Элементарные частицы. Их виды

Введение

Актуальность работы. Элементарная частица-это собирательный срок касающийся микрообъектов в субъядерном масштабе, которые невозможно расщепить на составные части. Их строение и поведение изучается физикой элементарных частиц. Понятие элементарных частиц основывается на факте дискретного строения вещества. Ряд элементарных частиц имеет сложную внутреннюю структуру, однако разделить их на части невозможно. Другие элементарные частицы являются бесструктурны и могут считаться первичными фундаментальными частицами. Первоначально термин элементарная частица подразумевал что-то совершенно элементарное, первооснову материи. Но в 1950-х и 1960-х годах были открыты сотни адронов с похожими свойствами, и оказалось, что адроны имеют крайние степени свободы, то есть не являются элементарными. Впоследствии это подтвердилось, когда были открыты кварки. По теории струн, считается, что элементарные частицы и их взаимодействия являются следствием разнообразных колебаний особо малых струн. На сегодняшний день открыто более 350 видов элементарных частиц, среди которых бесструктурных частицы, такие как электроны, нейтрино и кварки, которые в свою очередь являются фундаментальными.
Объект исследования: элементарные частицы.
Предмет исследования: особенности элементарных частиц.
Цель работы: рассмотреть элементарные частицы, их виды.
Для осуществления поставленной цели необходимо решить задачи:
- рассмотреть элементарные частицы и виды физических взаимодействий;
- описать частицы и античастицы;
- привести виды элементарных частиц.
1. Элементарные частицы и виды физических взаимодействий
Под элементарными частицами понимают частицы, внутреннюю структуру которых нельзя представить как объединение других частиц. Частицы могут превращаться друг в друга, вступать в различные реакции, распадаться, образуя другие элементарные частицы.
Первой элементарной частицей, наблюдаемой в эксперименте, был электрон. Его открыли в девятнадцатом веке в составе катодных лучей. В начале двадцатого века был открыт протон, позже были обнаружены нейтрон и позитрон. К началу двадцатого века можно отнести и открытие фотона – электромагнитной волны, обладающей корпускулярными свойствами. С развитием ядерной физики число элементарных частиц резко возрастало и сейчас исчисляется сотнями. Почти для всех элементарных частиц существуют античастицы, которые имеют противоположные значения заряда и магнитного момента. При встрече частица и античастица аннигилируют, т.е., в соответствии с формулой Эйнштейна , энергия, связанная с массой покоя частиц, превращается в энергию излучения.
Существуют различные теории элементарных частиц, хотя единой полной теории до сих пор нет. В этой главе на качественном уровне рассмотрим основные понятия, типы и механизмы взаимодействия элементарных частиц.
В настоящее время известны четыре вида физических взаимодействий, которые можно назвать фундаментальными: 1) гравитационные, 2) слабые, 3) электромагнитные, 4) сильные (ядерные). Эти взаимодействия нельзя свести к более простым. Сами взаимодействия осуществляются с помощью элементарных частиц. В формуле Кулона
используется принцип дального действия или мгновенной скорости распространения сигнала. Эта формула справедлива для неподвижных или медленно двигающихся зарядов, когда можно пренебречь изменением расстояния между частицами за время обмена сигналами между ними. Учет конечности скорости света значительно усложняет формулы взаимодействия точечных зарядов.
Каков механизм взаимодействия электрических зарядов с точки зрения современной физики? В рамках квантовой электродинамики показано, что взаимодействие между электрическими зарядами осуществляется путем обмена фотонами, которые являются переносчиками электромагнитного взаимодействия. Вблизи одного из зарядов возникают виртуальные фотоны, которые поглощаются другим зарядом. Обмен зарядов этими виртуальными фотонами и приводит к появлению силы взаимодействия.
Напомним, что виртуальными называют частицы, которые могут существовать в течение очень коротких периодов времени, недостаточных для их экспериментального наблюдения. Существование виртуальных частиц подтверждается результатами их действия на другие частицы. Возникновение виртуальных частиц может происходить с нарушением законов сохранения, например, закона сохранения энергии. Объяснение этих нарушений дается с учетом принципа неопределенности Гейзенберга.
Аналогично, другие виды взаимодействия осуществляются путем обмена между соответствующими источниками элементарными частицами, которые определяют данное взаимодействие. Часто существование виртуальных частиц – переносчиков взаимодействия сначала предсказывалось теоретически, а затем эти частицы определяли экспериментально.
Характеристики фундаментальных взаимодействий приведены в таблице 1
На различных пространственных интервалах определяющими являются различные типы взаимодействий.
Таблица 1.
Взаимодействие
Источник
Относительная
интенсивность
Радиус действия
Переносчик
взаимодействия
Гравитационное
Масса
10–38
Дальнодейств.
