические сказки, выдавая их за высшее достижение науки, а большинство человечества тупо этому верит. Новую математическую квантовую сказку, выдавая ее за последнее слово физики, уже преподают студентам, наивно считающим, что они получают «подлинные знания». За новую сказку станут получать «научные» звания и Нобелевские премии по «физике», как это было уже с математической сказкой о «Бозоне Хиггса». Новая квантовая сказка будет развиваться, разрастаться, и потребуются параметры для подгонки под новые экспериментальные данные. А когда эта математическая сказка также зайдет в ТУПИК и ОБАНКРОТИТСЯ – сочинят новую сказочку. А всего-то произошла подмена старой обанкротившейся квантовой математической сказки, которая уже не может управлять умами людей, на новую аналогичную сказку. – Одну ХИМЕРУ подменили на другую ХИМЕРУ. Человечество получило такую «науку», какой оно достойно. Вот только ФИЗИКЕ это литературное творчество БЕЗ НАДОБНОСТИ .

Каждый школьник, изучавший геометрию и механику, знает, что число измерений пространства равно трем. К ним Эйнштейн, в качестве четвертого мнимого измерения в рамках действия специальной теории относительности, добавил время. Иных измерений у окружающего нас пространства НЕТ. Что касается пространства общей теории относительности, то оно существует только в виртуальном мире этой теории, как и виртуальное пространство специальной теории относительности, может использоваться там, где эта теория РАБОТАЕТ.

Взрослые дяди с "научными" степенями обнаруживают у пространства в 3-9 раз больше измерений, чем есть в действительности, наверно прочно забыв то, чему их учили в школе. Получается, что для природы у пространства есть одна размерность, а для сторонников теории струн – другая, значительно большая. Они что боги, что могут себе создавать собственное пространство под свои "теоретические" построения. Ну а если они НЕ боги, то тогда просто СКАЗОЧНИКИ от науки, спасающие от неизбежного банкротства Квантовую псевдо-теорию. Желание всеми силами удержаться в «науке» понятно, но может, будет честнее и разумнее, распрощаться с этим сборником математических СКАЗОК, и отправить его в архив истории развития физики, как прошлое ЗАБЛУЖДЕНИЕ, а самим сесть за парту вместе со студентами и переучиться Новой ФИЗИКЕ, что очень противно. Помните сказку о голом короле и чем она закончилась для короля - Вам современная действительность ничего не напоминает?

Подведем итог: за умными словами и сверхсложной математикой "теории струн" скрывается псевдонаучная математическая СКАЗКА, построенная на фальшивом фундаменте .

10 Элементарная частица - разное

Сторонники квантовой теории уверены, что в экспериментах по рассеянию наблюдаются следы кварков в протоне. - Но это одно из возможных объяснений.

Возьмем число гипотетических кварков в адроне и разделим его на два - получится главное квантовое число (L ) элементарных частиц в полевой теории. И это не просто совпадение. Дело в следующем: поскольку внутри элементарных частиц вращается переменное электромагнитное поле - в них будут стоячие волны (это описано в волновых теориях). А в стоячих волнах имеются участки с максимальной интенсивностью (пучности), но также имеются точки, в которых интенсивность всегда равна нулю (узлы). Если рассматривать стоячую волну с точки зрения плотности массы, то ее математически можно условно разбить на несколько равных частей (равно числу пучностей) - и это оказывается равным числу гипотетических кварков в адронах.

Отсюда следует еще одно объяснение экспериментов: В экспериментах по рассеянию наблюдаются стоячие волны переменного электромагнитного поля внутри элементарных частиц . Этим и объясняется невозможность их разбиения на отдельные участки - электромагнитное поле непрерывно и не рассыпается на осколки, а преобразуется по законам природы.

