Современная картина строения физического мира.
Одним из наиболее значительных достижений современной физики явилось построение стройной картины в мире элементарных частиц, которое выражается в стандартной модели. В настоящее время экспериментально установлено, что мир истинно элементарных частиц (на современном уровне знаний и экспериментальной техники не состоящих из более элементарных частиц) устроен достаточно просто, а основы строения материи описываются теоретически в рамках твердо установленных принципов современной квантовой теории поля. Наиболее фундаментальными, согласно релятивистской квантовой теории, является деление элементарных частиц на фермионы и бозоны. Экспериментально открыто всего 12 элементарных фермионов (со спином s=1/2) и 4 бозона (со спином s=1). Это, разумеется, не считая соответствующих античастиц. Атомы состоят из электронов e, образующих оболочки, и ядер. Ядра состоят из протонов p и нейтронов n. Протоны и нейтроны состоят из кварков двух типов, u и d: p = uud, n =ddu. Свободный нейтрон испытывает бета-распад: n→ peνeˉ, где νeˉ - электронное антинейтрино. В основе распада нейтрона лежит распад d -кварка: d→ueνeˉ. Притяжение электрона к ядру - пример электромагнитного взаимодействия. Взаимное притяженеие кварков - пример сильного взаимодействия. Бета – распад - пример проявления слабого взаимодействия. Кроме этих трех фундаментальных взаимодействий важную роль в природе играет четвертое фундаментальное взаимодействие - гравитационное, притягивающее все частицы друг к другу. Фундаментальные взаимодействия описываются соответствующими силовыми полями. Возбуждения этих полей представляют собой частицы, которые называют фундаментальными бозонами. Электромагнитному полю отвечает фотон γ, сильному – глюоны, слабому- бозоны, гравитационному – гравитон. У большинства частиц есть двойники – античастицы, имеющие те же массы, но противоположные по знаку заряды (например, электрический). Частицы, совпадающие со своими античастицами, т.е. не имеющие никаких зарядов, как, например, фотон, называют истинно нейтральными. Наряду с e и νe известны еще две пары похожих на них частиц: μ, νμ, и τ, ντ. Все они называются лептонами. Наряду с u и d - кварками известны еще две пары более массивных кварков: c, s и t, b. Лептоны и кварки называют фундаментальными фермионами. Частицы, состоящие из трех кварков, называют барионами, из кварка и антикварка – мезонами. Барионы и мезоны образуют семейство сильновзаимодействующих частиц – адронов. Фермионы
Все известные фундаментальные фермионы (s= 1/2) перечислены в таблице 1. Из их свойств в этой же таблице указан лишь электрический заряд. Эти 12 фермионов делятся на три «поколения», в каждом из которых имеется по два лептона и два кварка. В теории частиц существует устоявшаяся терминология, которая несколько необычна, но к этому следует привыкнуть. При этом, все эти понятия, конечно же, не имеют никакого отношения к обыденному смыслу тех слов, которыми они обозначаются. Лептоны, такие как электрон и электронное нейтрино, известны уже давно. Кварки также давно изучаются экспериментально и сомнения в их реальности – последствие их теоретической родословной и связаны с невозможностью их наблюдения в свободном состоянии (конфайнмент(в переводе с английского – пленение)). Нужно подчеркнуть, что кварки абсолютно реальны, они четко наблюдаются внутри адронов в многочисленных экспериментах при высоких энергиях. У каждого заряженного фермиона есть своя античастица с другим знаком электрического заряда. Есть ли античастицы у нейтрино, сейчас неизвестно, возможно, что они являются так называемыми истинно нейтральными частицами. Таблица. 1 Фундаментальные фермионы
Все остальные субъядерные частицы являются составными и строятся из кварков. Заметим только, что из троек кварков строятся барионы, т. е. фермионы типа протона, нейтрона и разнообразных гиперонов, тогда как из пар кварк-антикварк строятся мезоны, т. е. бозоны типа π-мезонов, К-мезонов и т. п. Барионы и мезоны объединяются в класс частиц, именуемых адронами, - эти частицы участвуют во всех типах взаимодействий, известных в природе: сильном, электромагнитном и слабом. Лептоны участвуют только в электромагнитных и слабых взаимодействиях. Аналогичные частицы из разных поколений отличаются только по массе, все остальные квантовые числа у них просто совпадают. Например, мюон μво всех отношениях аналогичен электрону, но примерно в 200 раз тяжелее, природа этой разницы не известна. В таблице 2 приведены экспериментальные значения масс всех фундаментальных фермионов (в энергетических единицах), а также времена жизни (или соответствующие ширины резонансов) в случае нестабильных частиц. Там же указан год открытия соответствующей частицы. Год открытия, конечно, определен иногда достаточно условно. В некоторых случаях указан год теоретического предсказания. Значения масс кварков (так же, как и их времена жизни) не следует понимать слишком буквально, поскольку кварки не наблюдаются в свободном виде. Эти значения характеризуют кварки, находящиеся глубоко внутри адронов. Таблица 2. Массы и времена жизни фундаментальных фермионов
Следует отметить, что для построения всего окружающего нас мира, состоящего реально из атомов, т.е. ядер и электронов, а соответственно, из таких стабильных (или относительно стабильных) частиц, как электрон, протон, нейтрон и нейтрино, достаточно частиц только из первого поколения! Необходимость в еще двух поколениях пока не ясна.