гравитон
Слабое
Все элементарные частицы
10–15
Короткодейств. (~10–18 м)
бозон
Электромагнитное
Электрические заряды
10–2
Дальнодейств.
фотон
Сильное (ядерное)
Адроны (протоны, нейтроны, мезоны)
1
Короткодейств. (~10–15 м)
мезон, глюон
Краткая характеристика взаимодействий дана ниже.
Гравитационное взаимодействие. Самое слабое из взаимодействий. В микромире почти не проявляется. Источник – масса. Для больших пространственных масштабов, соизмеримых с размерами Земли, Солнца, галактик является определяющим взаимодействием. Гравитационное поле описывается в рамках общей теории относительности (ОТО). Однако, квантовая теория гравитации до сих пор не создана. Создана линеаризированная теория гравитации, которая предсказывает наличие квантов гравитационного поля.
Предполагается, что взаимодействие осуществляется с помощью гравитонов, но эти элементарные частицы до сих пор не обнаружены, хотя имеются некоторые подтверждения их существования. Теоретический анализ и предварительные оценки показывают, что гравитон является незаряженной частицей со спином 2, обладает довольно большой массой.
Существование макроскопической Вселенной (галактик, звезд, планет,…) обязано гравитационному взаимодействию.
Слабое взаимодействие. Существует только в микромире. Проявляется на очень коротких расстояниях. Почти все элементарные частицы взаимодействуют между собой, испытывая слабое взаимодействие. Однако, если между частицами существует, кроме слабого, электромагнитное или сильное взаимодействие, то заметить влияние слабого взаимодействия очень трудно. Нейтрино взаимодействуют с другими частицами только за счет слабого взаимодействия, поэтому во всех реакциях с участием нейтрино имеет место слабое взаимодействие.
В качестве переносчика слабого взаимодействия выступают промежуточные векторные бозоны – тяжелые частицы с массой, составляющей 80-90 масс нуклона. Существуют заряженные и бозоны и нейтральный -бозон. Спин векторных бозонов равен 1.
Благодаря слабому взаимодействию происходит бета-распад, когда свободный нейтрон распадается на протон и электрон (с испусканием электронного антинейтрино). Распад некоторых других элементарных частиц также вызывается слабым взаимодействием. Например, реакции распада нейтрона и протона
,
происходят при участии векторных бозонов.
Из-за малой интенсивности слабого взаимодействия реакции, вызванные этим взаимодействием, протекают очень медленно и их трудно наблюдать

. В частности, задачу экспериментального наблюдения нейтрино пришлось решать в течение нескольких десятилетий.
Если бы слабое взаимодействие исчезло, мир не претерпел бы существенных изменений. Стало бы больше устойчивых изотопов, возможно, появились бы новые формы атомов, в которых роль электронов выполняли бы более тяжелые частицы, которые в настоящее время быстро распадаются.
Электромагнитное взаимодействие. Создается электрическими зарядами. Дальнодействующее. Существование атомов и всего окружающего мира обязано наличию электромагнитного взаимодействия. Для нас электромагнитное взаимодействие является самым важным типом взаимодействия. Носителями электромагнитного взаимодействия являются фотоны. Из квантовой теории вытекает, что в электромагнитных взаимодействиях участвуют все элементарные частицы, как имеющие электрический заряд, так и нейтральные, за исключением нейтрино (и гравитонов). Взаимодействие нейтральных частиц связано с возникновением виртуальных заряженных частиц.
Сильное взаимодействие. Взаимодействие, существующее между тяжелыми элементарными частицами, называемыми адронами. В число этих частиц входят протон и нейтрон (нуклоны) и некоторые другие частицы. Благодаря сильному взаимодействию частицы удерживаются в ядре (поэтому эти силы называют ядерными). Большая энергия ядерного взаимодействия приводит к тому, что реакции, связанные с сильным взаимодействием, протекают очень быстро. Замедленность реакций, протекающих при взаимодействии некоторых элементарных частиц, привели к открытиям новых квантовых чисел и новых элементарных частиц.
Носителями сильного взаимодействия являются мезоны. На самом деле, частицы, участвующие в сильных взаимодействиях, состоят из более элементарных частиц – кварков. Переносчиками взаимодействия кварков являются глюоны.
Если бы не было сильного взаимодействия, не могли бы образоваться ядра химических элементов, и мир, в лучшем случае, состоял бы из водорода.
Подчеркнем, что в каждом из четырех перечисленных видов взаимодействие осуществляется с помощью посредников – специальных частиц, являющихся переносчиками соответствующих взаимодействий. При гравитационном взаимодействии такими частицами являются гравитоны (не обнаружены), при слабом – векторные бозоны, при электромагнитном – фотоны, при сильном – мезоны. Взаимодействие кварков осуществляются с помощью глюонов. Все эти переносчики взаимодействий являются также элементарными частицами. Они испускаются и поглощаются соответствующими зарядами, что и приводит к взаимодействию зарядов.
