Фундаменталната подлост Съдбата постъпи с мен така, че неволно се докоснах до най-фундаменталните явления на нашата социална система и успях да ги погледна без никакви воали и илюзии, които да ги скриват. Както ми се стори тогава, видях какво най-много

3. Фундаментално напрежение

3. Фундаментално напрежение В самата същност на християнството се крие фактът, че то идва от юдаизма от 1 век. Исус беше евреин. Първите християни са всички евреи. Християнството започва от юдаизма, от месианска секта в юдаизма. То възприема

ФУНДАМЕНТАЛНА ИСТИНА

ФУНДАМЕНТАЛНА ИСТИНА В нашата притча Джалин е преобраз на Исус Христос, но кралят ли е Бащата? това е Всемогъщият Бог Отец. Дагон представлява!дявола; живот в Ендел? това е човешкият живот на земята; Affabel представлява небесния град на Бог. Изоставена земя Лон?

Тези три частици (както и други, описани по-долу) се привличат и отблъскват взаимно според техните обвинения, които са само четири вида според броя на основните природни сили. Зарядите могат да бъдат подредени в ред на намаляване на съответните сили, както следва: цветен заряд (сили на взаимодействие между кварки); електрически заряд (електрични и магнитни сили); слаб заряд (сила при някои радиоактивни процеси); накрая, маса (гравитационна сила или гравитационно взаимодействие). Думата "цвят" тук няма нищо общо с цвета на видимата светлина; това е просто характеристика на най-силния заряд и най-големите сили.

Обвинения упорствам, т.е. Зарядът, който влиза в системата, е равен на заряда, който излиза от нея. Ако общият електрически заряд на определен брой частици преди тяхното взаимодействие е, да речем, 342 единици, то след взаимодействието, независимо от неговия резултат, той ще бъде равен на 342 единици. Това важи и за други заряди: цвят (силен заряд на взаимодействие), слаб и маса (маса). Частиците се различават по своите заряди: по същество те „са“ тези заряди. Таксите са, така да се каже, „сертификат“ за правото да се отговори на съответната сила. Така само цветните частици се влияят от цветовите сили, само електрически заредените частици се влияят от електрическите сили и т.н. Свойствата на една частица се определят от най-голямата сила, действаща върху нея. Само кварките са носители на всички заряди и следователно са обект на действието на всички сили, сред които цветът е доминиращ. Електроните имат всички заряди с изключение на цвета и доминиращата сила за тях е електромагнитната сила.

Най-стабилни в природата са, като правило, неутралните комбинации от частици, в които зарядът на частиците от един знак се компенсира от общия заряд на частиците от друг знак. Това съответства на минималната енергия на цялата система. (По същия начин, два пръчковидни магнита са в една линия, като северният полюс на единия е обърнат към южния полюс на другия, което съответства на минимална енергия на магнитното поле.) Гравитацията е изключение от това правило: отрицателна маса не съществува. Няма тела, които биха паднали.

ВИДОВЕ МАТЕРИЯ

Обикновената материя се образува от електрони и кварки, групирани в обекти, които са неутрални по цвят и след това по електрически заряд. Силата на цвета се неутрализира, което ще бъде обсъдено по-подробно по-долу, когато частиците се комбинират в триплети. (Оттук и самият термин „цвят“, взет от оптиката: трите основни цвята, когато се смесват, дават бяло.) Така кварките, за които цветната сила е доминираща, образуват триплети. Но кварките и те се подразделят на u-кварки (от английски up - горен) и д-кварки (от английски down - по-нисък), те също имат електрически заряд, равен на u-кварк и за д-кварк. две u-кварк и едно д-кварк придават електрически заряд +1 и образуват протон, и единица u-кварк и две д-кварките дават нулев електрически заряд и образуват неутрон.

Стабилните протони и неутрони, привлечени един към друг от остатъчните цветни сили на взаимодействие между съставните им кварки, образуват цветно неутрално атомно ядро. Но ядрата носят положителен електрически заряд и, като привличат отрицателни електрони, които се въртят около ядрото като планети, въртящи се около Слънцето, се стремят да образуват неутрален атом. Електроните в техните орбити се отдалечават от ядрото на разстояния, десетки хиляди пъти по-големи от радиуса на ядрото - доказателство, че електрическите сили, които ги задържат, са много по-слаби от ядрените. Благодарение на силата на цветовото взаимодействие, 99,945% от масата на атома е затворена в неговото ядро. Тегло u- и д-кварките са около 600 пъти по-големи от масата на електрона. Следователно електроните са много по-леки и по-подвижни от ядрата. Тяхното движение в материята предизвиква електрически явления.

Има няколкостотин естествени разновидности на атоми (включително изотопи), които се различават по броя на неутроните и протоните в ядрото и съответно по броя на електроните в орбитите. Най-простият е водородният атом, състоящ се от ядро ​​под формата на протон и един въртящ се около него електрон. Цялата "видима" материя в природата се състои от атоми и частично "разглобени" атоми, които се наричат ​​йони. Йоните са атоми, които след като са загубили (или са спечелили) няколко електрона, са се превърнали в заредени частици. Материята, състояща се почти от един йон, се нарича плазма. Звездите, които изгарят поради термоядрени реакции, протичащи в центровете, са съставени главно от плазма и тъй като звездите са най-често срещаната форма на материя във Вселената, може да се каже, че цялата Вселена се състои главно от плазма. По-точно, звездите са предимно напълно йонизиран газообразен водород, т.е. смес от отделни протони и електрони и следователно почти цялата видима вселена се състои от него.

Това е видима материя. Но все още има невидима материя във Вселената. И има частици, които действат като носители на сили. Има античастици и възбудени състояния на някои частици. Всичко това води до явно прекомерно изобилие от "елементарни" частици. В това изобилие може да се намери индикация за истинската, истинска природа на елементарните частици и силите, действащи между тях. Според най-новите теории, частиците могат да бъдат основно разширени геометрични обекти - "струни" в десетизмерното пространство.

Невидим свят.

Във Вселената има не само видима материя (но също черни дупки и „тъмна материя“ като студени планети, които стават видими, когато бъдат осветени). Има и една наистина невидима материя, която прониква във всички нас и в цялата Вселена всяка секунда. Това е бързо движещ се газ от един вид частици - електронни неутрино.

