Главная | Обратная связь

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→ peν_eˉ,

где ν_eˉ - электронное антинейтрино.

В основе распада нейтрона лежит распад d -кварка:

d→ueν_eˉ.

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 ν_e известны еще две пары похожих на них частиц: μ, ν_μ, и τ, ν_τ. 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

Поколения		2		Q
Кварки («верхние» и «нижние»)	u d	с s	t b	+2/3 -1/3
Лептоны (нейтрино и заряженные)	ve е	vμ μ	vτ τ	-1

 

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

νe<10 eV(1956)	νμ<170 KeV (1962)	vτ < 24 MeV (1975)
e = 0.5 MeV(1897)	μ=105.7 MeV, 2 10-6s (1937)	т = 1777 MeV, 3 10-13s (1975)
u = 5 MeV(1964)	с = 1300 MeV, 10-12 s (1974)	t = 176 GeV, Г = 2 GeV (1994)
d= 10MeV(1964)	s= 150 MeV (1964)	b=4.3GeV, 10-12s(1977)

 

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

Бозон	γ(1900)	g (1973)	Z (1983)	W (1983)
Масса			91.2 GeV	80.4 GeV
Ширина			2.5 GeV	2.1 GeV

 

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

α_w = g_w²/ ћc~ α_Z = g_Z²/ 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).