11 Новая физика: Элементарная частица - итог

Я не стал рассматривать все теории и теоретические построения, касающиеся элементарных частиц. Остались нерассмотренными:

• некоторые научные теории (Волновая теория строения элементарных частиц), которые лучше посмотреть на сайтах авторов,
• теоретические построения не соответствующие природе квантовой теории (теории суперструн, М-теория и др.) заведшие физику в квантовый ТУПИК своими математическими СКАЗКАМИ,
• псевдонаучные муляжи, имитирующие науку (такие, как Теория бесконечной вложенности материи), за абстрактными идеями, умными словами и часто сложной математикой скрывающие убогую физику.

"Научная" плодовитость некоторых авторов математических сказок и муляжей очень высока, а тратить время на разбор их литературного творчества, выдаваемого за научное - БЕССМЫСЛЕННО. И вообще, публикация в издании, зарабатывающем на науке, не является доказательством, что перед нами НАУЧНЫЙ ТРУД . Публикуют те, у кого есть на это деньги - капитализм в действии.

У полевой теории элементарных частиц нет принципиальных расхождений с волновыми теориями элементарных частиц, поскольку ее можно рассматривать как дальнейшее развитие волнового направления в физике. Если бы в свое время у волнового направления хватило сил противостоять установлению монополии на истину со стороны квантовой теории и Стандартной модели элементарных частиц - сейчас в учебниках физики было бы написано совсем другое .

В 20 веке возлагались большие надежды на "квантовую теорию" и "Стандартную модель элементарных частиц", последняя объявлялась чуть ли не высшим достижением науки, что наконец открыли все, находящиеся в стандартной модели элементарные частицы. Но как оказалось, природа устроена иначе, чем утверждали эти сборники математических сказок. Кварки и глюоны так и не были найдены ни в природе, ни на ускорителях, ни при какой энергии - а без этих кирпичиков из фундамента стандартная модель элементарных частиц всего лишь СКАЗКА . Также в природе не были найдены переносчики взаимодействий, постулированных квантовой теорией, да и число фундаментальных взаимодействий оказалось значительно меньшим - похоронив квантовую "теорию". Ну а сказочка о виртуальных частицах , выдуманная, чтобы заполнить отсутствие в природе сказочных переносчиков сказочных взаимодействий квантовой "теории", теперь тоже рухнула. Закон сохранения энергии, такой нелюбимый квантовой "теорией" и ее "Стандартной" моделью элементарных частиц, действовал в природе до появления этих сборников математических сказок, и продолжает действовать после их неизбежной кончины.

Грянул 21 век и физика изменилась. Теперь Полевая теория элементарных частиц описывает микромир исходя из реально существующих в природе полей, оставаясь в рамках, действующих в природе законов - как и должно быть в науке . Она стала одним из крупнейших открытий Новой физики 21 века и крупнейшим открытием теоретической физики начала 21 века, явилась успешным завершением части работ над созданием Теории поля, длившихся более 100 лет, приведших к построению Научной картины Микромира. Как оказалось, Микромир - это мир дипольных электромагнитных полей, о существовании которых физика 20 века и не подозревала . К этому добавилась теория гравитации элементарных частиц, установившая электромагнитную природу гравитации и похоронившая кучку математических сказок 20 века ("теорий" гравитации, "супер-гравитации", сказку о "бозоне Хиггса"), в том числе и сказку о "Черных дырах". Исследования в области электронных нейтрино нашли:

• основной природный источник энергии землетрясений, вулканической деятельности, тектонической деятельности, геотермальной деятельности, теплового потока, исходящего из недр Земли,
• природные источники так называемого "реликтового излучения",
• еще один природный механизм красного смещения,
• похоронили математическую сказку о "Большом взрыве".

Нас ждет еще много захватывающего и интересного, но не ищите этого в мировой Википедии.

Владимир Горунович

Существование элементарных частиц ученые обнаружили при исследовании ядерных процессов, поэтому вплоть до середины XX века физика элементарных частиц была разделом ядерной физики. В настоящее время эти разделы физики являются близкими, но самостоятельными, объединенными общностью многих рассматриваемых проблем и применяемыми методами исследования. Главная задача физики элементарных частиц - это исследование природы, свойств и взаимных превращений элементарных частиц.