Електронното неутрино е партньор на електрона, но няма електрически заряд. Неутриното носят само така наречения слаб заряд. Тяхната маса на покой по всяка вероятност е нула. Но те взаимодействат с гравитационното поле, защото имат кинетична енергия д, което съответства на ефективната маса м, според формулата на Айнщайн д = mc 2, където ° Се скоростта на светлината.

Ключовата роля на неутриното е, че допринася за трансформацията и-кварки в дкварки, което води до трансформация на протон в неутрон. Неутриното играе ролята на "игла на карбуратора" за звездни термоядрени реакции, при които четири протона (водородни ядра) се комбинират, за да образуват хелиево ядро. Но тъй като ядрото на хелия се състои не от четири протона, а от два протона и два неутрона, за такъв ядрен синтез е необходимо два и-кварки, превърнати в две д-кварк. Интензивността на трансформацията определя колко бързо ще горят звездите. А процесът на трансформация се определя от слаби заряди и сили на слабо взаимодействие между частиците. При което и-кварк (електрически заряд +2/3, слаб заряд +1/2), взаимодействащ с електрон (електрически заряд - 1, слаб заряд -1/2), образува д-кварк (електрически заряд -1/3, слаб заряд -1/2) и електронно неутрино (електричен заряд 0, слаб заряд +1/2). Цветните заряди (или просто цветовете) на двата кварка се компенсират в този процес без неутриното. Ролята на неутриното е да отнесе некомпенсирания слаб заряд. Следователно скоростта на трансформация зависи от това колко слаби са слабите сили. Ако бяха по-слаби, отколкото са, тогава звездите изобщо нямаше да горят. Ако бяха по-силни, тогава звездите отдавна щяха да са изгорели.

Но какво да кажем за неутрино? Тъй като тези частици взаимодействат изключително слабо с друга материя, те почти веднага напускат звездите, в които са родени. Всички звезди блестят, излъчвайки неутрино, а неутрино блести през нашите тела и цялата Земя ден и нощ. Така те се скитат из Вселената, докато влязат, може би, в ново взаимодействие на ЗВЕЗДАТА).

Носители на взаимодействие.

Какво причинява силите, които действат между частиците на разстояние? Съвременната физика отговаря: поради обмена на други частици. Представете си двама скейтъри, които подхвърлят топка. Давайки инерция на топката при хвърляне и получавайки инерция с получената топка, и двамата получават тласък в посока един от друг. Това може да обясни появата на отблъскващи сили. Но в квантовата механика, която разглежда явления в микросвета, се допуска необичайно разтягане и делокализация на събитията, което води, изглежда, до невъзможното: един от скейтърите хвърля топката в посоката отдругото, но все пак едното може бихвани тази топка. Не е трудно да си представим, че ако това беше възможно (а в света на елементарните частици е възможно), щеше да има привличане между скейтърите.

Частиците, поради обмена на които възникват сили на взаимодействие между четирите обсъдени по-горе „частици материя“, се наричат ​​калибровъчни частици. Всяко от четирите взаимодействия - силно, електромагнитно, слабо и гравитационно - има свой собствен набор от калибрирани частици. Частиците носители на силно взаимодействие са глуони (има само осем от тях). Фотонът е носител на електромагнитно взаимодействие (той е един и ние възприемаме фотоните като светлина). Частиците-носители на слабото взаимодействие са междинни векторни бозони (през 1983 и 1984 г. са открити У + -, У- -бозони и неутрални З-бозон). Частицата-носител на гравитационното взаимодействие все още е хипотетичен гравитон (трябва да е такъв). Всички тези частици, с изключение на фотона и гравитона, които могат да пътуват на безкрайно дълги разстояния, съществуват само в процеса на обмен между материалните частици. Фотоните изпълват Вселената със светлина, а гравитоните - с гравитационни вълни (все още не са открити със сигурност).

Казва се, че частица, способна да излъчва калибровъчни частици, е заобиколена от подходящо силово поле. Така електроните, способни да излъчват фотони, са заобиколени от електрически и магнитни полета, както и от слаби и гравитационни полета. Кварките също са заобиколени от всички тези полета, но също и от полето на силно взаимодействие. Частиците с цветен заряд в полето на цветовите сили се влияят от цветовата сила. Същото важи и за другите природни сили. Следователно можем да кажем, че светът се състои от материя (материални частици) и поле (калибровъчни частици). Повече за това по-долу.

Антиматерия.

Всяка частица отговаря на античастица, с която частицата може взаимно да анихилира, т.е. „анихилират“, в резултат на което се освобождава енергия. „Чиста“ енергия сама по себе си обаче не съществува; в резултат на анихилация се появяват нови частици (например фотони), които отнемат тази енергия.

Античастицата в повечето случаи има противоположни свойства по отношение на съответната частица: ако една частица се движи наляво под действието на силни, слаби или електромагнитни полета, тогава нейната античастица ще се движи надясно. Накратко, античастицата има противоположни знаци на всички заряди (с изключение на масовия). Ако една частица е съставна, като например неутрон, тогава нейната античастица се състои от компоненти с противоположни знаци на заряда. Така антиелектронът има електрически заряд +1, слаб заряд +1/2 и се нарича позитрон. Антинеутронът се състои от и-антикварки с електрически заряд –2/3 и д-антикварки с електрически заряд +1/3. Истински неутралните частици са свои собствени античастици: фотонът е античастицата на фотона.

Според съвременните теоретични концепции всяка частица, която съществува в природата, трябва да има своя собствена античастица. И много античастици, включително позитрони и антинеутрони, наистина са получени в лабораторията. Последиците от това са изключително важни и са в основата на цялата експериментална физика на елементарните частици. Според теорията на относителността масата и енергията са еквивалентни и при определени условия енергията може да се превърне в маса. Тъй като зарядът се запазва и зарядът на вакуума (празното пространство) е нула, всяка двойка частици и античастици (с нулев нетен заряд) може да излезе от вакуума, като зайци от шапката на магьосник, стига енергията да е достатъчна, за да създаде техните маса.

Поколения на частици.

