Конспект урока: Элементарные частицы. Фундаментальные взаимодействия

Элементарные частицы

К 30 г. ХХ века по итогу открытий, сделанных Резерфордом, Бором и другими выдающимися учёными, подробно были описаны как сложная структура атома, так и различные превращения одних атомных ядер в другие. В результате многочисленных открытий в области атомной физики были и известны всего четыре, как их тогда называли, элементарные частицы: электрон, протон, нейтрон и фотон. Какой-то отрезок времени считалось, что именно эти частицы есть простейшие неделимые составляющие материи. Ситуация кардинально изменилась, когда были созданы ускорители частиц. Вследствие многочисленных исследований по ускорению элементарных частиц до огромных энергий и последующим столкновением их друг с другом, было открыто огромное количество новых элементарных частиц. Удивительным считалось, что во многих случаях массы порождённых частиц превышали массы сталкивающихся. Схожие результаты были получены при исследовании взаимодействия космических лучей высоких энергий с атомами атмосферы.

Чтобы классифицировать огромное количество новых частиц, их пришлось характеризовать не только массой и электрическим зарядом, но и другими величинами, смысл которых достаточно сложен, например, спин — собственный момент импульса элементарной частицы.

Протон является исключением, поскольку представляет собой ядро атома легчайшего изотопа водорода. Э. Ферми считал, что термин «элементарная частица» скорее относится к уровню наших знаний о частице, чем к её природе. 

Античастицы

Британский физик Поль Дирак в 1928 г. теоретически предсказал, что в природе должна существовать частица с массой равной массе электрона, но заряжённой положительно. Такая частица — позитрон — была обнаружена экспериментально в 1932 г. После открытия первой античастицы естественно возник вопрос о существовании античастиц и у других частиц. Оказалось, что почти у каждой частицы существует, причём только одна, античастица. При столкновении частицы со своей античастицей они аннигилируют, то есть исчезают. При этом появляются совершенно другие частицы, например фотоны.

Примерами пар частицы и её античастицы являются электрон и позитрон, протон и антипротон. В данных парах частицы отличаются друг от друга только знаком электрического заряда. В общем случае частицы отличаются от своей античастицы только одной из многих характеризующих их величин.

Существуют истинно нейтральные частицы — частицы, которые не имеют античастицы, например, фотон и ${\pi }^0$–мезон. Экспериментально установлено, что истинно нейтральная частица, имеющая достаточную энергию, при определённых условиях может одновременно порождать частицу и её античастицу.

Классификация элементарных частиц

Поначалу за каждую открытую новую элементарную частицу учёным присуждали Нобелевскую премию, но потом элементарных частиц стало так много, что премии выдавать перестали. К настоящему времени известно более 350 элементарных частиц. Среди них имеются частицы, обладающие массой, которая превышает массу протона. Также существуют частицы, элементарный заряд которых в 2 или в 3 раза превышает элементарный заряд.

В настоящее время все элементарные частицы разделены на три группы. В таблице №1 приведены характеристики фотонов и лептонов, а в таблице №2 — характеристики некоторых частиц, состоящих из нескольких кварков. 

В первую группу входит только одна частица — фотон. Фотон не имеет ни массы, ни заряда и является истинно нейтральной частицей. Фотоны являются носителями электромагнитного взаимодействия.

Таблица № 1. Классификация элементарных частиц (фотон и лептоны)

Таблица № 2. Классификация элементарных частиц (адроны)

Группа частиц «лептоны» также не участвует в сильном взаимодействии. Данная группа состоит из шести частиц и их античастиц. Массы этих частиц малы (кроме таона), отсюда и название — лептоны (с греч. «лёгкие»).

Третью группу составляют частицы, участвующие в сильном (ядерном) взаимодействии. Поэтому их назвали адронами (с греч. «сильный»). В эту группу входит огромное число частиц, часть из которых приведена в таблице № 2.

Кварки

Кроме частиц, представленных в таблице, открыто большое число частиц с очень малым временем жизни — около ${10}^{-22}$ c.  Эти частицы названы резонансами. С их открытием неопределённость понятия «элементарная частица» стала особенно заметной. 

В 1964 г. американскими физиками М. Гелл-Маном и Дж. Цвейгом для объяснения свойств адронов была предложена модель, согласно которой все адроны построены из более «простых» или «первичных» частиц — кварков. Согласно этой гипотезе, все мезоны, барионы и резонансы построены из кварков и антикварков, соединённых между собой в различных комбинациях. Каждый барион состоит из трёх кварков, антибарион — из трёх антикварков. Мезоны состоят из пар кварков с антикварками.

В настоящее время считают, что существует 18 кварков и столько же антикварков. Особенность кварков состоит в том, что они имеют электрические заряды, представляющие некоторую долю от элементарного заряда, например $+\frac{2}{3}e$ или $-\frac{1}{3}e$. Другая особенность кварков состоит в том, что сила их взаимного притяжения по мере увеличения расстояния между ними быстро возрастает.

Фундаментальное взаимодействие

Особенно следует отметить существование четырёх типов взаимодействия (фундаментального взаимодействия) между элементарными частицами — гравитационного, электромагнитного, сильного и слабого. Особенности фундаментальных взаимодействий представлены в таблице № 3.

Таблица № 3. Фундаментальные взаимодействия 

Наиболее слабым является гравитационное взаимодействие. На данный момент считается, что все без исключения частицы участвуют в гравитационном взаимодействии посредством обмена гипотетическими частицами — гравитонами, которые до сих пор не удалось зарегистрировать. Тем не менее известно, что именно благодаря гравитационному взаимодействию происходит рождение планет, звёзд и галактик. 

Слабое взаимодействие имеет большую интенсивность действующих сил. Из таблицы 3 видно, что оно примерно в ${10}^{32}$ раз интенсивнее гравитационного, если расстояние между взаимодействующими частицами не превышает ${10}^{-17}$ м. В связи с чем данные силы называют короткодействующими. Слабое взаимодействие существует между кварками и лептонами, а также между лептонами. Данным взаимодействием обусловлены процессы распада нейтрона на протон, электрон и антинейтрино. Переносчиками слабого взаимодействия являются промежуточные векторные бозоны, масса которых почти в 100 раз превышает массу нуклонов. Характерное время протекания реакций, вызванных слабым взаимодействием, составляет $~{10}^{-10}$ с.

Электромагнитное взаимодействие примерно в ${10}^4$ раз интенсивнее слабого. Электромагнитное взаимодействие, как и гравитационное, является дальнодействующим. Благодаря обмену фотонов между электрически заряжёнными частицами, электроны удерживаются в атоме, а атомы объединяются в молекулы, а молекулы в жидкие и твёрдые тела. Характерное время протекания реакций, вызванных электромагнитным взаимодействием, составляет $~{10}^{-21}$ с.

Сильное (ядерное) взаимодействие возникает только между адронами. Оно примерно в 100 раз интенсивнее электромагнитного, если расстояние между адронами не превышает ${10}^{-15}$ м. Таким образом, данные силы сильного взаимодействия являются короткодействующими. Характерное время протекания процессов, обусловленных сильным взаимодействием, составляет $~{10}^{-24}$ с. В адронах силы взаимодействия между кварками возникают за счёт обмена глюонами.