Представление о том, что мир состоит из фундаментальных частиц , имеет долгую историю. Впервые мысль о существовании мельчайших невидимых частиц, из которых состоят все окружающие предметы, была высказана за 400 лет до нашей эры греческим философом Демокритом. Он назвал эти частицы атомами, т. е. неделимыми частицами. Наука начала использовать представление об атомах только в начале XIX века, когда на этой основе удалось объяснить целый ряд химических явлений. В 30-е годы XIX века в теории электролиза, развитой М. Фарадеем, появилось понятие иона и было выполнено измерение элементарного заряда. Конец XIX века ознаменовался открытием явления радиоактивности (А. Беккерель,1896), а также открытиями электронов (Дж. Томсон 1876) и α-частиц (Э. Резерфорд, 1899). В 1905 году в физике возникло представление о квантах электромагнитного поля - фотонах (А. Эйнштейн).

В 1911 году было открыто атомное ядро (Э. Резерфорд) и окончательно было доказано, что атомы имеют сложное строение. В 1919 году Резерфорд в продуктах расщепления ядер атомов ряда элементов обнаружил протоны. В 1932 году Дж. Чедвик открыл нейтрон. Стало ясно, что ядра атомов, как и сами атомы, имеют сложное строение. Возникла протон-нейтронная теория строения ядер (Д.Д Иваненко и В.Гейзенберг). В том же 1932 году в космических лучах был открыт позитрон (К. Андерсон). Позитрон - положительно заряженная частица, имеющая ту же массу и тот же (по модулю) заряд, что и электрон. Существование позитрона было предсказано П. Дираком в 1928 году. В эти годы были обнаружены и исследованы взаимные превращения протонов и нейтронов и стало ясно, что эти частицы также не являются неизменными элементарными «кирпичиками» природы. В 1937 году в космических лучах были обнаружены частицы с массой в 207 электронных масс, названные мюонами (μ-мезонами ). Затем в 1947-1950 годах были открыты пионы (т. е. π-мезоны ), которые, по современным представлениям, осуществляют взаимодействие между нуклонами в ядре. В последующие годы число вновь открываемых частиц стало быстро расти. Этому способствовали исследования космических лучей, развитие ускорительной техники и изучение ядерных реакций.

В настоящее время известно около 400 субъядерных частиц, которые принято называть элементарными. Подавляющее большинство этих частиц являются нестабильными . Исключение составляют лишь фотон, электрон, протон и нейтрино. Все остальные частицы через определенные промежутки времени испытывают самопроизвольные превращения в другие частицы. Нестабильные элементарные частицы сильно отличаются друг от друга по временам жизни. Наиболее долгоживущей частицей является нейтрон. Время жизни нейтрона порядка 15 мин. Другие частицы «живут» гораздо меньшее время. Например, среднее время жизни μ-мезона равно 2,2·10 -6 с, нейтрального π-мезона - 0,87·10 -16 с. Многие массивные частицы - гипероны - имеют среднее время жизни порядка 10 -10 с.

Существует несколько десятков частиц со временем жизни, превосходящим 10 -17 с. По масштабам микромира это значительное время. Такие частицы называют относительно стабильными . Большинство короткоживущих элементарных частиц имеют времена жизни порядка 10 -22 -10 -23 с.

Способность к взаимным превращениям - это наиболее важное свойство всех элементарных частиц. Они способны рождаться и уничтожаться (испускаться и поглощаться). Это относится также и к стабильным частицам с той только разницей, что превращения стабильных частиц происходят не самопроизвольно, а при взаимодействии с другими частицами. Примером может служить аннигиляция (т. е. исчезновение ) электрона и позитрона, сопровождающаяся рождением фотонов большой энергии. Может протекать и обратный процесс - рождение электронно-позитронной пары, например, при столкновении фотона достаточно большой энергии с ядром. Такой опасный двойник, каким для электрона является позитрон, есть и у протона. Он называется антипротоном . Электрический заряд антипротона отрицателен. В настоящее время античастицы найдены у всех частиц. Античастицы противопоставляются частицам потому, что при встрече любой частицы со своей античастицей происходит их аннигиляция, т. е. обе частицы исчезают, превращаясь в кванты излучения или другие частицы.