Експериментите с ускорител показаха, че четворката (квартет) от материални частици се повтаря поне два пъти при по-високи стойности на масата. Във второто поколение мястото на електрона се заема от мюона (с маса около 200 пъти по-голяма от масата на електрона, но със същите стойности на всички останали заряди), мястото на електронното неутрино е мюонът (който придружава мюона при слаби взаимодействия по същия начин, по който електронът придружава електронното неутрино), място и-кварк заема с-кварк ( очарован), а д-кварк - с-кварк ( странно). В третото поколение квартетът се състои от тау лептон, тау неутрино, T-кварк и b-кварк.

Тегло T-кваркът е около 500 пъти по-голям от масата на най-лекия - д-кварк. Експериментално е установено, че има само три вида леки неутрино. Така че четвъртото поколение частици или изобщо не съществува, или съответните неутрино са много тежки. Това е в съответствие с космологичните данни, според които не може да има повече от четири вида леки неутрино.

При експерименти с високоенергийни частици електронът, мюонът, тау-лептонът и съответните неутрино действат като отделни частици. Те не носят цветен заряд и влизат само в слаби и електромагнитни взаимодействия. Колективно те се наричат лептони.

Кварките, от друга страна, под въздействието на цветовите сили се комбинират в силно взаимодействащи частици, които доминират в повечето експерименти във физиката на високите енергии. Такива частици се наричат адрони. Те включват два подкласа: бариони(напр. протон и неутрон), които са съставени от три кварка, и мезонисъстоящ се от кварк и антикварк. През 1947 г. първият мезон, наречен пион (или пи-мезон), е открит в космическите лъчи и известно време се смяташе, че обменът на тези частици е основната причина за ядрените сили. Омега-минус адроните, открити през 1964 г. в Националната лаборатория Брукхейвън (САЩ), и частицата j-psy ( Дж/г-мезон), открит едновременно в Брукхейвън и в Станфордския център за линейни ускорители (също в САЩ) през 1974 г. Съществуването на омега-минус частицата е предсказано от М. Гел-Ман в неговия т.нар. SU 3-теория“ (друго име е „осемкратният път“), в която за първи път е предложена възможността за съществуване на кварки (и това име им е дадено). Десетилетие по-късно откриването на частицата Дж/гпотвърди съществуването с-кварк и накрая накара всички да повярват както в кварковия модел, така и в теорията, която комбинира електромагнитни и слаби сили ( виж отдолу).

Частиците от второ и трето поколение са не по-малко реални от тези от първото. Вярно е, че след като са възникнали, те се разпадат за милионни или милиардни от секундата в обикновени частици от първо поколение: електрон, електронно неутрино и също и- и д-кварки. Въпросът защо в природата има няколко поколения частици все още е загадка.

За различните поколения кварки и лептони често се говори (което, разбира се, е донякъде ексцентрично) като за различни "вкусове" на частиците. Необходимостта да ги обясним се нарича проблем с "вкуса".

БОЗОНИ И ФЕРМИОНИ, ПОЛЕ И ВЕЩЕСТВО

Една от основните разлики между частиците е разликата между бозоните и фермионите. Всички частици са разделени на тези два основни класа. Като бозоните могат да се припокриват или припокриват, но като фермионите не могат. Суперпозицията възниква (или не се случва) в дискретните енергийни състояния, на които квантовата механика разделя природата. Тези състояния са като че ли отделни клетки, в които могат да се поставят частици. И така, в една клетка можете да поставите произволен брой еднакви бозони, но само един фермион.

Като пример, разгледайте такива клетки или „състояния“ за въртящ се около ядрото на атом електрон. За разлика от планетите от Слънчевата система, според законите на квантовата механика, един електрон не може да циркулира в нито една елиптична орбита, за него има само дискретен брой разрешени "състояния на движение". Набори от такива състояния, групирани според разстоянието от електрона до ядрото, се наричат орбитали. В първата орбитала има две състояния с различни ъглови моменти и следователно две разрешени клетки, а в по-високите орбитали осем или повече клетки.

Тъй като електронът е фермион, всяка клетка може да съдържа само един електрон. От това следват много важни следствия - цялата химия, тъй като химичните свойства на веществата се определят от взаимодействията между съответните атоми. Ако преминете през периодичната система от елементи от един атом към друг в реда на увеличаване с единица на броя на протоните в ядрото (броят на електроните също ще се увеличи съответно), тогава първите два електрона ще заемат първата орбитала, следващите осем ще бъдат разположени във втория и т.н. Тази последователна промяна в електронната структура на атомите от елемент на елемент определя закономерностите в техните химични свойства.

Ако електроните бяха бозони, тогава всички електрони на един атом биха могли да заемат една и съща орбитала, съответстваща на минималната енергия. В този случай свойствата на цялата материя във Вселената биха били напълно различни и във вида, в който я познаваме, Вселената би била невъзможна.

Всички лептони - електрон, мюон, тау-лептон и съответното им неутрино - са фермиони. Същото може да се каже и за кварките. По този начин всички частици, които образуват "материята", основният пълнител на Вселената, както и невидимите неутрино, са фермиони. Това е много важно: фермионите не могат да се комбинират, така че същото важи и за обектите в материалния свят.

В същото време всички "калибровъчни частици", обменени между взаимодействащи материални частици и които създават поле от сили ( виж по-горе), са бозони, което също е много важно. Така например много фотони могат да бъдат в едно и също състояние, образувайки магнитно поле около магнит или електрическо поле около електрически заряд. Благодарение на това е възможен и лазер.

Завъртете.

Разликата между бозоните и фермионите е свързана с друга характеристика на елементарните частици - обратно. Колкото и изненадващо да изглежда, но всички фундаментални частици имат собствен ъглов момент или по-просто казано, се въртят около собствената си ос. Ъгловият импулс е характеристика на въртеливото движение, точно както общият импулс е характеристика на транслационното движение. При всяко взаимодействие ъгловият момент и импулсът се запазват.

В микрокосмоса ъгловият импулс е квантован, т.е. приема дискретни стойности. В подходящи единици лептоните и кварките имат спин 1/2, а калибровъчните частици имат спин 1 (с изключение на гравитона, който все още не е наблюдаван експериментално, но теоретично трябва да има спин 2). Тъй като лептоните и кварките са фермиони, а калибровъчните частици са бозони, може да се предположи, че "фермионността" е свързана със спин 1/2, а "бозоновостта" е свързана със спин 1 (или 2). Наистина, както експериментът, така и теорията потвърждават, че ако една частица има полуцяло спин, тогава тя е фермион, а ако е цяло число, тогава е бозон.