Векторные бозоны
Помимо фундаментальных фермионов, являющихся основными «кирпичиками» материи, известны из опыта еще 4 векторных (s= 1) бозона, являющихся переносчиками основных взаимодействий: фотон γ, глюон g, нейтральный слабый бозон Z0 и заряженные слабые бозоны W± (являющиеся античастицами по отношению друг к другу). Основные свойства этих частиц приведены в таблице 3. Таблица 3. Фундаментальные бозоны, их массы и ширины
Лучше всего изучены, естественно, фотоны. Это радиоволны, свет, рентгеновские и γ - лучи. Масса фотона равна нулю, так что энергетический спектр свободного фотона (закон дисперсии) имеет вид: Е= ћc|k|. Фотоны с Е ≠ ћc|k| называются виртуальными, например кулоновское поле в атоме водорода создают виртуальные фотоны с ћ2c2k2 >> Е2. Источником фотонов является электрический заряд. Соответствующая безразмерная константа взаимодействия - известная постоянная тонкой структуры α = е2/ ћc~ 1/137. Все электромагнитные взаимодействия обусловлены обменом фотонами. Теория, описывающая электромагнитные взаимодействия, называется квантовой электродинамикой (КЭД). Здесь выписываются в явном виде ћи с, но обычно переходят на естественную для квантовой теории поля систему единиц ћ= с = 1. Свойства и правила работы в такой системе прекрасно описаны в литературе. Когда это нужно, ћи с легко восстановить. Массивные векторные бозоны Z и W± являются переносчиками короткодействующего слабого взаимодействия. Вместе с фотоном они входят в единую группу электрослабого взаимодействия. Соответствующие безразмерные константы взаимодействия αw = gw2/ ћc~ αZ = gZ2/ ћc~ α , т. е. порядка электромагнитной константы. Глюоны являются переносчиками сильного взаимодействия. Источниками глюонов являются специфические «цветовые» заряды. Каждый из 6 сортов кварков (или, как говорят, «ароматов») u, d, с, s, t, bсуществует в трех цветовых разновидностях: красной r, зеленой g, синей b. Антикварки обладают соответствующими антицветами: ˉr, ˉg, ˉb. Цвета кварков не зависят от их ароматов. Адроны состоят из симметричных или противоположных по цвету комбинаций кварков - они «белые», их цвет равен нулю. С учетом античастиц, кварков 12, а с учетом цвета - 36. Но для каждого аромата речь идет просто о разных по цвету состояниях одной частицы. Цветовая симметрия является точной. Цветовые состояния глюонов сложнее. Глюон имеет не один цветовой индекс, а два. Всего имеется 8 цветных глюонов: 3x3=8+1, одна комбинация rˉr+gˉg+bˉbявляется белой и не несет цветового заряда. В отличие от электродинамики, где фотоны электрически нейтральны, глюоны, как носители цветовых зарядов, взаимодействуют и с кварками, и между собой, т.е. излучают и поглощают новые глюоны («светящийся свет»). Эта особенность является одной из причин конфайнмента: при попытке развести кварки и глюоны их энергия возрастает, что и приводит к невылетанию кварков. Теория взаимодействия кварков называется квантовой хромодина-микой (КХД).
©2015 arhivinfo.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.
|