Античастица обнаружена даже у нейтрона. Нейтрон и антинейтрон отличаются только знаками магнитного момента и так называемого барионного заряда. Возможно существование атомов антивещества , ядра которых состоят из антинуклонов, а оболочка - из позитронов. При аннигиляции антивещества с веществом энергия покоя превращается в энергию квантов излучения. Это огромная энергия, значительно превосходящая ту, которая выделяется при ядерных и термоядерных реакциях.

В многообразии элементарных частиц, известных к настоящему времени, обнаруживается более или менее стройная система классификации. В табл. 6.9.1 представлены некоторые сведенья о свойствах элементарных частиц со временем жизни более 10 -20 с. Из многих свойств, характеризующих элементарную частицу, в таблице указаны только масса частицы (в электронных массах), электрический заряд (в единицах элементарного заряда) и момент импульса (так называемый спин ) в единицах постоянной Планка h = h / 2π. В таблице указано также среднее время жизни частицы.

Группа Название частицы Символ Масса (в электронных массах) Электрический заряд Спин Время жизни (с) Частица Античастица Фотоны Фотон Стабилен Лептоны Нейтрино электронное ν e 1 / 2 Стабильно Нейтрино мюонное ν μ 1 / 2 Стабильно Электрон 1 / 2 Стабилен Мю-мезон μ - μ + 206,8 1 / 2 2,2 10 -6 Адроны Мезоны Пи-мезоны π 0 264,1 0,87 10 -16 π + π - 273,1 1 -1 2,6 10 -8 К-мезоны 966,4 1 -1 1,24 10 -8 K 0 974,1 ≈ 10 -10 -10 -8 Эта-нуль-мезон η 0 1074 ≈ 10 -18 Барионы Протон 1836,1 1 -1 1 / 2 Стабилен Нейтрон 1838,6 1 / 2 Лямбда-гиперон Λ 0 2183,1 1 / 2 2,63 10 -10 Сигма-гипероны Σ + 2327,6 1 -1 1 / 2 0,8 10 -10 Σ 0 2333,6 1 / 2 7,4 10 -20 Σ - 2343,1 1 / 2 1,48 10 -10 Кси-гипероны Ξ 0 2572,8 1 / 2 2,9 10 -10 Ξ - 2585,6 1 / 2 1,64 10 -10 Омега-минус-гиперон Ω - 3273 1 / 2 0,82 10 -11

Таблица 6.9.1

Элементарные частицы объединяются в три группы: фотоны , лептоны и адроны .

К группе фотонов относится единственная частица - фотон, которая является носителем электромагнитного взаимодействия.

Следующая группа состоит из легких частиц - лептонов . В эту группу входят два сорта нейтрино (электронное и мюонное), электрон и μ-мезон. К лептонам относятся еще ряд частиц, не указанных в таблице. Все лептоны имеют спин 1/2 .

Третью большую группу составляют тяжелые частицы, называемые адронами . Эта группа делится на две части. Более легкие частицы составляют подгруппу мезонов . Наиболее легкие из них - положительно и отрицательно заряженные, а также нейтральные π-мезоны с массами порядка 250 электронных масс (табл. 6.9.1). Пионы являются квантами ядерного поля, подобно тому, как фотоны являются квантами электромагнитного поля. В эту подгруппу входят также четыре K-мезона и один η 0 -мезон. Все мезоны имеют спин, равный нулю.