ТЕОРИИ И ГЕОМЕТРИЯ НА ИЗМЕРИТЕЛИТЕ

Във всички случаи силите възникват поради обмена на бозони между фермиони. По този начин цветната сила на взаимодействие между два кварка (кварки - фермиони) възниква поради обмена на глуони. Такъв обмен постоянно се извършва в протоните, неутроните и атомните ядра. По същия начин фотоните, обменяни между електрони и кварки, създават електрически сили на привличане, които задържат електрони в атом, а междинните векторни бозони, обменяни между лептони и кварки, създават слаби сили на взаимодействие, отговорни за превръщането на протоните в неутрони при реакции на синтез в звезди.

Теорията за такъв обмен е елегантна, проста и вероятно правилна. Нарича се калибровъчна теория. Но в момента съществуват само независими калибровъчни теории за силни, слаби и електромагнитни взаимодействия и калибровъчна теория за гравитацията, подобни на тях, макар и по различен начин. Един от най-важните физически проблеми е редуцирането на тези отделни теории в една единствена и в същото време проста теория, в която всички те биха станали различни аспекти на една реалност - като фасетите на кристал.

Най-простата и най-старата от калибровъчните теории е калибровъчната теория на електромагнитното взаимодействие. При него зарядът на един електрон се сравнява (калибрира) със заряда на друг отдалечен от него електрон. Как могат да се сравняват таксите? Можете например да приближите втория електрон до първия и да сравните техните сили на взаимодействие. Но не се ли променя зарядът на електрона, когато се премести в друга точка в пространството? Единственият начин да проверите е да изпратите сигнал от близкия електрон до далечния и да видите как реагира той. Сигналът е калибрована частица - фотон. За да може да се провери зарядът на далечни частици, е необходим фотон.

Математически тази теория се отличава с изключителна прецизност и красота. От описания по-горе "калибровъчен принцип" следва цялата квантова електродинамика (квантовата теория на електромагнетизма), както и теорията на Максуел за електромагнитното поле, едно от най-големите научни постижения на 19 век.

Защо толкова прост принцип е толкова плодотворен? Очевидно той изразява определена корелация на различни части на Вселената, позволявайки измервания във Вселената. В математически термини полето се тълкува геометрично като кривината на някакво мислимо "вътрешно" пространство. Измерването на заряда е измерването на общата "вътрешна кривина" около частицата. Калибровъчните теории за силни и слаби взаимодействия се различават от електромагнитната калибровъчна теория само по вътрешната геометрична "структура" на съответния заряд. На въпроса къде точно се намира това вътрешно пространство отговарят многомерните теории за единно поле, които не се разглеждат тук.

Физиката на елементарните частици все още не е завършена. Все още не е ясно дали наличните данни са достатъчни, за да разберем напълно природата на частиците и силите, както и истинската природа и измеренията на пространството и времето. Имаме ли нужда от експерименти с енергии от 10 15 GeV за това или усилието на мисълта ще бъде достатъчно? Все още няма отговор. Но можем да кажем с увереност, че крайната картина ще бъде проста, елегантна и красива. Възможно е да няма толкова много фундаментални идеи: принципът на калибровката, пространствата с по-високи измерения, свиването и разширяването и преди всичко геометрията.

Представени на фиг.1 фундаментални фермиони, със спин ½, са "първите тухли" на материята. Те са представени лептони(електрони д, неутрино и др.) - частици, които не участват в силенядрени взаимодействия и кварки, които участват в силни взаимодействия. Ядрените частици са съставени от кварки адрони(протони, неутрони и мезони). Всяка от тези частици има своя собствена античастица, която трябва да бъде поставена в същата клетка. Обозначаването на античастица се отличава със знака тилда (~).

От шестте разновидности на кварките, или шест ароматиелектрически заряд 2/3 (в единици елементарен заряд д) притежават горна ( u), очарован ( ° С) и вярно ( T) кварки, а със заряд –1/3 – по-нисък ( д), странно ( с) и красив ( b) кварки. Антикварките със същите вкусове ще имат електрически заряди съответно -2/3 и 1/3.

В квантовата хромодинамика (теорията за силното взаимодействие) три вида заряди на силно взаимодействие се приписват на кварките и антикварките: червен Р(против червени); зелено Ж(анти-зелен); син б(анти синьо). Цветното (силно) взаимодействие свързва кварките в адроните. Последните се делят на бариони, състоящ се от три кварка и мезонисъстоящ се от два кварка. Например протоните и неутроните, свързани с барионите, имат следния кварков състав:

стр = (uud) и , н = (ddu) и .

Като пример представяме състава на пи-мезонния триплет:

, ,

От тези формули е лесно да се види, че зарядът на протона е +1, докато този на антипротона е -1. Неутронът и антинеутронът имат нулев заряд. Завъртанията на кварките в тези частици се добавят така, че техните общи завъртания са равни на ½. Възможни са и такива комбинации от едни и същи кварки, при които общите спинове са равни на 3/2. Такива елементарни частици (D ++, D +, D 0, D –) са открити и принадлежат към резонансите, т.е. краткотрайни адрони.

Известният процес на радиоактивен b-разпад, който е представен от схемата

н ® стр + д + ,

от гледна точка на кварковата теория изглежда

(udd) ® ( uud) + д+ или д ® u + д + .

Въпреки многократните опити за откриване на свободни кварки в експерименти, това не беше възможно. Това предполага, че кварките, очевидно, се появяват само в състава на по-сложни частици ( улавяне на кварки). Все още не е дадено пълно обяснение на този феномен.

Фигура 1 показва, че има симетрия между лептони и кварки, наречена кварк-лептонна симетрия. Частиците в горния ред имат един заряд повече от частиците в долния ред. Частиците от първата колона принадлежат към първо поколение, втората - към второ поколение, а третата колона - към трето поколение. Правилни кварки ° С, bи Tбяха предсказани въз основа на тази симетрия. Заобикалящата ни материя се състои от частици от първо поколение. Каква е ролята на частиците от второ и трето поколение? Все още няма категоричен отговор на този въпрос.