2. Частицы и античастицы
Уравнение Шредингера не учитывает релятивистские эффекты и не может описывать частицы, обладающие спином (в уравнении Шредингера понятие спина не существует). Вместо него для релятивистских частиц используется уравнение Дирака. Используя это уравнение, Дирак предсказал существование позитрона – античастицы электрона.
Из релятивистского выражения для энергии частицы
следует, что энергия электрона может принимать как положительные, так и отрицательные значения
.
Между наибольшей отрицательной энергией и наименьшей положительной имеется интервал значений энергии шириной , которые не могут быть реализованы.
Из уравнения Дирака следует, что существуют две области собственных значений энергии: одна начинается с и простирается до , другая начинается с и простирается до . Эти области разделены запрещенной зоной.
Из формулы Эйнштейна следует, что для области с отрицательной энергией масса электрона также является отрицательной. Частица с отрицательной массой обладает многими необычными свойствами. Например, под действием силы торможения она будет ускоряться, совершая над источником тормозящей силы работу. Существует много других необычных свойств, связанных с отрицательной массой. На опыте эти свойства не проявляются.
Для преодоления трудностей, связанных с отрицательными массами, Дирак предположил, что все уровни с отрицательной энергией уже заняты электронами. Тогда на основании принципа Паули новые электроны уже не смогут переходить на эти уровни и будут оставаться на верхних положительных уровнях. Ситуация напоминает схему заполнения нижних уровней электронов в металлах, когда в физических процессах участвуют в основном электроны с энергией, близкой к энергии Ферми. На рисунке (схема а) показаны дискретные уровни энергии для электрона, разделенные интервалами запрещенных энергий.
Если одному из электронов, находящихся на отрицательном уровне, сообщить энергию
,
то этот электрон перейдет в состояние с положительной энергией и будет себя вести обычным образом, как частица с положительной массой и отрицательным зарядом (схема б). «Дырка», образовавшаяся при этом в отрицательных уровнях энергии, должна вести себя как электрон, имеющий положительный заряд. Эту теоретически предсказанную частицу назвали позитрон. Вскоре после того, как Дирак теоретически предсказал существование позитрона и описал его свойства, он был обнаружен экспериментально.
При встрече позитрона с электроном они аннигилируют с образованием двух (трех) фотонов
.
Схематически процесс образования и аннигиляции пары электрон-позитрон можно представить так же, как и для полупроводников в механизме электронно-дырочной проводимости.
На рисунке б показана схема рождения и аннигиляции пары электрон-позитрон: 1 – рождение пары электрон-позитрон, 2 – аннигиляция аналогичной пары. Рождение электронно-позитронных пар происходит при прохождении γ-фотонов через вещество. Можно показать, что для рождения пары необходимо, чтобы на пути γ-фотона был заряд, например, электрон, протон, ядро,… Схема рождения пары вблизи электрона имеет вид
.
При столкновении двух электронов
.
Уравнение Дирака применимо не только к электронам, но и к другим частицам со спином 1/2. Следовательно, для каждой такой частицы существует античастица. Образование пары протон-антипротон может происходить по схеме
или .
Эти реакции происходят при столкновении протона с протоном или протона с нейтроном. Пороги соответствующих реакций составляют 5,6 ГэВ и 4,5 ГэВ. Такие энергии протоны получают на современных ускорителях (синхрофазотронах), где и наблюдались соответствующие реакции.
Античастицы обычно обозначают значком тильда (~). Антипротон отличается от протона знаком электрического заряда ( имеет отрицательный заряд) и направлением собственного магнитного момента (для направления спина и магнитного момента противоположны).
Античастицы существуют не только у фермионов, но и у бозонов. Так, например, -мезон является античастицей -мезона. Существуют частицы, которые тождественны со своими античастицами (т.е. не имеют античастиц). Такие частицы называют абсолютно нейтральными. К ним принадлежат фотон, -мезон, η-мезон. При встрече они не аннигилируют.
Для лептонов, бозонов и протонов частицы и античастицы отличаются знаком электрического заряда. Для других частиц, например, гиперонов, античастицы отличаются от частиц знаком барионного заряда. Нейтрино и антинейтрино отличаются знаком лептонного заряда.
Из общих принципов квантовой теории следует, что частицы и античастицы должны иметь одинаковые массы, одинаковые времена жизни в вакууме, одинаковые по модулю, но противоположные по знаку электрические заряды и магнитные моменты, одинаковые спины и изотопические спины, а также одинаковые остальные квантовые числа, приписываемые элементарным частицам.
Объединяясь, античастицы могут образовать ядра и атомы из антивещества. При встрече антивещества с обычным веществом происходит аннигиляция с выделением огромной энергии (вещество превращается в излучение)