Вторая подгруппа - барионы - включает более тяжелые частицы. Она является наиболее обширной. Самыми легкими из барионов являются нуклоны - протоны и нейтроны. За ними следуют так называемые гипероны. Замыкает таблицу омега-минус-гиперон, открытый в 1964 г. Это тяжелая частица с массой в 3273 электронных масс. Все барионы имеют спин 1/2 .

Обилие открытых и вновь открываемых адронов навела ученых на мысль, что все они построены из каких-то других более фундаментальных частиц. В 1964 г. американским физиком М. Гелл-Манном была выдвинута гипотеза, подтвержденная последующими исследованиями, что все тяжелые частицы - адроны - построены из более фундаментальных частиц, названных кварками . На основе кварковой гипотезы не только была понята структура уже известных адронов, но и предсказано существование новых. Теория Гелл-Мана предполагала существование трех кварков и трех антикварков, соединяющихся между собой в различных комбинациях. Так, каждый барион состоит из трех кварков, антибарион - из трех антикварков. Мезоны состоят из пар кварк-антикварк.

С принятием гипотезы кварков удалось создать стройную систему элементарных частиц. Однако предсказанные свойства этих гипотетических частиц оказались довольно неожиданными. Электрический заряд кварков должен выражаться дробными числами, равными 2/3 и 1/3 элементарного заряда.

Многочисленные поиски кварков в свободном состоянии, производившиеся на ускорителях высоких энергий и в космических лучах, оказались безуспешными. Ученые считают, что одной из причин ненаблюдаемости свободных кварков являются, возможно, их очень большие массы. Это препятствует рождению кварков при тех энергиях, которые достигаются на современных ускорителях. Тем не менее, большинство специалистов сейчас уверены в том, что кварки существуют внутри тяжелых частиц - адронов.

Фундаментальные взаимодействия . Процессы, в которых участвуют различные элементарные частицы, сильно различаются по энергиям и характерным временам их протекания. Согласно современным представлениям, в природе осуществляется четыре вида взаимодействий, которые не могут быть сведены к другим, более простым видам: сильное , электромагнитное , слабое и гравитационное . Эти виды взаимодействий называют фундаментальными .

Сильное (или ядерное ) взаимодействие - наиболее интенсивное. Оно обуславливает исключительно прочную связь между протонами и нейтронами в ядрах атомов. В сильном взаимодействии могут принимать участие только тяжелые частицы - адроны (мезоны и барионы). Сильное взаимодействие проявляется на расстояниях порядка 10 -15 м и менее. Поэтому его называют короткодействующим.

Электромагнитное взаимодействие. В нем могут принимать участие любые электрически заряженные частицы, а так же фотоны - кванты электромагнитного поля. Электромагнитное взаимодействие ответственно, в частности, за существование атомов и молекул. Оно определяет многие свойства веществ в твердом, жидком и газообразном состояниях. Кулоновское отталкивание протонов приводит к неустойчивости ядер с большими массовыми числами. Электромагнитное взаимодействие обуславливает процессы поглощения и излучения фотонов атомами и молекулами вещества и многие другие процессы физики микро- и макромира.

Слабое взаимодействие - определяет ход наиболее медленных процессов, протекающих в микромире. В нем могут принимать участие любые элементарные частицы, кроме фотонов. Слабое взаимодействие ответственно за протекание процессов с участием нейтрино или антинейтрино, например, β-распад нейтрона

а также безнейтринные процессы распада частиц с большим временем жизни (τ ≥ 10 -10 с).

Гравитационное взаимодействие присуще всем без исключения частицам, однако из-за малости масс элементарных частиц силы гравитационного взаимодействия между ними пренебрежимо малы и в процессах микромира их роль несущественна. Гравитационные силы играют решающую роль при взаимодействии космических объектов (звезд, планет и т. п.) с их огромными массами.