До сравнително скоро няколкостотин частици и античастици се смятаха за елементарни. Подробното изследване на техните свойства и взаимодействия с други частици и развитието на теорията показаха, че повечето от тях всъщност не са елементарни, тъй като самите те се състоят от най-простите или, както се казва сега, фундаментални частици. Самите фундаментални частици вече не се състоят от нищо. Многобройни експерименти показват, че всички фундаментални частици се държат като безразмерни точкови обекти, които нямат вътрешна структура, поне до най-малките изследвани сега разстояния ~10 -16 cm.

Въведение

Сред безбройните и разнообразни процеси на взаимодействие между частиците има четири основни или фундаментални взаимодействия: силно (ядрено), електромагнитно и гравитационно. В света на частиците гравитационното взаимодействие е много слабо, ролята му все още е неясна и няма да говорим повече за това.

В природата има две групи частици: адрони, които участват във всички фундаментални взаимодействия, и лептони, които не участват само в силното взаимодействие.

Според съвременните концепции взаимодействията между частиците се осъществяват чрез излъчване и последващо поглъщане на кванти на съответното поле (силно, слабо, електромагнитно), заобикалящо частицата. Такива кванти са калибровъчни бозони, които също са фундаментални частици. Бозоните имат свой собствен ъглов момент, наречен спин, равен на целочислената стойност на константата на Планк $h = 1,05 \cdot 10^(-27) erg \cdot c$. Квантите на полето и съответно носителите на силното взаимодействие са глуоните, означени със символа g, квантите на електромагнитното поле са добре познатите кванти на светлината - фотоните, означени с $\gamma$, а кванти на слабото поле и съответно носителите на слабите взаимодействия са У± (двойно ve) - и З 0 (zet zero)-бозони.

За разлика от бозоните, всички останали фундаментални частици са фермиони, тоест частици, които имат полуцяло числово въртене, равно на ч/2.

В табл. 1 са показани символите на фундаменталните фермиони - лептони и кварки.

Всяка частица, дадена в табл. 1 съответства на античастица, която се различава от частица само по знаците на електричния заряд и други квантови числа (виж таблица 2) и по посока на спина спрямо посоката на импулса на частицата. Ще означаваме античастиците със същите символи като частиците, но с вълнообразна линия над символа.

Частици в таблицата. 1 се обозначават с гръцки и латински букви, а именно: буква $\nu$ - три различни неутрино, букви e - електрон, $\mu$ - мюон, $\tau$ - таон, букви u, c, t, d, s , b означава кварки; техните имена и характеристики са дадени в табл. 2.

Частици в таблицата. 1 са групирани в три поколения I, II и III според структурата на съвременната теория. Нашата Вселена е изградена от частици от първо поколение - лептони и кварки и калибровъчни бозони, но, както показва съвременната наука за развитието на Вселената, в началния етап от нейното развитие частиците от всичките три поколения са изиграли важна роля.

лептони

Нека първо разгледаме по-подробно свойствата на лептоните. В горния ред на таблицата 1 съдържа три различни неутрино: електрон $\nu_e$, мюон $\nu_m$ и тау неутрино $\nu_t$. Тяхната маса все още не е точно измерена, но горната й граница е определена например за ne равно на 10 -5 от масата на електрона (т.е. $\leq 10^(-32)$ g).

Гледане на масата. 1 неволно повдига въпроса защо природата има нужда от създаването на три различни неутрино. Все още няма отговор на този въпрос, тъй като все още не е създадена толкова цялостна теория за фундаменталните частици, която да посочи необходимостта и достатъчността на всички такива частици и да опише основните им свойства. Може би този проблем ще бъде решен през 21 век (или по-късно).

Долният ред на таблицата. 1 започва с частицата, която най-много сме изучавали - електрона. Електронът е открит в края на миналия век от английския физик Дж. Томсън. Ролята на електроните в нашия свят е огромна. Те са онези отрицателно заредени частици, които заедно с атомните ядра образуват всички познати ни атоми на елементите от Периодичната система. Във всеки атом броят на електроните е точно равен на броя на протоните в атомното ядро, което прави атома електрически неутрален.

Електронът е стабилен, основната възможност за унищожаване на електрон е неговата смърт при сблъсък с античастица - позитрон e + . Този процес се нарича анихилация:

$$e^- + e^+ \to \gamma + \gamma .$$

В резултат на анихилация се образуват два гама кванта (т.нар. високоенергийни фотони), които отнасят както остатъчните енергии e + и e -, така и техните кинетични енергии. При високи енергии e + и e - се образуват адрони и кваркови двойки (вижте например (5) и фиг. 4).

Реакция (1) ясно илюстрира валидността на известната формула на А. Айнщайн за еквивалентността на масата и енергията: д = mc 2 .

Наистина, при анихилацията на позитрон, спрял в материята, и електрон в покой, цялата им маса на покой (равна на 1,22 MeV) преминава в енергията на $\gamma$-квантите, които нямат маса на покой.

Във второто поколение на долния ред на табл. 1 се намира > мюон - частица, която по всички свои свойства е аналог на електрона, но с аномално голяма маса. Масата на мюона е 207 пъти по-голяма от масата на електрона. За разлика от електрона, мюонът е нестабилен. Времето на живота му T= 2,2 · 10 -6 s. Мюонът се разпада главно на електрон и две неутрино според схемата

$$\mu^- \to e^- + \tilde \nu_e +\nu_(\mu)$$

Още по-тежък аналог на електрона е $\tau$-лептонът (таон). Масата му е повече от 3 хиляди пъти по-голяма от масата на електрона ($m_(\tau) = 1777$ MeV/c 2), т.е. таонът е по-тежък от протона и неутрона. Времето му на живот е 2,9 10 -13 s и от повече от сто различни схеми (канали) на разпада му са възможни следните:

$$\tau^-\left\langle\begin(matrix) \to e^- + \tilde \nu_e +\nu_(\tau)\\ \to \mu^- + \tilde \nu_\mu +\nu_ (\tau)\end(matrix)\right.$$

Говорейки за лептони, интересно е да се сравнят слабите и електромагнитните сили на някакво определено разстояние, напр. Р\u003d 10 -13 см. На такова разстояние електромагнитните сили са почти 10 милиарда пъти по-големи от слабите сили. Но това изобщо не означава, че ролята на слабите сили в природата е малка. Далеч от това.

Слабите сили са отговорни за много взаимни трансформации на различни частици в други частици, като например в реакции (2), (3), и такива взаимни трансформации са една от най-характерните черти на физиката на елементарните частици. За разлика от реакциите (2), (3), в реакцията (1) действат електромагнитни сили.

Говорейки за лептоните, трябва да добавим, че съвременната теория описва електромагнитните и слабите взаимодействия с помощта на единна електрослаба теория. Разработен е от S. Weinberg, A. Salam и S. Glashow през 1967 г.

Кварки

Самата идея за кварките възниква в резултат на брилянтен опит да се класифицират голям брой частици, участващи в силни взаимодействия и наречени адрони. М. Гел-Ман и Г. Цвайг предполагат, че всички адрони се състоят от съответен набор от фундаментални частици - кварки, техните антикварки и носители на силното взаимодействие - глуони.

Общият брой на наблюдаваните в момента адрони е над сто частици (и същия брой античастици). Много десетки частици все още не са регистрирани. Всички адрони се подразделят на тежки частици, т.нар барионии именувани средни стойности мезони.

Барионите се характеризират с барионното число b= 1 за частици и b = -1 за антибариони. Тяхното раждане и унищожаване винаги се случва по двойки: барион и антибарион. Мезоните имат барионен заряд b = 0. Според идеята на Гел-Ман и Цвайг, всички бариони се състоят от три кварка, антибарионите - от три антикварка. Следователно, на всеки кварк беше присвоено барионно число от 1/3, така че общо барионът да има b= 1 (или -1 за антибарион, състоящ се от три антикварка). Мезоните имат барионно число b= 0, така че те могат да бъдат съставени от всяка комбинация от двойки от всеки кварк и всеки антикварк. В допълнение към квантовите числа, които са еднакви за всички кварки - спиново и барионно число, има и други важни техни характеристики, като например големината на тяхната маса в покой м, големината на електрическия заряд Q/д(в части от заряда на електрона д\u003d 1,6 · 10 -19 кулона) и определен набор от квантови числа, характеризиращи т.нар. вкус на кварк. Те включват:

1) стойността на изотопния спин ази величината на третата му проекция, т.е аз 3 . Така, u-кварк и д-кварк образуват изотопен дублет, им се приписва пълен изотопен спин аз= 1/2 с издатини аз 3 = +1/2 съответно u-кварк и аз 3 = -1/2 съответно д-кварк. И двата компонента на дублета имат сходни маси и са идентични във всички други свойства, с изключение на електрическия заряд;

2) квантово число С- странността характеризира странното поведение на някои частици, които имат аномално дълъг живот (~10 -8 - 10 -13 s) в сравнение с характерното ядрено време (~10 -23 s). Самите частици са наречени странни, съдържащи един или повече странни кварки и странни антикварки. Създаването или изчезването на странни частици поради силни взаимодействия се случва по двойки, тоест при всяка ядрена реакция сумата от $\Sigma$S преди реакцията трябва да бъде равна на $\Sigma$S след реакцията. При слаби взаимодействия обаче законът за запазване на странността не важи.

При експерименти с ускорители са наблюдавани частици, които не могат да бъдат описани с u-, д- и с-кварки. По аналогия със странността беше необходимо да се въведат още три нови кварка с нови квантови числа ОТ = +1, AT= -1 и T= +1. Частиците, съставени от тези кварки, имат много по-голяма маса (> 2 GeV/c2). Те имат голямо разнообразие от схеми на разпадане с живот ~10 -13 s. Обобщение на характеристиките на всички кварки е дадено в табл. 2.

Всеки кварк в табл. 2 съответства на своя антикварк. За антикварките всички квантови числа имат знак, противоположен на посочения за кварк. За големината на масата на кварките трябва да се каже следното. Дадено в табл. 2 стойности съответстват на масите на голите кварки, тоест самите кварки, без да се вземат предвид глуоните около тях. Масата на облечените кварки поради енергията, пренасяна от глуоните, е по-голяма. Това е особено забележимо при най-леките u- и д-кварки, чиято глуонна обвивка има енергия около 300 MeV.

Кварките, които определят основните физични свойства на частиците, се наричат ​​валентни кварки. Освен валентни кварки, адроните съдържат виртуални двойки частици – кварки и антикварки, които се излъчват и поглъщат от глуоните за много кратко време.

(където де енергията на виртуална двойка), което се случва с нарушение на закона за запазване на енергията в съответствие с отношението на несигурност на Хайзенберг. Виртуални двойки кварки се наричат морски кваркиили морски кварки. Така структурата на адроните включва валентни и морски кварки и глуони.

Основната характеристика на всички кварки е, че те са собственици на съответните силни заряди. Силните полеви заряди имат три еднакви разновидности (вместо един електрически заряд в теорията на електричните сили). В историческата терминология тези три вида заряд се наричат ​​цветовете на кварките, а именно: условно червен, зелен и син. Така всеки кварк в табл. 1 и 2 може да бъде в три форми и е цветна частица. Смесването на трите цвята, както става в оптиката, дава бял цвят, тоест избелва частицата. Всички наблюдавани адрони са безцветни.

Кварковите взаимодействия се осъществяват от осем различни глуона. Терминът "глюон" означава лепило в превод от английски, т.е. тези полеви кванти са частици, които сякаш слепват кварките. Подобно на кварките, глуоните са цветни частици, но тъй като всеки глуон променя цветовете на два кварка наведнъж (кварка, който излъчва глуона, и кварка, който абсорбира глуона), глуонът се оцветява два пъти, носейки цвят и антицвят, обикновено различен от цвета.

Масата на покой на глуоните, като тази на фотона, е нула. Освен това глуоните са електрически неутрални и нямат слаб заряд.

Адроните също обикновено се разделят на стабилни частици и резонанси: барион и мезон.
Резонансите се характеризират с изключително кратък живот (~10 -20 -10 -24 s), тъй като затихването им се дължи на силно взаимодействие.