В 30-е годы XX века возникла гипотеза о том, что в мире элементарных частиц взаимодействия осуществляются посредством обмена квантами какого-либо поля. Эта гипотеза первоначально была выдвинута нашими соотечественниками И.Е. Таммом и Д.Д Иваненко. Они предположили, что фундаментальные взаимодействия возникают в результате обмена частицами, подобно тому, как ковалентная химическая связь атомов возникает при обмене валентными электронами, которые объединяются на незаполненных электронных оболочках.

Взаимодействие, осуществляемое путем обмена частицами, получило в физике название обменного взаимодействия . Так, например, электромагнитное взаимодействие между заряженными частицами, возникает вследствие обмена фотонами - квантами электромагнитного поля.

Теория обменного взаимодействия получила признание после того, как в 1935 г. японский физик Х. Юкава теоретически показал, что сильное взаимодействие между нуклонами в ядрах атомов может быть объяснено, если предположить, что нуклоны обмениваются гипотетическими частицами, получившими название мезонов. Юкава вычислил массу этих частиц, которая оказалась приблизительно равной 300 электронным массам. Частицы с такой массой были впоследствии действительно обнаружены. Эти частицы получили название π-мезонов (пионов). В настоящее время известны три вида пионов: π + , π - и π 0 (см. табл. 6.9.1).

В 1957 году было теоретически предсказано существование тяжелых частиц, так называемых в екторных бозонов W + , W - и Z 0 , обуславливающих обменный механизм слабого взаимодействия. Эти частицы были обнаружены в 1983 году в экспериментах на ускорителе на встречных пучках протонов и антипротонов с высокой энергией. Открытие векторных бозонов явилось очень важным достижением физики элементарных частиц. Это открытие ознаменовало успех теории, объединившей электромагнитное и слабое взаимодействия в единое так называемое электрослабое взаимодействие . Эта новая теория рассматривает электромагнитное поле и поле слабого взаимодействия как разные компоненты одного поля, в котором наряду с квантом участвуют векторные бозоны.

После этого открытия в современной физике значительно возросла уверенность в том, что все виды взаимодействий тесно связаны между собой и, по существу, являются различными проявлениями некоторого единого поля. Однако объединение всех взаимодействий остается пока лишь привлекательной научной гипотезой (Единой Теорией поля).

Физики-теоретики прилагают значительные усилия, чтобы рассмотреть на единой основе не только электромагнитное и слабое, но и сильное взаимодействие. Эта теория получила название Великого объединения . Ученые предполагают, что и у гравитационного взаимодействия должен быть свой переносчик - гипотетическая частица, названная гравитоном . Однако эта частица до сих пор не обнаружена.

В настоящее время считается доказанным, что единое поле, объединяющее все виды взаимодействия, может существовать только при чрезвычайно больших энергиях частиц, недостижимых на современных ускорителях. Такими большими энергиями частицы могли обладать только на самых ранних этапах существования Вселенной, которая возникла в результате так называемого Большого взрыва (Big Bang). Космология - наука об эволюции Вселенной - предполагает, что Большой взрыв произошел около 13,7 миллиардов лет тому назад. В стандартной модели эволюции Вселенной предполагается, что в первый период после взрыва температура могла достигать 10 32 К, а энергия частиц E = kT достигать значений 10 19 ГэВ. В этот период материя существовала в форме кварков и нейтрино, при этом все виды взаимодействий были объединены в единое силовое поле. Постепенно по мере расширения Вселенной энергия частиц уменьшалась, и из единого поля взаимодействий сначала выделилось гравитационное взаимодействие (при энергиях частиц ≤ 10 19 ГэВ), а затем сильное взаимодействие отделилось от электрослабого (при энергиях порядка 10 14 ГэВ). При энергиях порядка 10 3 ГэВ все четыре вида фундаментальных взаимодействий оказались разделенными. Одновременно с этими процессами шло формирование более сложных форм материи - нуклонов, легких ядер, ионов, атомов и т. д. Космология в своей модели пытается проследить эволюцию Вселенной на разных этапах ее развития от Большого взрыва до наших дней, опираясь на законы физики элементарных частиц, а также ядерной и атомной физики.