Десетки такива частици са открити от американския физик Л.В. Алварес. Тъй като пътят на такива частици до разпадане е толкова кратък, че те не могат да бъдат наблюдавани в детектори, които регистрират следи от частици (като камера с мехурчета и т.н.), всички те са открити индиректно чрез наличието на пикове в зависимостта на вероятност за взаимодействие на различни частици една с друга по отношение на енергията. Фигура 1 обяснява казаното. Фигурата показва зависимостта на напречното сечение на взаимодействие (пропорционално на стойността на вероятността) на положителен пион $\pi^+$ с протон строт кинетичната енергия на пиона. При енергия от около 200 MeV се вижда пик в хода на напречното сечение. Ширината му е $\Gamma = 110$ MeV, а общата маса на частиците $\Delta^(++)$ е $T^(")_(max)+M_p c^2+M_\pi c^2=1232 $ MeV /с 2 , където $T^(")_(max)$ е кинетичната енергия на сблъсък на частици в системата на техния масов център. Повечето резонанси могат да се разглеждат като възбудено състояние на стабилни частици, тъй като те имат същия кварков състав като техните стабилни двойници, въпреки че масата на резонансите е по-голяма поради енергията на възбуждане.

Кварков модел на адроните

Започваме да описваме кварковия модел на адроните от чертежа на полеви линии, излъчвани от източник - кварк с цветен заряд и завършващ при антикварк (фиг. 2, b). За сравнение, на фиг. 2 и ние показваме, че в случай на електромагнитно взаимодействие силовите линии се отклоняват от техния източник - електрически заряд като ветрило, тъй като виртуалните фотони, излъчвани едновременно от източника, не взаимодействат помежду си. Резултатът е законът на Кулон.

За разлика от тази картина, самите глуони имат цветни заряди и взаимодействат силно един с друг. В резултат на това вместо ветрило от силови линии имаме сноп, показан на фиг. 2, b. Въжето е опънато между кварка и антикварка, но най-изненадващото е, че самите глуони, имайки цветни заряди, стават източници на нови глуони, чийто брой нараства с отдалечаването им от кварка.
Такъв модел на взаимодействие съответства на зависимостта на потенциалната енергия на взаимодействие между кварките от разстоянието между тях, показана на фиг. 3. А именно: до разстояние Р> 10 -13 cm, зависимостта U(R) има фуниевиден характер и силата на цветния заряд в този диапазон от разстояния е относително малка, така че кварките при Р> 10 -15 cm в първо приближение могат да се разглеждат като свободни, невзаимодействащи си частици. Това явление има специалното име на асимптотичната свобода на кварките в малък размер Р. Въпреки това, когато Рповече от някаква критична стойност $R_(cr) \приблизително 10^(-13)$ cm стойност на потенциалната енергия на взаимодействие U(Р) става право пропорционална на стойността Р. Пряко от това следва, че силата Е = -dU/дР= const, тоест не зависи от разстоянието. Никое друго взаимодействие, което физиците са изследвали преди, не е имало такова необичайно свойство.

Изчисленията показват, че силите, действащи между кварк и антикварк, наистина, започвайки от $R_(cr) \приблизително 10_(-13)$ cm, престават да зависят от разстоянието, оставайки на ниво от огромна стойност, близка до 20 т. На разстояние Р~ 10 -12 cm (равно на радиуса на средното атомно ядро) цветните сили са повече от 100 хиляди пъти по-големи от електромагнитните сили. Ако сравним силата на цвета с ядрените сили между протон и неутрон вътре в атомно ядро, се оказва, че силата на цвета е хиляди пъти по-голяма! Така пред физиците се откри нова грандиозна картина на цветни сили в природата, много порядъци по-големи от известните в момента ядрени сили. Разбира се, веднага възниква въпросът дали такива сили могат да бъдат накарани да работят като източник на енергия. За съжаление отговорът на този въпрос е не.

Естествено възниква друг въпрос: до какви разстояния Рмежду кварките, потенциалната енергия нараства линейно с нарастване Р?
Отговорът е прост: на големи разстояния снопът от силови линии се счупва, тъй като е енергийно по-изгодно да се образува скъсване с раждането на двойка частици кварк-антикварк. Това се случва, когато потенциалната енергия при скъсване е по-голяма от масата на покой на кварка и антикварка. Процесът на прекъсване на снопа от силови линии на глуонното поле е показан на фиг. 2, в.

Такива качествени идеи за раждането на кварк-антикварк позволяват да се разбере защо единичните кварки изобщо не се наблюдават и не могат да бъдат наблюдавани в природата. Кварките остават завинаги в капан в адроните. Това явление на неизхвърляне на кварки се нарича задържане. При високи енергии може да е по-изгодно снопът да се счупи наведнъж на много места, образувайки набор от $q \tilde q$-двойки. По този начин подходихме към проблема с многоплодието. двойки кварк-антикварки образуването на твърди кваркови струи.

Нека първо разгледаме структурата на леките адрони, тоест мезоните. Те се състоят, както вече казахме, от един кварк и един антикварк.

Изключително важно е и двамата партньори на двойката да имат еднакъв цветен заряд и един и същ анти-заряд (например син кварк и анти-син антикварк), така че тяхната двойка, независимо от ароматите на кварка, да няма цвят (и наблюдаваме само безцветни частици).

Всички кварки и антикварки имат спин (в части от ч) равно на 1/2. Следователно общият спин на комбинацията от кварк с антикварк е или 0, когато спиновете са антипаралелни, или 1, когато спиновете са успоредни един на друг. Но спинът на една частица може да бъде по-голям от 1, ако самите кварки се въртят по някои орбити вътре в частицата.

В табл. Фигура 3 показва някои сдвоени и по-сложни комбинации от кварки с указание на кои известни преди това адрони съответства тази комбинация от кварки.

От най-добре проучените в момента мезони и мезонни резонанси, най-голямата група се състои от леки неароматни частици, чиито квантови числа С = ° С = б= 0. Тази група включва около 40 частици. Таблица 3 започва с пиони $\pi$ ±,0, открити от английския физик S.F. Пауъл през 1949 г. Заредените пиони живеят около 10 -8 s, разпадайки се на лептони по следните схеми:

$\pi^+ \to \mu + \nu_(\mu)$ и $\pi^- \to \mu^- + \tilde \nu_(\mu)$.

Техните "роднини" в табл. 3 - резонанси $\rho$ ±,0 (rho мезони) за разлика от пионите имат спин Дж= 1, те са нестабилни и живеят само около 10 -23 s. Причината за разпадането $\rho$ ±,0 е силното взаимодействие.

Причината за разпадането на заредените пиони се дължи на слабото взаимодействие, а именно на факта, че кварките, които изграждат частицата, могат да излъчват и поглъщат в резултат на слабото взаимодействие за кратко време. Tв съответствие с релацията (4), виртуални калибровъчни бозони: $u \to d + W^+$ или $d \to u + W^-$, и за разлика от лептоните има и преходи на кварк от едно поколение към кварк от друго поколение, например $u \to b + W^+$ или $u \to s + W^+$ и т.н., въпреки че такива преходи са много по-редки от преходите в рамките на едно поколение. В същото време по време на всички такива трансформации електрическият заряд в реакцията се запазва.

Изследването на мезоните, включително с- и ° С-кварки, доведе до откриването на няколко десетки странни и очаровани частици. Техните изследвания сега се провеждат в много научни центрове по света.

Изследването на мезоните, включително b- и T-кварки, започнаха интензивно на ускорителите и засега няма да говорим по-подробно за тях.

Нека да преминем към разглеждането на тежките адрони, тоест бариони. Всички те са съставени от три кварка, но тези, които имат и трите цвята, тъй като, подобно на мезоните, всички бариони са безцветни. Кварките вътре в барионите могат да имат орбитално движение. В този случай общият спин на частицата ще надвишава общия спин на кварките, равен на 1/2 или 3/2 (ако спиновете и на трите кварка са успоредни един на друг).

Барионът с минимална маса е протонът стр(виж таблица 3). Именно от протони и неутрони се състоят всички атомни ядра на химичните елементи. Броят на протоните в ядрото определя общия му електрически заряд З.

Другата основна частица в атомните ядра е неутронът. н. Неутронът е малко по-тежък от протона, нестабилен е и в свободно състояние с време на живот около 900 s се разпада на протон, електрон и неутрино. В табл. 3 показва кварковото състояние на протона uudи неутрон udd. Но със завъртането на тази комбинация от кварки Дж= 3/2 се формират съответно резонансите $\Delta^+$ и $D^0$. Всички останали бариони са съставени от по-тежки кварки с, b, T, и имат много по-голяма маса. Сред тях особен интерес беше У- -хиперон, състоящ се от три странни кварка. За първи път е открит на хартия, тоест чрез изчисления, използвайки идеите за кварковата структура на барионите. Всички основни свойства на тази частица бяха предсказани и след това потвърдени от експерименти.

Много експериментално наблюдавани факти сега говорят убедително за съществуването на кварки. По-специално, става дума за откриването на нов процес в реакцията на сблъсък на електрони и позитрони, водещ до образуването на кварк-антикваркови струи. Схемата на този процес е показана на фиг. 4. Експериментът е проведен на колайдери в Германия и САЩ. Стрелките показват посоките на лъчите на фигурата д+ и д- , и от мястото на сблъсъка им се излъчва кварк ри антикварк $\tilde q$ под зенитен ъгъл $\Theta$ спрямо посоката на полета д+ и д- . Тази двойка $q+\tilde q$ се получава в реакцията

$$e^+ + e^- \to \gamma_(virt) \to q + \tilde q$$

Както вече казахме, турникет от силови линии (по-често казват струна) се разпада на компонентите си с достатъчно голямо напрежение.
При високи енергии на кварка и антикварка, както споменахме по-рано, струната се къса на много места, в резултат на което се образуват два тесни снопа от вторични безцветни частици в двете посоки по линията на полета на q кварка и антикварка, т.к. показано на фиг. 4. Такива снопове от частици се наричат ​​джетове. Много често в експеримента се наблюдава образуването на три, четири или повече струи от частици едновременно.

В експерименти, проведени при енергии на суперускорение в космическите лъчи, в които участва и авторът на тази статия, бяха получени снимки, така да се каже, на процеса на образуване на много струи. Факт е, че въже или струна е едномерна и следователно центровете на образуване на три, четири или повече струи също са разположени по права линия.

Теорията, описваща силните взаимодействия, се нарича квантова хромодинамикаили съкратено КХД. Тя е много по-сложна от теорията за електрослабите взаимодействия. КХД е особено успешна при описването на така наречените твърди процеси, тоест процесите на взаимодействие на частиците с голям трансфер на импулс между частиците. Въпреки че създаването на теорията все още не е завършено, много физици теоретични вече са заети със създаването на "голямото обединение" - обединяването на квантовата хромодинамика и теорията за електрослабото взаимодействие в една теория.

В заключение, нека се спрем накратко на това дали шест лептона и 18 многоцветни кварка (и техните античастици), както и кванти на фундаментални полета, изчерпват фотона, У ± -, З 0-бозони, осем глуона и накрая кванти на гравитационното поле - гравитони - целият арсенал от наистина елементарни, по-точно фундаментални частици. Очевидно не. Най-вероятно описаните картини на частици и полета са само отражение на сегашните ни познания. Не напразно вече има много теоретични идеи, в които се въвеждат голяма група от така наречените суперсиметрични частици, октет от свръхтежки кварки и много други.

Очевидно съвременната физика все още е далеч от изграждането на пълна теория на частиците. Може би великият физик Алберт Айнщайн е бил прав, вярвайки, че само вземането под внимание на гравитацията, въпреки сега изглеждащата й малка роля в микрокосмоса, ще позволи изграждането на строга теория на частиците. Но всичко това е вече в 21 век или дори по-късно.

Литература

1. Окун Л.Б. Физика на елементарните частици. Москва: Наука, 1988.

2. Кобзарев И.Ю. Лауреати на Нобелова награда за 1979 г.: С. Вайнберг, С. Глашоу, А. Салам // Природа. 1980. N 1. С. 84.

3. Зелдович Я.Б. Класификация на елементарни частици и кварки в презентацията за пешеходци // Uspekhi nat. науки. 1965. Т. 8. С. 303.

4. Крайнов В.П. Отношение на несигурност за енергия и време // Сорос Образователен вестник. 1998. N 5. С. 77-82.

5. I. Nambu, "Защо няма свободни кварки", Usp. Phys. науки. 1978. Т. 124. С. 146.

6. Жданов Г.Б., Максименко В.М., Славатински С.А. Експеримент "Памир" // Природа. 1984. № 11. С. 24

Рецензент на статиятаЛ.И. Саричев

С. А. СлаватинскиМосковски физико-технологичен институт, Долгопрудни, Московска област